超級電容器，也叫電化學(xué)電容器，是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一種新型儲能元件。1957年，美國的Becker首先提出了可以將電容器用作儲能元件，具有接近于電池的能量密度。1962年，標(biāo)準(zhǔn)石油公司(SOHIO)生產(chǎn)了一種工作電壓為6V、以碳材料作為電極的電容器。稍后，該技術(shù)被轉(zhuǎn)讓給NEC電氣公司，該公司從1979年開始生產(chǎn)超級電容器，1983年率先推向市場。20世紀(jì)80年代以來，利用金屬氧化物或氮化物作為電極活性物質(zhì)的超級電容器，因其具有雙電層電容所不具有的若干優(yōu)點，現(xiàn)已引起廣大科研工作者極大興趣。

1超級電容器的儲能原理

超級電容器按儲能原理可分為雙電層電容器和法拉第準(zhǔn)電容器。

1.1雙電層電容器的基本原理

雙電層電容器的基本原理是利用電極和電解質(zhì)之間形成的界面雙電層來存儲能量的一種新型電子元件。當(dāng)電極和電解液接觸時，由于庫侖力、分子間力或者原子間力的作用，使固液界面出現(xiàn)穩(wěn)定的、符號相反的兩層電荷，稱為界面雙電層。這種電容器的儲能是通過使電解質(zhì)溶液進(jìn)行電化學(xué)極化來實現(xiàn)的，并沒有產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，這種儲能過程是可逆的。

1.2法拉第準(zhǔn)電容器的基本原理

繼雙電層電容器后，又發(fā)展了法拉第準(zhǔn)電容，簡稱準(zhǔn)電容。該電容是在電極表面或體相中的二維或準(zhǔn)二維空間上，電活性物質(zhì)進(jìn)行欠電位沉積，發(fā)生高度的化學(xué)吸脫附或氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生與電極充電電位有關(guān)的電容。對于法拉第準(zhǔn)電容，其儲存電荷的過程不僅包括雙電層上的存儲，而且包括電解液中離子在電極活性物質(zhì)中由于氧化還原反應(yīng)而將電荷儲存于電極中。

2超級電容器的特性

超級電容器是介于傳統(tǒng)物理電容器和電池之間的一種較佳的儲能元件，其巨大的優(yōu)越性表現(xiàn)為：①功率密度高。超級電容器的內(nèi)阻很小，而且在電極/溶液界面和電極材料本體內(nèi)均能實現(xiàn)電荷的快速儲存和釋放。②充放電循環(huán)壽命長。超級電容器在充放電過程中沒有發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，其循環(huán)壽命可達(dá)萬次以上。③充電時間短。完全充電只需數(shù)分鐘。④實現(xiàn)高比功率和高比能量輸出。⑤儲存壽命長。⑥可靠性高。超級電容器工作中沒有運動部件，維護(hù)工作極少。⑦環(huán)境溫度對正常使用影響不大。超級電容器正常工作溫度范圍在-35～75℃。⑧可以任意并聯(lián)使用，增加電容量;若采取均壓后，還可串聯(lián)使用，提高電壓等級。

3超級電容器儲能技術(shù)應(yīng)用

超級電容器作為大功率物理二次電源，在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域用途十分廣泛。各發(fā)達(dá)國家都把超級電容器的研究列為國家重點戰(zhàn)略研究項目。1996年歐洲共同體制定了超級電容器的發(fā)展計劃，日本“新陽光計劃”中列出了超級電容器的研制，美國能源部及國防部也制定了發(fā)展超級電容器的研究計劃。我國國家863計劃制定了電動汽車重大專項(2001)超級電容器課題。以下介紹超級電容器儲能技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀。

3.1電車電源

由于超級電容器具有非常高的功率密度，因此可以很好地滿足電車在起動、加速、爬坡時對功率的需求，可以作為混合型電動車的加速或起動電源。美國通用汽車公司已將Maxwell Tech-nologies公司生產(chǎn)的Power Cache超級電容器組成并聯(lián)混合電源系統(tǒng)和串聯(lián)電源系統(tǒng)用在汽車上。文獻(xiàn)[3]研究表明，利用超級電容器與蓄電池并聯(lián)作電源可以減少蓄電池的尺寸、重量，并延長蓄電池的使用壽命。

2004年7月，我國首輛超級電容器公交車及其快速充電候車站系統(tǒng)投入試運行。該系統(tǒng)解決了無軌電車帶來的視覺污染、機(jī)動性差和規(guī)劃難等問題，以零排放、低噪聲的性能，改善了公交汽車尾氣排放給城區(qū)帶來的空氣污染，并避免了傳統(tǒng)蓄電池的二次污染，延長了使用壽命。

3.2電子類電源

超級電容器不僅可以用作光電功能電子手表和計算機(jī)存儲器等小型裝置的電源，而且還可以用在衛(wèi)星上。衛(wèi)星上使用的電源多是由太陽能與電池組成的混合電源，一旦裝上了超級電容器，衛(wèi)星的脈沖通訊能力定會得到改善。由于超級電容器具有快速充電的特性，對于像電動工具和玩具這些需要快速充電的設(shè)備來說，超級電容器無疑是一個很理想的電源。文獻(xiàn)[4]介紹了在移動通信電源領(lǐng)域，電化學(xué)雙電層電容器由于具有高功率密度和低能量密度的特性，將主要用來與其他電源混合組成電源，同時還可以用于短時功率后備，用于保護(hù)存儲器數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[5]研究了利用雙電層電容器作為可植入醫(yī)療器械的救急電源，由于雙電層電容器不需要過渡充放電保護(hù)電路以及使用壽命長，將替代傳統(tǒng)電池。

