船舶綜合電力系統(tǒng)超級電容儲能技術

李 志

（海軍駐廣州四二七廠軍事代表室，廣州 510715）

0 引言

船舶上所需的特殊電力類型與船舶常規(guī)發(fā)電設備有所區(qū)別，后者根據(jù)恒定負載的運行進行設計，而前者需要為一些在短時間（幾秒甚至毫秒級）內(nèi)功耗巨大的負載提供電能，這些負載即是所謂的高能脈沖負載，它們要求發(fā)電設備具備功率密度大，即在短時間內(nèi)能提供的能量高的特點，這是常規(guī)發(fā)電設備難以滿足的[1-3]。

如今船舶電站多數(shù)還是采用交流電制，若船上的高能脈沖負載從交流電站通過整流獲得電能，脈沖功率會造成電網(wǎng)電壓與頻率巨大的瞬態(tài)響應過程，嚴重影響船舶電能品質，而且對船上的無線電設備也會產(chǎn)生很大的干擾[4]。

基于以上幾點提出了船舶電力系統(tǒng)的儲能技術。

1 超級電容儲能技術的優(yōu)勢

目前使用最廣泛的儲能技術主要有蓄電池儲能、飛輪儲能、超導線圈儲能和超級電容儲能等。表 1是這幾種儲能技術的各方面性能指標進行比對分析。

1）鉛酸蓄電池儲能

鉛酸蓄電池是一種非常成熟的儲能設備，它可靠性好、原材料簡單容易得到、成本低。但它有很多缺點，比如循環(huán)壽命短、不能深度放電，使用結束后剩余的化學物質難以回收且污染環(huán)境，充、放電時間長，儲存的能量密度大而功率密度小，另外鉛酸蓄電池的效能受溫度的影響較大，維護起來也很麻煩。

2）飛輪儲能

飛輪儲能是一種機械儲能技術，能量密度和功率密度都比蓄電池高，能量轉換效率比較高、循環(huán)使用壽命比較長，且沒有環(huán)境污染。但飛輪儲能的放電深度較低，機械裝置體積重量大，維護量大，成本比較高[5]。

3）超導線圈儲能

超導線圈的能量密度和功率密度都比飛輪儲能大，能量轉換效率也很高，壽命長且無污染。缺點是超導線圈的材料工作溫度非常低，需要液氦來保持它的低溫，就算是高溫超導材料，它的工作溫度也只有77K，且超導線圈的維護量也很大[6]。

4）超級電容器儲能

超級電容器是在離子遷移過程中存儲電荷的，它的功率密度媲美于甚至超過超導線圈，甚至達到幾十千瓦每千克，儲存的能量可以在短時間內(nèi)迅速釋放。它還具有以下優(yōu)勢：循環(huán)使用壽命長、使用溫度范圍寬、溫升小以及充放電迅速，沒有環(huán)境污染[7]。

因此，結合特殊需求，超級電容是最適用于為船舶高能脈沖負載供電的儲能技術。

表1 幾種儲能技術的對比

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 超級電容設備現(xiàn)狀

國外超級電容器的主要生產(chǎn)商有美國MAXWELL公司、日本ELNA公司、韓國NESS、日本NEC等，產(chǎn)品的電容量從幾法拉到數(shù)千法拉。目前，Maxwell公司的BCAP2600系列產(chǎn)品功率密度達到 5.72kW/kg，能量密度 7.2Wh/kg，General Atomics公司的超級電容脈沖電源的儲能密度己達3MJ/m3，MacDougall使用研制的PVDF膜電容器儲能密度高達4MJ/m3[7]。

國內(nèi)，北京有色金屬研究總院、北京化工大學、北京金正平公司、解放軍防化院、上海奧威公司等科研院所和公司正在開展超級電容器的研究和制造。總的來說，目前超級電容的市場還是被美國、日本和俄羅斯的產(chǎn)品占據(jù)。

2.2 超級電容應用現(xiàn)狀

圖1顯示了超級電容器在軍事、工業(yè)、航空等方面的應用：

1）交通領域應用現(xiàn)狀

瑞士的PSI研究所為一輛峰值功率為48kW的燃料電池車安裝了儲存能量為360Wh的超級電容，在發(fā)生暫態(tài)的間隙超級電容以50kW的額定功率工作 15s。西門子為德國科隆地鐵設計了基于超級電容的SITRAS能量回收系統(tǒng)，大大減少了地鐵電能消耗[8]。2004年7月我國首部“電容蓄能變頻驅動式無軌電車”在上海張江園區(qū)投入試運行，電車在停靠站臺的30s時間內(nèi)快速充電，之后可持續(xù)供能，同時，超級電容還可以對制動能量進行回收，非常節(jié)能。由上汽股份工程研究院、上海申沃客車有限公司、上海交通大學合作研究開發(fā)的并聯(lián)式混合動力汽車“申新動1號”也是利用超級電容來節(jié)能的典型案例。2006年8月，安裝了超級電容（奧威公司生產(chǎn)）的上海11路環(huán)線公交車正式開通，它每跑一圈只需中途停下充電1~2次，一次充電耗時約20s[8]。

2）輸配電領域應用現(xiàn)狀

美國電力研究院電力電子應用中心與Sandia國家實驗室聯(lián)合建立了兩個超級電容儲能堆，當重要地區(qū)遭遇電壓短時中斷或跌落時，儲能堆能夠提供一定的功率以維持供電。國內(nèi)，華北電力大學研發(fā)了以超級電容器為基礎的統(tǒng)一電能質量調(diào)節(jié)器（UPQR）。中國科學院電工研究所在研制動態(tài)電壓恢復器（DVR）時利用超級電容做直流儲能單元，進行優(yōu)化電能質量的示范研究。美國西屋電氣公司、德國西門子公司、日本三菱電氣公司、瑞典 ABB公司等各大電力設備制造廠均已研制出相應的輸配電領域產(chǎn)品。

圖1 超級電容器儲能主要應用領域

3 結論

文章提出了船舶綜合電力系統(tǒng)中超級電容儲能技術的應用，基于日趨增長的軍事需求和超級電容儲能技術的各方面性能優(yōu)勢，結合目前國內(nèi)外超級電容設備及應用情況，證明超級電容儲能技術在船舶綜合電力系統(tǒng)中的應用十分有必要且很有前景。

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[7] 李啟國. 超級電容器儲能脈沖電源的研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學, 2008.

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