¿Qué es el almacenamiento de energía con supercondensadores y sus áreas de aplicación?
2024-12-27
El almacenamiento de energía en supercondensadores se refiere a la tecnología de almacenar energía eléctrica utilizando condensadores. El mecanismo del almacenamiento de energía en supercondensadores es la capacitancia de doble capa y la capacitancia de Faraday. Su forma principal es el almacenamiento de energía en supercondensadores. El dispositivo de almacenamiento de energía en supercondensadores está compuesto principalmente por un grupo de supercondensadores, un convertidor bidireccional DC/DC y un circuito de control correspondiente. Su núcleo técnico radica en la topología de distribución de voltaje y la estrategia de control dentro del grupo de supercondensadores y la topología y estrategia de control del convertidor bidireccional DC/DC.
El almacenamiento de energía en supercondensadores ha sido ampliamente utilizado en vehículos eléctricos, almacenamiento de energía en la generación de energía eólica y solar, regulación de la calidad de la energía en los sistemas de energía, fuentes de energía de pulso, etc.
Introducción a la tecnología de supercondensadores
El mecanismo del almacenamiento de energía en supercondensadores es la capacitancia de doble capa y la capacitancia de Faraday. Su forma principal es el almacenamiento de energía en supercondensadores. El almacenamiento de energía en supercondensadores es un nuevo tipo de dispositivo de almacenamiento de energía electroquímica que se encuentra entre los condensadores tradicionales y las baterías. En comparación con los condensadores tradicionales, tiene una mayor densidad de energía, y la capacidad electrostática puede alcanzar miles de faradios a diez mil faradios; en comparación con las baterías, tiene una mayor densidad de potencia y una vida útil ultra-larga de ciclos. Por lo tanto, tiene las ventajas tanto de los condensadores tradicionales como de las baterías, y es una fuente de energía química con amplias perspectivas de aplicación. Utiliza principalmente la doble capa formada por la separación de cargas en la interfaz entre el electrodo y el electrolito, o el "cuasi-condensador" de Faraday generado por la rápida reacción redox en la superficie y dentro del electrodo para realizar el almacenamiento de carga y energía.
Por lo tanto, el almacenamiento de energía en supercondensadores tiene las características de una velocidad de carga rápida, un buen rendimiento de descarga a alta corriente, una vida útil ultra-larga de ciclos y una amplia temperatura de funcionamiento. El dispositivo de almacenamiento de energía en supercondensadores está compuesto principalmente por un grupo de supercondensadores, un convertidor bidireccional DC/DC y un circuito de control correspondiente.
Clasificación del almacenamiento de energía en supercondensadores
El almacenamiento de energía en supercondensadores de doble capa
Se genera por la confrontación de cargas causada por la disposición direccional de electrones o iones en la interfaz electrodo/solución. Para un sistema electrodo/solución, se formará una doble capa en la interfaz entre el electrodo conductor de electrones y la solución electrolítica conductora de iones. Cuando se aplica un campo eléctrico a los dos electrodos, los aniones y cationes en la solución migran hacia los electrodos positivo y negativo respectivamente, formando una doble capa sobre la superficie del electrodo; después de que se elimina el campo eléctrico, las cargas positivas y negativas en los electrodos atraen los iones con carga opuesta en la solución para estabilizar la doble capa, generándose una diferencia de potencial relativamente estable entre los electrodos positivo y negativo.
En este momento, para un cierto electrodo, se generará una carga de iones opuestos igual a la carga en el electrodo dentro de una cierta distancia (capa de dispersión), de modo que se mantenga eléctricamente neutral; cuando los dos polos se conectan a un circuito externo, la carga en el electrodo migra y genera una corriente en el circuito externo, y los iones en la solución migran hacia la solución para neutralizarse eléctricamente, lo cual es el principio de carga y descarga del almacenamiento de energía en supercondensadores de doble capa.
Pseudocondensador de Faraday
El modelo teórico fue propuesto por primera vez por Conway. Este modelo sugiere que el material electroactivo se deposita a un potencial inferior en la superficie del electrodo y cerca de la superficie o en la fase volumétrica en un espacio bidimensional o cuasi-bidimensional, ocurriendo reacciones de adsorción y desorción químicas altamente reversibles, así como reacciones redox, produciendo una capacitancia relacionada con el potencial de carga del electrodo.
Para el pseudocondensador de Faraday, el proceso de almacenamiento de carga incluye no solo el almacenamiento en la doble capa eléctrica, sino también la reacción redox entre los iones del electrolito y el material activo del electrodo. Cuando los iones en el electrolito (como H+, OH-, K+ o Li+) se difunden desde la solución hacia la interfaz electrodo/solución bajo la acción de un campo eléctrico externo, entrarán en la fase volumétrica del óxido activo en la superficie del electrodo a través de la reacción redox en la interfaz, lo que permite almacenar una gran cantidad de carga en el electrodo. Durante la descarga, estos iones que ingresan al óxido regresarán al electrolito mediante la reacción inversa de la mencionada reacción redox, y la carga almacenada será liberada a través del circuito externo. Este es el mecanismo de carga y descarga del pseudocondensador de Faraday.
