超級電容回收再生能源技術
超級電容回收再生能源技術
摘要：超級電容器是一種高效、實用、環保的能量存儲裝置。在輪胎式龍門集裝箱起重機（RTG）中，超級電容器能夠保存所有機構反饋的能量，避免了反饋能量的損耗，在荷載突增的情況下(起升瞬間)提供補充能量，平穩發動機工作狀態，達到節能的目的。在起重機動力系統電路中，工作電壓大大超過了單體電容的最大允許值，需要多個單體電容合理連接才能滿足電壓要求。超級電容器在裝備機械、電動汽車、消費類電子電源、軍事、工業等高峰值功率場合有著廣泛的應用。當前美國、日本、俄羅斯的產品幾乎占據了整個超級電容器市場，我國在超級電容器領域的研究與應用水平明顯落后于世界先進水平。
Super Capacitance Technology for Renewable Energy Recycling
QU Wei-ping, LIN Yan
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濟的飛速發展，資源和能源的日漸短缺，生態環境日漸惡化，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鍵性作用。目前超級電容器已經在輪胎式龍門集裝箱起重機（RTG）中進行了成功的應用。但是由于超級電容器在RTG上的應用，只是最近時期才發展起來的，對其研究和性能分析還不夠，所以裝備了超級電容器的RTG的性能還不是很穩定，其中的規律還沒有掌握透徹，所以有必要對超級電容器在RTG上的應用特性和規律開展研究和分析，為超級電容器在工程機械上的進一步應用奠定基礎。
1 什么是超級電容器
超級電容器是介于傳統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,且對環境無污染。因此可以說,超級電容器是一種高效、實用、環保的能量存儲裝置。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
元器件 | 比能量 /Wh·kg-1 | 比功率 /W·kg-1 | 充放電次數 /次 |
普通電容器 | <0.2 | 10000～1000000 | >1000000 |
超級電容器 | 0.2～20.0 | 100～10000 | >100000 |
充電電池 | 20～200 | <500 | <10000 |
一般認為超級電容器包括雙電層電容器和電化學電容器兩大類。
（1）雙電層電容器
雙電層電容器是通過電極與電解質之間形成的界面雙層來存儲能量的新型元器件，當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，使固液界面出現穩定的、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）、碳氣凝膠、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。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，也叫法拉第準電容，是在電極材料表面或體相的二維或準二維空間上，電活性物質進行欠電位沉積，發生高度可逆的化學吸附/脫附或氧化/還原反應，產生與電極充電電位有關的電容。由于反應在整個體相中進行，因而這種體系可實現的最大電容值比較大，如吸附型準電容為2 000×10–6 F/cm2。對氧化還原型電容器而言，可實現的最大容量值則非常大，而碳材料的比容通常被認為是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性能優越的電極材料以代替RuO2。
用導電聚合物作為超級電容器的電極材料是近年來發展起來的。聚合物產品具有良好的電子電導率，其典型的數值為1～100 S/cm。一般將共軛聚合物的電導性與摻雜半導體進行比較，采用術語“p摻雜”和“n摻雜”分別用于描述電化學氧化和還原的結果。導電聚合物借助于電化學氧化和還原反應在電子共軛聚合物鏈上引入正電荷和負電荷中心，正、負電荷中心的充電程度取決于電極電勢。導電聚合物也是通過法拉第過程大量存儲能量。目前僅有有限的導電聚合物可以在較高的還原電位下穩定地進行電化學n型摻雜，如聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩等。現階段的研究工作主要集中在尋找具有優良的摻雜性能的導電聚合物，提高聚合物電極的充放電性能、循環壽命和熱穩定性等方面。
2超級電容RTG
典型的輪胎式龍門集裝箱起重機（RTG）驅動控制系統采用交流變頻驅動技術，將來自柴油發電機組的交流電源通過變頻器的交直流轉換裝置，整流成直流電源，掛在直流母排上。為了更高效率、更節能、更環保的使用RTG，將超級電容器(單體最大可達10萬法拉)作為儲能裝置并聯在RTG的直流母排上，然后由變頻機構將直流母排上的直流轉換成頻率和電壓可控的交流電源，來控制驅動電機運行。超級電容RTG利用了超級電容器大電流充放電的技術特點，有效的儲存集裝箱下降時的位能，供起升加速負載使用，并且通過安裝節能控制系統，實現RTG的整機節能，同時由于超級電容的水庫效應(水多時儲存，水少時放水供應需求)，減緩了柴油發動機的負荷突變，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，成功地實現了節能與環保。圖1為超級電容RTG的電氣系統配置示意圖。
油發電機組發出的三相交流電經過交流變頻器的整流裝置，轉換成直流電源，電源電壓在460V至760V范圍內變化，直流電源通過交流變頻器中的變頻裝置，將直流轉換成頻率和電壓可控的AC電源，用于驅動起升、大車和小車機構。將超級電容器并聯在直流總線上，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。當機構處于驅動狀態，從直流總線上汲取功率時，直流總線電壓產生下降趨勢。因為超級電容器的內阻遠小于發電機內阻，故超級電容器會首先供電給直流總線，以維持總線電壓，當驅動機構繼續工作時，隨著超級電容器不斷放電，其端電壓逐步下降，表現為直流總線電壓下降。只有當此直流電壓下降到小于發電機電源的整流電壓后，才會逐步用到柴油發電機的電能。
