畢業(yè)論文超級電容器的應(yīng)用研究

1、超級電容器的應(yīng)用研究 網(wǎng)絡(luò)高等教育本 科 生 畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計） 題 目：超級電容器的應(yīng)用研究學(xué)習(xí)中心：層 次： ?？破瘘c本科 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 年 級： 2013年 秋 季 學(xué) 號： 學(xué) 生： 指導(dǎo)教師： 李丹 完成日期： 2015年6 月 24日 II內(nèi)容摘要近年來，隨著新能源工業(yè)的需求和節(jié)能技術(shù)不斷發(fā)展，作為現(xiàn)代新型的儲能設(shè)備的超級電容器步入高度發(fā)展與應(yīng)用階段，超級電容器相對于傳統(tǒng)電化學(xué)儲能設(shè)備有著明顯的優(yōu)勢，其充放電速度快、功率密度大、使用壽命長等特點特別適合應(yīng)用于能量回收的系統(tǒng)中，目前超級電容器儲能系統(tǒng)作為能量管理的一個重要選擇。超級電容器是介于傳統(tǒng)電容器和蓄電池之

2、間的一種新型儲能裝置,它具有功率密度大、容量大、使用壽命長、免維護、經(jīng)濟環(huán)保等優(yōu)點。超級電容器在儲存大量能量的時候電壓較低，和蓄電池的電壓比較匹配。由于超級電容器最大充放電性能由活性物質(zhì)表面的離子取向和電荷轉(zhuǎn)移速度控制，因此，可在短時間內(nèi)進行電荷的轉(zhuǎn)移，因此可得到更高放電比功率 （可大于 500W·kg-1） ；同時，由于電極上沒有發(fā)生決定反應(yīng)速度與限制電極壽命的活性物質(zhì)的相應(yīng)變化，因此它具有很好的循環(huán)壽命 （可大于105 次循環(huán)） 。文章介紹了超級電容器的原理、主要性能指標(biāo)、特點及國內(nèi)外發(fā)展和應(yīng)用狀況；歸納了超級電容器在電力系統(tǒng)中的若干具體應(yīng)用，指出了使用中應(yīng)注意的問題及其解決方法

3、，以及今后的研究方向。關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；儲能；蓄電池；超級電容器； 目 錄內(nèi)容摘要I引 言31 超級電容器的基本原理41.1 超級電容器的基本分類41.2 超級電容器的性能指標(biāo)51.3 超級電容器的工作原理61.4 超級電容器的優(yōu)點71.5 超級電容器在使用中應(yīng)注意的問題82 超級電容器的發(fā)展現(xiàn)狀92.1 我國超級電容器發(fā)展現(xiàn)狀92.2 國外超級電容器發(fā)展現(xiàn)狀93 超級電容器的應(yīng)用113.1 超級電容器應(yīng)用概況113.1.1 超級電容器在太陽能能源系統(tǒng)中的應(yīng)用113.1.2 超級電容器在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用113.1.3 超級電容器在新能源汽車中的應(yīng)用123.1.4 超級電容器在運動控制領(lǐng)域的

4、應(yīng)用133.2超級電容器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用143.2.1 用于分布式發(fā)電系統(tǒng)143.2.2 用于變/配電站直流系統(tǒng)143.2.3 用于動態(tài)電壓跌落裝置153.2.4 用于靜止同步補償器153.2.5 用于分布式儲能系統(tǒng)164 超級電容器存在的問題及發(fā)展趨勢17結(jié) 論18參考文獻19超級電容器的應(yīng)用研究引 言超級電容器是20世紀(jì)七八十年代發(fā)展起來的一種介于電池和傳統(tǒng)電容器之間的新型儲能元件，比同體積的電解電容器容量大20006000倍，功率密度比電池高10100倍，可以放大電流充放電，充放電效率高，充放電循環(huán)次數(shù)可達100000次以上，并且免維護。超級電容器的出現(xiàn)填補了傳統(tǒng)的靜電電容器和化學(xué)電源