Campos de aplicación del almacenamiento de energía en supercondensadores
Los sistemas de almacenamiento de energía en supercondensadores se han utilizado ampliamente en vehículos eléctricos, almacenamiento de energía en la generación de energía eólica y solar, regulación de la calidad de la energía en los sistemas de energía, suministros de energía de pulso, etc.
Aplicación en vehículos eléctricos
El almacenamiento de energía en supercondensadores se utiliza en vehículos eléctricos híbridos. Dado que el vehículo a menudo necesita acelerar o desacelerar durante la conducción, el motor de aceleración requiere una gran corriente de arranque, lo que causará un gran daño tanto a la batería como a la célula de combustible. Cuando el vehículo está desacelerando y frenando, según investigaciones, la energía requerida para el frenado representa el 50% de la energía de conducción. Si se añade un dispositivo de almacenamiento de energía en supercondensadores para gestionar la energía de aceleración y desaceleración del vehículo, no solo se puede reducir el daño a la batería o la célula de combustible en el vehículo eléctrico, sino también recuperar la energía excedente y extender el alcance de conducción del vehículo eléctrico.
Aplicación en generación de energía eólica y solar y almacenamiento de energía
La energía solar y la energía eólica son las fuentes de energía más convenientes y limpias. Actualmente, las baterías se utilizan ampliamente como dispositivos de almacenamiento o de amortiguación de energía. El mayor problema es que los costos de operación y mantenimiento son altos y la vida útil es corta. El almacenamiento de energía en supercondensadores tiene las características de una vida útil de más de decenas de miles de ciclos de carga y descarga, sin mantenimiento completo y con alta fiabilidad, lo que convierte en una tendencia inevitable reemplazar el generador del motor del eje de almacenamiento por un dispositivo de almacenamiento de energía en supercondensadores que pueda generar energía mecánica, almacenar energía mecánica y descargarla mediante baterías recargables. El almacenamiento de energía en supercondensadores absorbe energía cuando el sol es suficiente o el viento es fuerte durante el día, y descarga por la noche o cuando el viento es débil para mantener el equilibrio del sistema.
Aplicación en sistemas de energía
La aplicación del sistema de almacenamiento de energía en supercondensadores en el sistema de energía se utiliza principalmente para la regulación de la calidad de la energía. En el sistema de suministro de energía actual, debido a la aplicación generalizada de cargas no lineales y al arranque y paro repentinos de grandes motores, los armónicos de voltaje de la red aumentarán, lo que provocará distorsión de la forma de onda, caídas de voltaje y otros problemas que pueden dañar los equipos de suministro de energía que requieren alta calidad. Para mejorar la calidad del suministro de energía, el sistema de almacenamiento de energía en supercondensadores ha sido ampliamente utilizado como un elemento de almacenamiento de energía para mejorar la calidad de la energía. Se divide principalmente en: restaurador dinámico de voltaje (DVR), compensador estático sincrónico de distribución (D-STATCOM), acondicionador unificado de calidad de energía (UPQR) y fuente de alimentación ininterrumpida (UPS).
Aplicación en fuentes de alimentación de potencia pulsada
Las estaciones base de comunicación móvil, los sistemas de comunicación por satélite, los sistemas de comunicación por radio y los equipos militares, especialmente los equipos de campo, no pueden ser alimentados directamente por la red eléctrica pública, sino que deben estar equipados con equipos de generación de energía y dispositivos de almacenamiento de energía. En el futuro, los sistemas de potencia de pulso de armas de nuevos conceptos, como las armas láser, las armas de haz de partículas, las armas de microondas y los cañones electromagnéticos, absorberán energía de la red eléctrica a través del sistema de carga. Por ejemplo, los láseres de energía media y las armas de microondas de alta potencia requieren de 100 kW a 500 kW de potencia de pulso y liberan la potencia de pulso a alta potencia en milisegundos. La dirección de la investigación en tecnología de fuentes de energía de pulso generalmente busca cómo generar una mayor potencia de salida instantánea y mejorar la eficiencia. El problema técnico clave del suministro de energía de alta potencia es estudiar sistemas de almacenamiento de energía de pulso con alta densidad de almacenamiento de energía (kJ/kg) y alta densidad de potencia (kW/kg). Las características de salida de alta densidad de potencia del almacenamiento de energía de supercondensadores pueden satisfacer los requisitos de potencia de estos sistemas.
Ventajas y desventajas del almacenamiento de energía en supercondensadores
Las ventajas del almacenamiento de energía en supercondensadores incluyen una velocidad de carga rápida, alta densidad de potencia, larga vida útil de ciclo, etc., pero la densidad de energía es relativamente baja y no es adecuado para almacenamiento de energía a largo plazo. Las baterías de almacenamiento de energía tienen una alta densidad de energía y pueden almacenar energía durante mucho tiempo, pero la velocidad de carga es relativamente lenta y tienen un límite en la vida útil.
