毕业设计（论文）超级电容器的应用研究.doc

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1、 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 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

2、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

3、统；储能；蓄电池；超级电容器； 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

4、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

5、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。1 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

6、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

7、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、MnO2、V2O5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

8、为溶剂。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

9、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

10、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

11、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

12、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

13、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

14、级电容器充放电，正、负极板上的电荷越来越少，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

15、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

16、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，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

17、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

18、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2 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

19、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，电容从10-2F至几F，年产量数百万只。20世纪90年代，俄罗斯Econd公司和ELIT生产了SC牌电化学电容器，其标称电压为12450V，电容从1F至几百F，适合于需要大功率启动动力的场合。超级电容器具有功率密度高（大于1kwkg-1甚至几十kwkg-1）、寿命长（105次以上）、使用温度宽（-60-40）及充电迅速（3min）等优异特性，各国政

20、府和公司都积极开展此方面的研究开发工作，并已有各种产品得到了商业应用。美国能源部已对研制全密封超级电容器制定了目标，其近期目标为：功率密度达到:500Wkg-1，远期目标为：功率密度达到:1500Wkg-1。目前，俄罗斯、美国、日本等国就超级电容器已开展了大量研究工作，并取得了一定的进展。90年代初，两家俄罗斯公司Econd和ELIT开始销售超级电容器，采用碳复合体及水系电解质，额定电压在1245V，容量从I法拉到几百法拉，RC常数大约为0.3s，这些超级电容器适用于需要大功率的启动动力的场合。日本松下公司的圆柱型超级电容器，采用碳材料及有机电解质，额定电压为3V，容量800-3000F，功率

21、密度1000Wkg-1。美国Maxell公司方形超级电容器，采用碳布与铝箔复合及有机电解质，额定电压为3V，容量1000-2700F。最近日本的EPCOS公司也已开发出同类产品，准备推向市场。法国SAFT公司的33680型超级电容器额定电压为3V，单体重量为98g，比能4.8Whkg-1，比功率3.4kwkg-1。如今，日本松下、EPCOS、NEC，美国Maxwell、Powerstor、Evans，法国SAFT，澳大利亚Capxx，韩国NESS等公司在超级电容器方面的研究均非常活跃。总的来说，当前美国、日本、俄罗斯的产品几乎占据了整个超级电容器市场，实现产业化的超级电容器基本上都是双电层电容

22、器。附表2外国超级电容器技术现状3 超级电容器的应用3.1 超级电容器应用概况随着超级电容器制造工艺和制备材料的不断发展，可制造出容值很大等效串联阻抗很小的超级电容器，越来越多的公司对超级电容器进行研究也促进了超级电容器在各个领域上的应用。在新能源产业、交通运输、工业生产、军事装备、家用电器等领域均具有较好的应用前景。从小容量的特殊应用到大规模的电力储能应用，从单独作为储能装置到与蓄电池或燃料电池组成的混合储能装置，从传统的工业到新能源产业，超级电容器都展示了其独有的优势。在一些发达国家如美、欧、日等的相关企业对超级电容器的应用已经取得了不错的成果。超级电容器在运输业、工业、再生能源、军事领域

23、等充分发挥自身的优点，得到了较好的应用。3.1.1 超级电容器在太阳能能源系统中的应用太阳能源的利用最终归结为太阳能利用和太阳光利用两个方面。太阳能发电分为光伏发电和光热发电，其中光伏发电就是利用光伏电池将太阳能直接转化为电能。光伏发电不论在转化效率、设备成本和发展前景尚都远远强于光热发电。自从实用型多晶硅的光伏电池问世以来，世界上就便开始了太阳能光伏发电的应用。目前，太阳能光伏发电系统有三个发展方向：独立运行、并网型和混合型光伏发电系统。在独立运行系统中，储能单元一般是必须有的，它能将由日照时发出的剩余电能储存起来供日照不足或没有日照时使用。目前，国际光伏能源产业的需求开始由边远农村和特殊应