3.3電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

高壓變電站及開關(guān)站使用的絕大多數(shù)是電磁操動開關(guān)機(jī)構(gòu)，專門配有電容儲能式硅整流分合閘裝置作為分合閘操作、控制、保護(hù)用的直流電源。但是，電容儲能式裝的電解電容容量有限、可靠性差。文獻(xiàn)[6]研究表明，超級電容器保證了分閘能量供應(yīng)的絕對可靠，同時保留了傳統(tǒng)電容儲能式硅整流分合閘裝置的優(yōu)點。

UPS往往是在電網(wǎng)斷電或電網(wǎng)電壓瞬時跌落最初的幾秒、幾分鐘起決定作用，蓄電池在這段時間提供電能。由于蓄電池自身的缺點(需定期維護(hù)、壽命短)，使UPS在運行中需時刻注意蓄電池的狀態(tài)。文獻(xiàn)[7]研究了在數(shù)據(jù)保護(hù)的備份系統(tǒng)中，需UPS提供的時間相對較短，這時超級電容的優(yōu)勢尤為明顯，其輸出電流可以幾乎沒有延時地上升到數(shù)百安培，而且充電速度快，可以在數(shù)分鐘內(nèi)實現(xiàn)能量存儲，所以在下次電源故障時又可以起用。盡管超級電容器的儲能所能維持的時間很短，但當(dāng)儲能時間約在1min時，有無可比擬的優(yōu)勢，具有50萬次循環(huán)和10a不需護(hù)理，使UPS真正實現(xiàn)免維護(hù)。

文獻(xiàn)[8]提出了基于雙電層電容儲能的靜止同步補償器(STATCOM)，可用來改善分布式系統(tǒng)的電壓質(zhì)量，特別是在300～500kW功率等級，將逐漸替代傳統(tǒng)的超導(dǎo)儲能。經(jīng)濟(jì)方面，同等容量的雙電層電容儲能同超導(dǎo)儲能裝置費用相差無幾，但雙電層幾乎不需運行費用，而超導(dǎo)儲能則需相當(dāng)?shù)闹评滟M用。

文獻(xiàn)[9]介紹了超級電容器在光伏發(fā)電中的應(yīng)用。超級電容器可以在僅高于其漏電流狀態(tài)下充電，這一特性在與光伏發(fā)電中即使在陰天光伏電池也能對超級電容器充電，提高了光伏發(fā)電和微弱電流充電的有效性。

2005年，由中國科學(xué)院電工所承擔(dān)的“863”項目“可再生能源發(fā)電用超級電容器儲能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”通過專家驗收。該項目完成了用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的300Wh/1kW超級電容器儲能系統(tǒng)的研究開發(fā)。

變頻調(diào)速器對電壓十分敏感，而由于電網(wǎng)各種故障和操作會出現(xiàn)瞬時低電壓現(xiàn)象，利用超級電容器快速充放電的特性，可以實現(xiàn)變頻器低電壓的跨越，保證變頻調(diào)速器的正常運行。

2005年美國加利福尼亞建造了一臺450kW超級電容器儲能裝置，用以減小950kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組向電網(wǎng)輸送功率的波動。在新加坡，ABB公司利用超級電容器儲能的DVR裝置安裝在4MW的半導(dǎo)體工廠，該裝置可以實現(xiàn)160ms的低電壓跨越。

超級電容器單體的電壓低，模塊化的也不超過100V，不能直接用于電力系統(tǒng)。可以采用兩種方式提高電壓等級：將超級電容器直接串聯(lián)提高電壓等級;文獻(xiàn)[10]將超級電容器模塊連接BoostDC/DC變換器，然后經(jīng)過逆變器與電網(wǎng)連接，為了實現(xiàn)更高的電壓等級，還可以在逆變器與電網(wǎng)間加入升壓變壓器。第一種方式存在均壓的問題，升壓范圍有限，通常采用第二種方式實現(xiàn)儲能和供電。

目前，超級電容器大多用于高峰值功率、低容量的場合，隨著超級電容器材料的研發(fā)，功率密度和能量密度的不斷提高，在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用范圍將更加廣闊。

4應(yīng)用中注意的問題

超級電容器具有固定的極性，在使用前應(yīng)確認(rèn)極性。超級電容器應(yīng)在標(biāo)稱電壓下使用：當(dāng)電容器電壓超過標(biāo)稱電壓時會導(dǎo)致電解液分解，同時電容器會發(fā)熱，容量下降，而且內(nèi)阻增加，壽命縮短。超級電容器不可應(yīng)用于高頻率充放電的電路中，高頻率的快速充放電會導(dǎo)致電容器內(nèi)部發(fā)熱，容量衰減，內(nèi)阻增加，在某些情況下會導(dǎo)致電容器性能崩潰。

當(dāng)超級電容器進(jìn)行串聯(lián)使用時，存在單體間的電壓均衡問題。單純的串聯(lián)會導(dǎo)致某個或幾個單體電容器過壓，從而損壞這些電容器，整體性能受到影響。

5結(jié)語

超級電容器的出現(xiàn)，解決了能源系統(tǒng)的功率密度和能量密度之間的矛盾。隨著超級電容器的進(jìn)一步發(fā)展，將取代當(dāng)前電動汽車需頻繁充電和更換的蓄電池，而且家用儲能超級電容器也有可能實現(xiàn)。太陽能、風(fēng)能和燃料電池等無污染能源將儲存在超級電容器中，不斷提供電能，不需要投資大的發(fā)電站，也不需要復(fù)雜的輸送電網(wǎng)，是一種應(yīng)用再生能源和投資少的節(jié)能措施。