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缺口，同時又克服了兩者的缺陷。它們與傳統(tǒng)的電池系統(tǒng)不同，能夠以很高的電流進行充電和放電，不會老化。超級電容器的熱響應能力也優(yōu)于電池系統(tǒng)，它的充放電次數可達50萬次，具有相當長的使用壽命。由于超級電容器不是通過化學反應來充電的，而是通過在導電碳粒子的表面積累電荷進行充電的，因此它的充電電流可以非常高，這對電池來說是不可能的，因為電池本身具有很高的內阻。電池充電是一種電化學反應過程，受到了反應動力學的限制，而超級電容器則沒有充電時間的限制。

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

圖1 類似于這種包含18個電池單元42V封裝的超級電容器模塊正進入當前和今后的汽車應用領域

超級電容器存儲的能量主要可以通過三種方式來使用：

它能夠向汽車電氣系統(tǒng)饋電，減輕車載發(fā)電機的負擔；

起純粹的增強作用，也就是說，在換擋時，增大電動機的扭矩，提高加速度；

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

混合能源汽車與超級電容器

超級電容器在混合能源技術汽車領域中所起的作用是十分重要的。隨著能源價格的不斷上漲，以及歐洲汽車制造商承諾在1995年到2008年之間將汽車 CO2的排放量減少25%，這些都促進了混合能源技術的發(fā)展。寶馬、奔馳和通用汽車公司已經結成了一個全球聯盟，共同研發(fā)混合能源技術。

混合能源汽車可以分成三類：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器，能夠在停車時熄滅引擎，在再次加速時重新啟動引擎。這種小型的改進可以在城市行車條件下節(jié)省8%的能源，同時能夠大幅度減少尾氣排放。

另外一種改進就是中度混合技術，就是使用一個電動馬達，在汽車停止后開始加速的前30s增大其加速度。這項技術需要大規(guī)模存儲再生能源，通過使用超級電容器很容易實現，在需要反復啟停的城市行車條件下能夠節(jié)省15％的燃料。

最后，完全混合能源技術將為汽車配備更強大的電動馬達和高能電池，產生高達75kW的功率，能夠在短距離加速過程中實現全電動推進。這種設計能夠節(jié)省20%的能源。

這些新技術中有很多將會使用替代能源，例如太陽能、風能或者燃料電池。但是由于能量來源本身的特性，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。

隨著風力和太陽光強度的變化，這些能源產生的電能輸出也會發(fā)生相應的變化。這就需要使用一種緩沖器來存儲能量。

由于這些能源產生的電能輸出可能無法滿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，在能源產生的過程是穩(wěn)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的汽車驅動領域，超級電容器也是一種新型的關鍵部件。在采用燃料電池供電的汽車中，如果結合使用超級電容器，那么燃料電池就可以滿足持續(xù)供電需求，而不僅僅是峰值供電。

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

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領域。這種氫燃料電池與風能或太陽能不同，只要有氫燃料，它就能夠持續(xù)輸出穩(wěn)定的電能。

然而，某些應用場合對能量的需求隨著時間的變化有很大不同。汽車就是一個直接的例子，因為它們在加速過程中需要的能量比勻速行駛時要高得多。如果沒有能量存儲器，氫燃料電池就要做得很大，以滿足最高的峰值能量需求，其成本就會大得無法忍受。通過將過剩的能量存儲在能量存儲器中，就可以在短時間內通過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設備等

混合能源的內燃/電動汽車是邁向燃料電池汽車時代的重要一步，因為真正的驅動部件都是電動的。當然，采用電池的全電動汽車也是一種方案，但是全電動汽車的驅動范圍非常有限。相比為內燃引擎或燃料電池添加燃料所需的時間來看，全電動汽車再充電所需的時間更長。

基于這些原因，很多汽車制造商最初都選擇生產混合能源汽車。這使得他們有機會進一步研究和改善高效燃料電池系統(tǒng)所需的電子驅動器和再生系統(tǒng)。

再生意味著可恢復的中斷，以及重新捕獲下坡滑行過程中的動能。在剎車和減速過程中，普通汽油或柴油汽車減少的動能都以剎車器發(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，以便在加速的時候使用。當一輛重約一噸的汽車以每小時35英里的速度行駛，突然遇到紅燈停下來時，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的。