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智能电网中的超级电容技术
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当今社会对能源和电力供应的质量以及安全可靠性的要求越来越高,传统的大电网供电方式由于其本身的缺陷已经不能满足这种要求。能够集成分布式发电的新型电网——微电网应运而生,它能够节省投资、降低能耗、提高系统安全性和灵活性,是未来的发展方向。电容作为微电网中必不可少的储能系统,发挥着十分重要的作用。超级电容器作为一种新型的储能器件,以其无可替代的优越性,成为微电网(Microgrid)储能的首选装置之一。
什么是超级电容
超级电容器(super capacitor),又叫双电层电容器(Electrical Double—Layer Capacitor)、黄金电容、法拉电容。是介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能元件。其容量可达几百至上万法。功率是电池的l0倍以上,储存能力比普通电容器高,具有工作温度范围广、可快速充放电、循环寿命长、无污染、零排放等特点。
超级电容器储能系统的基本结构如图1所示。超级电容器多为双电层结构,其活性炭电极和电解质之间是空间分布式结构,可用多个电容器的串并联描述超级电容器的特性。
在超级电容器组充放电过程中,端电压范围变化大,通常必须采用DC/DC变换器作为接口电路来调节超级电容器的储能和释能。DC/AC变换器可采用双向DC/AC逆变器,或者采用AC/DC整流器及DC/AC逆变器。超级电容器储能系统并联在微电网中母线或者馈线上。
超级电容器储能系统利用多组超级电容器将能量以电场能的形式储存起来,当能量紧急缺乏或需要时。再将存储的能量通过控制单元释放出来,准确快速补偿系统所需的有功和无功,从而实现电能的平衡与稳定控制。超级电容器本身的优点使得它在应用于分布式发电时,在与其它储能方式的互相竞争中胜出。
超级电容器分类介绍
一般认为超级电容器包括双电层电容器和电化学电容器两大类。
(1)双电层电容器
双电层电容器是通过电极与电解质之间形成的界面双层来存储能量的新型元器件,当电极与电解液接触时,由于库仑力、分子间力、原子间力的作用,使固液界面出现稳定的、符号相反的双层电荷,称为界面双层。
双电层电容器使用的电极材料多为多孔碳材料,有活性炭(活性炭粉末、活性炭纤维)、碳气凝胶、碳纳米管。双电层电容器的容量大小与电极材料的孔隙率有关。通常,孔隙率越高,电极材料的比表面积越大,双电层电容也越大。但不是孔隙率越高,电容器的容量越大。保持电极材料孔径大小在2-50 nm 之间提高孔隙率才能提高材料的有效比表面积,从而提高电容。
(2)赝电容器原理
赝电容,也叫法拉第准电容,是在电极材料表面或体相的二维或准二维空间上,电活性物质进行欠电位沉积,发生高度可逆的化学吸附/脱附或氧化/还原反应,产生与电极充电电位有关的电容。由于反应在整个体相中进行,因而这种体系可实现的最大电容值比较大,如吸附型准电容为2 000×10-6 F/cm2。对氧化还原型电容器而言,可实现的最大容量值则非常大,而碳材料的比容通常被认为是20×10-6 F/cm2,因而在相同的体积或重量的情况下,赝电容器的容量是双电层电容器容量的10-100 倍。
目前赝电容电极材料主要为一些金属氧化物和导电聚合物。金属氧化物超级电容器所用的电极材料主要是一些过渡金属氧化物