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          • 02
            2016-09

            使用超級電容(法拉電容)的動(dòng)力系統設計

              過(guò)去的十年,材料和結構技術(shù)的發(fā)展把法拉電容從一個(gè)“不成熟”的后備器件變?yōu)榱艘环N非常有效的儲能方式。雖然超級電容的儲能容量與電池相比非常的小,但它可以非常迅速的充、放電,能在使用期限中傳輸數萬(wàn)次的大功率脈沖,并且很容易滿(mǎn)足產(chǎn)品的設計壽命需求。超級電容能非常迅速的充電和放電,并能在任何儲能狀態(tài)中工作,甚至在完全放電的條件下,且對元件的壽命不會(huì )產(chǎn)生任何不良影響。超級電容也的確已經(jīng)成為動(dòng)力電子領(lǐng)域面向產(chǎn)品的設計中不可或缺的元件。目前,已有許多廠(chǎng)商認識到超級電容技術(shù)優(yōu)勢和高實(shí)用性能,并開(kāi)始生產(chǎn)基于超級電容的各類(lèi)系統。   工程師們在主要能源設備的設計中基本要滿(mǎn)足峰值功率的需求,比如對于一個(gè)發(fā)動(dòng)機或電池系統,就需要滿(mǎn)足最高負荷下工作,哪怕這種需求僅持續幾秒。為了滿(mǎn)足最高負荷而不是平均負載設計整個(gè)系統,顯然會(huì )導致成本的增加和效率的降低。這種系統可以將主要能源設備中的能量部分儲存為電能,從而改進(jìn)這類(lèi)系統的設計,例如使用電池作為二級能量?jì)Υ嬖O備,并在需要的時(shí)候迅速釋放這部分能量。這樣的高能傳輸方式為能源系統提供了一個(gè)動(dòng)態(tài)的輸出能力來(lái)滿(mǎn)足瞬時(shí)峰值功率的需求。但是電池并不能很好的用來(lái)頻繁的提供瞬時(shí)峰值功率;在這方面,超級電容是最好的選擇。   法拉電容,也被稱(chēng)為電化學(xué)雙層電容(EDLC)或supercapacitors。它已誕生約有10年的時(shí)間,并首先作為低儲能、低功率,但長(cháng)壽命的備份元件用于放像機(VCR)和鬧鐘上,并且直到最近發(fā)掘其功能之前幾乎沒(méi)有其他的用途。   在過(guò)去的十年中,材料和結構技術(shù)的發(fā)展把超級電容從一個(gè)不“成熟”的后備器件變?yōu)榱艘环N非常有效的儲能方式。超級電容也的確已經(jīng)成為動(dòng)力電子領(lǐng)域面向產(chǎn)品的設計中不可或缺的元件?,F在,已經(jīng)有許多廠(chǎng)商認識到超級電容技術(shù)優(yōu)勢和高實(shí)用性能,并開(kāi)始生產(chǎn)基于超級電容的各類(lèi)系統。   一、什么是超級電容   依據在一對電極間維持電場(chǎng)的介質(zhì)電容通常被分為三類(lèi),普通電容、電解電容和電化學(xué)雙層電容。在這三類(lèi)電容的容量方面,電化學(xué)雙層電容(超級電容)以絕對的優(yōu)勢高居榜首(最高可達幾千法拉)。這是因為超級電容的電場(chǎng)介質(zhì)是由多孔的活性炭和分子級的電解離子組成。   超級電容結構組成   法拉電容中的活性炭電極的多孔特殊表面的比表面積可以達到2000㎡/g,電荷的間隔距離都在10埃以下。一個(gè)擁有良好電解質(zhì)的超級電容電壓值小于3.0V。   由于注入了高電導率的電解液,并擁有高電導系數的電極和離子纖維隔離層,超級電容顯示出相當低的串聯(lián)阻抗?,F在,商業(yè)化的超級電容的能量密度已經(jīng)能超過(guò)5Wh/Kg,功率密度能達到20kW/kg。   超級電容本質(zhì)上依據靜電型能量?jì)Υ娣绞蕉ぷ?,是純粹的物理反應,而且完全可逆。