超级电容器在直流电源中的应用用毕业论文.doc

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1、毕业论文摘 要由于石油资源日趋短缺，并且燃烧石油的内燃机尾气排放对环境的污染越来越严重（尤其是在大、中城市），人们都在研究替代内燃机的新型能源装置。已经进行混合动力、燃料电池、化学电池产品及应用的研究与开发，取得了一定的成效。但是由于它们固有的使用寿命短、温度特性差、化学电池污染环境、系统复杂、造价高昂等致命弱点，一直没有很好的解决办法。而超级电容器以其优异的特性扬长避短，可以部分或全部替代传统的化学电池用于车辆的牵引电源和启动能源，并且具有比传统的化学电池更加广泛的用途。正因为如此，世界各国（特别是西方发达国家）都不遗余力地对超级电容器进行研究与开发。关键词：日趋短缺 新型能源装置 超级电容

2、器毕业论文目 录绪 论1第一章 超级电容器21.1超级电容器的概述21.2超级电容器的原理21.3超级电容器的特点31.4超级电容器的发展前景4第二章 超级电容器的应用领域62.1小功率电子设备的后备电源、替换电源或主电源62.2电动汽车和混合电动汽车72.3可再生能源发电系统72.4变频驱动系统的能量缓冲器72.5军事装备领域8第三章 超级电容器的性能83.1超级电容器的电极材料83.2超级电容器的充放电性能113.2.1超级电容器的充电性能113.2.2超级电容器的放电性能11第四章超级电容器在直流电源中的应用124.1直流电源的介绍124.2直流电源的分类134.3超级电容器应用于直流电

3、源问题的引出144.4超级电容器单独储能的直流电源系统可行性分析154.5超级电容器-蓄电池混合储能直流电源15总结17致谢18参考文献19绪 论在我国 ，l10kV、35kV、10kV 终端变电站以及厂用 6kV 配电系统，广泛采用了蓄电池直流电源和硅整流电容储能直流电源作为操作、控制以及保护电源。由蓄电池组成的直流电源，可以存储很大的电能从而实现停电时长时间的直流供给，在一些重要变电站(如 110kV 及以上级别的变电站)应用广泛。然而有些末端站及用户站，实际上并不需要停电后长时间的直流供给，只是在分、合闸操作时需要直流电能。考虑到要保证事故分闸的可靠性使用了蓄电池式直流电源，必然带来很高

4、的运营成本，设备需要经常的维护保养且使用寿命很短。另外故障率也因其电池的多节串联而增加，任何一节电池有问题，都将影响整个蓄电池组的正常工作，且废弃蓄电池对环境带来很大危害。由于上述设备存在的问题，人们迫切希望有较好的办法来解决，超级电容器的出现及其具备的优良性能为解决这一问题带来了希望。当前，超级电容器储能技术在国内还处于前沿探索阶段，因此对超级电容器储能及应用技术开展深入的研究具有十分重要的意义，可以为解决电力系统、可再生能源、电动汽车以及冲击性负载中出现的问题提供一个新的解决方案。超级电容器单独储能和超级电容器与蓄电池组成混合储能系统在我国仅仅处于理论研究与初步试用阶段，而系统的研究超级电

5、容器直流储能单元、超级电容器充电均压、混合储能系统模型及其实际应用设计可以为超级电容器的产业化发展打开市场之门，意义深远。本文课题是基于包括以上观点进行开展的，主要介绍了超级电容器的原理以及发展前景。作为一种新型的储能系统，在直流电源中的应用将会更加广泛，因此，论文以直流电源中存在的问题为引，介绍了超级电容器在直流电源中的应用。第一章 超级电容器1.1超级电容器的概述 超级电容器，又叫双电层电容器、电化学电容器, 黄金电容、法拉电容，通过极化电解质来储能。它是一种电化学元件，但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。超级电容器可以被视为

