O que é armazenamento de energia com supercapacitores e suas áreas de aplicação?
2024-12-27
O armazenamento de energia em supercapacitores refere-se à tecnologia de armazenar energia elétrica usando capacitores. O mecanismo de armazenamento de energia em supercapacitores é a capacitância de dupla camada e a capacitância de Faraday. Sua principal forma é o armazenamento de energia em supercapacitores. O dispositivo de armazenamento de energia em supercapacitores é composto principalmente por um conjunto de supercapacitores, um conversor bidirecional DC/DC e um circuito de controle correspondente. Seu núcleo técnico reside na topologia de compartilhamento de voltagem e na estratégia de controle dentro do conjunto de supercapacitores e na topologia e estratégia de controle do conversor bidirecional DC/DC.
O armazenamento de energia em supercapacitores tem sido amplamente utilizado em veículos elétricos, armazenamento de energia em geração de energia eólica e solar, regulação de qualidade de energia em sistemas de energia, fontes de energia de pulso, etc.
Introdução à tecnologia de supercapacitores
O mecanismo de armazenamento de energia em supercapacitores é a capacitância de dupla camada e a capacitância de Faraday. Sua principal forma é o armazenamento de energia em supercapacitores. O armazenamento de energia em supercapacitores é um novo tipo de dispositivo de armazenamento de energia eletroquímica, situado entre os capacitores tradicionais e as baterias. Comparado aos capacitores tradicionais, ele possui uma maior densidade de energia, e a capacidade eletrostática pode atingir milhares de farads até dez mil farads; em comparação com as baterias, ele tem uma maior densidade de potência e uma vida útil de ciclo ultra longa. Portanto, possui as vantagens tanto dos capacitores tradicionais quanto das baterias, sendo uma fonte de energia química com amplas perspectivas de aplicação. Ele utiliza principalmente a dupla camada formada pela separação de carga na interface eletrodo/eletrolito, ou o "quase-capacitor" de Faraday gerado pela rápida reação de oxirredução na superfície do eletrodo e internamente para realizar o armazenamento de carga e energia.
Portanto, o armazenamento de energia em supercapacitores possui as características de velocidade de carregamento rápida, bom desempenho de descarga em alta corrente, vida útil de ciclo ultra longa e ampla temperatura de operação. O dispositivo de armazenamento de energia em supercapacitores é composto principalmente por um conjunto de supercapacitores, um conversor bidirecional DC/DC e um circuito de controle correspondente.
Classificação do armazenamento de energia em supercapacitores
Armazenamento de energia em supercapacitores de dupla camada
É gerado pelo confronto de cargas causado pelo arranjo direcional de elétrons ou íons na interface eletrodo/solução. Para um sistema eletrodo/solução, uma dupla camada será formada na interface do eletrodo condutor de elétrons e a solução eletrolítica condutora de íons. Quando um campo elétrico é aplicado aos dois eletrodos, os ânions e cátions na solução migram para os eletrodos positivo e negativo, respectivamente, formando uma camada dupla na superfície do eletrodo; depois que o campo elétrico é removido, as cargas positivas e negativas nos eletrodos atraem os íons de carga oposta na solução para estabilizar a camada dupla, gerando uma diferença de potencial relativamente estável entre os eletrodos positivo e negativo.
Nesse momento, para um determinado eletrodo, uma carga de íons oposta igual à carga no eletrodo será gerada dentro de uma certa distância (camada de dispersão), de modo que permaneça eletricamente neutra; quando os dois polos são conectados a um circuito externo, a carga no eletrodo migra e gera uma corrente no circuito externo, e os íons na solução migram para a solução para se neutralizar eletricamente, que é o princípio de carregamento e descarregamento do armazenamento de energia em supercapacitores de dupla camada.
Pseudocapacitor de Faraday
O modelo teórico foi proposto pela primeira vez por Conway. Ele afirma que o material eletroativo é depositado a um subpotencial na superfície do eletrodo e próximo à superfície ou na fase volumétrica em um espaço bidimensional ou quase bidimensional, ocorrendo reações de adsorção e dessorção químicas altamente reversíveis e reações redox, gerando uma capacitância relacionada ao potencial de carga do eletrodo.
Para o pseudocapacitor de Faraday, o processo de armazenamento de carga inclui não apenas o armazenamento na camada elétrica dupla, mas também a reação redox entre os íons do eletrólito e o material ativo do eletrodo. Quando os íons no eletrólito (como H+, OH-, K+ ou Li+) se difundem da solução para a interface eletrodo/solução sob a ação de um campo elétrico externo, eles entram na fase volumétrica do óxido ativo na superfície do eletrodo por meio da reação redox na interface, de modo que uma grande quantidade de carga é armazenada no eletrodo. Durante a descarga, esses íons que entraram no óxido retornarão ao eletrólito por meio da reação reversa da reação redox mencionada acima, e a carga armazenada será liberada através do circuito externo. Este é o mecanismo de carregamento e descarregamento do pseudocapacitor de Faraday.
