超級電容在太陽能電池蓄電方面的實驗研究

郭山河 田云霞 李 躍 李守春 劉 麗

（吉林大學物理學院，吉林 長春 130025）

超級電容在太陽能電池蓄電方面的實驗研究

郭山河 田云霞 李 躍 李守春 劉 麗

（吉林大學物理學院，吉林 長春 130025）

超級電容作為推廣綠色能源的重要環節，隨著它的逐步開發、利用，將更多地走進人們的視野，其零污染、長壽命更是價值的體現.作為工科學生在“太陽能電池室外特性研究”實驗環節中及早地了解認識它，對未來科技發展的趨勢是大有益處的.

超級電容；太陽能電池；充電與放電

1 超級電容的原理

傳統物理電容中儲存的電能來源于電荷在兩塊極板上的分離，若兩塊平行極板之間為真空（相對介電常數為1）或一層絕緣材料（相對介電常數為ε），其電容值為：C＝εS/d.其中，S為極板面積，d為介質厚度，所儲存的能量為：E＝C（ΔU）2/2（C為電容值，ΔU 為極板間的電壓降）.可見，若想獲得較大的電容量儲存更多的能量，必須增大面積S以及減少介質厚度d.但S與d的變化空間有限，就限制了電容儲存電能的能力.超級電容采用活性炭材料制作成多孔電極，同時在相對的碳多孔電極之間充填電解質溶液，當在兩端施加電壓時，相對的多孔電極上分別聚集正負電荷，而電解質溶液中相互束縛的正負離子將由于電場作用分別聚集到與正負極板相對的界面上，從而形成兩個電荷層.由于活性碳材料具有≥1200m2/g的超高比表面積（即獲得了極大的電極面積S），而相互束縛的正負離子間距不到1nm（即獲得了極小的介質厚度d），根據前面的計算公式可以看出，這種雙電層電容器比傳統電容的容值要大很多，其容量可以提高100倍以上.由于所加電壓小于電解液的電離電位，當電壓消除后電解液恢復常態.即充電過程只有物理變化而無化學變化，這是超級電容長壽命的原因.而超級電容充電電壓不要超出其額定電壓，是保證其長壽命的前提.為區別一般電容，常把利用活性炭多孔電極和電解質組成的雙電層結構的電容稱為超級電容.

將新技術、新材料及時引入教學，以加強理論知識與社會需求、科技發展的銜接，使我們培養的人才去盡量適應社會發展需求，是我們將超級電容引入物理實驗的初衷.

2 超級電容與太陽能電池板的匹配選擇

根據廠家對電容安全性使用建議，額定電壓應以充電電壓的1.5倍為宜.其原因有考慮充電電壓的波動以及電容參數不同引起的充電不均勻等因素.本實驗所用太陽能電池板的參數是：開路電壓10.8V、短路電流400mA、最大功率3W.超級電容采用錦州凱美能源廠家生產的4個2.7V額定電壓、容量400F的單體電容串聯而成的電容器模組（其額定電壓為10.8V）.

由于電容內阻的差異，在充放電時各電容電壓升降的程度不同.如果簡單地串聯使用會造成個別電容電壓超出額定電壓的情況.以本組實驗為例：4個2.7V電容串聯使用，充電前殘留電壓為0.4V，但只存在于第四只電容兩端.在用10V電池板充電時因串聯電路電流相等，每只電容電壓的增加量ΔU均為最大充電電壓9.6V的1/4，即2.4V.因第四只電容已有殘留電壓為0.4V，則充電后它的實際電壓為2.8V，因超出額定電壓值，有可能對其造成損害.所以串聯使用時電容均需要并聯一均衡電路（其功能類似于穩壓管，該電路由廠家提供）來組成電容器模組.我們沒有讓電容模組的額定電壓是充電電壓的1.5倍，僅使兩者相等，是出于如下原因：（1）對電池板來說路端電壓恒小于開路電壓，開路電壓是硅光電池輸出的極限.（2）只要充電前進行充分放電，就可以消除殘留電壓的影響.額定電壓與充電電源的最大電壓相等時，對電容模組來說依然有10%以上的安全空間.（3）在不影響實驗效果的前提下降低了模組購置實驗成本50%（購置一套模組的成本約200元），減小了實驗裝置的體積，試驗證明匹配效果良好.