超級電容的充電和放電是由電解液中的離子運動(dòng)而實(shí)現,這種能量?jì)Υ孢^(guò)程與電池技術(shù)基于化學(xué)反應的過(guò)程相比較,沒(méi)有任何化學(xué)鍵的結合或斷開(kāi)。百萬(wàn)次充、放電循環(huán)之后證明超級電容的循環(huán)壽命非常好。   比較超級電容儲能技術(shù)和電池及其他儲能技術(shù)相對優(yōu)勢的一個(gè)好方法是將它們畫(huà)在Ragone圖上,它將能量?jì)Υ婧凸β蕛Υ鎸饋?lái),并主要顯示能量密度隨功率密度的增加而減小。這是一種把能量?jì)Υ娣绞桨戳慷ㄎ?,并將其歸為從牽引拖動(dòng)到能量緩存等多種用途好方法。   Ragone圖   二、超級電容特性   超級電容的特性和電池相比有很多不同。主要的區別在下面的表中列出。電池比相同尺寸的超級電容儲存更多的電能,但是在很多功率決定尺寸的儲能設備的應用中,超級電容或許是最好的解決方案。   1.超級電容可以傳送頻繁脈沖的能量而沒(méi)有任何有害效應,而許多電池都會(huì )在頻繁的大功率脈沖工況下減少壽命。   2.超級電容能在相當短的時(shí)間內完成充電,而快速充電常常會(huì )損壞電池。   3.超級電容的循環(huán)周期是數萬(wàn)次的,而電池的壽命通常是幾百次到1000、2000次。   4.基于低內阻的超級電容比電池效率更高;在實(shí)際應用中超級電容84%~95%的轉換效率比多數電池低于70%的平均效率高出許多。   5.超級電容能在其許用電壓范圍中的任何電壓值下充電,并且能夠完全放電。這就允許在總線(xiàn)電壓控制算法中更自由的設計。而電池過(guò)放電也是會(huì )損壞的。   6.計算超級電容中的儲能值只需要知道電壓和電容值。而超級電容的電容值可以通過(guò)測量電流和電壓的變化值實(shí)時(shí)的計算出。而正確的得到電池的儲能值需要經(jīng)過(guò)多重復雜的計算,電池的容量通常也是未知的,而且實(shí)時(shí)地測算也是很困難的。   7.超級電容有更寬的工作溫度范圍,甚至可以在低至-40℃的溫度下正常工作。而多數電池在溫度低至-10℃時(shí)就不能工作。   8.超級電容通過(guò)極化高比表面積電極中的電解質(zhì)工作,電解質(zhì)、電極和隔離層材料的特性決定了超級電容的電容量性能。高比表面積的電極和小的帶電離子決定了高的電容量;而高效的電解質(zhì)、隔離層和材料,以及工藝設計決定了低的阻抗。   因為超級電容的能量?jì)Υ娌灰蕾?lài)化學(xué)反應,所以它和電池有著(zhù)根本上的區別。   三、市場(chǎng)前景及應用   在設計一個(gè)系統時(shí)很自然想到的是形狀,系統主要的能源儲備應當能滿(mǎn)足平均耐久要求和相對的瞬時(shí)峰值功率要求。然而為了滿(mǎn)足這樣的峰值功率是不經(jīng)濟且不實(shí)用的。系統通過(guò)能夠儲備的電能得到顯著(zhù)改善,當需要高功率時(shí)從主要能量源獲取然后在控制下發(fā)射高壓脈沖傳輸。此時(shí),超級電容為短時(shí)所需功率和額定功率不匹配時(shí)提供一個(gè)簡(jiǎn)單,可靠的緩沖。這個(gè)功能減小了系統的形狀和成本并改善了系統的性能和可靠性。   實(shí)例應用   超級電容有兩個(gè)主要用途。第一個(gè)是在主能源不足時(shí)作為臨時(shí)補充能源和額外的短時(shí)功能能源。這里當超級電容作為主要能量供給裝置時(shí),超級電容已經(jīng)成為相對于電池的另一個(gè)選擇,同時(shí)還有當主動(dòng)力失效時(shí)的后備能源作用。   超級電容的第二個(gè)作用是峰值供能。這種情況下超級電容不僅可以單獨在需要高功率傳送的系統使用,而且還能在一些不僅需要持續功率放電功能也需要高載荷脈沖功率的系統中作為電池的后續能源使用。這里超級電容起到了高功率傳輸時(shí)對電池的緩解作用,從而增加了電池的使用壽命同時(shí)縮小了電池的尺寸。   盡管現在電池作為主要能量源和能量存儲/峰值功率傳輸設備得到普遍應用,但是超級電容正成為能量存儲和高功率傳輸設備而被逐漸采用。   事實(shí)上,任何應用場(chǎng)合都需要電能的存儲和快速的充放電功能這就是超級電容的市場(chǎng)潛力。 查看更多>
