当前位置:首页 >> 电力/水利 >>

浅谈超级电容器在电力系统中的应用


浅谈超级电容器在电力系统中的应用
杜蕾佶,Z13030508,国网宁波供电公司,从事营销低压用电检查工作

一、超级电容器的概述
1.1 超级电容器产品介绍 超级电容器,又叫双电层电容器、电化学电容器, 黄金电容、法拉电容,通 过极化电解质来储能。 它是一种电化学元件,但在其储能的过程并不发生化学反 应,这种储能过程是可逆的,也正因为此超级

电容器可以反复充放电数十万次。 超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板, 在极板 上加电,正极板吸引电解质中的负离子,负极板吸引正离子,实际上形成两个容 性存储层,被分离开的正离子在负极板附近,负离子在正极板附近。 超级电容 器是建立在德国物理学家亥姆霍兹提出的界面双电层理论基础上的一种全新的 电容器。 众所周知, 插入电解质溶液中的金属电极表面与液面两侧会出现符号相 反的过剩电荷,从而使相间产生电位差。那么,如果在电解液中同时插入两个电 极,并在其间施加一个小于电解质溶液分解电压的电压,这时电解液中的正、负 离子在电场的作用下会迅速向两极运动, 并分别在两上电极的表面形成紧密的电 荷层, 即双电层。 它所形成的双电层和传统电容器中的电介质在电场作用下产 生的极化电荷相似, 从而产生电容效应, 紧密的双电层近似于平板电容器, 但是, 由于紧密的电荷层间距比普通电容器电荷层间的距离更小得多, 因而具有比普通 电容器更大的容量。 双电层电容器与铝电解电容器相比内阻较大,因此,可在 无负载电阻情况下直接充电, 如果出现过电压充电的情况,双电层电容器将会开 路而不致损坏。 这一特点与铝电解电容器的过电压击穿不同。同时,双电层电 容器与可充电电池相比,可进行不限流充电,且充电次数可达 10^6 次以上,因 此双电层电容不但具有电容的特性,同时也具有电池特性,是一种介于电池和电 容之间的新型特殊元器件。
1

浅谈超级电容器在电力系统中的应用

1.2 超级电容器的性能 目前应用于超级电容器的电极材料有 3 种:炭基材料、金属氧化物材料和导 电聚合物材料。 炭基材料电化学电容器能量储存的机理主要是靠炭表面附近形成 的双电层, 因此通常称为双电层电容。而金属氧化物和导电聚合物主要靠氧化还 原反应产生的赝电容:在这里,我们主要介绍炭基材料及金属氧化物材料。 炭基电极材料 炭材料具有粉末、块状、纤维状、布、毡等多种形态,具有

以下独特的物理和化学性质,包括: (1)高电化学导电性 (2)高比表面积(>3000 m2.g-1) (3)很好的防腐性能 (4)高热稳定性 (5)可控的孔结构 (6)可调的表面化学性质 (7)复合材料具有兼容性且易加工 (8)廉价易得 因为具有以上多种形态及特点, 炭材料被广泛的用作超级电容器的电极材料。 炭材料能在不同的溶液中(从强酸到强碱)保持化学性质的稳定,并且能在较宽的 温度范围下工作。 通常电容值正比于电极材料的电化学活性面积和电解液的相对 介电常数,而与所形成的双电层厚度成反比。理论上,多孔炭材料的比表面积越 大,比电容越高。炭材料的多孔结构决定了离子的传输,且孔道内电解液离子的 迁移率和 EDLC 的性能密切相关。研究发现炭材料的电化学导电性严重影响电化 学双电层电容器的厚度。 由炭材料表面上的官能团决定的炭材料的表面湿度是影 响电容器性能的另一个因素。 在这些因素中,最重要的就是要达到比表面积积和 直径分布的一个平衡点。
2

