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  • 18
    2018-05
  • 02
    2016-09

    使用超級電容(法拉電容)的動力系統設計

      過去的十年,材料和結構技術的發展把法拉電容從一個“不成熟”的后備器件變為了一種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次的大功率脈沖,并且很容易滿足產品的設計壽命需求。超級電容能非常迅速的充電和放電,并能在任何儲能狀態中工作,甚至在完全放電的條件下,且對元件的壽命不會產生任何不良影響。超級電容也的確已經成為動力電子領域面向產品的設計中不可或缺的元件。目前,已有許多廠商認識到超級電容技術優勢和高實用性能,并開始生產基于超級電容的各類系統。   工程師們在主要能源設備的設計中基本要滿足峰值功率的需求,比如對于一個發動機或電池系統,就需要滿足最高負荷下工作,哪怕這種需求僅持續幾秒。為了滿足最高負荷而不是平均負載設計整個系統,顯然會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,從而改進這類系統的設計,例如使用電池作為二級能量儲存設備,并在需要的時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動態的輸出能力來滿足瞬時峰值功率的需求。但是電池并不能很好的用來頻繁的提供瞬時峰值功率;在這方面,超級電容是最好的選擇。   法拉電容,也被稱為電化學雙層電容(EDLC)或supercapacitors。它已誕生約有10年的時間,并首先作為低儲能、低功率,但長壽命的備份元件用于放像機(VCR)和鬧鐘上,并且直到最近發掘其功能之前幾乎沒有其他的用途。   在過去的十年中,材料和結構技術的發展把超級電容從一個不“成熟”的后備器件變為了一種非常有效的儲能方式。超級電容也的確已經成為動力電子領域面向產品的設計中不可或缺的元件。現在,已經有許多廠商認識到超級電容技術優勢和高實用性能,并開始生產基于超級電容的各類系統。   一、什么是超級電容   依據在一對電極間維持電場的介質電容通常被分為三類,普通電容、電解電容和電化學雙層電容。在這三類電容的容量方面,電化學雙層電容(超級電容)以絕對的優勢高居榜首(最高可達幾千法拉)。這是因為超級電容的電場介質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。一個擁有良好電解質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阻抗。現在,商業化的超級電容的能量密度已經能超過5Wh/Kg,功率密度能達到20kW/kg。   超級電容本質上依據靜電型能量儲存方式而工作,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而實現,這種能量儲存過程與電池技術基于化學反應的過程相比較,沒有任何化學鍵的結合或斷開。百萬次充、放電循環之后證明超級電容的循環壽命非常好。   比較超級電容儲能技術和電池及其他儲能技術相對優勢的一個好方法是將它們畫在Ragone圖上,它將能量儲存和功率儲存對應起來,并主要顯示能量密度隨功率密度的增加而減小。這是一種把能量儲存方式按量定位,并將其歸為從牽引拖動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有任何有害效應,而許多電池都會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間內完成充電,而快速充電常?;崴鴰檔緋?。   3.超級電容的循環周期是數萬次的,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。這就允許在總線電壓控制算法中更自由的設計。而電池過放電也是會損壞的。   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測量電流和電壓的變化值實時的計算出。而正確的得到電池的儲能值需要經過多重復雜的計算,電池的容量通常也是未知的,而且實時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℃時就不能工作。   8.超級電容通過極化高比表面積電極中的電解質工作,電解質、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、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儲存不依賴化學反應,所以它和電池有著根本上的區別。   三、市場前景及應用   在設計一個系統時很自然想到的是形狀,系統主要的能源儲備應當能滿足平均耐久要求和相對的瞬時峰值功率要求。然而為了滿足這樣的峰值功率是不經濟且不實用的。系統通過能夠儲備的電能得到顯著改善,當需要高功率時從主要能量源獲取然后在控制下發射高壓脈沖傳輸。此時,超級電容為短時所需功率和額定功率不匹配時提供一個簡單,可靠的緩沖。這個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。   實例應用   超級電容有兩個主要用途。第一個是在主能源不足時作為臨時補充能源和額外的短時功能能源。這里當超級電容作為主要能量供給裝置時,超級電容已經成為相對于電池的另一個選擇,同時還有當主動力失效時的后備能源作用。   超級電容的第二個作用是峰值供能。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對電池的緩解作用,從而增加了電池的使用壽命同時縮小了電池的尺寸。   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。   事實上,任何應用場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潛力。 查看更多>
  • 02
    2016-09

    超級電容器(法拉電容)在智能電網中的應用

      微電網由微電源、負荷、儲能以及能量管理器等組成。儲能在微電網中發生作用的形式有:接在微電源的直流母線上、包含重要負荷的饋線上或者微電網的交流母線上。其中,前兩種可稱為分布式儲能,最后一種叫做中央儲能。   當并網運行時,微電網內的功率波動由大電網進行平衡,此時儲能處于充電備用狀態。當微電網由并網運行切換到孤網運行時,中央儲能立即啟動,彌補功率缺額。微電網孤網運行時負荷的波動或者微電源的波動則可以由中央儲能或者分布式儲能平衡。其中,微電源的功率波動有兩種平衡方式,將分布式儲能和需要儲能的微電源并聯接在某饋線上,或者將儲能直接接入該微電源的直流母線上。   1.提供短時供電   微電網存在兩種典型的運行模式:正常情況下,微電網與常規配電網并網運行,稱為并網運行模式;當檢測到電網故障或電能質量不滿足要求時,微電網將及時與電網斷開從而獨立運行,稱為孤網運行模式。微電網往往需要從常規配電網中吸收部分有功功率,因而微電網在從并網模式向孤網模式轉換時,會有功率缺額,安裝儲能設備有助于兩種模式的平穩過渡。   2.用作能量緩沖裝置   由于微電網規模較小,系統慣性不大,網絡及負荷經常發生波動就顯得十分嚴重,對整個微電網的穩定運行造成影響。我們總是期望微電網中高效發電機(如燃料電池)始終工作在它的額定容量下。但是微電網的負荷量并非整日保持不變,相反,它會隨著天氣變化等情況發生波動。為了滿足峰值負荷供電,必須使用燃油、燃氣的調峰電廠進行高峰負荷調整,由于燃料價格很高,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問題,它可以在負荷低落時儲存電源的多余電能,而在負荷高峰時回饋給微電網以調整功率需求。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.改善微電網的電能質量   儲能系統對微電網電能質量的提高起到了十分重要的作用。通過逆變器控制單元,可以調節超級電容器儲能系統向用戶及網絡提供的無功及有功,從而達到提高電能質量的目的。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的電能質量調節裝置中,用來解決系統中的一些暫態問題,如針對系統故障引發的瞬時停電、電壓驟升、電壓驟降等問題,此時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行有功或無功補償,以穩定、平滑電網電壓的波動。   4.優化微電源的運行   綠色能源如太陽能、風能,往往具有不均勻性,電能輸出容易發生變化。這就需要使用一種緩沖器來存儲能量。由于這些能源產生的電能輸出可能無法滿足微電網峰值電能的需求,因此,可以采用儲能裝置在短時間內提供所需的峰值電能,直到發電量增大,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渡作用。如利用太陽能發電的夜間,風力發電在無風的情況下,或者其他類型的DG單元正處維修期間,這時系統中的儲能就能起過渡作用。   在能源產生的過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。通過將過剩的能量存儲在儲能裝置中,就可以在短時間內通過儲能裝置提供所需的峰值能量。 查看更多>
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