          • 02
            2016-09

            超級電容器(法拉電容)在智能電網(wǎng)中的應用

              微電網(wǎng)由微電源、負荷、儲能以及能量管理器等組成。儲能在微電網(wǎng)中發(fā)生作用的形式有:接在微電源的直流母線(xiàn)上、包含重要負荷的饋線(xiàn)上或者微電網(wǎng)的交流母線(xiàn)上。其中,前兩種可稱(chēng)為分布式儲能,最后一種叫做中央儲能。   當并網(wǎng)運行時(shí),微電網(wǎng)內的功率波動(dòng)由大電網(wǎng)進(jìn)行平衡,此時(shí)儲能處于充電備用狀態(tài)。當微電網(wǎng)由并網(wǎng)運行切換到孤網(wǎng)運行時(shí),中央儲能立即啟動(dòng),彌補功率缺額。微電網(wǎng)孤網(wǎng)運行時(shí)負荷的波動(dòng)或者微電源的波動(dòng)則可以由中央儲能或者分布式儲能平衡。其中,微電源的功率波動(dòng)有兩種平衡方式,將分布式儲能和需要儲能的微電源并聯(lián)接在某饋線(xiàn)上,或者將儲能直接接入該微電源的直流母線(xiàn)上。   1.提供短時(shí)供電   微電網(wǎng)存在兩種典型的運行模式:正常情況下,微電網(wǎng)與常規配電網(wǎng)并網(wǎng)運行,稱(chēng)為并網(wǎng)運行模式;當檢測到電網(wǎng)故障或電能質(zhì)量不滿(mǎn)足要求時(shí),微電網(wǎng)將及時(shí)與電網(wǎng)斷開(kāi)從而獨立運行,稱(chēng)為孤網(wǎng)運行模式。微電網(wǎng)往往需要從常規配電網(wǎng)中吸收部分有功功率,因而微電網(wǎng)在從并網(wǎng)模式向孤網(wǎng)模式轉換時(shí),會(huì )有功率缺額,安裝儲能設備有助于兩種模式的平穩過(guò)渡。   2.用作能量緩沖裝置   由于微電網(wǎng)規模較小,系統慣性不大,網(wǎng)絡(luò )及負荷經(jīng)常發(fā)生波動(dòng)就顯得十分嚴重,對整個(gè)微電網(wǎng)的穩定運行造成影響。我們總是期望微電網(wǎng)中高效發(fā)電機(如燃料電池)始終工作在它的額定容量下。但是微電網(wǎng)的負荷量并非整日保持不變,相反,它會(huì )隨著(zhù)天氣變化等情況發(fā)生波動(dòng)。為了滿(mǎn)足峰值負荷供電,必須使用燃油、燃氣的調峰電廠(chǎng)進(jìn)行高峰負荷調整,由于燃料價(jià)格很高,這種方式的運行費用太昂貴。超級電容器儲能系統可以有效地解決這個(gè)問(wèn)題,它可以在負荷低落時(shí)儲存電源的多余電能,而在負荷高峰時(shí)回饋給微電網(wǎng)以調整功率需求。超級電容器功率密度大、能量密度高的特性使它成為處理尖峰負荷的最佳選擇,而且采用超級電容器只需存儲與尖峰負荷相當的能量。   3.改善微電網(wǎng)的電能質(zhì)量   儲能系統對微電網(wǎng)電能質(zhì)量的提高起到了十分重要的作用。通過(guò)逆變器控制單元,可以調節超級電容器儲能系統向用戶(hù)及網(wǎng)絡(luò )提供的無(wú)功及有功,從而達到提高電能質(zhì)量的目的。