Super Capacitance Technology for Renewable Energy Recycling

QU Wei-ping, LIN Yan

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Abstract: Supercapacitor is a high efficient, practical and environmental friendly device for energy storage. In rubber-type gantry cranes (RTG), super capacitors may save the energies fed back from all the mechanisms, so they may prevent feedback energies from wasting. When load sharply increases at the moment of lifting, supplement energies can be supplied to keep engines operating normally and the purpose of energy saving may be realized. In the power system circuit of cranes, operating voltage is larger than the maximum permissible value of single-chip capacitors. In order to meet the demand for voltage, it is necessary to reasonably connect several single-chip capacitors. Super capacitors are widely used in high peak power situations such as machinery and equipment, electric automobile, consumption electronic power supplies, military affairs, industry etc. Currently, the products produced by America, Japan and Russia almost take up the whole market for super capacitors. However, the Chinese research and application levels in the field of super capacitors obviously lag behind international advanced levels.

Key words: super capacitor; rubber-type gantry crane; renewable energy recycling

隨著人口的急劇增加和社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，資源和能源的日漸短缺，生態(tài)環(huán)境日漸惡化，人類將更加依賴于清潔和可再生的新能源，超級電容器正是這種儲能元件，它對再生能量的回收利用起到關(guān)鍵性作用。目前超級電容器已經(jīng)在輪胎式龍門集裝箱起重機（RTG）中進行了成功的應(yīng)用。但是由于超級電容器在RTG上的應(yīng)用，只是最近時期才發(fā)展起來的，對其研究和性能分析還不夠，所以裝備了超級電容器的RTG的性能還不是很穩(wěn)定，其中的規(guī)律還沒有掌握透徹，所以有必要對超級電容器在RTG上的應(yīng)用特性和規(guī)律開展研究和分析，為超級電容器在工程機械上的進一步應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 什么是超級電容器

超級電容器是介于傳統(tǒng)電容器和充電電池之間的一種新型儲能裝置,其容量可達幾百至上千法拉。與傳統(tǒng)電容器相比,它具有較大的容量、較高的能量、較寬的工作溫度范圍和極長的使用壽命；而與蓄電池相比,它又具有較高的比功率,且對環(huán)境無污染。因此可以說,超級電容器是一種高效、實用、環(huán)保的能量存儲裝置。幾種能量存儲裝置的性能比較如表1所示。

表1 能量存儲裝置性能比較

一般認(rèn)為超級電容器包括雙電層電容器和電化學(xué)電容器兩大類。

（1）雙電層電容器

雙電層電容器是通過電極與電解質(zhì)之間形成的界面雙層來存儲能量的新型元器件，當(dāng)電極與電解液接觸時，由于庫侖力、分子間力、原子間力的作用，使固液界面出現(xiàn)穩(wěn)定的、符號相反的雙層電荷，稱為界面雙層。

雙電層電容器使用的電極材料多為多孔碳材料，有活性炭（活性炭粉末、活性炭纖維）、碳?xì)饽z、碳納米管。雙電層電容器的容量大小與電極材料的孔隙率有關(guān)。通常，孔隙率越高，電極材料的比表面積越大，雙電層電容也越大。但不是孔隙率越高，電容器的容量越大。保持電極材料孔徑大小在2～50 nm 之間提高孔隙率才能提高材料的有效比表面積，從而提高雙電層電容。

（2）贗電容器原理

贗電容，也叫法拉第準(zhǔn)電容，是在電極材料表面或體相的二維或準(zhǔn)二維空間上，電活性物質(zhì)進行欠電位沉積，發(fā)生高度可逆的化學(xué)吸附/脫附或氧化/還原反應(yīng)，產(chǎn)生與電極充電電位有關(guān)的電容。由于反應(yīng)在整個體相中進行，因而這種體系可實現(xiàn)的最大電容值比較大，如吸附型準(zhǔn)電容為2 000×10– 6 F/cm2。對氧化還原型電容器而言，可實現(xiàn)的最大容量值則非常大，而碳材料的比容通常被認(rèn)為是20×10– 6 F/cm2，因而在相同的體積或重量的情況下，贗電容器的容量是雙電層電容器容量的10～100 倍。

