張步涵，王云玲，曾杰

(華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北武漢430074)

摘要：超級(jí)電容器是近年發(fā)展起來的一種新型儲(chǔ)能元件，具有功率密度高、壽命長(zhǎng)、無需維護(hù)及充放電迅速等特性。敘述了超級(jí)電容器的分類、儲(chǔ)能原理和性能特點(diǎn)，介紹了超級(jí)電容器目前的應(yīng)用領(lǐng)域及應(yīng)用中需要關(guān)注的問題。

超級(jí)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(chǔ)能元件。1957年，美國(guó)的Becker首先提出了可以將電容器用作儲(chǔ)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(jí)電容器，1983年率先推向市場(chǎng)。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(jí)電容器，因其具有雙電層電容所不具有的若干優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已引起廣大科研工作者極大興趣。

1超級(jí)電容器的儲(chǔ)能原理

超級(jí)電容器按儲(chǔ)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(chǔ)能量的一種新型電子元件。當(dāng)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(xiàn)穩(wěn)定的、符號(hào)相反的兩層電荷，稱為界面雙電層。這種電容器的儲(chǔ)能是通過使電解質(zhì)溶液進(jìn)行電化學(xué)極化來實(shí)現(xiàn)的，并沒有產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，這種儲(chǔ)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(jiǎn)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(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(yīng)，產(chǎn)生與電極充電電位有關(guān)的電容。對(duì)于法拉第準(zhǔn)電容，其儲(chǔ)存電荷的過程不僅包括雙電層上的存儲(chǔ)，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(chǔ)存于電極中。

2超級(jí)電容器的特性

超級(jí)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(chǔ)能元件，其巨大的優(yōu)越性表現(xiàn)為：①功率密度高。超級(jí)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(shí)現(xiàn)電荷的快速儲(chǔ)存和釋放。②充放電循環(huán)壽命長(zhǎng)。超級(jí)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(dá)萬次以上。③充電時(shí)間短。完全充電只需數(shù)分鐘。④實(shí)現(xiàn)高比功率和高比能量輸出。⑤儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)。⑥可靠性高。超級(jí)電容器工作中沒有運(yùn)動(dòng)部件，維護(hù)工作極少。⑦環(huán)境溫度對(duì)正常使用影響不大。超級(jí)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(jí)。

3超級(jí)電容器儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用

超級(jí)電容器作為大功率物理二次電源，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域用途十分廣泛。各發(fā)達(dá)國(guó)家都把超級(jí)電容器的研究列為國(guó)家重點(diǎn)戰(zhàn)略研究項(xiàng)目。1996年歐洲共同體制定了超級(jí)電容器的發(fā)展計(jì)劃，日本新陽光計(jì)劃中列出了超級(jí)電容器的研制，美國(guó)能源部及特種部也制定了發(fā)展超級(jí)電容器的研究計(jì)劃。我國(guó)國(guó)家863計(jì)劃制定了電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)(2001)超級(jí)電容器課題。以下介紹超級(jí)電容器儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀。

3.1電車電源

由于超級(jí)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(dòng)、加速、爬坡時(shí)對(duì)功率的需求，可以作為混合型電動(dòng)車的加速或起動(dòng)電源。美國(guó)通用汽車公司已將Maxwell Tech-nologies公司生產(chǎn)的Power Cache超級(jí)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(xiàn)[3]研究表明，利用超級(jí)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(zhǎng)蓄電池的使用壽命。

2004年7月，我國(guó)首輛超級(jí)電容器公交車及其快速充電候車站系統(tǒng)投入試運(yùn)行。該系統(tǒng)解決了無軌電車帶來的視覺污染、機(jī)動(dòng)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(zhǎng)了使用壽命。