由于超級電容器可快速吸收、釋放大功率電能,非常適宜將其應用到微電網(wǎng)的電能質(zhì)量調節裝置中,用來(lái)解決系統中的一些暫態(tài)問(wèn)題,如針對系統故障引發(fā)的瞬時(shí)停電、電壓驟升、電壓驟降等問(wèn)題,此時(shí)利用超級電容器提供快速功率緩沖,吸收或補充電能,提供有功功率支撐進(jìn)行有功或無(wú)功補償,以穩定、平滑電網(wǎng)電壓的波動(dòng)。   4.優(yōu)化微電源的運行   綠色能源如太陽(yáng)能、風(fēng)能,往往具有不均勻性,電能輸出容易發(fā)生變化。這就需要使用一種緩沖器來(lái)存儲能量。由于這些能源產(chǎn)生的電能輸出可能無(wú)法滿(mǎn)足微電網(wǎng)峰值電能的需求,因此,可以采用儲能裝置在短時(shí)間內提供所需的峰值電能,直到發(fā)電量增大,需求量減少。適量的儲能可以在DG單元不能正常運行的情況下起過(guò)渡作用。如利用太陽(yáng)能發(fā)電的夜間,風(fēng)力發(fā)電在無(wú)風(fēng)的情況下,或者其他類(lèi)型的DG單元正處維修期間,這時(shí)系統中的儲能就能起過(guò)渡作用。   在能源產(chǎn)生的過(guò)程是穩定的而需求是不斷變化的情況下,也需要使用儲能裝置。通過(guò)將過(guò)剩的能量存儲在儲能裝置中,就可以在短時(shí)間內通過(guò)儲能裝置提供所需的峰值能量。 查看更多>
          • 02
            2016-09

            超級電容器(法拉電容)滿(mǎn)足高性能電源應用的新能量存儲方案選擇

              超級電容具有高功率密度和能量密度、使用壽命很長(cháng)、尺寸緊湊等特性,當它與其它新興的電池技術(shù)結合使用時(shí),可滿(mǎn)足高性能電源應用的需求。本文對這些新的能量存儲方案及其使用方式進(jìn)行了分析。   如今性能和可靠性是每個(gè)設計所必需的,對工程師來(lái)說(shuō),能量存儲一直是他們設計中的致命弱點(diǎn)。在過(guò)去,備份電源的解決方案就是電池,主要是鉛酸電池。而現在,工程師有更多的選擇來(lái)滿(mǎn)足備份電源的需求,包括鋰離子、鎳氫電池等先進(jìn)的電池技術(shù)、燃料電池、太陽(yáng)能電池以及雙層電容。   鋰離子、鎳氫電池和其它電池技術(shù)在提供可靠的能量存儲解決方案上已取得很大進(jìn)步。它們已在許多設計中得到應用,并解決了以往的許多成本問(wèn)題,但設計工程師最終仍面臨著(zhù)與使用鉛酸電池時(shí)一樣的問(wèn)題,即所有這些技術(shù)都是基于化學(xué)反應,它們的使用壽命有限并受溫度的限制,而且對大電流的需求也會(huì )直接影響它們的使用壽命。因此,這些電池技術(shù)在持久性和可靠應用方面還面臨著(zhù)一些挑戰。   燃料電池是新出現的一種非常有吸引力的電池技術(shù),正在逐步進(jìn)入許多應用中,而近來(lái)對它們也有不少的宣傳。燃料電池的最終應用領(lǐng)域是在汽車(chē)上,但在過(guò)渡期間,它們已出現在備用電源市場(chǎng)。將燃料電池用作備用電源以及主電源的關(guān)鍵問(wèn)題是這些電池的啟動(dòng)時(shí)間和動(dòng)態(tài)功率反應。燃料電池盡管具有優(yōu)異的能量密度,但動(dòng)態(tài)功率低,因此它們需要一種增強技術(shù)用于功率輔助和啟動(dòng)。   同期出現的還有超級電容,或者稱(chēng)為電化學(xué)雙層電容(EDLC)。超級電容與電解電容相比,具有非常高的功率密度和實(shí)質(zhì)的能量密度。在過(guò)去幾年,這些器件已應用在消費電子、工業(yè)和汽車(chē)等許多領(lǐng)域。   如今,最好的超級電容是功率密度高達20kW/kg的超高功率器件,盡管能量仍只有電池的一小部分。超級電容的尺寸非常緊湊(小的超級電容通常只有郵票大小或者更小),但它們可存儲的能量比傳統電容要高得多,并且放電速度可以很快也可以很慢。