替代能源中的超級電容器介紹

超級電容嶄露頭角

電能和燃油的緊缺使人們開(kāi)始尋找更多的替代能源，超級電容器彌補了鋁電解電容和可充電電池之間的技術(shù)缺口，同時(shí)又克服了兩者的缺陷。它們與傳統的電池系統不同，能夠以很高的電流進(jìn)行充電和放電，不會(huì )老化。超級電容器的熱響應能力也優(yōu)于電池系統，它的充放電次數可達50萬(wàn)次，具有相當長(cháng)的使用壽命。由于超級電容器不是通過(guò)化學(xué)反應來(lái)充電的，而是通過(guò)在導電碳粒子的表面積累電荷進(jìn)行充電的，因此它的充電電流可以非常高，這對電池來(lái)說(shuō)是不可能的，因為電池本身具有很高的內阻。電池充電是一種電化學(xué)反應過(guò)程，受到了反應動(dòng)力學(xué)的限制，而超級電容器則沒(méi)有充電時(shí)間的限制。

作為目前替代能源應用領(lǐng)域的一個(gè)極佳的技術(shù)解決方案，超級電容器在需要更高效更可靠電源的新技術(shù)領(lǐng)域中逐漸嶄露頭角。

圖1 類(lèi)似于這種包含18個(gè)電池單元42V封裝的超級電容器模塊正進(jìn)入當前和今后的汽車(chē)應用領(lǐng)域

超級電容器存儲的能量主要可以通過(guò)三種方式來(lái)使用：

它能夠向汽車(chē)電氣系統饋電，減輕車(chē)載發(fā)電機的負擔；

起純粹的增強作用，也就是說(shuō)，在換擋時(shí)，增大電動(dòng)機的扭矩，提高加速度；

啟動(dòng)輔助：使電動(dòng)機從某個(gè)固定的狀態(tài)啟動(dòng)加速汽車(chē)。這在某些需要反復啟停的特殊操作中能夠大大節省能源。

混合能源汽車(chē)與超級電容器

超級電容器在混合能源技術(shù)汽車(chē)領(lǐng)域中所起的作用是十分重要的。隨著(zhù)能源價(jià)格的不斷上漲，以及歐洲汽車(chē)制造商承諾在1995年到2008年之間將汽車(chē) CO2的排放量減少25%，這些都促進(jìn)了混合能源技術(shù)的發(fā)展。寶馬、奔馳和通用汽車(chē)公司已經(jīng)結成了一個(gè)全球聯(lián)盟，共同研發(fā)混合能源技術(shù)。

混合能源汽車(chē)可以分成三類(lèi)：輕微混合、中度混合和完全混合。輕微混合型使用一種更強大的啟動(dòng)器，能夠在停車(chē)時(shí)熄滅引擎，在再次加速時(shí)重新啟動(dòng)引擎。這種小型的改進(jìn)可以在城市行車(chē)條件下節省8%的能源，同時(shí)能夠大幅度減少尾氣排放。

另外一種改進(jìn)就是中度混合技術(shù)，就是使用一個(gè)電動(dòng)馬達，在汽車(chē)停止后開(kāi)始加速的前30s增大其加速度。這項技術(shù)需要大規模存儲再生能源，通過(guò)使用超級電容器很容易實(shí)現，在需要反復啟停的城市行車(chē)條件下能夠節省15％的燃料。

最后，完全混合能源技術(shù)將為汽車(chē)配備更強大的電動(dòng)馬達和高能電池，產(chǎn)生高達75kW的功率，能夠在短距離加速過(guò)程中實(shí)現全電動(dòng)推進(jìn)。這種設計能夠節省20%的能源。

這些新技術(shù)中有很多將會(huì )使用替代能源，例如太陽(yáng)能、風(fēng)能或者燃料電池。但是由于能量來(lái)源本身的特性，決定了這些發(fā)電的方式往往具有不均勻性，電能輸出容易發(fā)生變化。

隨著(zhù)風(fēng)力和太陽(yáng)光強度的變化，這些能源產(chǎn)生的電能輸出也會(huì )發(fā)生相應的變化。這就需要使用一種緩沖器來(lái)存儲能量。

由于這些能源產(chǎn)生的電能輸出可能無(wú)法滿(mǎn)足消費者一方的峰值電能需求，因此可以采用能量緩沖器在短時(shí)間內提供所需的峰值電能，直到發(fā)電量增大，需求量減少。另外，在能源產(chǎn)生的過(guò)程是穩定的而需求是不斷變化的情況下，也可以使用能量緩沖器。

在使用替代能源技術(shù)的汽車(chē)驅動(dòng)領(lǐng)域，超級電容器也是一種新型的關(guān)鍵部件。在采用燃料電池供電的汽車(chē)中，如果結合使用超級電容器，那么燃料電池就可以滿(mǎn)足持續供電需求，而不僅僅是峰值供電。

除了能夠滿(mǎn)足峰值供電的需求外，超級電容器還具有其他器件無(wú)法比擬的響應時(shí)間。將超級電容器的強大性能和燃料電池結合起來(lái)，可以得到尺寸更小、重量更輕、價(jià)格更低廉的燃料電池系統。

超級電容器與氫燃料電池的完美結合

正處于研發(fā)階段的氫燃料電池能夠應用于多個(gè)領(lǐng)域。這種氫燃料電池與風(fēng)能或太陽(yáng)能不同，只要有氫燃料，它就能夠持續輸出穩定的電能。

然而，某些應用場(chǎng)合對能量的需求隨著(zhù)時(shí)間的變化有很大不同。汽車(chē)就是一個(gè)直接的例子，因為它們在加速過(guò)程中需要的能量比勻速行駛時(shí)要高得多。如果沒(méi)有能量存儲器，氫燃料電池就要做得很大，以滿(mǎn)足最高的峰值能量需求，其成本就會(huì )大得無(wú)法忍受。通過(guò)將過(guò)剩的能量存儲在能量存儲器中，就可以在短時(shí)間內通過(guò)存儲器提供所需的峰值能量。

圖2 超級電容器也非常適合用作工業(yè)應用中的后備電池，例如緊急照明和自動(dòng)設備等

混合能源的內燃/電動(dòng)汽車(chē)是邁向燃料電池汽車(chē)時(shí)代的重要一步，因為真正的驅動(dòng)部件都是電動(dòng)的。當然，采用電池的全電動(dòng)汽車(chē)也是一種方案，但是全電動(dòng)汽車(chē)的驅動(dòng)范圍非常有限。相比為內燃引擎或燃料電池添加燃料所需的時(shí)間來(lái)看，全電動(dòng)汽車(chē)再充電所需的時(shí)間更長(cháng)。

基于這些原因，很多汽車(chē)制造商最初都選擇生產(chǎn)混合能源汽車(chē)。這使得他們有機會(huì )進(jìn)一步研究和改善高效燃料電池系統所需的電子驅動(dòng)器和再生系統。

再生意味著(zhù)可恢復的中斷，以及重新捕獲下坡滑行過(guò)程中的動(dòng)能。在剎車(chē)和減速過(guò)程中，普通汽油或柴油汽車(chē)減少的動(dòng)能都以剎車(chē)器發(fā)熱和機械磨損的形式丟掉了。與其丟掉這些能量，不如重新捕捉其中一大部分能量并將其存儲起來(lái)，以便在加速的時(shí)候使用。當一輛重約一噸的汽車(chē)以每小時(shí)35英里的速度行駛，突然遇到紅燈停下來(lái)時(shí)，大約損失了100kW的能量，而這些能量是有可能被重新存儲起來(lái)的。