超级电容器的应用研究

网络高等教育本 科 生 毕 业 论 文（设 计） 题 目 ：超级电容器的应用研究学习中心：层 次： 专科起点本科 专 业： 电气工程及其自动化 年 级： 2013 年 秋 季 学 号： 学 生： 指导教师： 李丹 完成日期： 2015 年 6 月 24 日 超级电容器的应用研究I内容摘要近年来，随着新能源工业的需求和节能技术不断发展，作为现代新型的储能设备的超级电容器步入高度发展与应用阶段，超级电容器相对于传统电化学储能设备有着明显的优势，其充放电速度快、功率密度大、使用寿命长等特点特别适合应用于能量回收的系统中，目前超级电容器储能系统作为能量管理的一个重要选择。超级电容器是介于传统电容器和蓄电池之间的一种新型储能装置,它具有功率密度大、容量大、使用寿命长、免维护、经济环保等优点。超级电容器在储存大量能量的时候电压较低，和蓄电池的电压比较匹配。由于超级电容器最大充放电性能由活性物质表面的离子取向和电荷转移速度控制，因此，可在短时间内进行电荷的转移，因此可得到更高放电比功率 （可大于 500Wkg-1） ；同时，由于电极上没有发生决定反应速度与限制电极寿命的活性物质的相应变化，因此它具有很好的循环寿命 （可大于 105 次循环） 。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，以及今后的研究方向。关键词：电力系统；储能；蓄电池；超级电容器； 超级电容器的应用研究II目 录内容摘要 .I引 言 .31 超级电容器的基本原理 .41.1 超级电容器的基本分类 .41.2 超级电容器的性能指标 .51.3 超级电容器的工作原理 .61.4 超级电容器的优点 .71.5 超级电容器在使用中应注意的问题 .82 超级电容器的发展现状 .92.1 我国超级电容器发展现状 .92.2 国外超级电容器发展现状 .93 超级电容器的应用 .113.1 超级电容器应用概况 .113.1.1 超级电容器在太阳能能源系统中的应用 .113.1.2 超级电容器在风力发电系统中的应用 .113.1.3 超级电容器在新能源汽车中的应用 .123.1.4 超级电容器在运动控制领域的应用 .133.2 超级电容器在电力系统中的应用 .143.2.1 用于分布式发电系统 .143.2.2 用于变/配电站直流系统 .143.2.3 用于动态电压跌落装置 .153.2.4 用于静止同步补偿器 .153.2.5 用于分布式储能系统 .164 超级电容器存在的问题及发展趋势 .17结 论 .18参考文献 .19超级电容器的应用研究3引 言超级电容器是 20 世纪七八十年代发展起来的一种介于电池和传统电容器之间的新型储能元件，比同体积的电解电容器容量大 20006000 倍，功率密度比电池高 10100 倍，可以放大电流充放电，充放电效率高，充放电循环次数可达100000 次以上，并且免维护。超级电容器的出现填补了传统的静电电容器和化学电源之间的空白，并以其优越的性能及广阔的应用前景受到了各个国家的重视。本文介绍了超级电容器的原理和分类，以及近年来超级电容器的发展和商业化进程。同时，也介绍了超级电容器的应用情况。随着电动车研究的兴起，超级电容器重要的研究方向之一是将其与高比能量的蓄电池连用，在车辆加速、刹车或爬坡的时候提供车辆所需的高功率，达到减少蓄电池的体积和延长蓄电池寿命的目的。纳米碳材料的出现和发展为超级电容器电极材料研究提供了新的发展方向，将给超级电容器性能提高提供广阔的发展思路和空间。超级电容器的应用研究41 超级电容器的基本原理1.1 超级电容器的基本分类超级电容器的类型比较多，按原理分为双电层型超级电容器和赝电容型超级电容器：（1）双电层型超级电容器根据材料不同可包括：活性碳电极材料，采用了高比表面积的活性炭材料经过成型制备电极。碳纤维电极材料，采用活性炭纤维成形材料，如布、毡等经过增强，喷涂或熔融金属增强其导电性制备电极。碳气凝胶电极材料，采用前驱材料制备凝胶，经过炭化活化得到电极材料。碳纳米管电极材料，碳纳米管具有极好的中孔性能和导电性，采用高比表面积的碳纳米管材料，可以制得非常优良的超级电容器电极。以上电极材料可以制成：平板型超级电容器，在扣式体系中多采用平板状和圆片状的电极，另外也有 Econd 公司产品为典型代表的多层叠片串联组合而成的高压超级电容器，可以达到 300V 以上的工作电压。