【正文】 /kg 或 Wh/L。指單位質(zhì)量或單位體積的超級電容器在匹配負(fù)荷下產(chǎn)生電 /熱效應(yīng)各半時的放電功率。 （ 7） 等效串聯(lián)電阻 (ESR)。通常交流 ESR 比直流 ESR 小 ， 且隨溫度上升而減小。 （ 8） 漏電流。 （ 9） 使用壽命。因為此時可判斷為其壽命終了。超級電容器經(jīng)歷 1 次充電和放電 ， 稱為 1 次循環(huán)或叫 1 個周期。 超級電容器的工作原理 超級電容器是利用雙電層原理的電容器。當(dāng)兩極板間電勢低于電解液的氧化還原電極電位時，電解液界面上電荷不會脫離電解液，超級電容器為正常工作狀態(tài)（通常 為 3V以下），如電容器兩端電壓超過電解液的氧化還原電極電位時，電解液將分解，為非正常狀態(tài)。由此可以看出：超級電容器的充放電過程始終是物理過程，沒有化學(xué)反應(yīng)。 在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有兩個極板即正極和負(fù)極，當(dāng)外部電壓加到正負(fù)極板上時，負(fù)極板存儲負(fù)電荷而正極板存儲正電荷，兩個極板間有電勢差而形成一個電場，由于電場的作用，電極間和電解液的界面上形成相反的電荷，這種負(fù)電荷和正電荷在不同極之間的 接觸面上，以正負(fù)電荷之間極短間隙排列在相反的位置上，這個電荷分布層叫做雙電層。 超級電容器的應(yīng)用研究 7 如下圖 所示為雙電層超級電容器的結(jié)構(gòu)，由圖分析易知當(dāng)外部施加電壓時兩個電 極就有電勢差，為了平衡電場作用，電極與電解液的接觸面會產(chǎn)生穩(wěn)定而極性相反的電荷層，即形成了電容器的兩個正負(fù)電極。 圖 超級電容器原理圖 超級電容器的優(yōu)點 超級電容器的工作原理是物理過程，與傳統(tǒng)電化學(xué)蓄電池的原理不一樣，它結(jié)合了靜電電容和電池的優(yōu)點，總結(jié)起來有以下幾方面的優(yōu)點 ： (1)功率密度高。 (2)充放速度快。目前一種新型的超級電容器只需 200微秒即可完成充電。由于超級電容器在機理上充放電只是物理過程且具有可逆性，不像傳統(tǒng)蓄電池存儲能量是通過化學(xué)反應(yīng)完成的，理論上超級電容器的充放電次數(shù)是無限的，實際應(yīng)用中一般能達(dá)到 10 萬次以上。一般超級電容器的內(nèi)阻都非常小，一般只有幾毫歐，充放電時內(nèi)阻的能量損耗比較 小，大電流能量循環(huán)效率 90% 。超級電容器絕大部分電荷轉(zhuǎn)移都是在電極活性炭物質(zhì)的表面上進(jìn)行的，因此溫度對其正常工作影響較小，一般超級電容器的工作溫度為4080℃。超級電容器生產(chǎn)所需的材料都是對環(huán)境無污染的，在超級電容器工作的物理過程對環(huán)境也無影響 ； 而且超級電容器需要的維護(hù)較少，因此其可靠性高。超級電容器的電容值都比較大，目前超級電容器容值可達(dá)超級電容器的應(yīng)用研究 8 到上萬法拉級別，因此可以進(jìn)行大電流的充放電工作，因此非常適合應(yīng)用在一些需求大電流的場合。 超級電容器應(yīng)在標(biāo)稱電壓下使用。 由于 ESR 的存在，超級電容器不可應(yīng)用于高頻率充放電的電路中。單純的串聯(lián)會導(dǎo)致某個或幾個單體電容器因過壓而損壞，從而影響到整體性能。該項目完成了用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的 300Wh/1kW超級電容器儲能系統(tǒng)的研究開發(fā)工作。但從整體來看 ， 我國在超級電容器領(lǐng)域的研究與應(yīng)用水平明顯落后于世界先進(jìn)水平 國外 超級電容器 發(fā)展現(xiàn)狀 在超級電容器 的產(chǎn)業(yè)化上 ， 最早是 1987 年松下 /三菱與 1980 年 NEC/Tokin 的產(chǎn)品。