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In questa guida spieghiamo quali sono le caratteristiche di un supercondensatore e vediamo quali risultano essere i prezzi dei vari prodotti.
Chiamati con nomi differenti dai vari costruttori, i supercondensatori (nel seguito SC) costituiscono nuovi dispositivi per l’accumulo di energia, realizzati grazie ai progressi registrati in un campo apparentemente lontano, quale quello delle nanotecnologie. Essi trovano utilizzo in tutte le applicazioni che richiedono intense correnti per brevi intervalli di tempo e quindi, tra l’altro, in abbinamento a varie tipologie di sorgenti quali accumulatori, generatori eolici e solari, celle a combustibile. Ma non solo.
L’esigenza
Negli ultimi anni si è assistito ad un proliferare di applicazioni che necessitano per il proprio funzionamento d’intense correnti per brevi intervalli di tempo. Ciò implica che la sorgente di alimentazione sia in grado di far fronte alle esigenze dell’applicazione non solo in termini di energia ma anche di potenza. Per comprendere appieno il significato di questo fondamentale concetto, occorre considerare l’energia nella sua più intima essenza fisica: un modo atto a quantificare l’attitudine di un sistema a compiere lavoro. Tutti i sistemi, per compiere lavoro, necessitano dunque di energia tuttavia alcuni di essi ne richiedono intense quantità per brevi intervalli di tempo mentre altri quantità limitate per periodi prolungati. Entra così in gioco il concetto di potenza che definisce la quantità di energia utilizzata dall’applicazione (o fornita dalla sorgente) nell’unità di tempo. Maggiore è la potenza fruibile da una sorgente, più breve è il tempo entro il quale essa è in grado di somministrare una stessa quantità di energia. Spesso è necessario utilizzare un sistema di alimentazione che regoli il flusso di energia acquisendo quest’ultima dalla sorgente primaria e trasferendola al carico mediante forme d’onda di tensione e corrente che si addicono alle esigenze dell’applicazione in termini di potenza. Quando la tensione di alimentazione, come spesso accade, è fissata (si pensi alle autovetture nelle quali tutti gli equipaggiamenti sono alimentati al valore nominale di 12 o 24V), trasferire una certa quantità di energia in tempi sempre più brevi implica aumentare il corrispondente valore della corrente. Poiché quest’ultima equivale alla carica trasferita nell’unità di tempo, ecco che per produrre rapidamente correnti elevate è necessario disporre di un adeguato “serbatoio” di carica.
Le classiche soluzioni al problema prevedevano fino a poco tempo fa l’utilizzo di batterie e/o condensatori elettrolitici in alluminio. In entrambi i casi tuttavia, il risultato non era sempre soddisfacente. Le batterie sono in grado di accumulare alte quantità di energia che non possono essere però associate a potenze elevate: i tempi di carica e scarica tipici variano, infatti, tra 1 e 10 ore. Di converso i condensatori elettrolitici in alluminio esibiscono una discreta potenza abbinata a bassi livelli di energia: essi sono in grado di scaricare correnti estremamente intense ma la cui durata non supera qualche frazione di secondo.
Batterie e condensatori sono stati impiegati fino ad oggi con finalità differenti e si è sempre avvertita l’esigenza di un dispositivo in grado di colmare il notevole gap esistente tra essi.
Efficienza di accumulo
Quando peso ed ingombro costituiscono requisiti stringenti (ciò che accade per molte applicazioni), il miglior modo per valutare le performance di un dispositivo di accumulo è quello di riferirsi all’energia ed alla potenza specifiche intendendo con ciò energia accumulabile e potenza massima fruibile per ogni kg di massa del dispositivo. In questi termini energia e potenza costituiscono croce e delizia di ogni sistema: le batterie sono caratterizzate da elevate densità energetiche in J/kg ma da medio-basse densità di potenza in W/kg, mentre i condensatori presentano bassa energia ed alta potenza specifiche.