Campos de aplicação do armazenamento de energia em supercapacitores
Os sistemas de armazenamento de energia em supercapacitores têm sido amplamente utilizados em veículos elétricos, armazenamento de geração de energia eólica e solar, regulação da qualidade de energia em sistemas de energia, fontes de alimentação de pulso, etc.
Aplicação em veículos elétricos
O armazenamento de energia em supercapacitores é utilizado em veículos elétricos híbridos. Como o veículo frequentemente precisa acelerar ou desacelerar durante a condução, o motor de aceleração exige uma grande corrente de partida, o que causará grandes danos tanto à bateria quanto à célula de combustível. Quando o veículo está desacelerando e freando, de acordo com pesquisas, a energia necessária para a frenagem representa 50% da energia consumida durante a condução. Se um dispositivo de armazenamento de energia em supercapacitores for adicionado para gerenciar a energia da aceleração e desaceleração do veículo, ele pode não apenas reduzir os danos à bateria ou célula de combustível no veículo elétrico, mas também recuperar o excesso de energia e estender a autonomia do veículo elétrico.
Aplicação na geração e armazenamento de energia solar e eólica
A energia solar e a energia eólica são as fontes de energia mais convenientes e limpas. Atualmente, as baterias são amplamente utilizadas como dispositivos de armazenamento ou buffer de energia. O maior problema é que os custos de operação e manutenção são elevados e a vida útil é curta. O armazenamento de energia em supercapacitores possui as características de ciclos de carga e descarga superiores a dezenas de milhares, sendo totalmente livre de manutenção e de alta confiabilidade, tornando-se uma tendência inevitável substituir o dispositivo de armazenamento de energia em supercapacitores pelo motor gerador de eixo de armazenamento, que converte energia mecânica em energia elétrica e descarrega a bateria recarregável. O armazenamento de energia em supercapacitores absorve energia quando o sol é forte ou o vento está forte durante o dia, e descarrega à noite ou quando o vento está fraco, mantendo o equilíbrio do sistema.
Aplicação no sistema de energia
A aplicação do sistema de armazenamento de energia em supercapacitores no sistema de energia atualmente é principalmente para regulação da qualidade da energia. No sistema de fornecimento de energia real, devido à ampla aplicação de cargas não lineares e ao início e parada súbitos de grandes motores, ocorrerá um aumento nas harmônicas de tensão da rede, distorção da forma de onda, queda de tensão e outros problemas, o que pode causar danos ao equipamento de fornecimento de energia que exige alta qualidade. Para melhorar a qualidade do fornecimento de energia, o sistema de armazenamento de energia em supercapacitores tem sido amplamente utilizado como um elemento de armazenamento de energia para melhorar a qualidade da energia. Ele é principalmente dividido em: restaurador dinâmico de tensão (DVR), compensador estático síncrono de distribuição (D-STATCOM), condicionador unificado de qualidade de energia (UPQR) e fonte de alimentação ininterrupta (UPS).
Aplicação em fornecimento de energia de pulso
Estações de base de comunicação móvel, sistemas de comunicação via satélite, sistemas de comunicação de rádio e equipamentos militares, especialmente os equipamentos de campo, não podem ser alimentados diretamente pela rede elétrica pública, mas precisam ser equipados com equipamentos de geração de energia e dispositivos de armazenamento de energia. No futuro, os sistemas de energia de pulso de novas armas conceituais, como armas a laser, armas de feixe de partículas, armas de micro-ondas e canhões eletromagnéticos, absorverão energia da rede elétrica por meio do sistema de carregamento. Por exemplo, lasers de energia média e armas de micro-ondas de alta potência exigem de 100kW a 500kW de energia de pulso e liberam energia de pulso em alta potência em milissegundos. A direção de pesquisa da tecnologia de fontes de energia de pulso geralmente busca como gerar maior potência de saída instantânea e melhorar a eficiência. O problema técnico central do fornecimento de energia de alta potência é estudar sistemas de armazenamento de energia de pulso com alta densidade de armazenamento de energia (kJ/kg) e alta densidade de potência (kW/kg). As características de alta densidade de potência de saída do armazenamento de energia em supercapacitores podem atender aos requisitos de potência desses sistemas.
Vantagens e Desvantagens do Armazenamento de Energia em Supercapacitores
As vantagens do armazenamento de energia em supercapacitores incluem alta velocidade de carga, alta densidade de potência, longa vida útil de ciclo, etc., mas a densidade de energia é relativamente baixa e não é adequada para armazenamento de energia de longo prazo. As baterias de armazenamento de energia possuem alta densidade de energia e podem armazenar energia por longos períodos, mas a velocidade de carga é relativamente lenta e há um limite de vida útil.
