超级电容回收再生能源技术

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

随着人口的急剧增加和社会经济的飞速发展，资源和能源的日渐短缺，生态环境日渐恶化，人类将更加依赖于清洁和可再生的新能源，超级电容器正是这种储能元件，它对再生能量的回收利用起到关键性作用。目前超级电容器已经在轮胎式龙门集装箱起重机（RTG）中进行了成功的应用。但是由于超级电容器在RTG上的应用，只是最近时期才发展起来的，对其研究和性能分析还不够，所以装备了超级电容器的RTG的性能还不是很稳定，其中的规律还没有掌握透彻，所以有必要对超级电容器在RTG上的应用特性和规律开展研究和分析，为超级电容器在工程机械上的进一步应用奠定基础。

1 什么是超级电容器

超级电容器是介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置,其容量可达几百至上千法拉。与传统电容器相比,它具有较大的容量、较高的能量、较宽的工作温度范围和极长的使用寿命；而与蓄电池相比,它又具有较高的比功率,且对环境无污染。因此可以说,超级电容器是一种高效、实用、环保的能量存储装置。几种能量存储装置的性能比较如表1所示。

表1 能量存储装置性能比较

一般认为超级电容器包括双电层电容器和电化学电容器两大类。

（1）双电层电容器

双电层电容器是通过电极与电解质之间形成的界面双层来存储能量的新型元器件，当电极与电解液接触时，由于库仑力、分子间力、原子间力的作用，使固液界面出现稳定的、符号相反的双层电荷，称为界面双层。

双电层电容器使用的电极材料多为多孔碳材料，有活性炭（活性炭粉末、活性炭纤维）、碳气凝胶、碳纳米管。双电层电容器的容量大小与电极材料的孔隙率有关。通常，孔隙率越高，电极材料的比表面积越大，双电层电容也越大。但不是孔隙率越高，电容器的容量越大。保持电极材料孔径大小在2～50 nm 之间提高孔隙率才能提高材料的有效比表面积，从而提高双电层电容。

（2）赝电容器原理

赝电容，也叫法拉第准电容，是在电极材料表面或体相的二维或准二维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸附/脱附或氧化/还原反应，产生与电极充电电位有关的电容。由于反应在整个体相中进行，因而这种体系可实现的最大电容值比较大，如吸附型准电容为2 000×10– 6 F/cm2。对氧化还原型电容器而言，可实现的最大容量值则非常大，而碳材料的比容通常被认为是20×10– 6 F/cm2，因而在相同的体积或重量的情况下，赝电容器的容量是双电层电容器容量的10～100 倍。

目前赝电容电极材料主要为一些金属氧化物和导电聚合物。金属氧化物超级电容器所用的电极材料主要是一些过渡金属氧化物，如：MnO2、V2O5、RuO2、IrO2、NiO、WO3、PbO2和Co3O4等。金属氧化物作为超级电容器电极材料研究最为成功的是RuO2，在H2SO4电解液中其比容能达到700～760 F/g。但RuO2稀有的资源及高昂的价格限制了它的应用。研究人员希望能从MnO2及NiO等贱金属氧化物中找到电化学性能优越的电极材料以代替RuO2。

用导电聚合物作为超级电容器的电极材料是近年来发展起来的。聚合物产品具有良好的电子电导率，其典型的数值为1～100 S/cm。一般将共轭聚合物的电导性与掺杂半导体进行比较，采用术语“p掺杂”和“n掺杂”分别用于描述电化学氧化和还原的结果。导电聚合物借助于电化学氧化和还原反应在电子共轭聚合物链上引入正电荷和负电荷中心，正、负电荷中心的充电程度取决于电极电势。导电聚合物也是通过法拉第过程大量存储能量。目前仅有有限的导电聚合物可以在较高的还原电位下稳定地进行电化学n型掺杂，如聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩等。现阶段的研究工作主要集中在寻找具有优良的掺杂性能的导电聚合物，提高聚合物电极的充放电性能、循环寿命和热稳定性等方面。