La relación entre el almacenamiento de energía en supercondensadores y las baterías de almacenamiento de energía
Aunque el almacenamiento de energía en supercondensadores y las baterías de almacenamiento de energía son ambos dispositivos de almacenamiento de energía, sus principios de funcionamiento y escenarios de aplicación son significativamente diferentes. El almacenamiento de energía en supercondensadores no es una batería de almacenamiento de energía, sino un nuevo dispositivo de almacenamiento de energía que se encuentra entre los condensadores tradicionales y las baterías. Cada uno tiene sus propias ventajas en el campo del almacenamiento de energía y pueden complementarse entre sí y promover conjuntamente el desarrollo de la tecnología de almacenamiento de energía.
En resumen, el almacenamiento de energía en supercondensadores no pertenece a las baterías de almacenamiento de energía. Tienen diferencias obvias en definición, principio de funcionamiento, escenarios de aplicación, ventajas y desventajas, etc. En el campo del almacenamiento de energía, tanto el almacenamiento de energía en supercondensadores como las baterías de almacenamiento de energía juegan un papel irremplazable y promueven conjuntamente el desarrollo y la aplicación de nuevas tecnologías energéticas.
Ruta técnica del almacenamiento de energía en supercondensadores
El núcleo técnico del dispositivo de almacenamiento de energía en supercondensadores radica en la topología de reparto de voltaje y la estrategia de control dentro del grupo de almacenamiento de energía en supercondensadores, así como en la topología y la estrategia de control del convertidor bidireccional DC/DC.
Conexión en serie y paralelo del almacenamiento de energía en supercondensadores
El voltaje nominal de un supercondensador es generalmente 2.3V, 2.5V o 2.7V, lo que es muy bajo en comparación con otros dispositivos de almacenamiento de energía. Por lo tanto, es necesario conectarlos en serie para aumentar el nivel de voltaje del grupo de almacenamiento de energía en supercondensadores. Según el principio del circuito, la capacitancia es más pequeña a medida que aumenta. En el uso real, para tener en cuenta los requisitos de nivel de voltaje y capacidad, el almacenamiento de energía en supercondensadores generalmente se conecta en serie y paralelo para formar un grupo de almacenamiento de energía en supercondensadores.
Circuitos de igualación de voltaje en serie comúnmente utilizados para el almacenamiento de energía en supercondensadores.
Los métodos de igualación de voltaje en serie para el almacenamiento de energía en supercondensadores se pueden dividir en dos categorías: una es el método de consumo de energía mediante dispositivos resistivos, como el método del regulador de voltaje y el método del resistor conmutado; la otra es el método de transferencia de energía a través de dispositivos de almacenamiento de energía, como el método del convertidor DC/DC.
El método del tubo estabilizador de voltaje y el método del resistor conmutado logran el equilibrio de voltaje del condensador consumiendo energía, lo que inevitablemente reducirá la eficiencia del sistema de almacenamiento de energía en supercondensadores. Además, cuando la corriente de carga del almacenamiento de energía en supercondensadores es alta, será difícil lograr el requisito de equilibrio de voltaje utilizando el método del tubo estabilizador de voltaje o el método del resistor conmutado. Por un lado, el dispositivo resistivo de alta potencia aumenta el volumen y es inconveniente de instalar. Por otro lado, el consumo de energía aumenta y la temperatura es demasiado alta, lo que generará riesgos de seguridad para el sistema de almacenamiento de energía y reducirá la fiabilidad del sistema.
Además, el método del tubo estabilizador de voltaje y el método del resistor conmutado solo pueden lograr el equilibrio de voltaje durante el proceso de carga, lo que tiene ciertas limitaciones. El método de equilibrio de voltaje mediante transferencia de energía utiliza dispositivos de almacenamiento de energía para el equilibrio de voltaje, que es la dirección de desarrollo actual de la tecnología de equilibrio de voltaje en serie para el almacenamiento de energía en supercondensadores.
Topología del convertidor bidireccional DC/DC
Como elemento de almacenamiento de energía, se conecta al sistema de la red eléctrica a través de un convertidor conectado a la red. Existen dos formas de conectar el supercondensador al bus DC del convertidor conectado a la red: una es conectarlo directamente al bus DC del inversor; la otra es conectarlo al bus DC a través de un convertidor de potencia.
Circuito de control de carga de almacenamiento de energía en supercondensadores
El circuito principal es un inversor tipo voltaje con modo de conversión de energía AC/DC. Debido a que hay un circuito de almacenamiento de energía con un gran condensador entre el rectificador y el circuito inversor, y dado que el voltaje a través del condensador no puede cambiar repentinamente, en la etapa inicial de encendido, el dispositivo condensador es como un "corto circuito", lo que formará una gran corriente de carga de sobrecarga, lo que causará un gran impacto de corriente sobre el módulo rectificador y lo dañará, además de hacer que el interruptor de aire conectado al extremo de alimentación del inversor se dispare debido a sobrecorriente.
El método convencional de tratamiento es conectar un resistor limitador de corriente de carga y un contactor de carga (relé) en serie entre el rectificador y el circuito de almacenamiento de energía del condensador.
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