它們的使用壽命非常長(cháng),可被設計成用于終端產(chǎn)品的整個(gè)生命周期。當與超級電容這個(gè)最新技術(shù)相結合時(shí),高能量電池和/或燃料電池可實(shí)現高功率特性和長(cháng)的工作壽命。   盡管全球有好幾家超級電容廠(chǎng)商提供多種產(chǎn)品,但大多數雙層電容基本上是以相似的方式構造的。超級電容與電解電容或者電池的結構非常相似,主要差別是用到的電極材料不一樣。在超級電容里,電極基于碳材料技術(shù),可提供非常大的表面面積。表面面積大且電荷間隔很小,使超級電容具有很高的能量密度。大多數超級電容的容量用法拉(F)標定,通常在1F到5,000F之間。   根據應用需要,超級電容可以替代電池或者作為更小的經(jīng)濟型電池。超級電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)很小,可提供和吸收非常大的電流;它采用“機械式”而不是化學(xué)電荷的載流子機制,因而具有很長(cháng)并可預測的使用壽命,而且隨著(zhù)時(shí)間的推移,其性能變化也更小。這些特性能使再生制動(dòng)以及其它需要快速充電的產(chǎn)品(如玩具和工具)等應用從中受益。   有一些應用適合采用電池/超級電容系統,設計可進(jìn)行優(yōu)化以避免電池對能量需求來(lái)說(shuō)過(guò)于龐大。這些應用實(shí)例包括汽車(chē)應用(如混合動(dòng)力汽車(chē))和消費電子(如數碼相機),在數碼相機里,廉價(jià)的堿性電池結合超級電容一起使用(而   另外一種燃料電池技術(shù)是質(zhì)子交換膜(PEM),它是一種高效率能量轉換器件,其連續工作時(shí)間與氫燃料電池相當。它符合綠色環(huán)保要求,可以為很多應用提供可靠的備用電源。超級電容和PEM燃料電池系統的幾個(gè)特性使它們非常適合作為互補器件一起使用。它們都是低電壓高電流的器件。超級電容具有ESR小、電荷存儲容量大的特性,能迅速提供大電流而電壓改變則很小,可對峰值功率需求產(chǎn)生一個(gè)短暫的緩沖響應。這使燃料電池可保持其靜態(tài)工作點(diǎn)而無(wú)需降低效率。   在所有備份燃料電池應用中,當主電源斷掉后,備份電源需要立刻提供電源。因為燃料電池從啟動(dòng)到滿(mǎn)功率運行一般需要10秒到60秒的啟動(dòng)時(shí)間,所以它需要一個(gè)能量緩沖器。電池或超級電容便可充當這個(gè)能量緩沖器。由于所需的緩沖能量很少而可靠性一定要有保證,所以超級電容是這種應用的較好選擇。如今,越來(lái)越多的燃料電池公司在考慮將超級電容作為整個(gè)備份電源封包的一個(gè)組成部分。   為滿(mǎn)足這種需求,全球的超級電容生產(chǎn)商為備用電源市場(chǎng)提供了許多電池和模塊。這些電池和模塊能夠以并行/串行的形式放置,以滿(mǎn)足不同的容量和電壓需求。隨著(zhù)更多的超級電容產(chǎn)品問(wèn)世,以及可用的產(chǎn)品越來(lái)越多,設計工程師可像使用其它無(wú)源器件一樣使用超級電容。   超級電容在成為備用電源的標準器件方面取得了很大進(jìn)步。大約十年前,超級電容還只是實(shí)驗室里的樣品,每年只有少量銷(xiāo)售,每法拉容量的價(jià)格在1美元到2美元之間。如今,這些已實(shí)現批量生產(chǎn)的器件被視為標準器件,每法拉容量的價(jià)格僅0.01到0.02美分。隨著(zhù)超級電容的產(chǎn)量增長(cháng)以及價(jià)格下降,許多設計工程師正在將超級電容作為標準的能量存儲器件使用,以滿(mǎn)足備份電源對高功率和高可靠性的要求。 查看更多>
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