Per una fissata tensione V, l’energia accumulabile in un condensatore di capacità C è calcolabile come 0,5 CV^2 e può quindi essere aumentata aumentando la capacità. A tal fine è necessario diminuire il più possibile la distanza tra le armature ed aumentare la superficie di queste. Grazie ai progressi registrati nel campo delle tecnologie dei materiali (in particolare delle nanotecnologie), è stato possibile realizzare un materiale conduttivo, noto come carbone attivo, che presenta a livello microscopico una particolare struttura detta a “nanotubi” caratterizzata da una superficie specifica dell’ordine di 1000 mq al grammo. Gli SC sono strutturalmente simili ai condensatori elettrolitici. In essi gli elettrodi (in alluminio) sono ricoperti con polvere di carbone attivo (ciò che aumenta enormemente la superficie sulla quale si formeranno le coppie di cariche opposte in fase di carica) ed immersi in una soluzione elettrolitica. All’atto dell’applicazione di una differenza di potenziale, gli ioni dell’elettrolita, sotto l’azione del campo elettrico, si muovono verso le armature con carica opposta fino ad addossarsi in prossimità degli elettrodi. In tal modo lungo la superficie di confine tra elettrodo ed elettrolita (costituita dalle superfici dei nanotubi) vi saranno due strati di carica estremamente ravvicinati (la distanza è dell’ordine di 2÷5 miliardesimi di metro). L’elevata superficie disponibile, unita alla ridotta distanza tra le cariche, consente di ottenere capacità di qualche migliaio di Farad in dispositivi grandi appena quanto una lattina.
Struttura
Fisicamente il catodo è costituito dall’elettrolita che è assorbito da un opportuno supporto (carta, polimeri, fibre di vetro). Due sono le caratteristiche richieste ad un buon elettrolita: risultare elettrochimicamente inerte alla tensione applicata e presentare stabilità delle proprietà fisico-chimiche in un range termico il più ampio possibile. Per quanto attiene al primo punto l’utilizzo di sostanze acquose limita la tensione di cella a circa 1V, valore al quale si innesca un processo di elettrolisi con sviluppo di gas. I più recenti elettroliti, basati su composti organici avanzati, permettono di ottenere tensioni di cella fino a 2,5÷2,7 V.
In termini di intervallo termico i migliori elettroliti oggi presenti sul mercato sono in grado di lavorare tra -40°C e +70°C. L’elettrodo di contatto negativo (collettore) ed il contenitore sono realizzati in alluminio utilizzando geometrie molto simili a quelle dei condensatori elettrolitici. Una peculiarità degli SC è costituita dalla presenza di uno strato non conduttivo, detto separatore posto tra gli elettrodi. Lo scopo è quello di meglio indirizzare i percorsi ionici nell’elettrolita durante le fasi di carica e scarica, soprattutto ad elevate densità di corrente.
Comunemente i tre fogli costituenti l’anodo, il separatore ed il collettore vengono arrotolati a formare un cilindro il quale viene immerso nell’elettrolita ed incapsulato nel contenitore di alluminio. Una guarnizione di gomma sigilla il tutto assicurando l’isolamento tra i terminali e riducendo la diffusione dell’elettrolita verso l’esterno (ciò che causerebbe l’essiccamento del condensatore e l’incremento del valore della resistenza serie equivalente Esr).
Energetica
In termini di energia specifica in J/kg gli SC sono di poco inferiori alle batterie al piombo ma di contro ne sono di gran lunga superiori riguardo alla potenza specifica ossia in termini di velocità di rilascio/cattura dell’energia nel tempo. Questa significa che la risposta assicurata è molto rapida (in quanto basata unicamente sull’effetto elettrostatico). Il rendimento di un SC in termini di energia fornita/energia accumulata è dell’ordine del 90% (gran parte della perdita è dovuta al fatto che il condensatore deve necessariamente essere caricato attraverso una resistenza che dissipa energia) contro il 50% dei migliori accumulatori. Attualmente l’obiettivo primario dei costruttori è quello di aumentare il più possibile la tensione di cella. In questo contesto è da tenere presente che, in termini percentuali, un aumento della capacità causa un uguale aumento dell’energia accumulabile mentre aumentando la tensione si assiste ad un aumento circa doppio dell’energia (ad esempio un incremento della tensione del 10% conduce ad un incremento dell’energia accumulata del 20% circa). La tensione nominale di lavoro dei migliori SC attualmente prodotti varia tra 2,5 e 2,7V. Da ciò segue che affinché un sistema di accumulo basato su SC possa operare alla tensione nominale dell’applicazione, è necessario utilizzare più celle collegate tra esse in serie. É facilmente dimostrabile come, nonostante la conseguente diminuzione della capacità equivalente, tale metodo conduce – nel caso del collegamento di “N” celle uguali – ad un aumento di un fattore “N” dell’energia accumulata.