目前贗電容電極材料主要為一些金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物。金屬氧化物超級電容器所用的電極材料主要是一些過渡金屬氧化物，如：MnO2、V2O5、RuO2、IrO2、NiO、WO3、PbO2和Co3O4等。金屬氧化物作為超級電容器電極材料研究最為成功的是RuO2，在H2SO4電解液中其比容能達到700～760 F/g。但RuO2稀有的資源及高昂的價格限制了它的應(yīng)用。研究人員希望能從MnO2及NiO等賤金屬氧化物中找到電化學(xué)性能優(yōu)越的電極材料以代替RuO2。

用導(dǎo)電聚合物作為超級電容器的電極材料是近年來發(fā)展起來的。聚合物產(chǎn)品具有良好的電子電導(dǎo)率，其典型的數(shù)值為1～100 S/cm。一般將共軛聚合物的電導(dǎo)性與摻雜半導(dǎo)體進行比較，采用術(shù)語“p摻雜”和“n摻雜”分別用于描述電化學(xué)氧化和還原的結(jié)果。導(dǎo)電聚合物借助于電化學(xué)氧化和還原反應(yīng)在電子共軛聚合物鏈上引入正電荷和負(fù)電荷中心，正、負(fù)電荷中心的充電程度取決于電極電勢。導(dǎo)電聚合物也是通過法拉第過程大量存儲能量。目前僅有有限的導(dǎo)電聚合物可以在較高的還原電位下穩(wěn)定地進行電化學(xué)n型摻雜，如聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩等?，F(xiàn)階段的研究工作主要集中在尋找具有優(yōu)良的摻雜性能的導(dǎo)電聚合物，提高聚合物電極的充放電性能、循環(huán)壽命和熱穩(wěn)定性等方面。

2超級電容RTG

典型的輪胎式龍門集裝箱起重機（RTG）驅(qū)動控制系統(tǒng)采用交流變頻驅(qū)動技術(shù)，將來自柴油發(fā)電機組的交流電源通過變頻器的交直流轉(zhuǎn)換裝置，整流成直流電源，掛在直流母排上。為了更高效率、更節(jié)能、更環(huán)保的使用RTG，將超級電容器(單體最大可達10萬法拉)作為儲能裝置并聯(lián)在RTG的直流母排上，然后由變頻機構(gòu)將直流母排上的直流轉(zhuǎn)換成頻率和電壓可控的交流電源，來控制驅(qū)動電機運行。超級電容RTG利用了超級電容器大電流充放電的技術(shù)特點，有效的儲存集裝箱下降時的位能，供起升加速負(fù)載使用，并且通過安裝節(jié)能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)RTG的整機節(jié)能，同時由于超級電容的水庫效應(yīng)(水多時儲存，水少時放水供應(yīng)需求)，減緩了柴油發(fā)動機的負(fù)荷突變，不僅提高了使用壽命，同時也大大改善了尾氣排放和噪音問題，成功地實現(xiàn)了節(jié)能與環(huán)保。圖1為超級電容RTG的電氣系統(tǒng)配置示意圖。

油發(fā)電機組發(fā)出的三相交流電經(jīng)過交流變頻器的整流裝置，轉(zhuǎn)換成直流電源，電源電壓在460V至760V范圍內(nèi)變化，直流電源通過交流變頻器中的變頻裝置，將直流轉(zhuǎn)換成頻率和電壓可控的AC電源，用于驅(qū)動起升、大車和小車機構(gòu)。將超級電容器并聯(lián)在直流總線上，就可以利用直流總線電壓的較大變化范圍，起到電壓上升時充電，電壓下降時放電的目的，從而利用了超級電容器的大電流充放電特性。同時，也能隨時自動檢測RTG的能量使用情況。當(dāng)機構(gòu)處于驅(qū)動狀態(tài)，從直流總線上汲取功率時，直流總線電壓產(chǎn)生下降趨勢。因為超級電容器的內(nèi)阻遠(yuǎn)小于發(fā)電機內(nèi)阻，故超級電容器會首先供電給直流總線，以維持總線電壓，當(dāng)驅(qū)動機構(gòu)繼續(xù)工作時，隨著超級電容器不斷放電，其端電壓逐步下降，表現(xiàn)為直流總線電壓下降。只有當(dāng)此直流電壓下降到小于發(fā)電機電源的整流電壓后，才會逐步用到柴油發(fā)電機的電能。

