替代能源中的超級電容器介紹

超級電容嶄露頭角

電能和燃油的緊缺使人們開始尋找更多的替代能源，超級電容器彌補(bǔ)了鋁電解電容和可充電電池之間的技術(shù)缺口，同時又克服了兩者的缺陷。它們與傳統(tǒng)的電池系統(tǒng)不同，能夠以很高的電流進(jìn)行充電和放電，不會老化。超級電容器的熱響應(yīng)能力也優(yōu)于電池系統(tǒng)，它的充放電次數(shù)可達(dá)50萬次，具有相當(dāng)長的使用壽命。由于超級電容器不是通過化學(xué)反應(yīng)來充電的，而是通過在導(dǎo)電碳粒子的表面積累電荷進(jìn)行充電的，因此它的充電電流可以非常高，這對電池來說是不可能的，因為電池本身具有很高的內(nèi)阻。電池充電是一種電化學(xué)反應(yīng)過程，受到了反應(yīng)動力學(xué)的限制，而超級電容器則沒有充電時間的限制。

作為目前替代能源應(yīng)用領(lǐng)域的一個極佳的技術(shù)解決方案，超級電容器在需要更高效更可靠電源的新技術(shù)領(lǐng)域中逐漸嶄露頭角。

圖1 類似于這種包含18個電池單元42V封裝的超級電容器模塊正進(jìn)入當(dāng)前和今后的汽車應(yīng)用領(lǐng)域

超級電容器存儲的能量主要可以通過三種方式來使用：

它能夠向汽車電氣系統(tǒng)饋電，減輕車載發(fā)電機(jī)的負(fù)擔(dān)；

起純粹的增強(qiáng)作用，也就是說，在換擋時，增大電動機(jī)的扭矩，提高加速度；

啟動輔助：使電動機(jī)從某個固定的狀態(tài)啟動加速汽車。這在某些需要反復(fù)啟停的特殊操作中能夠大大節(jié)省能源。

混合能源汽車與超級電容器

超級電容器在混合能源技術(shù)汽車領(lǐng)域中所起的作用是十分重要的。隨著能源價格的不斷上漲，以及歐洲汽車制造商承諾在1995年到2008年之間將汽車 CO2的排放量減少25%，這些都促進(jìn)了混合能源技術(shù)的發(fā)展。寶馬、奔馳和通用汽車公司已經(jīng)結(jié)成了一個全球聯(lián)盟，共同研發(fā)混合能源技術(shù)。

混合能源汽車可以分成三類：輕微混合、中度混合和完全混合。輕微混合型使用一種更強(qiáng)大的啟動器，能夠在停車時熄滅引擎，在再次加速時重新啟動引擎。這種小型的改進(jìn)可以在城市行車條件下節(jié)省8%的能源，同時能夠大幅度減少尾氣排放。

另外一種改進(jìn)就是中度混合技術(shù)，就是使用一個電動馬達(dá)，在汽車停止后開始加速的前30s增大其加速度。這項技術(shù)需要大規(guī)模存儲再生能源，通過使用超級電容器很容易實現(xiàn)，在需要反復(fù)啟停的城市行車條件下能夠節(jié)省15％的燃料。

最后，完全混合能源技術(shù)將為汽車配備更強(qiáng)大的電動馬達(dá)和高能電池，產(chǎn)生高達(dá)75kW的功率，能夠在短距離加速過程中實現(xiàn)全電動推進(jìn)。這種設(shè)計能夠節(jié)省20%的能源。

這些新技術(shù)中有很多將會使用替代能源，例如太陽能、風(fēng)能或者燃料電池。但是由于能量來源本身的特性，決定了這些發(fā)電的方式往往具有不均勻性，電能輸出容易發(fā)生變化。

隨著風(fēng)力和太陽光強(qiáng)度的變化，這些能源產(chǎn)生的電能輸出也會發(fā)生相應(yīng)的變化。這就需要使用一種緩沖器來存儲能量。

由于這些能源產(chǎn)生的電能輸出可能無法滿足消費者一方的峰值電能需求，因此可以采用能量緩沖器在短時間內(nèi)提供所需的峰值電能，直到發(fā)電量增大，需求量減少。另外，在能源產(chǎn)生的過程是穩(wěn)定的而需求是不斷變化的情況下，也可以使用能量緩沖器。

在使用替代能源技術(shù)的汽車驅(qū)動領(lǐng)域，超級電容器也是一種新型的關(guān)鍵部件。在采用燃料電池供電的汽車中，如果結(jié)合使用超級電容器，那么燃料電池就可以滿足持續(xù)供電需求，而不僅僅是峰值供電。

除了能夠滿足峰值供電的需求外，超級電容器還具有其他器件無法比擬的響應(yīng)時間。將超級電容器的強(qiáng)大性能和燃料電池結(jié)合起來，可以得到尺寸更小、重量更輕、價格更低廉的燃料電池系統(tǒng)。

超級電容器與氫燃料電池的完美結(jié)合

正處于研發(fā)階段的氫燃料電池能夠應(yīng)用于多個領(lǐng)域。這種氫燃料電池與風(fēng)能或太陽能不同，只要有氫燃料，它就能夠持續(xù)輸出穩(wěn)定的電能。

然而，某些應(yīng)用場合對能量的需求隨著時間的變化有很大不同。汽車就是一個直接的例子，因為它們在加速過程中需要的能量比勻速行駛時要高得多。如果沒有能量存儲器，氫燃料電池就要做得很大，以滿足最高的峰值能量需求，其成本就會大得無法忍受。通過將過剩的能量存儲在能量存儲器中，就可以在短時間內(nèi)通過存儲器提供所需的峰值能量。

圖2 超級電容器也非常適合用作工業(yè)應(yīng)用中的后備電池，例如緊急照明和自動設(shè)備等

混合能源的內(nèi)燃/電動汽車是邁向燃料電池汽車時代的重要一步，因為真正的驅(qū)動部件都是電動的。當(dāng)然，采用電池的全電動汽車也是一種方案，但是全電動汽車的驅(qū)動范圍非常有限。相比為內(nèi)燃引擎或燃料電池添加燃料所需的時間來看，全電動汽車再充電所需的時間更長。

基于這些原因，很多汽車制造商最初都選擇生產(chǎn)混合能源汽車。這使得他們有機(jī)會進(jìn)一步研究和改善高效燃料電池系統(tǒng)所需的電子驅(qū)動器和再生系統(tǒng)。

再生意味著可恢復(fù)的中斷，以及重新捕獲下坡滑行過程中的動能。在剎車和減速過程中，普通汽油或柴油汽車減少的動能都以剎車器發(fā)熱和機(jī)械磨損的形式丟掉了。與其丟掉這些能量，不如重新捕捉其中一大部分能量并將其存儲起來，以便在加速的時候使用。當(dāng)一輛重約一噸的汽車以每小時35英里的速度行駛，突然遇到紅燈停下來時，大約損失了100kW的能量，而這些能量是有可能被重新存儲起來的。