Принцип работы, характеристики, преимущества и недостатки суперконденсатора

Суперконденсаторы в качестве нового элемента накопления энергии заполняют пробел между традиционными электростатическими конденсаторами и химическими источниками питания. В этой статье представлены принцип, характеристики, преимущества и недостатки суперконденсаторов, проанализирован принцип работы суперконденсаторов в композитных электромобилях и подведены итоги исследований применения суперконденсаторов в различных областях в стране и за рубежом.

С развитием науки и технологий люди теперь уделяют все больше и больше внимания применению экологической защиты окружающей среды и зеленой энергии. Суперконденсатор как новый тип накопителя энергии привлекает внимание людей. Суперконденсатор - это новый тип накопителя энергии, разработанный на основе батареи и традиционного конденсатора, разработанного в 1970-х и 1980-х годах. Его внешний вид заполняет пробел между традиционным электростатическим конденсатором и химическим источником питания.

1. Принцип и классификация суперконденсатора

Суперконденсатор - это вторичный физический источник питания с возможностью сверхмощного накопления, который обеспечивает мощную пульсирующую мощность. Суперконденсаторы в основном подразделяются на три типа в соответствии с механизмом накопления энергии [1]: 1 конденсатор с двойным электрическим слоем, генерируемый разделением зарядов на угольном электроде и границе электролита; 2 с использованием оксида металла в качестве электрода для окисления на поверхности электрода и объемной фазы конденсатор Фарадея, который вызывает обратимую хемосорбцию за счет реакции восстановления; и конденсатор, который подвергается окислительно-восстановительной реакции с использованием проводящего полимера в качестве электрода. Двухслойный суперконденсатор - это новый тип накопителя энергии, в котором для хранения электроэнергии используется поляризованный электролит. Структура представлена на рисунке 1:

Поскольку зарядка и разрядка конденсатора с двойным электрическим слоем - это чисто физический процесс, количество циклов велико, а процесс зарядки быстрый, поэтому он подходит для применения в электромобиле. Суперконденсатор с двойным электрическим слоем представляет собой две неактивные пористые пластины, подвешенные в электролите, и на эти две пластины подается напряжение. Потенциал, приложенный к пластине положительного электрода, притягивает отрицательные ионы в электролите, а пластина отрицательного электрода притягивает положительные ионы, тем самым образуя конденсатор с двойным электрическим слоем на поверхности двух электродов. Емкость суперконденсатора составляет от нескольких до десятков тысяч методов [2], потому что в этой структуре используется специальный процесс, ее эквивалентное сопротивление очень низкое, емкость большая, а внутреннее сопротивление мало, что делает супер конденсатор очень высокий. Пиковый ток, поэтому суперконденсатор имеет высокую удельную мощность, его удельная мощность в 50 ~ 100 раз больше, чем у батареи, может достигать 10 × 103 Вт / кг, эта особенность делает суперконденсатор очень подходящим для краткосрочных применений. высокое напряжение .

2. Характеристики суперконденсатора

При использовании суперконденсатора не происходит химической реакции и механического движения, такого как высокоскоростное вращение; нет загрязнения окружающей среды и шума; его конструкция проста и мала, это идеальный накопитель энергии. Суперконденсаторные изделия обладают следующими техническими характеристиками [3]:

(1) Скорость зарядки высокая. Для заполнения более 95% номинальной емкости требуется всего от 10 секунд до 10 минут;

(2) Длительный срок службы. Цикл глубокой зарядки и разрядки может достигать от 10 000 до 500 000 раз. Например, суперконденсатор HCC250F / 2,7 В производства Beijing Hezhong Huineng Company и последовательные конденсаторы производства Beijing Jixing Technology Co., Ltd. имеют срок службы более 500 000 раз;

(3) Высокая эффективность преобразования энергии. КПД сильноточного энергетического цикла> 90%;

(4) Высокая удельная мощность. До 300 Вт / кг - 50000 Вт / кг, в 5-10 раз больше батареи;

(5) Процессы производства, использования, хранения и демонтажа сырья не загрязняют окружающую среду и являются идеальным экологически чистым источником энергии для защиты окружающей среды; имеет высокий коэффициент безопасности и не требует обслуживания при длительном использовании;

(6) Высокая эффективность заряда и разряда. Поскольку внутреннее сопротивление невелико, потери при зарядке и разрядке также невелики, а эффективность зарядки и разрядки высока и может достигать более 90%.

(7) Широкий температурный диапазон до -40 ~ +70 ° C. Скорость реакции материала электродов суперконденсатора не зависит от температуры;

(8) Удобное обнаружение и контроль. Оставшуюся мощность можно напрямую рассчитать по формуле E = CV2 / 2. Накопленная энергия может быть определена только путем определения напряжения на клеммах. Расчет состояния заряда (SOC) прост и точен, поэтому им легко управлять и контролировать энергию.

3. Проблемы с суперконденсаторами

В случае применения суперконденсаторов с высокой плотностью энергии и длительным рабочим циклом основные недостатки заключаются в следующем:

(1) Низкая удельная энергия. Плотность энергии суперконденсатора составляет около 20% от плотности энергии свинцово-кислотной батареи; если сохраняется такая же энергия, объем и вес суперконденсатора намного больше, чем у батареи.