Voltage Balancing
In questi casi diviene critica l’uniformità della distribuzione della tensione sulle singole celle, problema noto come “voltage balancing”. Distribuzioni uniformi possono essere ottenute mediante dispositivi passivi o attivi. I primi, utilizzati per applicazioni nelle quali la corrente attraverso il condensatore si mantiene su livelli bassi per tempi prolungati, prevedono resistori di precisione connessi in parallelo ad ogni singola cella.
Il valore ohmico dipende dalla capacità della cella ed è dell’ordine dei 100000 secondi/Farad (il prodotto Ohm x Farad rappresenta un tempo in secondi). L’impiego di dispositivi elettronici attivi si attua, invece, quando la corrente attraverso il condensatore può assumere picchi elevati per brevi intervalli di tempo e deve quindi essere limitata. In questi casi il bilanciamento viene ottenuto mediante singoli circuiti di regolazione connessi in parallelo ad ogni cella. Ognuno di essi realizza essenzialmente un comparatore dotato al proprio interno di un preciso riferimento di tensione. Se il valore della tensione ai capi dell’SC supera la soglia stabilita, questo viene temporaneamente chiuso su un carico resistivo finché la scarica che ne consegue riporta la tensione al di sotto della soglia di guardia.
Carica e scarica
Negli SC l’energia è immagazzinata direttamente nel campo elettrico tra le armature senza alcuna reazione chimica, il che rende il processo di accumulo e rilascio altamente reversibile e con efficienza non influenzata dal numero di cicli di carica e scarica. Per lo stesso motivo, gli SC sono molto “tolleranti” nei riguardi del metodo di ricarica adottato: possono essere utilizzati profili del tutto arbitrari purché la tensione ai capi dell’elemento non superi mai quella nominale (unico accorgimento è dovuto alla resistenza interna particolarmente bassa la quale impone l’utilizzo di sorgenti auto-limitate in corrente). Possono essere “microciclati”, ossia sottoposti a cariche/scariche che coinvolgono il 5% o meno dell’energia accumulabile (condizione operativa questa che si verifica in molte applicazioni).
Uno dei fattori da tenere in considerazione in ogni dispositivo per l’accumulo di energia è la facilità con la quale il suo stato di carica può essere monitorato. Le caratteristiche degli SC mostrano una semplice relazione tra livello di tensione ai morsetti e condizione di carica, il motivo di ciò è dovuto essenzialmente al fatto che l’energia è accumulata nel campo elettrostatico. Ciò significa che la tensione misurata ai capi di un SC ne indica direttamente lo stato di carica (cosa che non sempre avviene, ad esempio, nel caso degli accumulatori).
In generale un SC può operare, per periodi limitati, a tensioni e temperature superiori a quelle nominali. Maggiore è la tensione alla quale opera la singola cella minore sarà la sua durata. Come regola generale, eventuali picchi di tensione impulsiva non devono superare il 110% della tensione nominale. La temperatura non dovrebbe mai superare i 70 °C e tale limite va tenuto in considerazione non solo durante il funzionamento del dispositivo, ma anche durante le eventuali fasi di saldatura dei suoi terminali ai circuiti esterni. Contrariamente ad altri dispositivi di accumulo, le fasi di carica-scarica non influiscono sensibilmente sulle attese di vita: in condizioni normali gli SC sopportano un numero di cicli dell’ordine del milione senza degrado apprezzabile delle caratteristiche (capacità, Esr…).
Osservano i data sheet dei costruttori è possibile rendersi conto di numerose altre prerogative presentate dagli SC, quali ad esempio: capacità di funzionare tra -40 e +70°C, totale assenza di manutenzione (che ne compensa nel tempo il costo iniziale), assenza di sostanza tossica da smaltire, possibilità di stoccaggi per lunghi periodi di tempo.