20 世紀(jì) 90 年代 ， 俄羅斯 Econd 公司和 ELIT 生產(chǎn)了 SC 牌電化學(xué)電容器 ， 其標(biāo)稱電壓為 12～ 450V， 電容從 1F 至幾百 F， 適合于需要大功率啟動動力的場合。 kg1甚至幾十 kw美國能源部已對研制全密封超級電容器制定了目標(biāo)，其近期目標(biāo)為：功率密度達(dá)到 :500W kg1。 90 年代初，兩家俄羅斯公司 Econd 和 ELIT 開始銷售超級電容器，采用碳復(fù)合體及水系電解質(zhì)，額定電壓在12~45V，容量從 I 法拉到幾百法拉， RC 常數(shù)大約為 ，這些超級電容器適用于需要大功率的啟動動力的場合。 kg1。 最近日本的 EPCOS 公司也已開發(fā)出同類產(chǎn)品，準(zhǔn)備推向市場。 kg1，比功率 如今 ， 日本松下、 EPCOS、 NEC， 美國 Maxwell、 Powerstor、Evans， 法國 SAFT， 澳大利亞 CapΟ xx， 韓國 NESS 等公司在超級電容器方面的研究均非?；钴S。 附表 2 外國超級電容器技術(shù)現(xiàn)狀 超級電容器的應(yīng)用研究 11 3 超級電容器的應(yīng)用 超級電容器應(yīng)用概況 隨著超級電容器制造工藝和制備材料的不斷發(fā)展，可制造出容值很大等效串聯(lián)阻抗很小的超級電容器，越來越多的公司對超級電容器進(jìn)行研究也促進(jìn)了超級電容器在各個領(lǐng)域上的應(yīng)用。從小容量的特殊應(yīng)用到大規(guī)模的電力儲能應(yīng)用，從單獨作為儲能裝置到與蓄電池或燃料電池組成的混合儲能裝置，從傳統(tǒng)的工業(yè)到新能源產(chǎn)業(yè)，超級電容器都展示了其獨有的優(yōu)勢。超級電容器 在運輸業(yè)、工業(yè)、再生能源、軍事領(lǐng)域等充分發(fā)揮自身的優(yōu)點，得到了較好的應(yīng)用。太陽能發(fā)電分為光伏發(fā)電和光熱發(fā)電，其中光伏發(fā)電就是利用光伏電池將太陽能 直接轉(zhuǎn)化為電能。自從實用型多晶硅的光伏電池問世以來，世界上就便開始了太陽能光伏發(fā)電的應(yīng)用。在獨立運行系統(tǒng)中，儲能單元一般是必須有的，它能將由日照時發(fā)出的剩余電能儲存起來供日照不足或沒有日照時使用。國內(nèi)光伏能源系統(tǒng)仍主要是用在邊遠(yuǎn)的無電地區(qū)和城市 路燈、草坪燈、庭院燈、廣告牌等獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)。因此，在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中采用超級電容器組將使其并網(wǎng)發(fā)電更具有可行性。但是，風(fēng)能是一種隨機變化的能源，風(fēng)速變化會導(dǎo)致風(fēng)電機組輸出功率的波動，對電網(wǎng)的電能質(zhì)量 會產(chǎn)生影響。通過附加儲能設(shè)備，既可以調(diào)節(jié)無功功率、穩(wěn)定風(fēng)電場母線電壓，又能在較寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)有功功率。超級電容器因其具有數(shù)萬次以上的充放電循環(huán)壽命、大電流充放電特性，能夠適應(yīng)風(fēng)能的大電流波動，它能在白天陽光充足或風(fēng)力強勁的條件下吸收能量，在夜晚或風(fēng)力較弱時放電，從而能夠熨平風(fēng)電的波動，實現(xiàn)更有效的并網(wǎng)。通常超級電容器與鋰離子電池配合使用，二者完美結(jié)合形成了性能穩(wěn)定、節(jié)能環(huán)保的動力汽車電源，可用于混合動力汽車及純電動汽車。超級電容器在汽車減速、下坡、剎車時可快速回收并存儲能量，將汽車在運行時產(chǎn)生的多余的不規(guī)則的動力安全轉(zhuǎn)化為電池的充電能源，保護(hù)電池的安全穩(wěn)定運行；啟動或加速時，先由電池將能量轉(zhuǎn)移入超級電容器，超級電容器可在短時間內(nèi)提供所需的峰值能量。