超級電容器的技術特點與市場應用研究

高玉雙 張靜 劉鵬

摘?要：超級電容器作為一種新型儲能設備，具有功率密度高、使用時間長、護理頻率低放電功率大等特點。本文簡要介紹了超級電容器的技術特征和原理，并對超級電容器在電車、電子類電源和電力系統中的應用作了介紹。

關鍵詞：超級電容器;技術;市場應用

近年來，超級電容器以其瞬間大功率輸出的特點，越來越引起人們的關注。與二次電池相比，超級電容器具有壽命長、放電頻率高、污染小和安全性能高等優勢。本文通過對超級電容器的技術構成和市場應用進行分析，試圖展示超級電容器良好的開發和市場前景。

一、超級電容器的工作原理和特征

超級電容器又被稱為電化學電容器，是近年來新發展的一種新型儲能設備。由美國學者貝克首先提出，將電容器作為儲能元件。此后，在研發過程中，研究者將金屬氧化物或氮化物作為電極的活性物質，由此超級電容器具有了雙電層電容所無法匹敵的優勢。

具體而言，超級電容器又包括雙電層電容器和法拉第準電容器，兩者構成了超級電容器運作的主要原理。雙電層電容器通過電極和電解質的交互作用形成的界面雙電層進行能量的儲存。電極和電解液在接觸時，會因為庫侖力、分子間力的作用，而產生符號相反的兩層電荷，即界面雙電層。雙電層電容器的儲能主要通過電解質溶液的電化學極化實現，由于不需要進行電化學反應，因此，雙電層電容器的儲能過程是可逆的。

法拉第準電容器在電極形成的空間上進行欠電位沉積，由此產生化學吸脫附和氧化還原反應，并形成與電極充電電位有關的電容。在儲存電荷的過程中，電容器中的電解液中離子會在電極活性物質中由于氧化還原反應而將電荷儲存于電極中。

作為物理電容器和傳統電池間的儲能設備，超級電容器具有巨大的優勢。相較于傳統儲能設備，它的特點如下：一是功率密度更高，超級電容器的內阻更小，電極和電解液形成的界面與電極材料本身都可以實現電荷的儲存;二是壽命更長，電容器實現充放電不需要借助電化學反應，因此，充放電時間更少，并且在循環使用上可以達到萬次以上。三是在電能輸出上可以實現高比功率的輸出。四是使用壽命長，安全系數高，由于不需要相關的其他運動零件，因此不需要進行反復維護。五是耐用性強，電容器可以在超低溫和高溫條件下使用，還可以進行并聯和串聯使用，以增加電容量，提高電壓級別。

二、超級電容器在電車電源領域的應用

由于車輛在啟動、爬坡和加速時對電源功率的高強度要求，因此，超級電容器具有的高功率性質使其廣泛運用于電車電源領域。此外，通過使用超級電容器與蓄電池并聯的方式還可以減少車載電池的體積，并且延長電池的壽命。目前，世界各國已基本將超級電容器作為電動車的啟動電源。例如，通用汽車就已將超級電容器組成并聯混合電源系統和串聯電源系統應用于電車之上。在我國，將超級電容器運用于電車始于2004年。在很大程度上，超級電容器的運用解決了電車造成的機動性能差的問題，避免了傳統蓄電池造成的二次污染。

三、超級電容器在電子類電源領域的應用

在電子類電源領域，超級電容器主要運用于小型電子類裝備中，并且在衛星等高端設備領域也有應用。在衛星上配備超級電容器，可以極大地改善太陽能與電池組成的混合電源造成的減弱衛星脈沖通訊能力的問題。在小型電子類裝備領域，超級電容器的快速充電性能，可以增加這些設備使用的便捷性。此外，超級電容器在移動通信電源領域和醫療器械領域也有應用。在移動通信電源領域，由于超級電容器具有的高功率密度和低能量密度的特性，可以將其和其他電源混合使用，并且還可以用于短時功率后備能源以保護存儲器數據。在醫療器械領域，超級電容器的過渡充放電保護電路性能可以防止醫療過程中突然斷電造成的損失。

四、超級電容器在電力系統領域中的應用

在大型電力系統領域，電站所采用的控制性設備多是電磁操作開關，并配備有專門用于控制和保護用的直流電源。但是，由于傳統電解電容器的容量有限，造成電源使用時間有限，可靠性較差。與此相反，超級電容器則可以保證分閘能量供應的絕對可靠，同時也保留了傳統電容儲能式硅整流分合閘裝置的優點。此外，由于蓄電池自身壽命短、維護頻繁等局限性導致電站UPS在運行中需時刻注意蓄電池的狀態。超級電容器則因其輸出電流可以迅速提升，可以在短時間內實現能量儲存，因此可以在電源故障時隨時啟用。當然，需要注意的是，超級電容器所出能量所能支持的供電時間較短，在一分鐘內具有較大的優勢，可以進行50萬次電循環，使UPS真正實現免維護。

五、結論

超級電容器解決了傳統電源功率密度和能量密度之間的矛盾，避免了傳統電源運用中頻繁充電和頻繁更換電池的問題。近年來，超級電容器逐漸開始運用到電子類電源、電力系統以及太陽能、風能等領域，這對于減少電池維護利用頻率，增強電能的使用效率具有非常大的好處。

參考文獻：

[1]張慧妍，韋統振，齊智平.超級電容器儲能裝置研究[J].電網技術，2006，30（8）：92-96.

[2]串并聯型超級電容器儲能系統在風力發電中的應用[J].電力自動化設備，2008，28（4）：1-4.

[3]超級電容器儲能應用于分布式發電系統的能量管理及穩定性研究[D].中國科學院研究生院（電工研究所），2006.