3 充放電實驗研究

為使學生對超級電容快速充電能有一個量化的認識，對電容容量與充電電源功率的合理搭配有初步的認知，采用了兩組對比性實驗進行.兩個4×2.7V額定電壓、容量400F的電容器模組，一個由一塊電池板（10.8V/3W）充電；另一個由3塊相同電池板并聯后（3×10.8V/3W）充電.在一天之內重復做了4次實驗，數據穩定，效果良好.其平均數據見表1.

表 1

由此可以看出：

（1）在充電初期，由電容的定義可知電容兩端電壓與流經電容電流的時間積分成正比，隨后變化減緩，最后趨于定值.在充電電壓一定時，充電功率與充電時間成反比，這也是超級電容快速充電的原理.

（2）由于電池板內阻、電容模組的等效內阻存在，使得充電狀態下最大路端電壓只是開路電壓的85%左右，因此從教學實際需要上，電容模組的額定電壓也取4個電容組成的10.8V模組（而不是6個電容組成的16.2V模組）即可.

該內容可由每小組由4名學生（配4塊電池板，2個電容模組）分成2組完成上述表中的對比測試內容.實驗前，先測量電容模組兩端電壓，在小于3V時可直接短路放電，若較高，則間斷短路放電數次后再連續短路（避免瞬間電流過大造成的熱損壞）時間為5分鐘以上.實驗時電池板對準日照方向，按正負極要求接線，將電壓表并在電容模組兩端觀察電壓變化，待電壓基本不變時（達到9V即可）可視為充電完畢.

盡管我們在電容兩端已并有均衡電路，可保證消除殘留電壓的影響，但在教學環節上讓學生經歷放電這一步驟，對學生今后的正確使用是大有幫助的.

4 超級電容的輸出特性

根據電容的定義可知，電容兩端的電壓與電容儲存的電量成正比，則隨著放電過程，電容兩端電壓將持續降低.將電容模組作為電源使用時，是以降壓輸出的形式供電，這是與蓄電池恒壓輸出供電的不同之處.一般需要相應的穩壓電路，保障負載在最大電壓VMAX至負載額定電壓V額定之間穩定工作.用帶10V恒流源驅動電路的LED做演示負載，可正常發光20分鐘以上.將電壓表加在負載兩端，即可觀察到降壓輸出這一特征.根據電容充電前要考慮殘留電壓的影響的因素，LED還可用來作為放電負載可不用斷開，以持續降低殘留電壓，直至下次實驗前.

5 超級電容器使用注意事項

（1）超級電容器具有固定的極性.在使用前，應確認極性.

（2）超級電容器應在標稱電壓下使用，當電容器電壓超過標稱電壓時，將會導致電解液分解，同時電容器會發熱和容量下降，而且內阻增加，壽命縮短，在某些情況下會導致電容器性能崩潰.

（3）超級電容器不可應用于高頻率充放電的電路中，高頻率的快速充放電會導致電容器內部發熱，容量衰減及內阻增加，在某些情況下會導致電容器性能崩潰.

（4）安裝超級電容器后，不可強行傾斜或扭動電容器，這樣會導致電容器引線松動，導致性能劣化.

6 總結

由于太陽能電池輸出的即時性，需要增加能量存儲這一環節來完善.因此該內容可作為太陽能電池板室外特性研究實驗的一部分，經過學生室外實驗的教學環節檢驗效果良好，在實驗學時內（不超過2學時）可以完成相應內容.當然超級電容的應用決不僅限于太陽能的存儲，作為一個應用性很廣的知識點，我們希望通過本實驗的初步嘗試，除了使學生對超級電容在蓄電方面的基本特性有一了解之外，還將對學生學習后續知識，特別是科技創新小發明、專業實驗中產生積極的影響.

EXPERIMENTAL STUDY OF SUPER CAPACITOR IN THE SOLAR ENERGY STORAGE

Guo Shanhe Tian Yunxia Li Yue Li Shouchun Liu Li
（Institute of Physics，Jilin University，Changchun，Jilin 130025）

Super capacitor as an important step in promoting green energy，with its gradual development，utilization，has been concerned by most of people ，especially for its embodiment of zero pollution and long service life.It is beneficial to the future trend of technology development for the engineering student at “solar outdoor property study”understanding about it as soon as possible in the experiment.

super capacitor；solar cell；charge and discharge

2011－08－09）