例如安凱客車的純電動客車、海馬并聯(lián)純電動轎車 Mpe 等車型采用了鋰離子 電池 /超級電容器動力體系；廈門金龍旗下的廈門金旅生產(chǎn)的 45輛油電混合動氣公交車采用了 720套全球領(lǐng)先的超級電容器廠商 —— 美國 MAXWELL超級電容器的應(yīng)用研究 13 公司的超級電容器模組，該 45 輛混合動力公交車于 2021 年下半年投入杭州運營，因節(jié)油效果明顯受到贊譽。 MAXWELL 公司預(yù)計，目前已有超過 150 輛混合動力巴士采用了該公司的超級電容器，到 2021 年底將達(dá)到 1000 輛以上。以往的電梯采用機械制動的方法，將這部分能量以熱的形式散發(fā)掉，這不但浪費，而且多余熱量使機房溫度升高，增加散熱的負(fù)擔(dān)和成本。 因此，在電梯設(shè)計、配置中最迫切需要解決的問題是要全面考慮節(jié)能措施。通過分析電梯系統(tǒng)的運動特性，我們可以發(fā)現(xiàn)節(jié)能的方向：電梯 在升降過程結(jié)束時，經(jīng)常會有制動剎車，產(chǎn)生巨大的制動電流，這是可以回收的；另外，在建筑高層，電梯和電梯使用者都具有很大的勢能，也可以進(jìn)行回收。 超級電容器還可以應(yīng)用于建筑領(lǐng)域的通風(fēng)、空調(diào)、給排水系統(tǒng)中，作為啟動裝置。 作為能源最大消耗者之一的港口機械設(shè)備，港口機械如場橋、岸橋中的吊具載運貨物上升時需要很大的能量，而下 降時自動產(chǎn)生的勢能很大，這部分勢能在傳統(tǒng)機械設(shè)備中沒有得到合理利用。通過采用超級電容器，能夠?qū)崿F(xiàn)上升過程中的制動能量回收，下降過程中的勢能回收。 總之，超級電容器能用于優(yōu)化主要的運動控制系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)性能，實現(xiàn)節(jié)超級電容器的應(yīng)用研究 14 能的目標(biāo)。儲能系統(tǒng)作為分布式發(fā)電系統(tǒng)必要的能量緩沖環(huán)節(jié)，因而其作用越來越重要。 2021 年，美國加利福尼亞州建造了 1 臺 450kW的超級電容器儲能裝置，用以減輕 950kW 風(fēng)力發(fā)電機組向電網(wǎng)輸送功率的波動。與傳統(tǒng)蓄電池相比，一方面超級電容器對于充放電電流沒有嚴(yán)格的限制，更加適合太陽能和風(fēng)能發(fā)電裝置電流波動范圍較大的特點，另一方面超級電容器的長壽命、免維修和環(huán)保德國特點能夠環(huán)保等特點能夠保證這些新型能源杜絕二次污染，并能長時間免維護(hù)地使用，成為真正的綠色能源。 由于超級電容器的使用維護(hù)要求極低，使用壽命可 達(dá) 10 年，這種新型的航空燈可以大大減輕日常維護(hù)工作地強度，并能保證長時間可靠工作。通過逆變器控制單元，可以調(diào)節(jié)超級電容器儲能系統(tǒng)向用戶及網(wǎng)絡(luò)提供的無功及有功，從而達(dá)到提高電能質(zhì)量的目的。在變電站或配電站的配電室中均配有相應(yīng)的直流 系統(tǒng) ， 用作分合閘操作、控制和保護(hù)的直流電源。 電容儲能式硅整流分合閘裝置由于結(jié)構(gòu)簡單、成本低、維護(hù)量小而在當(dāng)時得到廣泛應(yīng)用 ， 但是在實際使用中卻存在一個致命缺陷 ： 事故分合閘的可靠性差。 由蓄電池構(gòu)成的直流屏雖然能存儲很大的電能 ， 在一些重要的變、配電站中成為必需裝置 ， 但由于其運營成本極高、使用壽命不長 ， 因此這些裝置只能用于110kV 級別的變電站 ， 難以推廣使用。如用 2 只 ， 240/280V 的超級電容器并聯(lián)后就可完全替代笨重的、需要經(jīng)常維護(hù)的、且有污染的蓄電池組。 用于動態(tài)電壓跌落裝置 盡管很多用戶選擇不間斷電源 (UPS)作為電網(wǎng)斷電或電網(wǎng)電壓瞬時跌落時設(shè)備電源的補救裝置 ， 但對于電壓瞬時跌落而言 ， UPS 顯得有些大材小用 。