24、用向并网发电与建筑结合供电的方向发展，光伏发电已有补充能源向替代能源过渡。国内光伏能源系统仍主要是用在边远的无电地区和城市路灯、草坪灯、庭院灯、广告牌等独立光伏发电系统。通过蓄电池组构成的储能系统，能够熨平太阳光照强度波动导致的电能波动，还可以补偿电网系统中的电压骤降或突升，但是由于其充放电次数有限、大电流充放电时间较慢等因素，因此其使用寿命较短，成本较高。因此，在太阳能光伏发电系统中采用超级电容器组将使其并网发电更具有可行性。3.1.2 超级电容器在风力发电系统中的应用风力发电作为当前发展最快的可再生能源发电技术，具有广阔的应用前景。但是，风能是一种随机变化的能源，风速变化会导致风电机组输出

25、功率的波动，对电网的电能质量会产生影响。目前，风电有功功率波动多采用直接调节风力涡轮机运行状态的方法来平缓其输出功率，但是该方法的功率调节能力有限；无功功率波动通常采用并联静止无功补偿装置进行无功调节，但无功补偿装置无法平抑有功功率波动。通过附加储能设备，既可以调节无功功率、稳定风电场母线电压，又能在较宽范围内调节有功功率。而风力发电研究表明位于0.01Hz-1Hz 的波动功率对电网电能质量的影响最大，平抑该频段的风电波动对电网电能质量的影响最大，平抑该频段风电波动采用较短时间的能量储存就可以达到目的，因此能够实现短时能量存储的小容量储能设备对风力发电的应用价值很高。超级电容器因其具有数万次以

26、上的充放电循环寿命、大电流充放电特性，能够适应风能的大电流波动，它能在白天阳光充足或风力强劲的条件下吸收能量，在夜晚或风力较弱时放电，从而能够熨平风电的波动，实现更有效的并网。3.1.3 超级电容器在新能源汽车中的应用在新能源汽车领域，超级电容器可与二次电池配合使用，实现储能并保护电池的作用。通常超级电容器与锂离子电池配合使用，二者完美结合形成了性能稳定、节能环保的动力汽车电源，可用于混合动力汽车及纯电动汽车。锂离子电池解决的是汽车充电储能和为汽车提供持久动力的问题，超级电容器的使命则是为汽车启动、加速时提供大功率辅助动力，在汽车制动或怠速运行时收集并储存能量。超级电容器在汽车减速、下坡、刹车

27、时可快速回收并存储能量，将汽车在运行时产生的多余的不规则的动力安全转化为电池的充电能源，保护电池的安全稳定运行；启动或加速时，先由电池将能量转移入超级电容器，超级电容器可在短时间内提供所需的峰值能量。在国内涉足新能源汽车的厂商中，已有众多厂商选择了超级电容器与锂离子电池配合的技术路线。例如安凯客车的纯电动客车、海马并联纯电动轿车Mpe等车型采用了锂离子电池/超级电容器动力体系；厦门金龙旗下的厦门金旅生产的45辆油电混合动气公交车采用了720套全球领先的超级电容器厂商美国MAXWELL公司的超级电容器模组，该45辆混合动力公交车于2008年下半年投入杭州运营，因节油效果明显受到赞誉。2009年4

28、月22日，MAXWELL公司公告称收到了来自三家中国领先的运输巴士生产商总价值约1,350万美元的BOOSTCAP(R)超级电容器模组采购订单。MAXWELL公司预计，目前已有超过150辆混合动力巴士采用了该公司的超级电容器，到2009年底将达到1000辆以上。3.1.4 超级电容器在运动控制领域的应用在现代高层建筑中，电梯的耗能仅次于空调。以往的电梯采用机械制动的方法，将这部分能量以热的形式散发掉，这不但浪费，而且多余热量使机房温度升高，增加散热的负担和成本。如果能够回收多余的动能及势能，电梯系统真正消耗的能量就只限于电能转换中的损耗和机械损耗，其中主要包括变频器、牵引电机及其机械损耗。因此