浅谈超级电容器在电力系统中的应用

1.3 超级电容器的工作原理

超级电容器是利用双电层原理的电容器。当外加电压加到超级电容器的两个 极板上时,与普通电容器一样,极板的正电极存储正电荷,负极板存储负电荷, 在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下, 在电解液与电极间的界面上形 成相反的电荷, 以平衡电解液的内电场,这种正电荷与负电荷在两个不同相之间 的接触面上, 以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上,这个电荷分布层叫 做双电层, 因此电容量非常大。 当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位 时,电解液界面上电荷不会脱离电解液,超级电容器为正常工作状态(通常为 3V 以下) , 如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时, 电解液将分解, 为非正常状态。 由于随着超级电容器放电 , 正、 负极板上的电荷被外电路泄放, 电解液的界面上的电荷相应减少。由此可以看出:超级电容器的充放电过程始终 是物理过程,没有化学反应。因此性能是稳定的,与利用化学反应的蓄电池是不 同的。 1.4 超级电容器优点 由于超级电容器的结构及工作原理使其具有如下特点: 1.电容量大,超级电容器采用活性炭粉与活性炭纤维作为可极化电极与电解 液接触的面积大大增加,根据电容量的计算公式,那么两极板的表面积越大,则 电容量越大。因此,一般双电层电容器容量很容易超过 1F,它的出现使普通电 容器的容量范围骤然跃升了 3554 个数量级,目前单体超级电容器的最大电容量
3

浅谈超级电容器在电力系统中的应用

可达 5000F。 2.充放电寿命很长,可达 500 000 次,或 90 000 小时,而蓄电池的充放电寿 命很难超过 1 000 次, 3.可以提供很高的放电电流(如 2700F 的超级电容器额定放电电流不低于 950A,放电峰值电流可达 1680A,一般蓄电池通常不能有如此高的放电电流一些 高放电电流的蓄电池在杂如此高的放电电流下的使用寿命将大大缩短。 4.可以数十秒到书分钟内快速充电,而蓄电池再如此短的时间内充满电将是 极危险的或几乎不可能。 5.可以在很宽的温度范围内正常工作(-40—+70℃)而蓄电池很难在高温特 别是低温环境下工作。 6.超级电容器用的材料是安全的和无毒的,而铅酸蓄电池、镍镉蓄电池军具 有毒性。 7.等效串联电阻 ESR 相对常规电容器大(10F/2.5V 的 ESR 为 110mΩ ) 。 8.可以任意并联使用一增加电容量,如采取均压后,还可以串联使用

二、超级电容器在国内外的发展状况
超级电容器自面市以来,全球需求量快速扩大,已成为化学电源领域内新的 产业亮点。 超级电容器在电动汽车、 混合燃料汽车、 特殊载重汽车、 电力、 铁路、 通信、国防、消费性电子产品等众多领域有着巨大的应用价值和市场潜力,被世 界各国所广泛关注。 由于超级电容器具有充放电速度快、对环境无污染、循环寿命长等优点,有 希望成为本世纪新型的绿色能源。当前,国内厂商纷纷推出产能扩张项目,产品 也更加全面,产能正节节攀升。即使如此,由于国内能规模生产的厂家较少,年 供应量不到 500 万只, 这样的生产规模还远远无法满足国内市场的需求, 所以国 内大多数用户还是通过进口来满足需要。在市场需求迅速增长的强力推动下,国 内现有的超级电容器生产企业正积极融资扩产, 国际超级电容器生产大鳄也把战
4

浅谈超级电容器在电力系统中的应用

略投资的目光锁定中国,而相关的生产企业(如铝电解电容器生产企业)也正跃跃 欲试准备介入这一新兴市场。 目前,在发达国家,超级电容器的应用备受重视,俄罗斯已在载重汽车上批 量采用,德国也在客车启动上应用此类产品,这些产品正在向规模化、市场化、 大众化方向迅速发展。 而在国内, 超级电容器的应用尚处于起步阶段。 在钮扣型超级电容器市场中, 海外产品几乎占据了 90%以上的份额, 竞争异常激烈。 中国厂商正采取替代手段, 利用低价策略(约为国外产品的 40%~60%)、快速供货、销售布局完善,对中国 终端应用市场更加熟悉,技术支持与服务优于国际品牌等各种优势来争夺市场。 在卷绕型和大型超级电容器方面,中国产品的技术水平与国际接近,市场份额较 为理想。