而電力系統(tǒng)電壓跌落的持續(xù)時間往往很短 (10ms～ 60s)， 因此在這種情況下使用超級電容器的優(yōu)勢比 UPS明顯 ：其輸出電流可以幾乎沒有延時地上升到數(shù)百安 ， 而且充電速度快 ， 可以在數(shù)分鐘內(nèi)實現(xiàn)能量存儲 ， 便于下次電源故障時起用。在新加坡 ， ABB 公司生產(chǎn)的利用 超級電容器儲能的動態(tài)電壓恢復(fù)裝置 (DVR)安裝在 4MW 的半導(dǎo)體工廠 ， 以實現(xiàn) 160ms 的低電壓跨越。據(jù)報道，我國東北地區(qū)進(jìn)行的軍事演習(xí)中，由于愛用了超級電容器作為軍車的低溫啟動電源，軍車的高寒作戰(zhàn)能力大大提高，在 — 25℃以下的低溫條件下，仍然保持了較好的機動能力。它能夠快速連續(xù)地提供容性和超級電容器的應(yīng)用研究 16 感性無功功率 ， 實現(xiàn)適當(dāng)?shù)碾妷汉蜔o功功率控制 ， 保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定、高效、優(yōu)質(zhì)地運行。其在 300～ 500kW 功率等級的分布式發(fā)電系統(tǒng)中將逐漸替代傳統(tǒng)的超導(dǎo)儲能。 用于分布式儲能系統(tǒng) 20 世紀(jì) 80 年代以來，世界電力工業(yè)開始電力體制改革，其核心就是實現(xiàn)電力企業(yè)的私有化和構(gòu)建競爭性電力市場。 1992 年，電力部正式提出建立國內(nèi)的電力市場。 電能作為商品，電能質(zhì)量自然就成為其重要的特征參數(shù)。電能質(zhì)量包括電壓質(zhì)量、電流質(zhì)量、供電質(zhì)量和用電質(zhì)量，涉及到電壓、頻率、波形和三相平衡等方面的用電可靠性、連續(xù)性、可操作性等方面。電壓是電能質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，影響電能質(zhì)量的電壓干擾，主要包括電壓偏移、三相不平衡、電壓波動與閃變、電壓的諧波分量、電壓跌落和瞬時斷電等。 根據(jù)容量大小的區(qū)別，儲能系統(tǒng)的主要作用也各有不同。 （ 2）中型儲能系統(tǒng)：主要用于大功率遠(yuǎn)距離輸變電系統(tǒng)，其主要功能有提高輸電穩(wěn)定性、維持電壓穩(wěn)定、抑制諧波、調(diào)節(jié)負(fù)荷等。 超級電容器的應(yīng)用研究 17 4 超級電容器 存在的問題及發(fā)展趨勢 超級電容 器雖然有很多的優(yōu)點，但是也有不足之處，以下總結(jié)了超級電容器的幾點不足。 超級電容器由于具備高比功率、長循環(huán)壽命等優(yōu)勢，目前已應(yīng)用于計算機備用電源、信號燈電源及與燃料電池、鎳氫電池等動力電池復(fù)合作為電動汽車的動力電源。 對于超級電容器 ， 今后要研究的方向和重點是 ： 利用超級電容器的高比功率特性和快速放電特性 ， 進(jìn)一步優(yōu)化超級電容器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用技術(shù)。 超級電容器的應(yīng)用研究 18 結(jié) 論 目前，超級電容器的研究主要圍繞碳材料展開，但是制備的電容器比能量很低，而且性能有待進(jìn)一步提高。 近年來，大功率超級電容器的生產(chǎn)逐漸走向成熟。研究結(jié)果表明，納米牧場的貯電能力是單個氧化錳貯電 能力的 10 倍，所貯備的電量是現(xiàn)有超級電容器所使用的碳電極貯電量的兩倍。測試結(jié)果表明，此新裝置的貯電能力在充電和耗電 2 萬次之后僅僅下降了 3％，勝過其他高性能的設(shè)計。 超級電容器的應(yīng)用研究 19 參考文獻(xiàn) [1] 張丹丹，姚宗干 (大容量高儲能密度電化學(xué)電容器的研究進(jìn)展［ J］ .電子元件與材料，(1):34. 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