5、之間的空白，并以其優(yōu)越的性能及廣闊的應(yīng)用前景受到了各個國家的重視。本文介紹了超級電容器的原理和分類，以及近年來超級電容器的發(fā)展和商業(yè)化進程。同時，也介紹了超級電容器的應(yīng)用情況。隨著電動車研究的興起，超級電容器重要的研究方向之一是將其與高比能量的蓄電池連用，在車輛加速、剎車或爬坡的時候提供車輛所需的高功率，達到減少蓄電池的體積和延長蓄電池壽命的目的。納米碳材料的出現(xiàn)和發(fā)展為超級電容器電極材料研究提供了新的發(fā)展方向，將給超級電容器性能提高提供廣闊的發(fā)展思路和空間。1 超級電容器的基本原理1.1 超級電容器的基本分類超級電容器的類型比較多，按原理分為雙電層型超級電容器和贗電容型超級電容器：（1）雙電

6、層型超級電容器根據(jù)材料不同可包括：活性碳電極材料，采用了高比表面積的活性炭材料經(jīng)過成型制備電極。碳纖維電極材料，采用活性炭纖維成形材料，如布、氈等經(jīng)過增強，噴涂或熔融金屬增強其導(dǎo)電性制備電極。碳?xì)饽z電極材料，采用前驅(qū)材料制備凝膠，經(jīng)過炭化活化得到電極材料。碳納米管電極材料，碳納米管具有極好的中孔性能和導(dǎo)電性，采用高比表面積的碳納米管材料，可以制得非常優(yōu)良的超級電容器電極。以上電極材料可以制成：平板型超級電容器，在扣式體系中多采用平板狀和圓片狀的電極，另外也有Econd公司產(chǎn)品為典型代表的多層疊片串聯(lián)組合而成的高壓超級電容器，可以達到300V以上的工作電壓。繞卷型溶劑電容器，采用電極材料涂覆在

7、集流體上，經(jīng)過繞制而成，這類電容器通常具有更大的電容量和更高的功率密度。（2）贗電容型超級電容器根據(jù)材料不同包括金屬氧化物電極材料與聚合物電極材料，金屬氧化物包括NiOx、MnO2、V2O5等作為正極材料，活性炭作為負(fù)極材料制備的超級電容器，導(dǎo)電聚合物材料包括PPY、PTH、PAni、PAS、PFPT等經(jīng)P型或N型或P/N型摻雜制取電極，以此制備超級電容器。這一類型超級電容器具有非常高的能量密度，目前除NiOx型外，其它類型多處于研究階段，還沒有實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。按電解質(zhì)類型可以分為水性電解質(zhì)和有機電解質(zhì)類型（1）水性電解質(zhì)主要包括以下幾類：酸性電解質(zhì)，多采用36的H2SO4水溶液作為電解質(zhì)。堿

8、性電解質(zhì)，通常采用KOH、NaOH等強堿作為電解質(zhì)，水作為溶劑。中性電解質(zhì)，通常采用KCl、NaCl等鹽作為電解質(zhì)，水作為溶劑，多用于氧化錳電極材料的電解液。（2）有機電解質(zhì)通常采用LiClO4為典型代表的鋰鹽、TEABF4作為典型代表的季胺鹽等作為電解質(zhì)，有機溶劑如PC、ACN、GBL、THL等有機溶劑作為溶劑，電解質(zhì)在溶劑中接近飽和溶解度。另外還可以分為：液體電解質(zhì)超級電容器，多數(shù)超級電容器電解質(zhì)均為液態(tài)。固體電解質(zhì)超級電容器，隨著鋰離子電池固態(tài)電解液的發(fā)展，應(yīng)用于超級電容器的電解質(zhì)也對凝膠電解質(zhì)和PEO等固體電解質(zhì)進行研究。1.2 超級電容器的性能指標(biāo)超級電容器，又叫雙電層電容器、電化學(xué)

