詳解超級電容器儲能技術(shù)及其應(yīng)用

　　超級電容器，也叫電化學(xué)電容器，是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來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(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)讓給NEC電氣公司，該公司從1979年開始生產(chǎn)超級電容器，1983年率先推向市場。20世紀(jì)80年代以來，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，現(xiàn)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(zhǔn)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存儲能量的一種新型電子元件。當(dāng)電極和電解液接觸時，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(xiàn)穩(wěn)定的、符號相反的兩層電荷，稱為界面雙電層。這種電容器的儲能是通過使電解質(zhì)溶液進行電化學(xué)極化來實現(xiàn)的，并沒有產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，這種儲能過程是可逆的。

　　1.2法拉第準(zhǔn)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(zhǔn)電容，簡稱準(zhǔn)電容。該電容是在電極表面或體相中的二維或準(zhǔn)二維空間上，電活性物質(zhì)進行欠電位沉積，發(fā)生高度的化學(xué)吸脫附或氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生與電極充電電位有關(guān)的電容。對于法拉第準(zhǔn)電容，其儲存電荷的過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(yīng)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(tǒng)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(xiàn)為：①功率密度高。超級電容器的內(nèi)阻很小，而且在電極/溶液界面和電極材料本體內(nèi)均能實現(xiàn)電荷的快速儲存和釋放。②充放電循環(huán)壽命長。超級電容器在充放電過程中沒有發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，其循環(huán)壽命可達萬次以上。③充電時間短。完全充電只需數(shù)分鐘。④實現(xiàn)高比功率和高比能量輸出。⑤儲存壽命長。⑥可靠性高。超級電容器工作中沒有運動部件，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(yīng)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戰(zhàn)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計劃制定了電動汽車重大專項（2001）超級電容器課題。以下介紹超級電容器儲能技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀。

　　3.1電車電源

　　由于超級電容器具有非常高的功率密度，因此可以很好地滿足電車在起動、加速、爬坡時對功率的需求，可以作為混合型電動車的加速或起動電源。美國通用汽車公司已將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(tǒng)和串聯(lián)電源系統(tǒng)用在汽車上。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，并延長蓄電池的使用壽命。

　　2004年7月，我國首輛超級電容器公交車及其快速充電候車站系統(tǒng)投入試運行。該系統(tǒng)解決了無軌電車帶來的視覺污染、機動性差和規(guī)劃難等問題，以零排放、低噪聲的性能，改善了公交汽車尾氣排放給城區(qū)帶來的空氣污染，并避免了傳統(tǒng)蓄電池的二次污染，延長了使用壽命。

　　3.2電子類電源

　　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(wèi)星上。衛(wèi)星上使用的電源多是由太陽能與電池組成的混合電源，一旦裝上了超級電容器，衛(wèi)星的脈沖通訊能力定會得到改善。由于超級電容器具有快速充電的特性，對于像電動工具和玩具這些需要快速充電的設(shè)備來說，超級電容器無疑是一個很理想的電源。文獻［4］介紹了在移動通信電源領(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，將主要用來與其他電源混合組成電源，同時還可以用于短時功率后備，用于保護存儲器數(shù)據(jù)。文獻［5］研究了利用雙電層電容器作為可植入醫(yī)療器械的救急電源，由于雙電層電容器不需要過渡充放電保護電路以及使用壽命長，將替代傳統(tǒng)電池。

　　3.3電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　高壓變電站及開關(guān)站使用的絕大多數(shù)是電磁操動開關(guān)機構(gòu)，專門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(yīng)的絕對可靠，同時保留了傳統(tǒng)電容儲能式硅整流分合閘裝置的優(yōu)點。

　　UPS往往是在電網(wǎng)斷電或電網(wǎng)電壓瞬時跌落最初的幾秒、幾分鐘起決定作用，蓄電池在這段時間提供電能。由于蓄電池自身的缺點（需定期維護、壽命短），使UPS在運行中需時刻注意蓄電池的狀態(tài)。文獻［7］研究了在數(shù)據(jù)保護的備份系統(tǒng)中，需UPS提供的時間相對較短，這時超級電容的優(yōu)勢尤為明顯，其輸出電流可以幾乎沒有延時地上升到數(shù)百安培，而且充電速度快，可以在數(shù)分鐘內(nèi)實現(xiàn)能量存儲，所以在下次電源故障時又可以起用。盡管超級電容器的儲能所能維持的時間很短，但當(dāng)儲能時間約在1min時，有無可比擬的優(yōu)勢，具有50萬次循環(huán)和10a不需護理，使UPS真正實現(xiàn)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），可用來改善分布式系統(tǒng)的電壓質(zhì)量，特別是在300～500kW功率等級，將逐漸替代傳統(tǒng)的超導(dǎo)儲能。經(jīng)濟方面，同等容量的雙電層電容儲能同超導(dǎo)儲能裝置費用相差無幾，但雙電層幾乎不需運行費用，而超導(dǎo)儲能則需相當(dāng)?shù)闹评滟M用。

　　文獻［9］介紹了超級電容器在光伏發(fā)電中的應(yīng)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(dān)的“863”項目“可再生能源發(fā)電用超級電容器儲能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”通過專家驗收。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)。

　　變頻調(diào)速器對電壓十分敏感，而由于電網(wǎng)各種故障和操作會出現(xiàn)瞬時低電壓現(xiàn)象，利用超級電容器快速充放電的特性，可以實現(xiàn)變頻器低電壓的跨越，保證變頻調(diào)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。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(dǎo)體工廠，該裝置可以實現(xiàn)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100V，不能直接用于電力系統(tǒng)?？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)過逆變器與電網(wǎng)連接，為了實現(xiàn)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題，升壓范圍有限，通常采用第二種方式實現(xiàn)儲能和供電。

　　目前，超級電容器大多用于高峰值功率、低容量的場合，隨著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(tǒng)中的應(yīng)用范圍將更加廣闊。

　　4應(yīng)用中注意的問題

　　超級電容器具有固定的極性，在使用前應(yīng)確認(rèn)極性。超級電容器應(yīng)在標(biāo)稱電壓下使用：當(dāng)電容器電壓超過標(biāo)稱電壓時會導(dǎo)致電解液分解，同時電容器會發(fā)熱，容量下降，而且內(nèi)阻增加，壽命縮短。超級電容器不可應(yīng)用于高頻率充放電的電路中，高頻率的快速充放電會導(dǎo)致電容器內(nèi)部發(fā)熱，容量衰減，內(nèi)阻增加，在某些情況下會導(dǎo)致電容器性能崩潰。

　　當(dāng)超級電容器進行串聯(lián)使用時，存在單體間的電壓均衡問題。單純的串聯(lián)會導(dǎo)致某個或幾個單體電容器過壓，從而損壞這些電容器，整體性能受到影響。

　　5結(jié)語

　　超級電容器的出現(xiàn)，解決了能源系統(tǒng)的功率密度和能量密度之間的矛盾。隨著超級電容器的進一步發(fā)展，將取代當(dāng)前電動汽車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現(xiàn)。太陽能、風(fēng)能和燃料電池等無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(fù)雜的輸送電網(wǎng)，是一種應(yīng)用再生能源和投資少的節(jié)能措施。