(2) Устойчивость к низкому давлению. Текущее выдерживаемое напряжение суперконденсатора намного ниже, чем у обычного конденсатора, а напряжение составляет около 1-3 В. Если для вождения используется последовательный метод, система накопления энергии будет относительно громоздкой, что не способствует управлению мощным оборудованием.

(3) Напряжение на клеммах сильно колеблется. При использовании суперконденсатора напряжение на его клеммах изменяется экспоненциально. Когда суперконденсатор высвобождает 3 / 4D энергии, его напряжение на клеммах упадет до 1/2 от исходного напряжения.

(4) Задача выравнивания напряжения при последовательном включении. В процессе производства суперконденсаторов возникают проблемы, связанные с неравномерностью процесса и материалов. Существуют некоторые различия в параметрах, таких как внутреннее сопротивление и емкость одной партии конденсаторов одной и той же спецификации. Следовательно, узел суперконденсатора должен быть оснащен последовательным уравнительным устройством для повышения энергоэффективности и безопасности компонента.

4. Применение суперконденсатора

4.1 Применение на электромобилях

Основными факторами, сдерживающими развитие современной промышленности, являются проблемы загрязнения окружающей среды и дефицит энергии. В настоящее время автомобильная промышленность занимает большую часть энергопотребления современной промышленности. Таким образом, энергосберегающая технология автомобилей стала ключевой технологией, которую необходимо решить в развитии автомобильной промышленности. Из-за превосходных характеристик суперконденсаторов страны по всему миру стремятся исследовать и все чаще применяют их в электромобилях. Десятки тысяч суперконденсаторов класса «Фарад» могут использоваться в качестве кратковременного источника энергии для электромобилей. В кратковременных и высокопроизводительных условиях работы, таких как восстановление энергии транспортных средств при запуске, ускорении и торможении, мощность и экономичность электромобилей могут быть значительно улучшены. Сексуальность и может эффективно улучшить работу аккумулятора. Суперконденсаторы стали новой тенденцией в развитии мощности электромобилей, а составная система питания, состоящая из суперконденсаторов и батарей, считается одним из лучших способов решения проблемы мощности электромобилей в будущем.

Японский гибридный автомобиль на топливных элементах и суперконденсаторах Honda FCX - первый в мире коммерческий автомобиль на топливных элементах. Он был запущен в 2002 году в Японии и Калифорнии. Японский Nissan также представил гибридный автобус, работающий на природном газе и суперконденсаторе, как показано на Рисунке 2. Экономия топлива автомобиля в 214 раз больше, чем у оригинального автомобиля, работающего на природном газе.

Институт PSI в Швейцарии установил батарею суперконденсаторов мощностью 360 Вт на автомобиль на топливных элементах мощностью 48 кВт. Суперконденсатор помогал топливному элементу с номинальной импульсной мощностью 50 кВт 15 кВт, в полной мере используя преимущества замедления системы привода и мощности в пусковом состоянии. В 1996 году компания Eltran из России разработала электромобиль с суперконденсатором в качестве источника энергии. Он использует 300 конденсаторов последовательно и может проехать 12 км со скоростью 25 км / ч. Гибридный автобус, разработанный Исследовательским центром NASALewis в США, использует суперконденсаторы в качестве основной системы хранения энергии; Американская электрическая топливная компания (EFC) спроектировала и разработала электромобиль на воздушно-цинковом топливном элементе, который также использует суперконденсаторы в качестве вспомогательной энергии и устанавливает суперконденсаторы. Его пробег увеличился почти на 25%.

После запуска китайских проектов электромобилей «Одиннадцатая пятилетка» и «863» отечественные компании, занимающиеся разработкой суперконденсаторов, также активизировали свои разработки. Первый в Китае "троллейбус с частотно-регулируемым накопителем конденсаторной энергии" был запущен в опытную эксплуатацию в Чжанцзяне, Шанхай, в июле 2004 года. Когда трамвай стоит на остановке, его можно быстро зарядить за 30 секунд, со скоростью 44 км / ч, и устойчиво источник питания. . Этот троллейбус в полной мере использует преимущества суперконденсатора и фиксированной парковки в общественном транспорте. Электрический автобус с суперконденсатором, разработанный Харбинским технологическим институтом и Jurong Group, развивает максимальную скорость 20 км / ч и может вместить до 50 пассажиров. В 2010 году на выставке Shanghai World Expo было инвестировано в общей сложности 1147 энергосберегающих автомобилей, работающих на новых источниках энергии: автомобили с суперконденсаторами, автомобили на топливных элементах, электромобили и гибридные автомобили. Автомобили на новой энергии в парке занимали 66% мощности парка во время фактической эксплуатации. Он добился нулевого расхода общественного транспорта в парке и низкого уровня выбросов общественного транспорта вокруг парка. Кроме того, Shanghai Aowei Company, Beijing Jixing Company, Jinzhou Baina Electric Company и Harbin Jurong Company выпустили свои собственные суперконденсаторы для HEV (гибридных силовых агрегатов) или EV (электромобилей). Однако текущая разработка и контроль над электромобилями из композитных суперконденсаторов и аккумуляторных батарей в основном находятся в зачаточном состоянии, и все еще существует разрыв между суперконденсаторами, производимыми отечественными компаниями, и зарубежными продуктами.