9、電容器、黃金電容、法拉電容，通過極化電解質(zhì)來儲能。它是一種電化學(xué)元件，在儲能的過程中并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種儲能過程是可逆的，因此超級電容器可以反復(fù)充放電十萬次。超級電容器可視為懸浮在電解質(zhì)中的兩個無反應(yīng)活性的多孔電極板，在極板上加電，正極板吸引電解質(zhì)中的負(fù)離子，負(fù)極板吸引正離子，形成兩個容性存儲層，被分離開的正離子在負(fù)極板附近，負(fù)離子在正極板附近。目前，對超級電容器性能描述的指標(biāo)有：（1）額定容量。指按規(guī)定的恒定電流(如1000F以上的超級電容器規(guī)定的充電電流為100A，200F以下的為3A)充電到額定電壓后保持23min，在規(guī)定的恒定電流放電條件下放電到端電壓為零所需的時間與電流的乘積再除以

10、額定電壓值，單位為法拉，F(xiàn)。（2）額定電壓。即可以使用的最高安全端電壓。此外還有浪涌電壓，通常為額定電壓的105%；擊穿電壓，其值遠(yuǎn)高于額定電壓，約為額定電壓的1.53倍，單位為伏特(V)。（3）額定電流。指5s內(nèi)放電到額定電壓一半的電流，單位為安培(A)。（4）最大存儲能量。指額定電壓下放電到零所釋放的能量，單位為焦耳(J)或瓦時(Wh)。（5）能量密度，也稱比能量。指單位質(zhì)量或單位體積的電容器所給出的能量，單位為Wh/kg或Wh/L。（6）功率密度，也稱比功率。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。它表征超級電容器所能承受電流的能力，單位為kW/kg或

11、kW/L。（7）等效串聯(lián)電阻(ESR)。其值與超級電容器電解液和電極材料、制備工藝等因素有關(guān)。通常交流ESR比直流ESR小，且隨溫度上升而減小。單位為歐姆。（8）漏電流。指超級電容器保持靜態(tài)儲能狀態(tài)時，內(nèi)部等效并聯(lián)阻抗導(dǎo)致的靜態(tài)損耗，通常為加額定電壓72h后測得的電流，單位安培(A)。（9）使用壽命。是指超級電容器的電容量低于額定容量的20%或ESR增大到額定值的1.5倍時的時間長度。因為此時可判斷為其壽命終了。（10）循環(huán)壽命。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。超級電容器的循環(huán)壽命很長，可達10萬次以上。1.3 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)

12、外加電壓加到超級電容器的兩個極板上時，與普通電容器一樣極板的正電極存儲正電荷，負(fù)極板存儲負(fù)電荷，在超級電容器的兩極板上電荷產(chǎn)生的電場作用下，在電解液與電極間的界面上形成相反的電荷，以平衡電解液的內(nèi)電場，這種正電荷與負(fù)電荷在兩個不同相之間的接觸面上，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，因此電容量非常大。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)。由于隨著超級電容器放電，正、負(fù)極板上的電荷被外電路泄放，電解液的界面

13、上的電荷響應(yīng)減少。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)。因此性能是穩(wěn)定的，與利用化學(xué)反應(yīng)的蓄電池是不同的。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。當(dāng)正負(fù)極板間電勢低于電解液的氧化還原電位時，電解液內(nèi)的電荷就不會脫開電解液，此時，超級電容器處于正常工作狀態(tài)，如果超級電容器內(nèi)部電容端電壓超過電解液的氧化還原電極電位時

14、，電解液中的電荷將脫離，超級電容器處于非正常狀態(tài)，隨著超級電容器充放電，正、負(fù)極板上的電荷越來越少，相應(yīng)的電解液的界面上的電荷相應(yīng)減少，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)。如下圖2.1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?；钚蕴慷嗫谆姌O和電解液接觸后會使實際有效電極表面積增大，通?？蛇_到200m2/g，因此超級電容器從結(jié)構(gòu)機制理論分析上可以儲存大量的靜電能量。圖2.1 超級電容器原理圖1.4 超級電容器的優(yōu)點超級電容器的工作原理是物理過程，

