L'importanza di un'elevata costante dielettrica negli Ultracondensatori monostrato

Un dielettrico è qualsiasi isolante elettrico in grado di essere polarizzato da un campo elettrico. Sotto l'influenza di un campo elettrico, la distribuzione della carica nel dielettrico cambia in modo che le cariche positive si allineino al campo.

Raccolta dell'energia dei pannelli solari è una tecnologia consolidata. Tuttavia, sebbene i prezzi siano calati enormemente nell'ultimo decennio, vi sono diverse sfide che ne ostacolano la crescita. Una di queste è l'infrastruttura di rete, mal equipaggiata per far fronte alla variabilità delle fonti di energia rinnovabile come l'energia eolica e solare, e l'altra è lo stoccaggio. Sebbene esistano diverse soluzioni di stoccaggio, come batterie, condensatori elettrolitici e sistemi di stoccaggio meccanico, tutte hanno delle carenze.

Qui vedremo come un recente sviluppo di dispositivi di accumulo di energia a stato solido a singolo strato (SSESD) offre una soluzione. Il SSESD incorpora un dielettrico ad alta permittività con una costante dielettrica dell'ordine di 16 milioni.

Dielettrico

Un dielettrico è qualsiasi isolante elettrico in grado di essere polarizzato da un campo elettrico. Sotto l'influenza di un campo elettrico, la distribuzione della carica nel dielettrico cambia in modo che le cariche positive si allineino al campo. I tre meccanismi primari di polarizzazione sono:

  • Polarizzazione ionica dove gli ioni positivi fluiscono con il campo e gli ioni negativi fluiscono contro il campo.
  • Polarizzazione orientativa in cui il dielettrico contiene materiali con un momento di dipolo permanente, in altre parole, le molecole hanno una distribuzione di carica non uniforme.
  • polarizzazione dell'interfaccia, dove le cariche mobili libere all'interno del materiale migrano verso l'interfaccia dielettrico / elettrodo; le cariche positive si spostano verso l'elettrodo negativo e le cariche positive verso l'elettrodo negativo.

Condensatori

Nella sua forma più semplice, un condensatore è costituito da uno strato dielettrico inserito tra due conduttori. L'applicazione di una tensione attraverso i conduttori crea un campo elettrico. La costante dielettrica o permittività (K) del dielettrico è il rapporto tra il campo senza dielettrico (Eo) e il campo con il dielettrico (E).

K = Eo/E

Nel condensatore a strato singolo descritto, quando viene applicata una tensione (V) attraverso i conduttori, nel condensatore viene indotta una carica (Q). Il rapporto tra la tensione e la carica è definito come la capacità (C) del condensatore.  

C = Q/V

La quantità di carica immagazzinata dipende dall'area (A) dei conduttori, dalla separazione (d) tra loro e dalla costante dielettrica.

C = K(A/d)

Quindi, per condensatori di identiche dimensioni, più alto è il valore di K, maggiore è la quantità di carica che può essere immagazzinata.

L'energia elettrica potenziale (E) immagazzinata in un condensatore carico è una funzione della capacità (C), la tensione (V) attraverso gli elettrodi. E' equivalente al lavoro svolto con la tariffazione e può essere espresso da:

E = ½ CV2

Densità di potenza

La densità di potenza di un condensatore è la quantità di potenza che può produrre per un dato volume. Ad esempio, i condensatori hanno una densità di potenza maggiore rispetto alle batterie in quanto sono in grado di fornire energia molto più velocemente di quanto possano fare le batterie. Un piccolo condensatore può avere una densità di potenza molto più alta di una batteria di grandi dimensioni, anche se una batteria può avere una densità di energia più alta. In altre parole, la potenza è il tasso di utilizzo dell'energia. La densità di potenza di un condensatore è solitamente espressa come energia potenziale per grammo o per unità di volume.

Così come i condensatori possono fornire potenza molto più rapidamente, possono anche ricaricarsi molto più rapidamente. Torneremo più tardi alla densità di potenza in relazione all'accumulo di energia dei pannelli solari, ma prima, torneremo ad altri tipi di condensatori, vale a dire gli ultracondensatori.

Ultracondensatori

Come abbiamo detto, più alta è la costante dielettrica, maggiore è la quantità di carica che può essere immagazzinata. La prima generazione di supercondensatori si basava sull'aumento della capacità mediante l'introduzione di un elettrolita. Tipicamente, questi sono costituiti da un anodo su cui si deposita un sottile strato dielettrico, un elettrolita e un catodo. L'elettrolita forma il vero catodo. Quando polarizzati, gli ioni nell'elettrolita formano doppi strati con ioni negativi attratti dall'elettrodo positivo.

Rispetto ai condensatori convenzionali, gli ultracondensatori elettrolitici hanno una densità di potenza molto più elevata. Un inconveniente, tuttavia, è che possono resistere solo a basse tensioni prima di rompersi. Inoltre, i progressi nel loro sviluppo sono rallentati.

In genere, la densità di potenza più elevata che si può ottenere con questo tipo di ultracondensatori è di circa 15 kW/kg.