三、超级电容器的应用前景
超级电容器作为产品已趋于成熟,其应用范围也不断拓展,在工业、消费电 子、通讯、医疗器械、国防、军事装备、交通等领域得到越来越广泛的应用。从 小容量的特殊储能到大规模的电力储能, 从单独储能到与蓄电池或燃料电池组成 的混合储能,超级电容器都展示出了独特的优越性。美、欧、日、韩等发达国家 和地区对超级电容器的应用进行了卓有成效的研究。概括起来,有关超级电容器 的应用或应用研究可以分为以下几个方面。 1、小功率电子设备的后备电源、替换电源或主电源 1) 后备电源。当主电 源中断、 由于振动产生接触不良或由于其他重载引起系统电压降低时,超级电容 器就能够起后备电源作用。 其电量通常在微安或毫安级。 典型的应用有: 录像机、 TV 卫星接收器、汽车音频系统、出租车的计量器、无线电波接收器、出租计费 器、 闹钟、 控制器、 家用面包机、咖啡机、照相机和电视机、计数器、移动电话、 寻呼机等。 2) 替换电源。由于超级电容器具有高充放电次数、寿命长、使用 温度范围宽、循环效率高以及低自放电的特点,故很适合做替换电源。例如,白
5

浅谈超级电容器在电力系统中的应用

天太阳能提供电源并对超级电容器充电,晚上则由超级电容器提供电源。典型的 应用有太阳能手表、路标灯、公共汽车停车站时间表灯、交通信号灯等,它们能 长时间使用,不需要任何维护。 3) 主电源。通过一个或几个超级电容器释放 持续几毫秒到几秒的大电流。放电之后,超级电容器再由低功率的电源充电。其 典型的应用有玩具车,其体积小、重量轻,能很快跑动。 2、电动汽车和混合电动汽车 电动汽车的动力源有铅酸电池、镍氢电池、

锂离子电池以及燃料电池等。普通电池虽然能量密度高,行驶里程长,但是存在 充电时间长、无法大电流充电、工作寿命短等不足。与之相比,超级电容器功率 大,充电速度快,输出功率大,刹车再生能量回收效率高。由于超级电容器的寿 命是普通化学电池的 100 倍以上且彻底免维护, 使用超级电容器作为动力源的城 市交通电动汽车综合运营成本大大低于采用电池作为动力源的电动汽车。 目前世 界各国都在开发电动汽车,主要倾向是开发混合电动汽车(HEV) ,用电池为电 动汽车的正常运行提供能量, 而加速和爬坡时可以由超级电容器来补充能量。另 外, 用超大容量电容器存储制动时产生的再生能量。 在电动车辆行驶时, 起步快, 加速快,爬坡能力强。 3、可再生能源发电系统/分布式电力系统 在可再生能源发电或分布式电力 系统中, 发电设备的输出功率具有不稳定性和不可预测性的特点。采用超级电容 器储能,可以充分发挥其功率密度大、循环寿命长、储能密度高、无需维护等优 点,既可以单独储能,也可以与其他储能装置混合储能。超级电容器与太阳能电 池相结合,可以应用于路灯、交通警示牌、交通标志灯等。超级电容器还应用于 风力发电、燃料电池等分布式发电系统,可以对系统起到瞬间功率补偿的作用, 并可以在发电中断时作为备用电源,以提高供电的稳定性和可靠性。 4、变频驱动系统的能量缓冲器 超级电容器与功率变换器构成能量的缓冲