15、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。超級電容器的功率密度可到達幾十kw/g，是傳統(tǒng)蓄電池功率密度的幾十倍，這個特點非常適用于要求短時輸出高功率的場合。(2)充放速度快。超級電容器的充放電是可逆、快速的物理過程，若采用大電流充放電，可以在幾十秒至幾分鐘內(nèi)完成。目前一種新型的超級電容器只需200微秒即可完成充電。(3)循環(huán)使用壽命長。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)用中一般能達到10萬次以上。(4)充放電效率高。一般超

16、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% 。(5)適用溫度范圍廣。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-40-80。(6)無污染、可靠性高。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較少，因此其可靠性高。(7)充放電電流大。超級電容器的電容值都比較大，目前超級電容器容值可達到上萬法拉級別，因此可以進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。1.5 超級電容器在使用中

17、應(yīng)注意的問題在超級電容器在使用中應(yīng)注意以下幾點問題：1、超級電容器具有固定的極性，在使用前應(yīng)確認(rèn)極性。2、超級電容器應(yīng)在標(biāo)稱電壓下使用。因為當(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，內(nèi)阻增加，使其壽命縮短。3、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。4、當(dāng)對超級電容器進行串聯(lián)使用時，存在單體間電壓均衡問題。單純的串聯(lián)會導(dǎo)致某個或幾個單體電容器因過壓而損壞，從而影響到整體性能。表1 超級電容器和蓄電池電性能比較條件蓄電池超級電容器電化學(xué)位變化由活性物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)決定隨活性物質(zhì)的變化而變化充放電電極電位變化如果不發(fā)生非熱力學(xué)過程或物相變化，電極電

18、位保持不變電極電位隨充電狀態(tài)而發(fā)生變化電量儲存方式非電容性電容性恒電位變化時得不到恒流曲線可得恒流曲線恒流放電時電位變化基本不變呈線性變化2 超級電容器的發(fā)展現(xiàn)狀2.1 我國超級電容器發(fā)展現(xiàn)狀在我國，北京有色金屬研究總院、錦州電力電容器有限責(zé)任公司、北京科技大學(xué)、北京化工大學(xué)、北京理工大學(xué)、北京金正平公司、解放軍防化院，哈爾濱巨容公司、上海奧威公司等也在開展電動車用超級電容器的開發(fā)研究工作，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)工作。另外，華北

19、電力大學(xué)等有關(guān)課題組，正在研究將超級電容器儲能(SCES)系統(tǒng)應(yīng)用到分布式發(fā)電系統(tǒng)的配電網(wǎng)。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水平2.2 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。這些電容器標(biāo)稱電壓為2.36V，電容從10-2F至幾F，年產(chǎn)量數(shù)百萬只。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12450V，電容從1F至幾百F，適合于需要大功率啟動動力的場合。超級電容器具有功率密度高（大于1kw·kg-1甚至幾十kw·kg-1）、壽

20、命長（105次以上）、使用溫度寬（-60-40）及充電迅速（<3min）等優(yōu)異特性，各國政府和公司都積極開展此方面的研究開發(fā)工作，并已有各種產(chǎn)品得到了商業(yè)應(yīng)用。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：功率密度達到:500W·kg-1，遠(yuǎn)期目標(biāo)為：功率密度達到:1500W·kg-1。目前，俄羅斯、美國、日本等國就超級電容器已開展了大量研究工作，并取得了一定的進展。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1245V，容量從I法拉到幾百法拉，RC常數(shù)大約為0.3s，這些超級電容器適用于需要大功