Dispositivi di accumulo di energia a stato solido a singolo strato

A differenza degli ultracondensatori elettrolitici, gli ultracondensatori a stato solido non utilizzano un elettrolita. Invece, incorporano un dielettrico solido con una costante dielettrica estremamente elevata. Con riferimento alle equazioni sopra riportate, l'energia potenziale del condensatore è direttamente proporzionale alla costante dielettrica. Così, incorporando un super-dielettrico con una costante dielettrica dell'ordine di 106 condensatori con densità di potenza estremamente elevate possono essere costruiti.

Abbiamo sviluppato un tale dielettrico. La sua costante dielettrica di 16 milioni è il valore più alto mai registrato. Tipicamente una pila di 6.000 strati di 400 cm2 e una tensione di carica di 600 V fornirebbe 85 kWh e una densità di potenza di 7,78 kW/kg.

Tempo di carica

Un enorme vantaggio dell'SSESD rispetto agli ultracondensatori elettrolitici è il tempo di carica. Il tempo di carica è regolato dalla tensione di alimentazione e dalla resistenza di serie equivalente (ESR) del condensatore. La VES è complessa e determinata da una serie di fattori, tra cui i materiali utilizzati e la costruzione meccanica. In un ultracondensatore convenzionale, l'ESR è relativamente alto, anche se gli ultracondensatori di tipo polimerico possono essere costruiti con un ESR inferiore, ma comunque sostanzialmente superiore all'SSESD. I tempi di carica tipici vanno da 1 a 10 secondi.

Nel caso del nostro SSESD, la carica viene memorizzata sull'interfaccia dielettrico/metallo. La VES consente di ottenere tempi di ricarica molto più bassi e rapidi. Attualmente, stiamo assistendo a tempi di ricarica per diversi strati di meno di un secondo.

Energia solare

L'obiettivo attuale per le energie rinnovabili è quello di ricavare un terzo dell'energia totale da fonti rinnovabili entro il 2020. Potremmo essere ben lungi dal raggiungere tale obiettivo, a meno che non vengano sviluppate tecnologie migliori.

La conversione dell'energia solare in energia elettrica è una tecnologia consolidata e i parchi solari sono uno spettacolo comune in tutto il mondo. Mentre ci sono vari modi per convertire la luce solare in energia elettrica, i più comuni sono gli impianti solari termici e fotovoltaici.

  • Gli impianti solari termici concentrano la radiazione solare utilizzando lenti e specchi e utilizzano il calore per azionare le turbine a vapore.
  • Il fotovoltaico sfrutta il fenomeno che quando i semiconduttori assorbono fotoni di una certa frequenza l'energia eccita elettroni dalla valenza nella banda di conduzione lasciando dei fori nella banda di valenza. La cella fotovoltaica è costituita da una giunzione PN, quindi gli elettroni si spostano verso il lato N e i fori verso il lato P. Quando si forma un circuito tra i due lati, la corrente elettrica fluisce e può essere utilizzata per alimentare un carico.

Qui il nostro focus è sul fotovoltaico e su come, in combinazione con gli ultracondensatori e in particolare con l'SSESD, forniscono una soluzione ottimale per la produzione di energia rinnovabile.

Sfide per la produzione di energia solare

In gran parte del mondo, l'energia solare può dare un grande contributo alla rete, ma permangono problemi significativi. L'energia solare è intermittente; quando il sole splende l'energia solare può contribuire alla rete, ma quando appare una nuvola il contributo si riduce notevolmente. Questo effetto on/off può portare all'instabilità della rete e, per superarla, sono spesso necessarie fonti di energia alternative per intervenire quando i livelli di energia solare diminuiscono.

Per evitare ciò è necessaria una qualche forma di accumulo di energia per uniformare la fornitura. Sono possibili varie soluzioni, tra cui batterie agli ioni di litio e piombo-acido, volani, condensatori elettrolitici e ultracondensatori. Tuttavia, considerazioni energetiche specifiche suggeriscono che solo le batterie agli ioni di litio, i volani e gli ultracondensatori sono opzioni realistiche.

Un'altra considerazione è la vita. Almeno 10.000 cicli più una durata minima di 10 anni è un requisito tipico. Questo elimina le batterie agli ioni di litio lasciando solo volani e ultracondensatori. Un problema dei volani è che devono essere costruiti nel sottosuolo e richiedono ingenti investimenti, mentre gli ultracondensatori sono una soluzione molto più semplice. Inoltre, gli ultracondensatori non hanno parti mobili e richiedono pochissima manutenzione.

SSESD per la raccolta dell'energia dei pannelli solari

Come abbiamo dimostrato, SSESD con elevate costanti dielettriche offre molti vantaggi rispetto agli ultracondensatori convenzionali. Offrono densità di potenza migliori, tariffe di carica più elevate e hanno un potenziale vantaggio in termini di costi. L'integrazione con i pannelli solari è facile e fornisce una soluzione immediata all'intermittenza dell'energia solare anche a livello di pannello.

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UltraCap Energy Ltd.

UltraCap Energy Ltd è stata costituita con l'obiettivo di sviluppare dispositivi di accumulo di energia ecologica o "batterie". Ora, sviluppati al 60%, questi dispositivi rivoluzionerebbero il modo in cui l'energia elettrica viene immagazzinata e trasportata. Con soli 4 minuti di ricarica, un veicolo elettrico che utilizza la nostra batteria sarebbe in grado di guidare fino a 480 chilometri di distanza, superando l'attuale carica lenta delle batterie agli ioni di litio.

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