詳解超級電容器儲能技術(shù)及其應用

　　超級電容器，也叫電化學(xué)電容器，是20世紀60年代發(fā)展起來(lái)的一種新型儲能元件。1957年，美國的Becker首先提出了可以將電容器用作儲能元件，具有接近于電池的能量密度。1962年，標準石油公司（SOHIO）生產(chǎn)了一種工作電壓為6V、以碳材料作為電極的電容器。稍后，該技術(shù)被轉讓給NEC電氣公司，該公司從1979年開(kāi)始生產(chǎn)超級電容器，1983年率先推向市場(chǎng)。20世紀80年代以來(lái)，利用金屬氧化物或氮化物作為電極活性物質(zhì)的超級電容器，因其具有雙電層電容所不具有的若干優(yōu)點(diǎn)，現已引起廣大科研工作者極大興趣。

　　1超級電容器的儲能原理

　　超級電容器按儲能原理可分為雙電層電容器和法拉第準電容器。

　　1.1雙電層電容器的基本原理

　　雙電層電容器的基本原理是利用電極和電解質(zhì)之間形成的界面雙電層來(lái)存儲能量的一種新型電子元件。當電極和電解液接觸時(shí)，由于庫侖力、分子間力或者原子間力的作用，使固液界面出現穩定的、符號相反的兩層電荷，稱(chēng)為界面雙電層。這種電容器的儲能是通過(guò)使電解質(zhì)溶液進(jìn)行電化學(xué)極化來(lái)實(shí)現的，并沒(méi)有產(chǎn)生電化學(xué)反應，這種儲能過(guò)程是可逆的。

　　1.2法拉第準電容器的基本原理

　　繼雙電層電容器后，又發(fā)展了法拉第準電容，簡(jiǎn)稱(chēng)準電容。該電容是在電極表面或體相中的二維或準二維空間上，電活性物質(zhì)進(jìn)行欠電位沉積，發(fā)生高度的化學(xué)吸脫附或氧化還原反應，產(chǎn)生與電極充電電位有關(guān)的電容。對于法拉第準電容，其儲存電荷的過(guò)程不僅包括雙電層上的存儲，而且包括電解液中離子在電極活性物質(zhì)中由于氧化還原反應而將電荷儲存于電極中。

　　2超級電容器的特性

　　超級電容器是介于傳統物理電容器和電池之間的一種較佳的儲能元件，其巨大的優(yōu)越性表現為：①功率密度高。超級電容器的內阻很小，而且在電極/溶液界面和電極材料本體內均能實(shí)現電荷的快速儲存和釋放。②充放電循環(huán)壽命長(cháng)。超級電容器在充放電過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生電化學(xué)反應，其循環(huán)壽命可達萬(wàn)次以上。③充電時(shí)間短。完全充電只需數分鐘。④實(shí)現高比功率和高比能量輸出。⑤儲存壽命長(cháng)。⑥可靠性高。超級電容器工作中沒(méi)有運動(dòng)部件，維護工作極少。⑦環(huán)境溫度對正常使用影響不大。超級電容器正常工作溫度范圍在-35～75℃。⑧可以任意并聯(lián)使用，增加電容量;若采取均壓后，還可串聯(lián)使用，提高電壓等級。

　　3超級電容器儲能技術(shù)應用

　　超級電容器作為大功率物理二次電源，在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域用途十分廣泛。各發(fā)達國家都把超級電容器的研究列為國家重點(diǎn)戰略研究項目。1996年歐洲共同體制定了超級電容器的發(fā)展計劃，日本“新陽(yáng)光計劃”中列出了超級電容器的研制，美國能源部及國防部也制定了發(fā)展超級電容器的研究計劃。我國國家863計劃制定了電動(dòng)汽車(chē)重大專(zhuān)項（2001）超級電容器課題。以下介紹超級電容器儲能技術(shù)的應用現狀。