器,可以用于电梯等变频驱动系统。当电梯上升时,能量缓冲器向驱动系统中的 直流母线供电,提供电机所需的峰值功率;在电梯减速下降过程中,吸收电机通
6

浅谈超级电容器在电力系统中的应用

过变频器向直流母线回馈的能量。 5、军事装备领域 军用装备,尤其是野战装备,大多不能直接由公共电网

供电,而需要配置发电设备及储能装置。军用装备对储能单元的要求是可靠、轻 便、隐蔽性强。采用超级电容器与蓄电池混合储能,可以大幅度减轻电台等背负 设备的重量;为军用运输车、坦克车、装甲车等解决车辆低温启动困难的问题, 还可提升车辆的动力性和隐蔽性; 解决常规潜艇中蓄电池失效快、 寿命短的问题; 还可以为雷达、 通信及电子对抗系统等提供峰值功率,以减小主供电电源的功率 等级。

四、超级电容器的发展方向
1、 社会需求带动超级电容器产业飞速发展。一方面,世界上关于能源危机 和绿色环保的呼声越来越高,为了解决这个难题,人类正在积极寻求解决方案; 另一方面,随着电子工业的发展,能够为各种电子设备提供高容量、便携备用电 源的需求也很迫切,正是这些需求,带动了超级电容器的发展。从一些统计数据 可以看出,超级电容器的国际市场广阔,国内市场基本还没有形成,这就预示着 无限商机。 美国、 欧洲和日本都在积极开展电动汽车用超级电容的研究开发工作。 美国能源部和 USABC 从 1992 年开始, 组织国家实验室和工业界 (Maxwell 公司, GE 公司等)联合开发使用碳材料的双电层超级电容器。其研究的初期目标是在 维持功率密度为 1kW/kg 的同时,把超级电容器的能量密度提高到 5W·h/kg。 这一目标已经基本达到。 有关资料表明, 如果超级电容的比能量达到 20W· h/kg, 那么用于混合车将是比较理想的。1996 年欧共体制定了电动汽车超级电容器发 展计划。 由 SAFT 公司领导, 目标是比能量达到 6W· h/kg, 比功率达到 1500W/kg, 循环寿命超过 10 万次,满足电化学电池和燃料电池电动汽车要求。日本也成立 了“新电容器研究会”和 NEW SUNSHINE 开发机构。目前,在该技术领域中处于 领先地位的国家有俄罗斯、日本、德国和美国。俄罗斯专注于电容车技术和电动 车制动能量回收的研究,取得了显著发展。其启动型超级电容器比功率已达
7

浅谈超级电容器在电力系统中的应用

3000W/kg,循环寿命在 10 万次以上,领先于其他国家。我国从 20 世纪 90 年代 开始研制超级双电层电容器, 与国外先进水平还有一定的差距。但已经有一些企 业积极投入到了超级电容器的研制、生产,发展较快。国内有些单位已经研制出 比能量为 10W·h/kg、比功率为 600W/kg 的高能量型及比能量为 5W·h/kg、比 功率为 2500W/kg 的高功率型超级电容器样品, 循环使用次数可达 50000 次以上。 性能指标已经达到国际先进水平,成本较国际平均价格有大幅度下降。 2、提高性能、降低成本是超级电容器发展的主旋律。提高电容器的容量和 循环特性、降低成本一直是业界关注的问题,就提高性能而言,超级电容器的电 极、电解质的改进是重点。目前超级电容器电极材料的研究重点在于:一、组合 利用现有的电极材料, 例如结合电双层电容和法拉第准电容的储能机理,从而提 高电容。 二、 开发新型电极材料, 实际上, 新型电极材料的开发从来没有停止过, 从活性炭、碳纤维、金属氧化物、碳气凝胶、碳纳米管到复合电极材料,等等, 不断有新材料问世。电解质的研究重点在于开发电位窗宽、耐高低温、离子导电 性好的材料。 从降低成本的角度看, 人们也一直在努力。 现在, 美国的 Full Power Technologies 公司正在进行低成本超级电容的开发。从成本降低的途径分析,一 方面是寻找新的低价原料, 例如利用天然矿产资源等;另一方面是寻求低价原料 与高价原料的结合,从而实现性能互补、总体价格走低的目的,再有就是改进生 产工艺,例如简化工艺、改进生产设备,实现低成本化。 3、 从超级电容器的发展历史来看, 在 2000 年 12 月 31 日之前公开的专利文 献中, 电池和超级电容器领域交叉的文献比例为 23.7%, 之后到 2006 年 12 月 31 日之前公开的专利文献中,电池和超级电容器领域交叉的文献比例达到 43.3%, 可见超级电容器技术越来越与电池技术融合。电容器虽然能够提供高功率,但电 容器不能像电池一样提供高的重量能量比,因此,国际上一直在研究提高电容量 重量能量比的方法, 人们期望将来超级电容器能够代替电池作为储能元件,兼具 高能量和高功率的性能。
8