超級電容RTG的供電原理如圖2所示。如果電壓不發生變化，則超級電容器處于準備狀態，不工作；當發現直流電壓下降時(由驅動電機耗電引起)，超級電容器進行供電，此時其供電電流大小自動根據負荷電流大小決定。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。當監測到此電壓低于柴油發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突然負荷增加對發電機組的影響，并在負荷穩定情況下參與供電，減小了發電機組的負荷。
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RTG的工作機構處于再生反饋狀態時，機構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逐步上升，超級電容器進入充電狀態，此時其充電電流大小自動根據反饋能量大小決定。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大功率儲存能量，因此所有機構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，超級電容器發揮了以下的作用：首先是使傳統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，平穩發動機工作狀態，達到節能的目的。
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還是并聯，下面就混合動力系統中超級電容器的聯接方式討論。
常見的超級電容器有三種組成方式：串聯方式、并聯方式和串并混聯方式。串聯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，不能覆蓋應用工況的電壓需求范圍，需要將多個單體串聯來滿足應用工況的電壓要求，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，它會導致電壓分配的不對稱。
并聯方式的超級電容器：以并聯方式建構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的量，具有一定的分散性，使得調整電阻變化的控制電路極其復雜，難以實現逐點控制；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，要適當控制組件的貯能量。
串并混聯的超級電容器組件：結合串聯和并聯方式的優點，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中，所用超級電容器的組合方式采用串聯和并聯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的電壓相同。可以使用主動或被動的方法在電容之間維持相同的電壓，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，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果是產生毫安級的泄漏電流，在電容電池混合設計時是一個重要的考慮因素。低阻值電阻產生大的泄漏電流，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、高可靠性的系統時，使用微處理器來測量電壓的不同，再經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 超級電容器在國內外的發展現狀
超級電容器的發展始于20世紀60年代，起先被認為是一種低功率、低能量、長使用壽命的器件。但到了20世紀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注并開始迅速發展起來。現今，大功率的超級電容器被視作一種大功率物理二次電源，各發達國家都把對超級電容器的研究列為國家重點戰略研究項目。目前，超級電容器在電力系統中的應用越來越受到關注，如基于雙電層電容儲能的靜止同步補償器和動態電壓補償器等，國內外的研究和應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、工業等高峰值功率場合。超級電容器主要應用領域如表2所列。當前美國、日本、俄羅斯的產品幾乎占據了整個超級電容器市場。
表2 超級電容器主要應用領域
應用領域 | 典型應用 | 性能要求 | RC時間常數 |
電力系統 | 靜止同步補償器、動態電壓補償器、分布式發電系統 | 高功率、高電壓、可靠 | ms～s |
記憶貯備 | 消費電器、計算機、通信 | 低功率、低電壓 | s～min～h |
電動車、負載調節 | 高功率、高電壓 | < 2 min | |
空間 | 能量束 | 高功率、高電壓、可靠 | < 5 s |
軍事 | 電子槍、SD I、電子輔助裝置、消聲裝置 | 可靠 | ms～s |
工業 | 工廠自動化、遙控 | < 1 s | |
汽車輔助裝置 | 催化預熱器、用回熱器剎車、冷起動 | 中功率、高電壓 | s |
目前主要傾向于液體電解質雙電層電容器和復合電極材料/導電聚合物電化學超級電容器。在超級電容器的產業化上，最早是1987年松下/三菱與1980年NEC/Tokin的產品。這些電容器標稱電壓為2.3～6V，電容從10-2 F至幾個F，年產量數百萬只。20世紀90年代，俄羅斯Econd公司和ELIT生產了SC牌電化學電容器，其標稱電壓為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。當前美國、日本、俄羅斯的產品幾乎占據了整個超級電容器市場。實現產業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任公司、北京科技大學、北京化工大學、北京理工大學、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。由中國科學院電工所承擔的“863”項目“可再生能源發電用超級電容器儲能系統關鍵技術研究”通過專家驗收。該項目完成了用于光伏發電系統的300Wh /1 kW超級電容器儲能系統的研究開發工作。另外。華北電力大學等有關課題組正在研究將超級電容器儲能(SCES)系統應用到分布式發電系統的配電網。但從整體來看。我國在超級電容器領域的研究與應用水平明顯落后于世界先進水平。
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編輯：admin 最后修改時間：2018-05-26
