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超级电容器储能技术及其应用

2021-01-21 11:33:12

超级电容器是近年发展起来的一种新型储能元件,具有功率密度高、寿命长、无需维护及充放电迅速等特性。叙述了超级电容器的分类、储能原理和性能特点,介绍了超级电容器目前的应用领域及应用中需要关注的问题。

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超级电容器的储能原理

超级电容器按储能原理可分为双电层电容器和法拉第准电容器。

(1)双电层电容器的基本原理

双电层电容器的基本原理是利用电极和电解质之间形成的界面双电层来存储能量的一种新型电子元件。当电极和电解液接触时,由于库仑力、分子间力或者原子间力的作用,使固液界面出现稳定的、符号相反的两层电荷,称为界面双电层。这种电容器的储能是通过使电解质溶液进行电化学极化来实现的,并没有产生电化学反应,这种储能过程是可逆的。

(2)法拉第准电容器的基本原理

继双电层电容器后,又发展了法拉第准电容,简称准电容。该电容是在电极表面或体相中的二维或准二维空间上,电活性物质进行欠电位沉积,发生高度的化学吸脱附或氧化还原反应,产生与电极充电电位有关的电容。对于法拉第准电容,其储存电荷的过程不仅包括双电层上的存储,而且包括电解液中离子在电极活性物质中由于氧化还原反应而将电荷储存于电极中。

超级电容器的特性

超级电容器是介于传统物理电容器和电池之间的一种较佳的储能元件,其巨大的优越性表现为:①功率密度高。超级电容器的内阻很小,而且在电极/溶液界面和电极材料本体内均能实现电荷的快速储存和释放。②充放电循环寿命长。超级电容器在充放电过程中没有发生电化学反应,其循环寿命可达万次以上。③充电时间短。完全充电只需数分钟。④实现高比功率和高比能量输出。⑤储存寿命长。⑥可靠性高。超级电容器工作中没有运动部件,维护工作极少。⑦环境温度对正常使用影响不大。超级电容器正常工作温度范围在-25~75℃。⑧可以任意并联使用,增加电容量;若采取均压后,还可串联使用,提高电压等级。

超级电容器储能技术应用

超级电容器作为大功率物理二次电源,在国民经济各领域用途十分广泛。各发达国家都把超级电容器的研究列为国家重点战略研究项目。

电车电源

由于超级电容器具有非常高的功率密度,因此可以很好地满足电车在起动、加速、爬坡时对功率的需求,可以作为混合型电动车的加速或起动电源。利用超级电容器与蓄电池并联作电源可以减少蓄电池的尺寸、重量,并延长蓄电池的使用寿命。

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电子类电源

超级电容器不仅可以用作光电功能电子手表和计算机存储器等小型装置的电源,而且还可以用在卫星上。卫星上使用的电源多是由太阳能与电池组成的混合电源,一旦装上了超级电容器,卫星的脉冲通讯能力定会得到改善。由于超级电容器具有快速充电的特性,对于像电动工具和玩具这些需要快速充电的设备来说,超级电容器无疑是一个很理想的电源。介绍了在移动通信电源领域,电化学双电层电容器由于具有高功率密度和低能量密度的特性,将主要用来与其他电源混合组成电源,同时还可以用于短时功率后备,用于保护存储器数据。

电力系统中的应用

高压变电站及开关站使用的绝大多数是电磁操动开关机构,专门配有电容储能式硅整流分合闸装置作为分合闸操作、控制、保护用的直流电源。但是,电容储能式装的电解电容容量有限、可靠性差。



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