浅谈超级电容器在电力系统中的应用

4、中国在超级电容器的开发方面虽然取得了很大进展,但在核心技术(电 极和电解液)的掌握方面,与领先地位的国家相比,差距很大,而超级电容器是 绿色环保、能源开发的重要方向之一,需要国家和企业投入更多的人力、物力进 行基础性的研究工作, 从整体上提高全行业的技术水平。超级电容器的研发必将 带动整个电子产业及相关行业的发展, 例如, 使用超级电容器作为电源的计算机、 手机、摄像机、数码相机等小型电子设备的发展;使用超级电容器作为动力源的 电动汽车工业的发展,等等。目前国内超级电容器的开发生产刚刚起步,具有广 阔的发展空间。

五、超级电容器在电力系统中的应用
我国 20 世纪 60~80 年代建设的 35kV 变电站及 10kV 开关站, 绝大多数 高压开关(断路器)操动机构是 CD-X 型电磁操动机构。在变电站或配电站的 配电室中专门配有相应的直流系统,作为分、合闸操作、控制和保护用的直流电 源。 这些直流电源设备, 主要是电容储能式硅整流分合闸装置和由蓄电池组构成 的直流电源。 经过多年的运行, 这些变电站的直流设备主要存在充电机不能正常 运行,并且无法修复,蓄电池损坏严重等问题。由于这些问题的存在,如果发生 站内短路事故, 所用变电压将迅速降低,此时若蓄电池组不能提供足够的能量跳 开断路器, 将发生越级跳闸事故;如果当交流供电电源停电或直流稳压器有故障 时, 又不能提供足够的合闸能量。直流系统存在的这些问题已经直接影响到变电 站的安全可靠运行。 由于电容储能式硅整流分、合闸装置具有结构简单、成本 低、维护量小的特点, 因此在当时的这些末端站得到了广泛的应用,但是这些 装置在实际使用中暴露出一个致命的缺陷:事故分闸的可靠性差,其原因是使用 的储能电解电容器组的容量有限(只有几千个微法),漏电流较大。有限的储能及 较大的漏电, 使其无法在任何情况下保证事故分闸所需要的能量,由此造成的严 重事故时有发生。 有些用户不得不将其换成小容量的蓄电池组,其目的就是为了 能保障分闸的能量。抛开蓄电池价格昂贵、寿命有限的不足,单就从必须按规定
9