29、，在电梯设计、配置中最迫切需要解决的问题是要全面考虑节能措施。采用节能环保型电梯是未来节能建筑领域的必然趋势。通过分析电梯系统的运动特性，我们可以发现节能的方向：电梯在升降过程结束时，经常会有制动刹车，产生巨大的制动电流，这是可以回收的；另外，在建筑高层，电梯和电梯使用者都具有很大的势能，也可以进行回收。由于超级电容器具有大电流充放电等优良的特性，可在电梯系统中作为能量回收装置回收能量。超级电容器还可以应用于建筑领域的通风、空调、给排水系统中，作为启动装置。另外，超级电容器还可以应用于电站、变流以及铁路系统中，包括电磁阀门控制系统、配电屏分合闸、铁路的岔道控制装置等。作为能源最大消耗者之一的港

30、口机械设备，港口机械如场桥、岸桥中的吊具载运货物上升时需要很大的能量，而下降时自动产生的势能很大，这部分势能在传统机械设备中没有得到合理利用。除了在固定港口机械设备中，在流动机械中也同样存在上述问题。通过采用超级电容器，能够实现上升过程中的制动能量回收，下降过程中的势能回收。超级电容器能用作飞机上柴油机启动系统工作电源的辅助电源，能提供飞机发动机瞬间所需的冲击大电流，另外还可以解决422 系列电源车启动飞机瞬间功率不足的问题，从而在启动瞬间对直流电源车发电系统尤其是内燃机具有很大的保护作用。总之，超级电容器能用于优化主要的运动控制系统的暂态响应性能，实现节能的目标。3.2超级电容器在电力系统中

31、的应用3.2.1 用于分布式发电系统随着电力系统的发展，分布式发电技术越来越受到重视。储能系统作为分布式发电系统必要的能量缓冲环节，因而其作用越来越重要。超级电容器储能系统利用多组超级电容器将能量以电场能的形式储存起来，当能量紧急缺乏或需要时，再将存储的能量通过控制单元释放出来，准确快速地补偿系统所需的有功和无功，从而实现电能的平衡与稳定控制。2005年，美国加利福尼亚州建造了1台450kW的超级电容器储能装置，用以减轻950kW风力发电机组向电网输送功率的波动。超级电容器可以作为太阳能或风能发电装置的辅助电源，将发电装置所产生的能量以较快的速度储存起来，并按照设计要求释放。与传统蓄电池相比，

32、一方面超级电容器对于充放电电流没有严格的限制，更加适合太阳能和风能发电装置电流波动范围较大的特点，另一方面超级电容器的长寿命、免维修和环保德国特点能够环保等特点能够保证这些新型能源杜绝二次污染，并能长时间免维护地使用，成为真正的绿色能源。将超级电容器与太阳能、风能系统相结合，还可能开发出一系列新型的免维护装置，例如航空灯，在白天由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。由于超级电容器的使用维护要求极低，使用寿命可达10年，这种新型的航空灯可以大大减轻日常维护工作地强度，并能保证长时间可靠工作。除此之外，储能系统对电力系统配电网电能质量的提高也可起到重要的作用。通过逆变器控

33、制单元，可以调节超级电容器储能系统向用户及网络提供的无功及有功，从而达到提高电能质量的目的。3.2.2 用于变/配电站直流系统我国20世纪6080年代建设的35kV变电站及10kV开关站(室)，绝大多数高压开关(断路器)的操动机构是CDX型电磁操动机构。在变电站或配电站的配电室中均配有相应的直流系统，用作分合闸操作、控制和保护的直流电源。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部分由蓄电池构成的直流屏。电容储能式硅整流分合闸装置由于结构简单、成本低、维护量小而在当时得到广泛应用，但是在实际使用中却存在一个致命缺陷：事故分合闸的可靠性差。其原因是储能用电解电容的容量有限(只有几千F)