21、率的啟動動力的場合。日本松下公司的圓柱型超級電容器，采用碳材料及有機電解質(zhì)，額定電壓為3V，容量800-3000F，功率密度1000W·kg-1。美國Maxell公司方形超級電容器，采用碳布與鋁箔復(fù)合及有機電解質(zhì)，額定電壓為3V，容量1000-2700F。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。法國SAFT公司的33680型超級電容器額定電壓為3V，單體重量為98g，比能4.8Wh·kg-1，比功率3.4kw·kg-1。如今，日本松下、EPCOS、NEC，美國Maxwell、Powerstor、Evans，法國SAFT，澳大利亞Capxx，韓國N

22、ESS等公司在超級電容器方面的研究均非?；钴S?？偟膩碚f，當(dāng)前美國、日本、俄羅斯的產(chǎn)品幾乎占據(jù)了整個超級電容器市場，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的超級電容器基本上都是雙電層電容器。附表2外國超級電容器技術(shù)現(xiàn)狀3 超級電容器的應(yīng)用3.1 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行研究也促進了超級電容器在各個領(lǐng)域上的應(yīng)用。在新能源產(chǎn)業(yè)、交通運輸、工業(yè)生產(chǎn)、軍事裝備、家用電器等領(lǐng)域均具有較好的應(yīng)用前景。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)

23、，超級電容器都展示了其獨有的優(yōu)勢。在一些發(fā)達國家如美、歐、日等的相關(guān)企業(yè)對超級電容器的應(yīng)用已經(jīng)取得了不錯的成果。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。3.1.1 超級電容器在太陽能能源系統(tǒng)中的應(yīng)用太陽能源的利用最終歸結(jié)為太陽能利用和太陽光利用兩個方面。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。光伏發(fā)電不論在轉(zhuǎn)化效率、設(shè)備成本和發(fā)展前景尚都遠(yuǎn)遠(yuǎn)強于光熱發(fā)電。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。目前，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)有三個發(fā)展方向：獨立運行、并網(wǎng)型和混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)。

24、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。目前，國際光伏能源產(chǎn)業(yè)的需求開始由邊遠(yuǎn)農(nóng)村和特殊應(yīng)用向并網(wǎng)發(fā)電與建筑結(jié)合供電的方向發(fā)展，光伏發(fā)電已有補充能源向替代能源過渡。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)。通過蓄電池組構(gòu)成的儲能系統(tǒng)，能夠熨平太陽光照強度波動導(dǎo)致的電能波動，還可以補償電網(wǎng)系統(tǒng)中的電壓驟降或突升，但是由于其充放電次數(shù)有限、大電流充放電時間較慢等因素，因此其使用壽命較短，成本較高。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。3.1.2

25、超級電容器在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用風(fēng)力發(fā)電作為當(dāng)前發(fā)展最快的可再生能源發(fā)電技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。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。目前，風(fēng)電有功功率波動多采用直接調(diào)節(jié)風(fēng)力渦輪機運行狀態(tài)的方法來平緩其輸出功率，但是該方法的功率調(diào)節(jié)能力有限；無功功率波動通常采用并聯(lián)靜止無功補償裝置進行無功調(diào)節(jié)，但無功補償裝置無法平抑有功功率波動。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。而風(fēng)力發(fā)電研究表明位于0.01Hz-1Hz 的波動功率對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響最大，平抑該頻段的風(fēng)電波動對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影

26、響最大，平抑該頻段風(fēng)電波動采用較短時間的能量儲存就可以達到目的，因此能夠?qū)崿F(xiàn)短時能量存儲的小容量儲能設(shè)備對風(fēng)力發(fā)電的應(yīng)用價值很高。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)。3.1.3 超級電容器在新能源汽車中的應(yīng)用在新能源汽車領(lǐng)域，超級電容器可與二次電池配合使用，實現(xiàn)儲能并保護電池的作用。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。鋰離子電池解決的是汽車充電儲能

27、和為汽車提供持久動力的問題，超級電容器的使命則是為汽車啟動、加速時提供大功率輔助動力，在汽車制動或怠速運行時收集并儲存能量。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。在國內(nèi)涉足新能源汽車的廠商中，已有眾多廠商選擇了超級電容器與鋰離子電池配合的技術(shù)路線。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