浅谈超级电容器在电力系统中的应用

对其进行维护保养才能正常工作这一点来说,就是让工作人员头疼的问题,因为 这里的蓄电池组不承担合闸任务,长时间处于备用状态,有些问题(如单个电池 不良和记忆效应等) 不象蓄电池组直流电源那样从合闸操作中发现,这就要求工 作人员主动定期地对蓄电池进行维护保养。由于工作量大,实际中这些工作在现 场很难做到百分之百落实, 甚至有些工作人员编造工作记录蒙混过关,因此蓄电 池组的内部状态是否正常已很难保证, 如不及时发现蓄电池组中有问题的蓄电池 并进行更换, 一旦供电线路出现事故需迅速分闸时,就有可能提供不了足够的能 量,有可能造成更大的事故。 由蓄电池组成的直流电源,能存储很大的电能而 实现停电后的长时间的直流供给。 在一些重要变、 配电站(如 110kV 及以上级别 的变电站)这是必要的功能,然而有些不重要的末端站及用户站,实际上并不需 要停电后长时间的直流供给。 考虑到要保证事故分闸的可靠性而使用了这样的设 备,然而带来的却是很高的运营成本,经常的维护保养以及不长的使用寿命,另 外故障率也因其电池的多节串联而增加。这些问题希望有较好的办法来解决,超 级电容器的出现及其具备的优良性能为解决这一问题带来了希望。 在 110KV、35KV、10KV 的中小型末端变电站以及企业内部的 6KV 配电系统 中,经常性负荷通常小于 5A。模拟当电网失电后,由电容放电来维持直流母线 电压的试验。 根据电力工程设计手册中,关于直流系统控制母线电压允许波动范 围为 85%~110%Un ,额定电压 Un =220V 时,控制母线电压允许波动范围为 187~242V。电容维持控制母线电压实验采用耐压 280V,容量 0.85F 的超级电容 器。控制母线电流小于 2A 时,将保持 30s 的跳合闸能力,在实际运用中,将配 备多台电容互为热备用,因而在极端的情况下,经常性负荷达 4A,维持母线电 压能达数十秒,对于任何一种继电保护,其动作时间都能在数秒钟内完成,因为 留有了充足的跳合闸的能量, 所以说它非常可靠。这种超级电容器直流电源由于 没有蓄电池,不需要复杂的充电电路,真正实现了免维护,大大降低了人员的劳 动强度。超级电容器采用物理技术储能,对环境没有污染,循环寿命长,节约了
10

浅谈超级电容器在电力系统中的应用

成本,符合国家节能减排政策。

11


相关文章:
浅谈超级电容器在电力系统中的应用
浅谈超级电容器在电力系统中的应用杜蕾佶,Z13030508,国网宁波供电公司,从事营销低压用电检查工作 一、超级电容器的概述 1.1 超级电容器产品介绍 超级电容器,又叫...
超级电容器的主要应用领域
4 智能分布式电网系统 4.1 超级电容器在智能电网中的应用研究分析 当今社会对能源和电力供应的质量以及安全可靠性的要求越来越高, 传统的 大电网供电方式由于其本身...
超级电容在国家电网上的应用
超级电容在国家电网上的应用_电子/电路_工程科技_专业资料。超级电容在国家电网上...地铁电站等恶性负荷的微电网中,配置超级电容器储能单元可 以减少电力驱动系统对...
论超级电容器的原理及应用
超级电容器电极上的反应情况及结构而言, 超级电容器可划分为非对称型 及对称...电动汽车及混合电动汽车、电力系统级内燃机车启动等四大领域的应用展开探 讨。 (...
超级电容器在直流电源中的应用用
处于前沿探索阶段,因此对超级电容器 储能及应用技术开展深入的研究具有十分重要的意义,可以为解决电力系统、可 再生能源、电动汽车以及冲击性负载中出现的问题提供一个...
超级电容器的发展与应用
目前,超级电容器在电力系统中的应用越来越受到关注。此外,超级电容器还活跃在电动汽车、消费类电子电源、军事、工业等高峰值功率场合。 二、课题研究的主要内容: ...
2015年3月毕业论文超级电容器的应用研究
文章介绍了超级电容器的原理、 主要性能指标、 特点及国内外发展和应用状况; 归纳了超级电容器在电力系统中的若干具体应用,指出了使用中应注意的问题及 其解决方法...
浅谈电气自动化在电力系统中的应用
浅谈电气自动化在电力系统中的应用 【摘要】随着科技的不断发展,电气自动化技术已经被广泛应用于电力系 统中, 相对于传统电力系统控制技术来说在工作效率和安全性...
超级电容器建模及其在能源互联网中的应用
11 超级电容器建模及其在能源互联网中的应用摘要:本文介绍了超级电容器的储能...能源互联网是以电力系统为核心, 以智能电网为基础, 采用先进的信息和通信技术及...
更多相关标签:
浅谈电力系统的发展 | 电力营销业务应用系统 | vr在电力系统的应用 | 电力系统分析的应用 | 规范在电力系统的应用 | 无人机电力系统应用 | 超级电容器的应用 | 超级电容器应用 |