34、，漏电流较大。由蓄电池构成的直流屏虽然能存储很大的电能，在一些重要的变、配电站中成为必需装置，但由于其运营成本极高、使用寿命不长，因此这些装置只能用于110kV级别的变电站，难以推广使用。超级电容器以其超长使用寿命、频繁快速的充放电特性、便宜的价格等优点，使解决上述问题成为可能。如用2只0.85F，240/280V的超级电容器并联后就可完全替代笨重的、需要经常维护的、且有污染的蓄电池组。由于一次合闸的能耗只相当于超级电容器所储能量(70kJ)的3%，而这一能量在浮充电路中又可很快被补充，因而完全适应连续频繁的操动，且具有极高的可靠性。3.2.3 用于动态电压跌落装置尽管很多用户选择不间断电源(

35、UPS)作为电网断电或电网电压瞬时跌落时设备电源的补救装置，但对于电压瞬时跌落而言，UPS显得有些大材小用。UPS由蓄电池提供电能，工作时间持续较长，但是，由于蓄电池自身的缺点(需定期维护、寿命短)，使UPS在运行中需时刻注意蓄电池的状态。而电力系统电压跌落的持续时间往往很短(10ms60s)，因此在这种情况下使用超级电容器的优势比UPS明显：其输出电流可以几乎没有延时地上升到数百安，而且充电速度快，可以在数分钟内实现能量存储，便于下次电源故障时起用。因此尽管超级电容器的储能所能维持的时间很短，但当使用时间在1min左右时，它具有无可比拟的优势50万次循环、不需护理、经济。在新加坡，ABB公司

36、生产的利用超级电容器储能的动态电压恢复装置(DVR)安装在4MW的半导体工厂，以实现160ms的低电压跨越。由于超级电容器充放电迅速，可以适应较宽温度范围内的工作，循环寿命长，同时是真正的免维护电源，因此可以作为潜艇和船只等设备的主辅电源，坦克、装甲车的超低温启动电源，航天器、雷达的动力电源，野战医院医疗器械的主辅电源，单兵小型电台的主辅电源等。据报道，我国东北地区进行的军事演习中，由于爱用了超级电容器作为军车的低温启动电源，军车的高寒作战能力大大提高，在25以下的低温条件下，仍然保持了较好的机动能力。3.2.4 用于静止同步补偿器静止同步补偿器(STATCOM)是灵活交流输电技术(FACTS

37、)的主要装置之一，代表着现阶段电力系统无功补偿技术新的发展方向。它能够快速连续地提供容性和感性无功功率，实现适当的电压和无功功率控制，保障电力系统稳定、高效、优质地运行。基于双电层电容储能的STATCOM，可用来改善分布式发电系统的电压质量。其在300500kW功率等级的分布式发电系统中将逐渐替代传统的超导储能。经济性方面，同等容量的双电层电容储能装置的成本同超导储能装置的成本相差无几，但前者几乎不需要运行费用，而后者却需相当多的制冷费用。3.2.5 用于分布式储能系统20世纪80年代以来，世界电力工业开始电力体制改革，其核心就是实现电力企业的私有化和构建竞争性电力市场。电力市场是电力系统中的

38、发电、输电、供电、用电各部分组织协调运行并进行电力交易的综合体。1992年，电力部正式提出建立国内的电力市场。随着中国电力体制改革的进一步深化，电力行业被重组为两大电网公司和五大发电公司，国家电力监管会正式挂牌运转，电力市场正在逐步形成。电能作为商品，电能质量自然就成为其重要的特征参数。IEEE给出电能质量问题的一般解释为：在供电过程中导致电气设备出现误操作或故障损坏的任何异常现象。电能质量包括电压质量、电流质量、供电质量和用电质量，涉及到电压、频率、波形和三相平衡等方面的用电可靠性、连续性、可操作性等方面。目前，美国西屋电气公司、德国西门子公司、日本三菱电气公司、瑞典ABB公司等各大电力设备