　　3.1電車(chē)電源

　　由于超級電容器具有非常高的功率密度，因此可以很好地滿(mǎn)足電車(chē)在起動(dòng)、加速、爬坡時(shí)對功率的需求，可以作為混合型電動(dòng)車(chē)的加速或起動(dòng)電源。美國通用汽車(chē)公司已將Maxwell Tech-nologies公司生產(chǎn)的Power Cache超級電容器組成并聯(lián)混合電源系統和串聯(lián)電源系統用在汽車(chē)上。文獻［3］研究表明，利用超級電容器與蓄電池并聯(lián)作電源可以減少蓄電池的尺寸、重量，并延長(cháng)蓄電池的使用壽命。

　　2004年7月，我國首輛超級電容器公交車(chē)及其快速充電候車(chē)站系統投入試運行。該系統解決了無(wú)軌電車(chē)帶來(lái)的視覺(jué)污染、機動(dòng)性差和規劃難等問(wèn)題，以零排放、低噪聲的性能，改善了公交汽車(chē)尾氣排放給城區帶來(lái)的空氣污染，并避免了傳統蓄電池的二次污染，延長(cháng)了使用壽命。

　　3.2電子類(lèi)電源

　　超級電容器不僅可以用作光電功能電子手表和計算機存儲器等小型裝置的電源，而且還可以用在衛星上。衛星上使用的電源多是由太陽(yáng)能與電池組成的混合電源，一旦裝上了超級電容器，衛星的脈沖通訊能力定會(huì )得到改善。由于超級電容器具有快速充電的特性，對于像電動(dòng)工具和玩具這些需要快速充電的設備來(lái)說(shuō)，超級電容器無(wú)疑是一個(gè)很理想的電源。文獻［4］介紹了在移動(dòng)通信電源領(lǐng)域，電化學(xué)雙電層電容器由于具有高功率密度和低能量密度的特性，將主要用來(lái)與其他電源混合組成電源，同時(shí)還可以用于短時(shí)功率后備，用于保護存儲器數據。文獻［5］研究了利用雙電層電容器作為可植入醫療器械的救急電源，由于雙電層電容器不需要過(guò)渡充放電保護電路以及使用壽命長(cháng)，將替代傳統電池。

　　3.3電力系統中的應用

　　高壓變電站及開(kāi)關(guān)站使用的絕大多數是電磁操動(dòng)開(kāi)關(guān)機構，專(zhuān)門(mén)配有電容儲能式硅整流分合閘裝置作為分合閘操作、控制、保護用的直流電源。但是，電容儲能式裝的電解電容容量有限、可靠性差。文獻［6］研究表明，超級電容器保證了分閘能量供應的絕對可靠，同時(shí)保留了傳統電容儲能式硅整流分合閘裝置的優(yōu)點(diǎn)。

　　UPS往往是在電網(wǎng)斷電或電網(wǎng)電壓瞬時(shí)跌落最初的幾秒、幾分鐘起決定作用，蓄電池在這段時(shí)間提供電能。由于蓄電池自身的缺點(diǎn)（需定期維護、壽命短），使UPS在運行中需時(shí)刻注意蓄電池的狀態(tài)。文獻［7］研究了在數據保護的備份系統中，需UPS提供的時(shí)間相對較短，這時(shí)超級電容的優(yōu)勢尤為明顯，其輸出電流可以幾乎沒(méi)有延時(shí)地上升到數百安培，而且充電速度快，可以在數分鐘內實(shí)現能量存儲，所以在下次電源故障時(shí)又可以起用。盡管超級電容器的儲能所能維持的時(shí)間很短，但當儲能時(shí)間約在1min時(shí)，有無(wú)可比擬的優(yōu)勢，具有50萬(wàn)次循環(huán)和10a不需護理，使UPS真正實(shí)現免維護。