2超级电容RTG

典型的轮胎式龙门集装箱起重机（RTG）驱动控制系统采用交流变频驱动技术，将来自柴油发电机组的交流电源通过变频器的交直流转换装置，整流成直流电源，挂在直流母排上。为了更高效率、更节能、更环保的使用RTG，将超级电容器(单体最大可达10万法拉)作为储能装置并联在RTG的直流母排上，然后由变频机构将直流母排上的直流转换成频率和电压可控的交流电源，来控制驱动电机运行。超级电容RTG利用了超级电容器大电流充放电的技术特点，有效的储存集装箱下降时的位能，供起升加速负载使用，并且通过安装节能控制系统，实现RTG的整机节能，同时由于超级电容的水库效应(水多时储存，水少时放水供应需求)，减缓了柴油发动机的负荷突变，不仅提高了使用寿命，同时也大大改善了尾气排放和噪音问题，成功地实现了节能与环保。图1为超级电容RTG的电气系统配置示意图。

油发电机组发出的三相交流电经过交流变频器的整流装置，转换成直流电源，电源电压在460V至760V范围内变化，直流电源通过交流变频器中的变频装置，将直流转换成频率和电压可控的AC电源，用于驱动起升、大车和小车机构。将超级电容器并联在直流总线上，就可以利用直流总线电压的较大变化范围，起到电压上升时充电，电压下降时放电的目的，从而利用了超级电容器的大电流充放电特性。同时，也能随时自动检测RTG的能量使用情况。当机构处于驱动状态，从直流总线上汲取功率时，直流总线电压产生下降趋势。因为超级电容器的内阻远小于发电机内阻，故超级电容器会首先供电给直流总线，以维持总线电压，当驱动机构继续工作时，随着超级电容器不断放电，其端电压逐步下降，表现为直流总线电压下降。只有当此直流电压下降到小于发电机电源的整流电压后，才会逐步用到柴油发电机的电能。

超级电容RTG的供电原理如图2所示。如果电压不发生变化，则超级电容器处于准备状态，不工作；当发现直流电压下降时(由驱动电机耗电引起)，超级电容器进行供电，此时其供电电流大小自动根据负荷电流大小决定。随着电容器不断放电，其端电压会下降，直流总线电压跟着下降。当监测到此电压低于柴油发电机组的电源整流电压时，机组开始参与供电。如此这般，电容储存能量越多，则释放越多，机组的耗能也就越小。超级电容器的存在，达到了减小RTG突然负荷增加对发电机组的影响，并在负荷稳定情况下参与供电，减小了发电机组的负荷。

图2 超级电容RTG供电原理图   图3 超级电容RTG储能原理图

当RTG的工作机构处于再生反馈状态时，机构会将能量反馈到直流总线上。此刻直流总线电压会在变化范围内逐步上升，超级电容器进入充电状态，此时其充电电流大小自动根据反馈能量大小决定。随着超级电容器不断充电，其端电压会上升，直流总线电压跟着上升。由于RTG配置的超级电容器容量很大且能在短时间内大功率储存能量，因此所有机构的反馈能量都将被超级电容器吸收。如图3所示超级电容RTG储能原理。

综上分析，超级电容器发挥了以下的作用：首先是使传统RTG的能耗电阻消失了存在的可能性，而更具有意义的是，超级电容器保存了所有机构反馈的能量，避免了反馈能量的白白损耗，同时在荷载突增的情况下(起升瞬间)提供补充能量，平稳发动机工作状态，达到节能的目的。

3 超级电容器的组成方式

因为在起重机动力系统电路中，工作电压大大超过了单体电容的最大允许值，需要多个单体电容连接才能满足电压要求。多个单体电容是串联还是并联，下面就混合动力系统中超级电容器的联接方式讨论。

常见的超级电容器有三种组成方式：串联方式、并联方式和串并混联方式。串联方式的超级电容器组件：由于超级电容器的单体工作电压不高，不能覆盖应用工况的电压需求范围，需要将多个单体串联来满足应用工况的电压要求，但因单体电容器之间的固有差异，作用在串联组件上的总电压并不能均衡地分配给不同的电容器，它会导致电压分配的不对称。