28、套全球領(lǐng)先的超級電容器廠商美國MAXWELL公司的超級電容器模組，該45輛混合動力公交車于2008年下半年投入杭州運營，因節(jié)油效果明顯受到贊譽。2009年4月22日，MAXWELL公司公告稱收到了來自三家中國領(lǐng)先的運輸巴士生產(chǎn)商總價值約1,350萬美元的BOOSTCAP(R)超級電容器模組采購訂單。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2009年底將達到1000輛以上。3.1.4 超級電容器在運動控制領(lǐng)域的應(yīng)用在現(xiàn)代高層建筑中，電梯的耗能僅次于空調(diào)。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，

29、增加散熱的負(fù)擔(dān)和成本。如果能夠回收多余的動能及勢能，電梯系統(tǒng)真正消耗的能量就只限于電能轉(zhuǎn)換中的損耗和機械損耗，其中主要包括變頻器、牽引電機及其機械損耗。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。采用節(jié)能環(huán)保型電梯是未來節(jié)能建筑領(lǐng)域的必然趨勢。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，也可以進行回收。由于超級電容器具有大電流充放電等優(yōu)良的特性，可在電梯系統(tǒng)中作為能量回收裝置回收能量。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)

30、中，作為啟動裝置。另外，超級電容器還可以應(yīng)用于電站、變流以及鐵路系統(tǒng)中，包括電磁閥門控制系統(tǒng)、配電屏分合閘、鐵路的岔道控制裝置等。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。除了在固定港口機械設(shè)備中，在流動機械中也同樣存在上述問題。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。超級電容器能用作飛機上柴油機啟動系統(tǒng)工作電源的輔助電源，能提供飛機發(fā)動機瞬間所需的沖擊大電流，另外還可以解決422 系列電源車啟動飛機瞬間功率不足的問題，從而在啟動瞬間

31、對直流電源車發(fā)電系統(tǒng)尤其是內(nèi)燃機具有很大的保護作用。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)能的目標(biāo)。3.2超級電容器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用3.2.1 用于分布式發(fā)電系統(tǒng)隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，分布式發(fā)電技術(shù)越來越受到重視。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。超級電容器儲能系統(tǒng)利用多組超級電容器將能量以電場能的形式儲存起來，當(dāng)能量緊急缺乏或需要時，再將存儲的能量通過控制單元釋放出來，準(zhǔn)確快速地補償系統(tǒng)所需的有功和無功，從而實現(xiàn)電能的平衡與穩(wěn)定控制。2005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

32、組向電網(wǎng)輸送功率的波動。超級電容器可以作為太陽能或風(fēng)能發(fā)電裝置的輔助電源，將發(fā)電裝置所產(chǎn)生的能量以較快的速度儲存起來，并按照設(shè)計要求釋放。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，并能長時間免維護地使用，成為真正的綠色能源。將超級電容器與太陽能、風(fēng)能系統(tǒng)相結(jié)合，還可能開發(fā)出一系列新型的免維護裝置，例如航空燈，在白天由太陽能提供電源并對超級電容器充電，晚上則由超級電容器提供電源。由于超級電容器的使用維護要求極低，使用壽命可達10

33、年，這種新型的航空燈可以大大減輕日常維護工作地強度，并能保證長時間可靠工作。除此之外，儲能系統(tǒng)對電力系統(tǒng)配電網(wǎng)電能質(zhì)量的提高也可起到重要的作用。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，從而達到提高電能質(zhì)量的目的。3.2.2 用于變/配電站直流系統(tǒng)我國20世紀(jì)6080年代建設(shè)的35kV變電站及10kV開關(guān)站(室)，絕大多數(shù)高壓開關(guān)(斷路器)的操動機構(gòu)是CDX型電磁操動機構(gòu)。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、控制和保護的直流電源。這些直流電源設(shè)備，主要是電容儲能式硅整流分合閘裝置和部分由蓄電池構(gòu)成的直流屏。電容儲能式硅整流分合閘裝置