　　文獻［8］提出了基于雙電層電容儲能的靜止同步補償器（STATCOM），可用來(lái)改善分布式系統的電壓質(zhì)量，特別是在300～500kW功率等級，將逐漸替代傳統的超導儲能。經(jīng)濟方面，同等容量的雙電層電容儲能同超導儲能裝置費用相差無(wú)幾，但雙電層幾乎不需運行費用，而超導儲能則需相當的制冷費用。

　　文獻［9］介紹了超級電容器在光伏發(fā)電中的應用。超級電容器可以在僅高于其漏電流狀態(tài)下充電，這一特性在與光伏發(fā)電中即使在陰天光伏電池也能對超級電容器充電，提高了光伏發(fā)電和微弱電流充電的有效性。

　　2005年，由中國科學(xué)院電工所承擔的“863”項目“可再生能源發(fā)電用超級電容器儲能系統關(guān)鍵技術(shù)研究”通過(guò)專(zhuān)家驗收。該項目完成了用于光伏發(fā)電系統的300Wh/1kW超級電容器儲能系統的研究開(kāi)發(fā)。

　　變頻調速器對電壓十分敏感，而由于電網(wǎng)各種故障和操作會(huì )出現瞬時(shí)低電壓現象，利用超級電容器快速充放電的特性，可以實(shí)現變頻器低電壓的跨越，保證變頻調速器的正常運行。

　　2005年美國加利福尼亞建造了一臺450kW超級電容器儲能裝置，用以減小950kW風(fēng)力發(fā)電機組向電網(wǎng)輸送功率的波動(dòng)。在新加坡，ABB公司利用超級電容器儲能的DVR裝置安裝在4MW的半導體工廠(chǎng)，該裝置可以實(shí)現160ms的低電壓跨越。

　　超級電容器單體的電壓低，模塊化的也不超過(guò)100V，不能直接用于電力系統?？梢圆捎脙煞N方式提高電壓等級：將超級電容器直接串聯(lián)提高電壓等級;文獻［10］將超級電容器模塊連接BoostDC/DC變換器，然后經(jīng)過(guò)逆變器與電網(wǎng)連接，為了實(shí)現更高的電壓等級，還可以在逆變器與電網(wǎng)間加入升壓變壓器。第一種方式存在均壓的問(wèn)題，升壓范圍有限，通常采用第二種方式實(shí)現儲能和供電。

　　目前，超級電容器大多用于高峰值功率、低容量的場(chǎng)合，隨著(zhù)超級電容器材料的研發(fā)，功率密度和能量密度的不斷提高，在電力系統中的應用范圍將更加廣闊。

　　4應用中注意的問(wèn)題

　　超級電容器具有固定的極性，在使用前應確認極性。超級電容器應在標稱(chēng)電壓下使用：當電容器電壓超過(guò)標稱(chēng)電壓時(shí)會(huì )導致電解液分解，同時(shí)電容器會(huì )發(fā)熱，容量下降，而且內阻增加，壽命縮短。超級電容器不可應用于高頻率充放電的電路中，高頻率的快速充放電會(huì )導致電容器內部發(fā)熱，容量衰減，內阻增加，在某些情況下會(huì )導致電容器性能崩潰。

　　當超級電容器進(jìn)行串聯(lián)使用時(shí)，存在單體間的電壓均衡問(wèn)題。單純的串聯(lián)會(huì )導致某個(gè)或幾個(gè)單體電容器過(guò)壓，從而損壞這些電容器，整體性能受到影響。

　　5結語(yǔ)

　　超級電容器的出現，解決了能源系統的功率密度和能量密度之間的矛盾。隨著(zhù)超級電容器的進(jìn)一步發(fā)展，將取代當前電動(dòng)汽車(chē)需頻繁充電和更換的蓄電池，而且家用儲能超級電容器也有可能實(shí)現。太陽(yáng)能、風(fēng)能和燃料電池等無(wú)污染能源將儲存在超級電容器中，不斷提供電能，不需要投資大的發(fā)電站，也不需要復雜的輸送電網(wǎng)，是一種應用再生能源和投資少的節能措施。