Poiché molte applicazioni, ne prevedono l’impiego su veicoli a trazione elettrica, l’ingombro, il peso e la resistenza alle vibrazioni divengono caratteristiche fondamentali. Il design del package e quello delle connessioni esterne sono quindi aspetti particolarmente curati dai costruttori. Geometria, volume e massa della singola cella devono essere definite per minimizzare peso ed ingombro, massimizzando nel contempo energia e potenza specifiche del package. Il design delle connessioni influenza la resistenza alle vibrazioni: la maggior parte degli SC vengono attualmente prodotti con terminali per saldatura o con terminali che consentono il fissaggio a vite del corpo direttamente alla barra (ciò che produce un contemporaneo miglioramento delle caratteristiche termiche). In ogni caso, visto che gli SC sono destinati a trattare correnti intense (seppur per tempi brevi) è di vitale importanza che la connessione offra sempre una resistenza quanto più bassa possibile.
Applicazioni
Qualsiasi sistema, che necessiti di immagazzinamento di energia e scarica veloce della stessa, è una potenziale applicazione per gli SC. Mediante batterie di SC è possibile evitare il continuo intervento di gruppi generatori o celle a combustibile nel caso di ripetuti transitori di potenza dell’impianto alimentato. Anche l’intrinseca discontinuità nel tempo dei generatori eolici e solari è un problema che può trarre utili vantaggi dall’utilizzo di SC caratterizzati, tra l’altro, da lunga vita e basso invecchiamento conseguente a ripetuti cicli di carica-scarica.
Driver di motori e sistemi per la regolazione di carichi rapidamente variabili in robotica sono solo alcuni esempi di possibili utilizzi in ambito industriale. Infine, piccoli SC sono già integrati per il mantenimento della memoria in molti dispositivi consumer quali fotocamere digitali e personal computer. Menzione a parte meritano, invece, le numerose applicazioni nel settore automotive.
Nel settore automotive gli SC risultano particolarmente adatti per i sistemi di distribuzione elettrica a più zone. In un’autovettura la batteria è quasi sempre collocata ad una certa distanza dai carichi, per cui la resistenza serie del collegamento si somma a quella della sorgente, ciò che costituisce un problema nel caso di applicazioni che richiedono correnti intense. D’altra parte, nelle moderne autovetture, applicazioni del genere sono sempre più numerose; si pensi ad esempio ai sistemi per il gonfiamento istantaneo degli airbag, a quelli per il preriscaldamento dei catalizzatori, ai regolatori di carichi rapidamente variabili quali sospensioni intelligenti, ed anche agli impianti hi fi car (la cui dinamica di riproduzione è fortemente influenzata, nei picchi, dal sistema d’alimentazione).
In tutti questi casi, uno o più SC possono essere installati nelle immediate vicinanze dell’applicazione affinché l’energia in essi accumulata possa far rapidamente fronte alle richieste istantanee del carico. Il fatto di poter essere rapidamente caricati e scaricati anche con correnti elevate fa sì che gli SC trovino applicazione nei cosiddetti freni rigenerativi. Le frenata di un veicolo ha lo scopo di diminuirne l’energia cinetica al valore desiderato. La differenza tra l’energia cinetica iniziale e quella finale del veicolo deve necessariamente trasformarsi in altra forma che normalmente è il calore sviluppato dai freni. Mediante l’impiego di SC tale energia, anziché essere dissipata in calore e persa, viene trasformata in energia elettrica che può essere nuovamente utilizzata alla ripartenza. Risulta essere stato stimato che, nel traffico cittadino, con cicli di guida caratterizzati da continue accelerazioni e frenate, questa tecnica conduce ad un aumento del rendimento fino al 20%. Lo stesso principio può essere applicato, con potenzialità ancora superiori, alla trazione elettrica su rotaia in ambito urbano ove le reti metropolitane sono spesso caratterizzate da stazioni contigue estremamente vicine che costringono i mezzi a continue fermate e ripartenze. Altre applicazioni vedono, infine, gli SC impiegati nei sistemi di avviamento capacitivo dei motori diesel e nel comando delle porte dei veicoli.
Supercondensatori più Venduti Online
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