3.2電子類電源

超級(jí)電容器不僅可以用作光電功能電子手表和計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)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(jí)電容器，衛(wèi)星的脈沖通訊能力定會(huì)得到改善。由于超級(jí)電容器具有快速充電的特性，對(duì)于像電動(dòng)工具和玩具這些需要快速充電的設(shè)備來說，超級(jí)電容器無疑是一個(gè)很理想的電源。文獻(xiàn)[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(hù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[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(hù)電路以及使用壽命長(zhǎng)，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(dòng)開關(guān)機(jī)構(gòu)，專門配有電容儲(chǔ)能式硅整流分合閘裝置作為分合閘操作、控制、保護(hù)用的直流電源。但是，電容儲(chǔ)能式裝的電解電容容量有限、可靠性差。文獻(xiàn)[6]研究表明，超級(jí)電容器保證了分閘能量供應(yīng)的絕對(duì)可靠，同時(shí)保留了傳統(tǒng)電容儲(chǔ)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(hù)、壽命短)，使UPS在運(yùn)行中需時(shí)刻注意蓄電池的狀態(tài)。文獻(xiàn)[7]研究了在數(shù)據(jù)保護(hù)的備份系統(tǒng)中，需UPS提供的時(shí)間相對(duì)較短，這時(shí)超級(jí)電容的優(yōu)勢(shì)尤為明顯，其輸出電流可以幾乎沒有延時(shí)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(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)，所以在下次電源故障時(shí)又可以起用。盡管超級(jí)電容器的儲(chǔ)能所能維持的時(shí)間很短，但當(dāng)儲(chǔ)能時(shí)間約在1min時(shí)，有無可比擬的優(yōu)勢(shì)，具有50萬次循環(huán)和10a不需護(hù)理，使UPS真正實(shí)現(xiàn)免維護(hù)。

文獻(xiàn)[8]提出了基于雙電層電容儲(chǔ)能的靜止同步補(bǔ)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(jí)，將逐漸替代傳統(tǒng)的超導(dǎo)儲(chǔ)能。經(jīng)濟(jì)方面，同等容量的雙電層電容儲(chǔ)能同超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置費(fèi)用相差無幾，但雙電層幾乎不需運(yùn)行費(fèi)用，而超導(dǎo)儲(chǔ)能則需相當(dāng)?shù)闹评滟M(fèi)用。

文獻(xiàn)[9]介紹了超級(jí)電容器在光伏發(fā)電中的應(yīng)用。超級(jí)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(duì)超級(jí)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(guó)科學(xué)院電工所承擔(dān)的863項(xiàng)目可再生能源發(fā)電用超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究通過專家驗(yàn)收。該項(xiàng)目完成了用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的300Wh/1kW超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究開發(fā)。

變頻調(diào)速器對(duì)電壓十分敏感，而由于電網(wǎng)各種故障和操作會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)低電壓現(xiàn)象，利用超級(jí)電容器快速充放電的特性，可以實(shí)現(xiàn)變頻器低電壓的跨越，保證變頻調(diào)速器的正常運(yùn)行。

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

超級(jí)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)。可以采用兩種方式提高電壓等級(jí)：將超級(jí)電容器直接串聯(lián)提高電壓等級(jí)；文獻(xiàn)[10]將超級(jí)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(shí)現(xiàn)更高的電壓等級(jí)，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(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能和供電。

目前，超級(jí)電容器大多用于高峰值功率、低容量的場(chǎng)合，隨著超級(jí)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(jí)電容器具有固定的極性，在使用前應(yīng)確認(rèn)極性。超級(jí)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(shí)會(huì)導(dǎo)致電解液分解，同時(shí)電容器會(huì)發(fā)熱，容量下降，而且內(nèi)阻增加，壽命縮短。超級(jí)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(huì)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(huì)導(dǎo)致電容器性能崩潰。

當(dāng)超級(jí)電容器進(jìn)行串聯(lián)使用時(shí)，存在單體間的電壓均衡問題。單純的串聯(lián)會(huì)導(dǎo)致某個(gè)或幾個(gè)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(jí)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(jí)電容器的進(jìn)一步發(fā)展，將取代當(dāng)前電動(dòng)汽車需頻繁充電和更換的蓄電池，而且家用儲(chǔ)能超級(jí)電容器也有可能實(shí)現(xiàn)。太陽能、風(fēng)能和燃料電池等無污染能源將儲(chǔ)存在超級(jí)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。