绕卷型溶剂电容器，采用电极材料涂覆在集流体上，经过绕制而成，这类电容器通常具有更大的电容量和更高的功率密度。（2）赝电容型超级电容器根据材料不同包括金属氧化物电极材料与聚合物电极材料，金属氧化物包括NiOx、MnO 2、V 2O5 等作为正极材料，活性炭作为负极材料制备的超级电容器，导电聚合物材料包括 PPY、PTH、PAni、PAS 、PFPT 等经 P 型或 N 型或 P/N 型掺杂制取电极，以此制备超级电容器。这一类型超级电容器具有非常高的能量密度，目前除 NiOx 型外，其它类型多处于研究阶段，还没有实现产业化生产。按电解质类型可以分为水性电解质和有机电解质类型（1）水性电解质主要包括以下几类：酸性电解质，多采用 36的 H2SO4 水溶液作为电解质。碱性电解质，通常采用 KOH、NaOH 等强碱作为电解质，水作为溶剂。超级电容器的应用研究5中性电解质，通常采用 KCl、NaCl 等盐作为电解质，水作为溶剂，多用于氧化锰电极材料的电解液。（2）有机电解质通常采用 LiClO4 为典型代表的锂盐、TEABF4 作为典型代表的季胺盐等作为电解质，有机溶剂如 PC、 ACN、GBL、THL 等有机溶剂作为溶剂，电解质在溶剂中接近饱和溶解度。另外还可以分为：液体电解质超级电容器，多数超级电容器电解质均为液态。固体电解质超级电容器，随着锂离子电池固态电解液的发展，应用于超级电容器的电解质也对凝胶电解质和 PEO 等固体电解质进行研究。1.2 超级电容器的性能指标超级电容器，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，在储能的过程中并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，因此超级电容器可以反复充放电十万次。超级电容器可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，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。目前，对超级电容器性能描述的指标有：（1）额定容量。指按规定的恒定电流(如 1000F 以上的超级电容器规定的充电电流为 100A，200F 以下的为 3A)充电到额定电压后保持 23min，在规定的恒定电流放电条件下放电到端电压为零所需的时间与电流的乘积再除以额定电压值，单位为法拉，F 。（2）额定电压。即可以使用的最高安全端电压。此外还有浪涌电压，通常为额定电压的 105%；击穿电压，其值远高于额定电压，约为额定电压的 1.53 倍，单位为伏特(V) 。（3）额定电流。指 5s 内放电到额定电压一半的电流，单位为安培 (A)。（4）最大存储能量。指额定电压下放电到零所释放的能量，单位为焦耳(J)或瓦时(Wh)。（5）能量密度，也称比能量。指单位质量或单位体积的电容器所给出的能量，单位为 Wh/kg 或 Wh/L。（6）功率密度，也称比功率。指单位质量或单位体积的超级电容器在匹配超级电容器的应用研究6负荷下产生电/热效应各半时的放电功率。它表征超级电容器所能承受电流的能力，单位为 kW/kg 或 kW/L。（7）等效串联电阻(ESR)。其值与超级电容器电解液和电极材料、制备工艺等因素有关。通常交流 ESR 比直流 ESR 小，且随温度上升而减小。单位为欧姆。（8）漏电流。指超级电容器保持静态储能状态时，内部等效并联阻抗导致的静态损耗，通常为加额定电压 72h 后测得的电流，单位安培(A)。（9）使用寿命。是指超级电容器的电容量低于额定容量的 20%或 ESR 增大到额定值的 1.5 倍时的时间长度。因为此时可判断为其寿命终了。（10）循环寿命。超级电容器经历 1 次充电和放电，称为 1 次循环或叫 1 个周期。超级电容器的循环寿命很长，可达 10 万次以上。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响应减少。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。在内部结构上有两个极板即正极和负极，当外部电压加到正负极板上时，负极板存储负电荷而正极板存储正电荷，两个极板间有电势差而形成一个电场，由于电场的作用，电极间和电解液的界面上形成相反的电荷，这种负电荷和正电荷在不同极之间的接触面上，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。