4.2 Принцип работы электромобиля с комбинированным питанием

Чистый суперконденсаторный электромобиль - единственный источник энергии для электромобилей. Этот метод прост по конструкции, дешев, практичен и имеет нулевой уровень выбросов, поэтому он подходит для небольших участков фиксированной связи, таких как школы и детские сады. Можно использовать тележку для доставки, трактор на вокзале или в аэропорту, также можно использовать автобус для экскурсий по парку и электрический автобус. Применение в электромобиле суперконденсатора и батареи или топливного элемента для формирования композитной системы питания более гибкое и имеет более широкую область применения.

Композитная система питания суперконденсатор-аккумулятор Принцип работы электромобиля показан на рисунке 3. Во-первых, электромобиль подает энергию на электродвигатель через преобразователь мощности в нормальных условиях движения. В условиях движения легкового автомобиля аккумулятор заряжает суперконденсатор, так что суперконденсатор имеет высокую выходную мощность; когда транспортное средство ускоряется или набирает высоту, суперконденсатор и аккумулятор одновременно обеспечивают энергией двигатель; при торможении транспортного средства или спуске. Когда двигатель работает в режиме генератора, регенеративная энергия заряжается преобразователем мощности для суперконденсатора. Если суперконденсатор не может принять всю рекуперативную энергию, оставшаяся часть поглощается батареей.

4.3 Применение в системе ИБП

В большинстве современных систем бесперебойного питания (USP) используются свинцовые аккумуляторные батареи в качестве устройств хранения электроэнергии. При использовании в случае частых отключений электроэнергии аккумуляторы будут сульфатированы из-за недостаточной продолжительной зарядки, и срок службы значительно сократится. Суперконденсаторы не подвержены частым отключениям электроэнергии, и их можно полностью зарядить за короткий период времени. Суперконденсаторы делают его хорошим источником аварийного питания из-за его выходных характеристик высокой плотности мощности. Например, в доменной печи процесс водяного охлаждения сталелитейного завода не может быть прерван. После отключения питания суперконденсатор может немедленно обеспечить высокую выходную мощность для запуска дизель-генераторной установки и подачи энергии на доменную печь и насос для обеспечения безопасного производства доменной печи.

4.4 Применение в военных системах

Американские военные применяют суперконденсаторы на бронетранспортерах, тяжелых грузовиках и танках. Энергия, используемая Oshkosh Motors для производства концепт-кара HEMTTLMS для армии США, - это гибридная электрическая силовая установка Maxwell ProPulse, в которой используются суперконденсаторы PowerCache. Технология выработки электроэнергии PEMFC имеет чрезвычайно широкие перспективы применения в командном машиностроении гражданской противовоздушной обороны из-за ее преимуществ, заключающихся в высокой эффективности, чистоте, легком весе, небольших размерах и низкой рабочей температуре. Однако независимо от того, какой метод питания выбран, нестабильная мощность постоянного тока, генерируемая генератором PEMFC, должна быть преобразована в стабильную мощность постоянного тока для питания нагрузки или инвертора. Динамические характеристики генератора PEMFC показывают значительное переходное падение напряжения в случае внезапного увеличения нагрузки, что защищает последующие DC / DC и DC / AC (прямое / переменное преобразование) от правильного функционирования. Использование суперконденсаторов для компенсации динамических характеристик генератора PEMFC устраняет всплески падения напряжения во время внезапного увеличения нагрузки, тем самым улучшая динамические выходные характеристики генератора и обеспечивая стабильное напряжение постоянного тока для последующих нагрузок постоянного и переменного тока.

4.5 Применение на маломощном электрооборудовании

Обычные аккумуляторные фонарики имеют ограниченный срок службы. Даже с современными светодиодными фонарями для полной зарядки требуется несколько часов, а срок службы аккумулятора очень короткий. Использование суперконденсаторов в качестве фонариков для компонентов накопителя энергии требует всего 90 секунд для зарядки и жизненного цикла 500 000 циклов. Если его заряжать и разряжать один раз в день, его можно использовать около 135 лет. Этот тактический фонарь был разработан полицией и военными. Использование суперконденсаторов в качестве компонентов накопителя энергии гарантирует, что аварийные огни обладают характеристиками энергосбережения, высокой яркости, бесперебойности и длительного срока службы.

5. Терминология

Как своего рода система накопления энергии с большим накоплением энергии, быстрой скоростью зарядки и разрядки, широким диапазоном рабочих температур, безопасной и надежной работой и отсутствием обслуживания, с технологией суперконденсатора она постепенно заменит батарею, и область применения будет расширяться . Это, безусловно, будет способствовать техническому прогрессу и принесет большие экономические и социальные выгоды.

Страница содержит содержимое машинного перевода.