超級電容在電梯節能中的應用

邵永青

（寧波市特種設備檢驗研究院，浙江 寧波 315000）

一、前言

電梯為我們生活帶來巨大便利的同時，也帶來了相當大的負面影響，其中最重要的就是能耗問題。在現代高層建筑中電梯已經成為僅次于空調的第二能耗大戶，2010年年末，全國每年電梯耗電總量將達到430億千瓦時以上，耗電量十分巨大。而且電梯的能耗無法回收會造成大量熱量的流失，增加機房的溫度，給散熱帶來很大的麻煩，為了散熱，還需要裝空調等散熱設備，這會導致能量的二次浪費。因此，如何將電梯運行中的能量進行回收、節約能源已經不僅僅是設計師們需要關注的話題，也是全社會急需關心和了解的。有人估算過，如果每年可節約近80億度電，按每度0.5元價格計算，每年可節約近40億元，節能效益十分可觀。對電梯制動能量的回收利用需要進行能量存儲，現有的儲能裝置由于各種缺陷一直難以滿足要求，這時一種新型的儲能裝置—超級電容，開始進入我們視野。

二、超級電容的涵義與特點

超級電容器，也叫功率電容器、雙電層電容器，具有許多蓄電池所不具備的優點，是近年來發展起來的一種新型儲能裝置，正在逐步進入到社會各個領域。具有能量密度高、功率密度高、無污染、循環使用壽命長、工作溫度范圍寬等特點，在重用電源、電動汽車等領域己經得到了較為廣泛的應用。

表1 傳統電容器、超級電容器和傳統蓄電池的性能參數表

從表1可以看出，超級電容器兼具蓄電池能量密度大和普通電容器功率密度高的優點，具體而言：（1）循環使用壽命長，超級電容器深度充放電時的充放電循環次數可達50萬次以上，比其他儲能裝置壽命長很多。（2）功率密度高。超級電容器具有很高的功率密度，約為鉛酸蓄電池的二十多倍。特別適用于各種需要大功率放電的場合。（3）充放電速率快。由于超級電容器內阻不大，因此充放電速度快、時間短，有時可以在數十秒時間甚至更短時間內就完成整個充放電過程。（4）高低溫性能佳。與其他儲能裝置相比，超級電容器在工作運行過程中，并不像充電蓄電池那樣產生激烈的化學反應，繼而對環境溫度的要求甚高。相反超級電容具有良好的高低溫性能，即便在-40℃—+70℃溫度的范圍內工作，也不會出現性能降低等現象。（5）環保。超級電容器所用材料環保、無毒，主要是碳元素，不像其他儲能裝置使用鉛等重金屬，因此無論是對人體還是環境都不會造成傷害。

三、超級電容在電梯節能中的具體應用

1、超級電容應用于電梯節能裝置的工作原理

圖1 基于超級電容的電梯節能裝置的方案圖

如圖1所示，超級電容的電梯節能技術的原理是當電梯電機釋放再生能量時，將電梯電機再生能量存儲到超級電容，實現對超級電容充電，達到節省電能的目的。當超級電容充滿的時候，停止對超級電容充電，這種技術不引起電網的諧波干擾，保護電梯元件，提高了電梯電機的可靠性。

2、超級電容放電時間的確定

電梯系統在運行起始階段，超級電容切換外部交流電網為電梯系統運行供電，電梯運行上升從起始階段到達到勻速狀態之前，超級電容處于放電狀態。在超級電容的放電時間選擇上，可以通過分析電梯運行過程速度變化的時間來得到。表2為某建筑電梯運行實際測試數據:根據表中的實測數據，通過計算可以得出電梯系統運行的加速上升的過程為4-5s，系統中需要的啟動加速時間(超級電容的放電時間)平均為4.6255，。放電時間是超級電容選型的一個重要參數，實際使用過程中可以根據系統需要結合超級電容器的價格水平選擇放電時間，選擇的放電時間越長，對于超級電容的容量水平要求越高，價格也就越昂貴。

表2 電梯系統上升時間實測表

3、超級電容工作選擇

為了避免在變換器上產生過大的能量損耗，超級電容的電壓不應與曳引機機構電機電壓存在過大差距，在工作電壓的選擇上，需要考慮電梯的使用頻率以及超級電容的使用次數。一般情況下，電梯每年運行大概18萬次，壽命為12年，電梯總運行次數為260萬次，在這個過程中超級電容的充電次數和放電次數各占到一半，按照目前的技術，超級電容的壽命為65萬次左右，為了滿足其壽命的要求，需要將超級電容的工作電壓應在額定電壓的一半到額定電壓之間進行選擇設定。

4、超級電容器組均壓裝置

在超級電容制作的過程中由于工藝等問題的限制，很難將每一個超級電容單體做到完全一致，在內阻等方面會存在一定的差異，這種差異會導致單體進行串并聯使用的過程分壓不均，超級電容器組中壓的單體使用壽命會降低，而工作在額定電壓以下的單體效率會大幅度降低。為了保證每一個超級電容單體都能發揮自身最大效能，需要增加均壓裝置。這里提倡超級電容器實用均壓裝置，超級電容器組均壓電路的基本要求為:當超級電容單體端電壓達到穩定數值之后，單體端電壓的極小變化都會導致很大的單體端電流的變化，即穩壓二極管的反向特性。如圖2：

圖2 超級電容器組實用均壓裝置電路原理圖

總之，超級電容本身的諸多特點使得其受到了越來越多的關注，對超級電容在電梯節能中的應用方興未艾，還需要更多的專家、工程師做進一步的研究和探討。

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