超級電容RTG的供電原理如圖2所示。如果電壓不發(fā)生變化，則超級電容器處于準(zhǔn)備狀態(tài)，不工作；當(dāng)發(fā)現(xiàn)直流電壓下降時(由驅(qū)動電機耗電引起)，超級電容器進行供電，此時其供電電流大小自動根據(jù)負(fù)荷電流大小決定。隨著電容器不斷放電，其端電壓會下降，直流總線電壓跟著下降。當(dāng)監(jiān)測到此電壓低于柴油發(fā)電機組的電源整流電壓時，機組開始參與供電。如此這般，電容儲存能量越多，則釋放越多，機組的耗能也就越小。超級電容器的存在，達到了減小RTG突然負(fù)荷增加對發(fā)電機組的影響，并在負(fù)荷穩(wěn)定情況下參與供電，減小了發(fā)電機組的負(fù)荷。

圖2 超級電容RTG供電原理圖?? 圖3 超級電容RTG儲能原理圖

當(dāng)RTG的工作機構(gòu)處于再生反饋狀態(tài)時，機構(gòu)會將能量反饋到直流總線上。此刻直流總線電壓會在變化范圍內(nèi)逐步上升，超級電容器進入充電狀態(tài)，此時其充電電流大小自動根據(jù)反饋能量大小決定。隨著超級電容器不斷充電，其端電壓會上升，直流總線電壓跟著上升。由于RTG配置的超級電容器容量很大且能在短時間內(nèi)大功率儲存能量，因此所有機構(gòu)的反饋能量都將被超級電容器吸收。如圖3所示超級電容RTG儲能原理。

綜上分析，超級電容器發(fā)揮了以下的作用：首先是使傳統(tǒng)RTG的能耗電阻消失了存在的可能性，而更具有意義的是，超級電容器保存了所有機構(gòu)反饋的能量，避免了反饋能量的白白損耗，同時在荷載突增的情況下(起升瞬間)提供補充能量，平穩(wěn)發(fā)動機工作狀態(tài)，達到節(jié)能的目的。

3 超級電容器的組成方式

因為在起重機動力系統(tǒng)電路中，工作電壓大大超過了單體電容的最大允許值，需要多個單體電容連接才能滿足電壓要求。多個單體電容是串聯(lián)還是并聯(lián)，下面就混合動力系統(tǒng)中超級電容器的聯(lián)接方式討論。

常見的超級電容器有三種組成方式：串聯(lián)方式、并聯(lián)方式和串并混聯(lián)方式。串聯(lián)方式的超級電容器組件：由于超級電容器的單體工作電壓不高，不能覆蓋應(yīng)用工況的電壓需求范圍，需要將多個單體串聯(lián)來滿足應(yīng)用工況的電壓要求，但因單體電容器之間的固有差異，作用在串聯(lián)組件上的總電壓并不能均衡地分配給不同的電容器，它會導(dǎo)致電壓分配的不對稱。

并聯(lián)方式的超級電容器：以并聯(lián)方式建構(gòu)的超級電容器組件可以輸出或接受很大的電流。在充電過程中，由串聯(lián)充電電阻保證單體之間的電壓分布，但超級電容器本身固有的充電電阻是一個動態(tài)的量，具有一定的分散性，使得調(diào)整電阻變化的控制電路極其復(fù)雜，難以實現(xiàn)逐點控制；在放電過程中，控制放電電阻，可獲得很高的輸出功率，但為了避免放電電流過大，保證許可的輸出功率，要適當(dāng)控制組件的貯能量。

串并混聯(lián)的超級電容器組件：結(jié)合串聯(lián)和并聯(lián)方式的優(yōu)點，避免兩種方式各自不足。每個電容器均指定一個電阻控制其充電過程的電壓。故在本文所述的起重機新型混合動力系統(tǒng)中，所用超級電容器的組合方式采用串聯(lián)和并聯(lián)混合的連接組成方式，如圖4所示。