A relação entre o armazenamento de energia em supercapacitores e as baterias de armazenamento de energia
Embora o armazenamento de energia por supercapacitores e as baterias de armazenamento de energia sejam ambos dispositivos de armazenamento de energia, seus princípios de funcionamento e cenários de aplicação são significativamente diferentes. O armazenamento de energia por supercapacitores não é uma bateria de armazenamento de energia, mas um novo dispositivo de armazenamento de energia que fica entre os capacitores tradicionais e as baterias. Cada um possui suas próprias vantagens no campo do armazenamento de energia e pode se complementar mutuamente, promovendo conjuntamente o desenvolvimento da tecnologia de armazenamento de energia.
Em resumo, o armazenamento de energia por supercapacitores não pertence às baterias de armazenamento de energia. Existem diferenças óbvias em sua definição, princípio de funcionamento, cenários de aplicação, vantagens e desvantagens, etc. No campo do armazenamento de energia, tanto o armazenamento por supercapacitores quanto as baterias de armazenamento de energia desempenham papéis insubstituíveis e promovem conjuntamente o desenvolvimento e a aplicação de novas tecnologias de energia.
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O núcleo técnico do dispositivo de armazenamento de energia por supercapacitores reside na topologia de compartilhamento de voltagem e na estratégia de controle dentro do grupo de armazenamento de energia por supercapacitores, bem como na topologia e na estratégia de controle do conversor bidirecional DC/DC.
Conexão em série e paralela do armazenamento de energia por supercapacitores
A voltagem nominal de um supercapacitor é geralmente 2,3V, 2,5V ou 2,7V, o que é muito baixo em comparação com outros dispositivos de armazenamento de energia. Portanto, é necessário conectá-los em série para aumentar o nível de voltagem do grupo de armazenamento de energia por supercapacitores. De acordo com o princípio do circuito, a capacitância diminui conforme a voltagem aumenta. Na prática, para levar em conta os requisitos de nível de voltagem e capacidade, o armazenamento de energia por supercapacitores é geralmente conectado em série e paralelo para formar um grupo de armazenamento de energia por supercapacitores.
Circuitos comuns de equalização de voltagem em série para armazenamento de energia por supercapacitores
Os métodos de equalização de voltagem em série para o armazenamento de energia por supercapacitores podem ser divididos em duas categorias: uma é o método de consumo de energia através de dispositivos resistivos, como o método do regulador de voltagem e o método do resistor de chave; a outra é o método de transferência de energia através de dispositivos de armazenamento de energia, como o método do conversor DC/DC.
O método do tubo estabilizador de voltagem e o método do resistor de chave equilibram a voltagem do capacitor consumindo energia, o que inevitavelmente reduzirá a eficiência do sistema de armazenamento de energia por supercapacitores. Além disso, quando a corrente de carga do armazenamento de energia por supercapacitores for grande, será difícil atingir o requisito de balanceamento de voltagem utilizando o método do tubo estabilizador de voltagem ou o método do resistor de chave. Por um lado, o dispositivo resistivo de alta potência aumenta o volume e torna a instalação inconveniente. Por outro lado, o consumo de energia aumenta e a temperatura fica excessivamente alta, o que traz riscos de segurança para o sistema de armazenamento de energia e reduz a confiabilidade do sistema.
Além disso, o método do tubo estabilizador de voltagem e o método do resistor de chave podem alcançar o balanceamento de voltagem apenas durante o processo de carga, o que tem certas limitações. O método de balanceamento de voltagem por transferência de energia utiliza dispositivos de armazenamento de energia para balancear a voltagem, que é a direção atual de desenvolvimento da tecnologia de equalização de voltagem em série para o armazenamento de energia por supercapacitores.
Topologia do Conversor Bidirecional DC/DC
Como um elemento de armazenamento de energia, o supercapacitor é conectado ao sistema de rede elétrica através de um conversor conectado à rede. Existem duas maneiras de conectar o supercapacitor ao barramento DC do conversor conectado à rede: uma é conectar diretamente ao barramento DC do inversor; a outra é conectar ao barramento DC através de um conversor de potência.
Circuito de Controle de Carga do Armazenamento de Energia por Supercapacitores
O circuito principal é um inversor do tipo tensão com modo de conversão de energia AC/DC. Como há um circuito de armazenamento de energia com capacitor de grande capacidade entre o retificador e o circuito do inversor, e como a voltagem no capacitor não pode mudar repentinamente, na fase inicial de energização, o dispositivo do capacitor se comporta como um "curto-circuito", o que gera uma enorme corrente de carga de surto. Isso causará um grande impacto de corrente no módulo retificador e poderá danificá-lo, além de fazer com que o disjuntor a ar conectado ao lado de alimentação do inversor desarme devido ao sobrecorrente.
O método convencional de tratamento é conectar um resistor limitador de corrente de carga e um contator de carga (relé) em série entre o retificador e o circuito de armazenamento de energia do capacitor.
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