6、悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，实际上形成两个容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近。超级电容器是建立在德国物理学家亥姆霍兹提出的界面双电层理论基础上的一种全新的电容器。众所周知，插入电解质溶液中的金属电极表面与液面两侧会出现符号相反的过剩电荷，从而使相间产生电位差。那么，如果在电解液中同时插入两个电极，并在其间施加一个小于电解质溶液分解电压的电压，这时电解液中的正、负离子在电场的作用下会迅速向两极运动，并分别在两上电极的表面形成紧密的电荷层，即双电层。它所形成的双电层和传统电容器中的电介质在电场作用

7、下产生的极化电荷相似，从而产生电容效应，紧密的双电层近似于平板电容器，但是，由于紧密的电荷层间距比普通电容器电荷层间的距离更小得多，因而具有比普通电容器更大的容量。双电层电容器与铝电解电容器相比内阻较大，因此，可在无负载电阻情况下直接充电，如果出现过电压充电的情况，双电层电容器将会开路而不致损坏。这一特点与铝电解电容器的过电压击穿不同。同时，双电层电容器与可充电电池相比，可进行不限流充电，且充电次数可达106次以上，因此双电层电容不但具有电容的特性，同时也具有电池特性，是一种介于电池和电容之间的新型特殊元器件。1.2超级电容器的原理 超级电容器是利用双电层原理的电容器。当外加电压加到超级电容器

8、的两个极板上时，与普通电容器一样，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，因此电容量非常大。当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态（通常为3V以下），如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解，为非正常状态。由于随着超级电容器放电 ，正、负极板上的电荷被外电路泄放，电解液的界面上的电荷相应减少。

9、由此可以看出：超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应。因此性能是稳定的，与利用化学反应的蓄电池是不同的。1.3超级电容器的特点由于超级电容器的结构及工作原理使其具有如下特点： 超级电容器结构框图1.电容量大，超级电容器采用活性炭粉与活性炭纤维作为可极化电极与电解液接触的面积大大增加，根据电容量的计算公式，那么两极板的表面积越大，则电容量越大。因此，一般双电层电容器容量很容易超过1F，它的出现使普通电容器的容量范围骤然跃升了3554个数量级，目前单体超级电容器的最大电容量可达5000F。2.充放电寿命很长，可达500 000次，或90 000小时，而蓄电池的充放电寿命很难超过1 00

10、0次，3.可以提供很高的放电电流（如2700F的超级电容器额定放电电流不低于950A，放电峰值电流可达1680A，一般蓄电池通常不能有如此高的放电电流一些高放电电流的蓄电池在杂如此高的放电电流下的使用寿命将大大缩短。4.可以数十秒到书分钟内快速充电，而蓄电池再如此短的时间内充满电将是极危险的或几乎不可能。5.可以在很宽的温度范围内正常工作（-40+70）而蓄电池很难在高温特别是低温环境下工作。6.超级电容器用的材料是安全的和无毒的，而铅酸蓄电池、镍镉蓄电池军具有毒性。7.等效串联电阻ESR相对常规电容器大（10F/2.5V的ESR为110m）。8.可以任意并联使用一增加电容量，如采取均压后，还

11、可以串联使用1.4超级电容器的发展前景 从结构上看，超级电容器主要由电极、电解质、隔膜、端板、引线和封装材料组成，其中电极、电解质和隔膜的组成和质量对超级电容器的性能起着决定性的影响，采用何种电极板和电解质材料将基本决定最终产品的类型与特性。2007年1月16日，美国得克萨斯州一家研制电动汽车储能装置，名为EEStor的公司打破沉默，对外宣告了他们“里程碑”式的成果：他们的自动生产线已经由独立的第三方分析验收，其产品的关键物质钡钛酸盐粉末已经完成了最初的纯化，纯度达到了99.9994%。这一技术一旦进入成熟的工业生产，他们所研制的新型超级电容器动力系统将替代包括从电动汽车到笔记本电脑的一切电化