当正负极板间电势低于电解液的氧化还原电位时，电解液内的电荷就不会脱开电解液，此时，超级电容器处于正常工作状态，如果超级电容器内部电容端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液中的电荷将脱离，超级电容器处于非正常状态，随着超级电容器充放电，正、负极板上的电荷超级电容器的应用研究7越来越少，相应的电解液的界面上的电荷相应减少，超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应。如下图 2.1 所示为双电层超级电容器的结构，由图分析易知当外部施加电压时两个电极就有电势差，为了平衡电场作用，电极与电解液的接触面会产生稳定而极性相反的电荷层，即形成了电容器的两个正负电极。活性炭多孔化电极和电解液接触后会使实际有效电极表面积增大，通常可达到 200m2/g，因此超级电容器从结构机制理论分析上可以储存大量的静电能量。图 2.1 超级电容器原理图1.4 超级电容器的优点超级电容器的工作原理是物理过程，与传统电化学蓄电池的原理不一样，它结合了静电电容和电池的优点，总结起来有以下几方面的优点：(1)功率密度高。超级电容器的功率密度可到达几十 kw/g，是传统蓄电池功率密度的几十倍，这个特点非常适用于要求短时输出高功率的场合。(2)充放速度快。超级电容器的充放电是可逆、快速的物理过程，若采用大电流充放电，可以在几十秒至几分钟内完成。目前一种新型的超级电容器只需 200微秒即可完成充电。(3)循环使用寿命长。由于超级电容器在机理上充放电只是物理过程且具有可逆性，不像传统蓄电池存储能量是通过化学反应完成的，理论上超级电容器的充放电次数是无限的，实际应用中一般能达到 10 万次以上。(4)充放电效率高。一般超级电容器的内阻都非常小，一般只有几毫欧，充放电时内阻的能量损耗比较小，大电流能量循环效率90% 。(5)适用温度范围广。超级电容器绝大部分电荷转移都是在电极活性炭物质的表面上进行的，因此温度对其正常工作影响较小，一般超级电容器的工作温度为-40-80 。(6)无污染、可靠性高。超级电容器生产所需的材料都是对环境无污染的，在超级电容器工作的物理过程对环境也无影响；而且超级电容器需要的维护较少，超级电容器的应用研究8因此其可靠性高。(7)充放电电流大。超级电容器的电容值都比较大，目前超级电容器容值可达到上万法拉级别，因此可以进行大电流的充放电工作，因此非常适合应用在一些需求大电流的场合。1.5 超级电容器在使用中应注意的问题在超级电容器在使用中应注意以下几点问题：1、超级电容器具有固定的极性，在使用前应确认极性。2、超级电容器应在标称电压下使用。因为当电容器电压超过标称电压时会导致电解液分解，同时电容器会发热，容量下降，内阻增加，使其寿命缩短。3、由于 ESR 的存在，超级电容器不可应用于高频率充放电的电路中。4、当对超级电容器进行串联使用时，存在单体间电压均衡问题。单纯的串联会导致某个或几个单体电容器因过压而损坏，从而影响到整体性能。表 1 超级电容器和蓄电池电性能比较条件 蓄电池 超级电容器电化学位变化 由活性物质的热力学性质决定随活性物质的变化而变化充放电电极电位变化 如果不发生非热力学过程或物相变化，电极电位保持不变电极电位随充电状态而发生变化电量储存方式 非电容性 电容性恒电位变化时 得不到恒流曲线 可得恒流曲线恒流放电时电位变化 基本不变 呈线性变化超级电容器的应用研究92 超级电容器的发展现状2.1 我国超级电容器发展现状在我国，北京有色金属研究总院、锦州电力电容器有限责任公司、北京科技大学、北京化工大学、北京理工大学、北京金正平公司、解放军防化院，哈尔滨巨容公司、上海奥威公司等也在开展电动车用超级电容器的开发研究工作，2005年，由中国科学院电工所承担的“863”项目“可再生能源发电用超级电容器储能系统关键技术研究”通过专家验收。该项目完成了用于光伏发电系统的300Wh/1kW 超级电容器储能系统的研究开发工作。另外，华北电力大学等有关课题组，正在研究将超级电容器储能(SCES)系统应用到分布式发电系统的配电网。但从整体来看，我国在超级电容器领域的研究与应用水平明显落后于世界先进水平2.2 国外超级电容器发展现状在超级电容器的产业化上，最早是 1987 年松下/三菱与 1980 年 NEC/Tokin的产品。这些电容器标称电压为 2.36V，电