34、由于結(jié)構(gòu)簡單、成本低、維護量小而在當(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。其原因是儲能用電解電容的容量有限(只有幾千F)，漏電流較大。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。超級電容器以其超長使用壽命、頻繁快速的充放電特性、便宜的價格等優(yōu)點，使解決上述問題成為可能。如用2只0.85F，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)常維護的、且有污染的蓄電池組。由于一次合閘的能耗只相當(dāng)于超級電容器所儲能量(70kJ

35、)的3%，而這一能量在浮充電路中又可很快被補充，因而完全適應(yīng)連續(xù)頻繁的操動，且具有極高的可靠性。3.2.3 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。UPS由蓄電池提供電能，工作時間持續(xù)較長，但是，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)。而電力系統(tǒng)電壓跌落的持續(xù)時間往往很短(10ms60s)，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

36、故障時起用。因此盡管超級電容器的儲能所能維持的時間很短，但當(dāng)使用時間在1min左右時，它具有無可比擬的優(yōu)勢50萬次循環(huán)、不需護理、經(jīng)濟。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。由于超級電容器充放電迅速，可以適應(yīng)較寬溫度范圍內(nèi)的工作，循環(huán)壽命長，同時是真正的免維護電源，因此可以作為潛艇和船只等設(shè)備的主輔電源，坦克、裝甲車的超低溫啟動電源，航天器、雷達的動力電源，野戰(zhàn)醫(yī)院醫(yī)療器械的主輔電源，單兵小型電臺的主輔電源等。據(jù)報道，我國東北地區(qū)進行的軍事演習(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)

37、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。3.2.4 用于靜止同步補償器靜止同步補償器(STATCOM)是靈活交流輸電技術(shù)(FACTS)的主要裝置之一，代表著現(xiàn)階段電力系統(tǒng)無功補償技術(shù)新的發(fā)展方向。它能夠快速連續(xù)地提供容性和感性無功功率，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。基于雙電層電容儲能的STATCOM，可用來改善分布式發(fā)電系統(tǒng)的電壓質(zhì)量。其在300500kW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。經(jīng)濟性方面，同等容量的雙電層電容儲能裝置的成本同超導(dǎo)儲能裝置的成本相差無幾，但前者幾乎不需要運行費用，而后者卻需相當(dāng)多的制冷費用。

38、3.2.5 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。電力市場是電力系統(tǒng)中的發(fā)電、輸電、供電、用電各部分組織協(xié)調(diào)運行并進行電力交易的綜合體。1992年，電力部正式提出建立國內(nèi)的電力市場。隨著中國電力體制改革的進一步深化，電力行業(yè)被重組為兩大電網(wǎng)公司和五大發(fā)電公司，國家電力監(jiān)管會正式掛牌運轉(zhuǎn)，電力市場正在逐步形成。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)。IEEE給出電能質(zhì)量問題的一般解釋為：在供電過程中導(dǎo)致電氣設(shè)備出現(xiàn)誤操作或故障損壞的任何異?，F(xiàn)象。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

39、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。目前，美國西屋電氣公司、德國西門子公司、日本三菱電氣公司、瑞典ABB公司等各大電力設(shè)備制造商都制造出相應(yīng)的產(chǎn)品。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。在提高電能質(zhì)量的過程中，儲能系統(tǒng)正起著越來越大的作用。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。（1）大型儲能系統(tǒng)：主要用作電力網(wǎng)的可調(diào)節(jié)發(fā)電電源，對電力網(wǎng)進行控制和調(diào)節(jié)，如頻率控制、備用容量控制、動態(tài)快速響應(yīng)、削峰填谷調(diào)平負(fù)荷以及防止系統(tǒng)解列和瓦解等。（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。（3）小型儲能系統(tǒng)：主要用于調(diào)節(jié)電能質(zhì)量和