12、学电池。按照2006年4月发表的专利，EEStor这种能量存储装置是用陶瓷粉末涂在铝氧化物和玻璃的表面。从技术上说，它并不是电池，而是一种超级电容器，它在5分钟内充的电能可以让一个 电动车走500英里，电费只有9美元。而烧汽油的内燃机车走相同里程则要花费60美元。与传统的电化学电池相比，超级电容器有很多好处。它可以无限制地接受无数次放电和充电，超级电容器没有“记忆”。但是，一般的超级电容器也有其弱点，就是能量存储率有限，市场上的高端超级电容器每0.4536千克的存储能量只有锂电池的1/25。而EEStor开发的超级电容器，由于钡钛酸盐有足够的纯度，存储能量的能力大大提高。EEStor公司负责人

13、声称，该超级电容器每公斤所存储的能量可达0.28千瓦时，相比之下，每公斤锂电池是0.12千瓦时，铅酸电池只有0.032千瓦时，这就让超级电容器有了可用在从电动车、起搏器到现代化武器等多种领域的可能。好的铅酸电池能充电500700次，而根据EEStor的声明，新的超级电容器可反复充电100万次以上，也不会出现材料降解问题。而且，由于它不是化学电池，而是一种固体状态的能量储存系统，不会出现锂电池那种过热甚至爆炸的危险，没有安全隐患。这一发明的意义相当重大，该突破不仅从根本上改变了电动车在交通运输中的位置，也将改进诸如风能、太阳能等间歇性能源的利用性能，增进了电网的效率和稳定性，满足人们能源安全的需

14、求，减少对石油的依赖。显然，该突破也对下一代锂电池的研制者造成威胁。EEStor公司负责人暗示，他们的技术不仅适用于小型旅客电动车，还可能取代220500瓦的大型汽车。第二章 超级电容器的应用领域 超级电容器具有更高的功率密度和循环寿命，特别适合应用于需要高功率输出的环境。例如应用超级电容器可以满足汽车在加速、启动、爬坡时的高功率要求；或作为燃料电池的启动动力、移动通讯和计算机系统的后备电源等。电化学能量储存可用于需要高能量密度的领域，例如：电机、数字通讯系统和为电脑提高脉冲能量等。具有电池和电容器的性质，可用超级电容器调节能量值。与普通的电容器相比，超级电容器具有较小的尺寸，因此，它拥有不同

15、寻常的储存大量电能的能力。此性质对于混合工具上的自动化应用程序、电池电子工具的后备能源、风力涡轮机的电子能量应用程序有重大意义。然而由于人多数超级f乜容器都使用有机电解液，造成单位电容的价格很高，最初只应用于军事领域，作潜艇或坦克发动机的启动动力。近年来电极材料的比电容不断提高，超级电容器逐渐走向民用。但是提高现有电极材料的比电容，研制在水相电解液中具有高能跫密度的超级电容器依然是研究者面临的挑战。只有攻克这一瓶颈问题，超级电容器才有可能在能最储存领域占有不可或缺的位置。2.1小功率电子设备的后备电源、替换电源或主电源 1. 后备电源。当主电源中断、由于振动产生接触不良或由于其他重载引起系统电压降低时，超级电容器就能够起后备电源作用。其电量通常在微安或毫安级。典型的应用有：录像机、TV卫星接收器、汽车音频系统、出租车的计量器、无线电波接收器、出租计费器、闹钟、控制器、家用面包机、咖啡机、照相机和电视机、计数器、移动电话、寻呼机等。 2. 替换电源。由于超级电容器具有高充放电次数、寿命长、使用温度范围宽、循环效率高以及低自放电的特点，故很适合做替换电源。例如，白天太阳能提供电源并对超级电容器充电，晚上则由超级电容器提供电源。典型的应用有太阳能手表、路标灯、公