39、制造商都制造出相应的产品。电压是电能质量的重要指标之一，影响电能质量的电压干扰，主要包括电压偏移、三相不平衡、电压波动与闪变、电压的谐波分量、电压跌落和瞬时断电等。在提高电能质量的过程中，储能系统正起着越来越大的作用。根据容量大小的区别，储能系统的主要作用也各有不同。（1）大型储能系统：主要用作电力网的可调节发电电源，对电力网进行控制和调节，如频率控制、备用容量控制、动态快速响应、削峰填谷调平负荷以及防止系统解列和瓦解等。（2）中型储能系统：主要用于大功率远距离输变电系统，其主要功能有提高输电稳定性、维持电压稳定、抑制谐波、调节负荷等。（3）小型储能系统：主要用于调节电能质量和提高供电可靠性，

40、其主要功能有电压控制、抑制电压波动与闪变、抑制电压下跌、瞬时断电供电等。4 超级电容器存在的问题及发展趋势超级电容器虽然有很多的优点，但是也有不足之处，以下总结了超级电容器的几点不足。(1)能量密度小，不适合应用在需求大能量储存的场合；(2)端电压低，因此必须用多个超级电容器进行串并联才能满足电压等级要求；(3)串联产生均压问题，均压的不平衡会影响到整个储能系统的效率和寿命；(4)成本高，受其材料和制备工艺的影响，目前一个单体电容的成本都比较高。超级电容器由于具备高比功率、长循环寿命等优势，目前已应用于计算机备用电源、信号灯电源及与燃料电池、镍氢电池等动力电池复合作为电动汽车的动力电源。随着电

41、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，在车辆正常行驶时则由蓄电池充电或由车辆刹车时所产生的电能充电，减少汽车对蓄电池大电流放电的要求，达到减少蓄电池的体积和延长蓄电池寿命的目的。对于超级电容器，今后要研究的方向和重点是：利用超级电容器的高比功率特性和快速放电特性，进一步优化超级电容器在电力系统中的应用技术。此外，在我国大力发展新能源这一政策指导下，在光伏发电领域、风力发电领域，超级电容器以其快充快放等特点为改进和发展关键设备提供了有利条件。结 论目前，超级电容器的研究主要围绕碳材料展开，但是制备的电容器比能量

42、很低，而且性能有待进一步提高。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。近年来，大功率超级电容器的生产逐渐走向成熟。我国科学家经过不断努力，将比活性碳有更多贮存离子空间的金属氧化物附着在直径大约100纳米的碳纳米管上，而碳纳米管又涂在钽金属薄片上，由此形成了“纳米牧场”的结构。研究结果表明，纳米牧场的贮电能力是单个氧化锰贮电能力的10倍，所贮备的电量是现有超级电容器所使用的碳电极贮电量的两倍。纳米牧场的复杂结构可以抵挡机械性能的退化，从而避免超级电容器的性能随时间逐步下降。测试结果表明，此新装置的贮电能力在充电和耗电2万次

43、之后仅仅下降了3，胜过其他高性能的设计。随着国家在风能、太阳能和电动汽车等领域的不断投入，相信我国的科研工作者有望让它们尽快应用于实际中。参考文献1 张丹丹，姚宗干(大容量高储能密度电化学电容器的研究进展J.电子元件与材料，1999.19(1):34.2 林克芝，徐艳辉，任伟，等.碳纳米管电化学储能的研究进展J.电源技术，2002，26(4):314.3 夏熙、刘洪涛，一种正在发展的储能装置超电容器（2）J电池工业，2004，9（4）：181-1884 钟海云，李荐，戴艳阳，等，新型能源器件超级电容器研究发展最新动态J电源技术，2004，25（5）：367-3705 田艳红、付旭涛、吴伯荣超级电容器用多孔碳材料的研究进展J.电源技术，26（6）：466-4676 戴贵平、刘敏、王茂章.等.电化学电容器中炭电极的研究及开发I.电化学电容器J新型炭材料，2002，17（1）：71-79.