這樣需要電壓平衡措施來保證每個電容承擔(dān)的電壓相同?？梢允褂弥鲃踊虮粍拥姆椒ㄔ陔娙葜g維持相同的電壓，而它們的泄漏電流可能稍微有些不同。

圖4 電容電壓平衡原理圖

被動措施是使用相同阻值的電阻和電容并聯(lián)，使用高阻值電阻，可以允許在電容之間有小電流流過，以使電容兩端保持相同的電壓。如圖4所示，使用高阻值電阻的結(jié)果是產(chǎn)生毫安級的泄漏電流，在電容電池混合設(shè)計時是一個重要的考慮因素。低阻值電阻產(chǎn)生大的泄漏電流，但是可以使不匹配的元件快速達到平衡。使用燃料電池作為連續(xù)電能源時可使用低阻值電阻來平衡。

主動的平衡方法是僅僅在需要高電壓、高可靠性的系統(tǒng)時，使用微處理器來測量電壓的不同，再經(jīng)過一定的控制措施來達到快速的平衡。主動的平衡措施不會使泄漏電流明顯增加，但要比被動措施成本高。

4 超級電容器在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀

超級電容器的發(fā)展始于20世紀(jì)60年代，起先被認(rèn)為是一種低功率、低能量、長使用壽命的器件。但到了20世紀(jì)90年代，由于混合電動汽車的興起，超級電容器才受到廣泛的關(guān)注并開始迅速發(fā)展起來?，F(xiàn)今，大功率的超級電容器被視作一種大功率物理二次電源，各發(fā)達國家都把對超級電容器的研究列為國家重點戰(zhàn)略研究項目。目前，超級電容器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越受到關(guān)注，如基于雙電層電容儲能的靜止同步補償器和動態(tài)電壓補償器等，國內(nèi)外的研究和應(yīng)用正在如火如荼地進行。此外，超級電容器還活躍在電動汽車、消費類電子電源、軍事、工業(yè)等高峰值功率場合。超級電容器主要應(yīng)用領(lǐng)域如表2所列。當(dāng)前美國、日本、俄羅斯的產(chǎn)品幾乎占據(jù)了整個超級電容器市場。

表2 超級電容器主要應(yīng)用領(lǐng)域

目前主要傾向于液體電解質(zhì)雙電層電容器和復(fù)合電極材料/導(dǎo)電聚合物電化學(xué)超級電容器。在超級電容器的產(chǎn)業(yè)化上，最早是1987年松下/三菱與1980年NEC/Tokin的產(chǎn)品。這些電容器標(biāo)稱電壓為2.3～6V，電容從10-2 F至幾個F，年產(chǎn)量數(shù)百萬只。20世紀(jì)90年代，俄羅斯Econd公司和ELIT生產(chǎn)了SC牌電化學(xué)電容器，其標(biāo)稱電壓為12～450V，電容從1 F至幾百F，適合需要大功率啟動動力的場合。如今，日本松下、EPCOS、NEC，美國Maxwell、Powerstor、Evans，法國SAFT，澳大利亞Cap Oxx。韓國NESS等公司在超級電容器方面的研究均非常活躍。總的來說。當(dāng)前美國、日本、俄羅斯的產(chǎn)品幾乎占據(jù)了整個超級電容器市場。實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的超級電容器基本上都是雙電層電容器。

在我國。北京有色金屬研究總院、錦州電力電容器有限責(zé)任公司、北京科技大學(xué)、北京化工大學(xué)、北京理工大學(xué)、北京金正平公司、解放軍防化院、哈爾濱巨容公司、上海奧威公司等正在開展超級電容器的研究。2005年。由中國科學(xué)院電工所承擔(dān)的“863”項目“可再生能源發(fā)電用超級電容器儲能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”通過專家驗收。該項目完成了用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的300Wh /1 kW超級電容器儲能系統(tǒng)的研究開發(fā)工作。另外。華北電力大學(xué)等有關(guān)課題組正在研究將超級電容器儲能(SCES)系統(tǒng)應(yīng)用到分布式發(fā)電系統(tǒng)的配電網(wǎng)。但從整體來看。我國在超級電容器領(lǐng)域的研究與應(yīng)用水平明顯落后于世界先進水平。

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