并联方式的超级电容器：以并联方式建构的超级电容器组件可以输出或接受很大的电流。在充电过程中，由串联充电电阻保证单体之间的电压分布，但超级电容器本身固有的充电电阻是一个动态的量，具有一定的分散性，使得调整电阻变化的控制电路极其复杂，难以实现逐点控制；在放电过程中，控制放电电阻，可获得很高的输出功率，但为了避免放电电流过大，保证许可的输出功率，要适当控制组件的贮能量。

串并混联的超级电容器组件：结合串联和并联方式的优点，避免两种方式各自不足。每个电容器均指定一个电阻控制其充电过程的电压。故在本文所述的起重机新型混合动力系统中，所用超级电容器的组合方式采用串联和并联混合的连接组成方式，如图4所示。

这样需要电压平衡措施来保证每个电容承担的电压相同。可以使用主动或被动的方法在电容之间维持相同的电压，而它们的泄漏电流可能稍微有些不同。

图4 电容电压平衡原理图

被动措施是使用相同阻值的电阻和电容并联，使用高阻值电阻，可以允许在电容之间有小电流流过，以使电容两端保持相同的电压。如图4所示，使用高阻值电阻的结果是产生毫安级的泄漏电流，在电容电池混合设计时是一个重要的考虑因素。低阻值电阻产生大的泄漏电流，但是可以使不匹配的元件快速达到平衡。使用燃料电池作为连续电能源时可使用低阻值电阻来平衡。

主动的平衡方法是仅仅在需要高电压、高可靠性的系统时，使用微处理器来测量电压的不同，再经过一定的控制措施来达到快速的平衡。主动的平衡措施不会使泄漏电流明显增加，但要比被动措施成本高。

4 超级电容器在国内外的发展现状

超级电容器的发展始于20世纪60年代，起先被认为是一种低功率、低能量、长使用寿命的器件。但到了20世纪90年代，由于混合电动汽车的兴起，超级电容器才受到广泛的关注并开始迅速发展起来。现今，大功率的超级电容器被视作一种大功率物理二次电源，各发达国家都把对超级电容器的研究列为国家重点战略研究项目。目前，超级电容器在电力系统中的应用越来越受到关注，如基于双电层电容储能的静止同步补偿器和动态电压补偿器等，国内外的研究和应用正在如火如荼地进行。此外，超级电容器还活跃在电动汽车、消费类电子电源、军事、工业等高峰值功率场合。超级电容器主要应用领域如表2所列。当前美国、日本、俄罗斯的产品几乎占据了整个超级电容器市场。

表2 超级电容器主要应用领域

目前主要倾向于液体电解质双电层电容器和复合电极材料/导电聚合物电化学超级电容器。在超级电容器的产业化上，最早是1987年松下/三菱与1980年NEC/Tokin的产品。这些电容器标称电压为2.3～6V，电容从10-2 F至几个F，年产量数百万只。20世纪90年代，俄罗斯Econd公司和ELIT生产了SC牌电化学电容器，其标称电压为12～450V，电容从1 F至几百F，适合需要大功率启动动力的场合。如今，日本松下、EPCOS、NEC，美国Maxwell、Powerstor、Evans，法国SAFT，澳大利亚Cap Oxx。韩国NESS等公司在超级电容器方面的研究均非常活跃。总的来说。当前美国、日本、俄罗斯的产品几乎占据了整个超级电容器市场。实现产业化的超级电容器基本上都是双电层电容器。

在我国。北京有色金属研究总院、锦州电力电容器有限责任公司、北京科技大学、北京化工大学、北京理工大学、北京金正平公司、解放军防化院、哈尔滨巨容公司、上海奥威公司等正在开展超级电容器的研究。2005年。由中国科学院电工所承担的“863”项目“可再生能源发电用超级电容器储能系统关键技术研究”通过专家验收。该项目完成了用于光伏发电系统的300Wh /1 kW超级电容器储能系统的研究开发工作。另外。华北电力大学等有关课题组正在研究将超级电容器储能(SCES)系统应用到分布式发电系统的配电网。但从整体来看。我国在超级电容器领域的研究与应用水平明显落后于世界先进水平。

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