替代能源中的超级电容器介绍

超级电容崭露头角

电能和燃油的紧缺使人们开始寻找更多的替代能源，超级电容器弥补了铝电解电容和可充电电池之间的技术缺口，同时又克服了两者的缺陷。它们与传统的电池系统不同，能够以很高的电流进行充电和放电，不会老化。超级电容器的热响应能力也优于电池系统，它的充放电次数可达50万次，具有相当长的使用寿命。由于超级电容器不是通过化学反应来充电的，而是通过在导电碳粒子的表面积累电荷进行充电的，因此它的充电电流可以非常高，这对电池来说是不可能的，因为电池本身具有很高的内阻。电池充电是一种电化学反应过程，受到了反应动力学的限制，而超级电容器则没有充电时间的限制。

作为目前替代能源应用领域的一个极佳的技术解决方案，超级电容器在需要更高效更可靠电源的新技术领域中逐渐崭露头角。

图1 类似于这种包含18个电池单元42V封装的超级电容器模块正进入当前和今后的汽车应用领域

超级电容器存储的能量主要可以通过三种方式来使用：

它能够向汽车电气系统馈电，减轻车载发电机的负担；

起纯粹的增强作用，也就是说，在换挡时，增大电动机的扭矩，提高加速度；

启动辅助：使电动机从某个固定的状态启动加速汽车。这在某些需要反复启停的特殊操作中能够大大节省能源。

混合能源汽车与超级电容器

超级电容器在混合能源技术汽车领域中所起的作用是十分重要的。随着能源价格的不断上涨，以及欧洲汽车制造商承诺在1995年到2008年之间将汽车 CO2的排放量减少25%，这些都促进了混合能源技术的发展。宝马、奔驰和通用汽车公司已经结成了一个全球联盟，共同研发混合能源技术。

混合能源汽车可以分成三类：轻微混合、中度混合和完全混合。轻微混合型使用一种更强大的启动器，能够在停车时熄灭引擎，在再次加速时重新启动引擎。这种小型的改进可以在城市行车条件下节省8%的能源，同时能够大幅度减少尾气排放。

另外一种改进就是中度混合技术，就是使用一个电动马达，在汽车停止后开始加速的前30s增大其加速度。这项技术需要大规模存储再生能源，通过使用超级电容器很容易实现，在需要反复启停的城市行车条件下能够节省15％的燃料。

最后，完全混合能源技术将为汽车配备更强大的电动马达和高能电池，产生高达75kW的功率，能够在短距离加速过程中实现全电动推进。这种设计能够节省20%的能源。

这些新技术中有很多将会使用替代能源，例如太阳能、风能或者燃料电池。但是由于能量来源本身的特性，决定了这些发电的方式往往具有不均匀性，电能输出容易发生变化。

随着风力和太阳光强度的变化，这些能源产生的电能输出也会发生相应的变化。这就需要使用一种缓冲器来存储能量。

由于这些能源产生的电能输出可能无法满足消费者一方的峰值电能需求，因此可以采用能量缓冲器在短时间内提供所需的峰值电能，直到发电量增大，需求量减少。另外，在能源产生的过程是稳定的而需求是不断变化的情况下，也可以使用能量缓冲器。

在使用替代能源技术的汽车驱动领域，超级电容器也是一种新型的关键部件。在采用燃料电池供电的汽车中，如果结合使用超级电容器，那么燃料电池就可以满足持续供电需求，而不仅仅是峰值供电。

除了能够满足峰值供电的需求外，超级电容器还具有其他器件无法比拟的响应时间。将超级电容器的强大性能和燃料电池结合起来，可以得到尺寸更小、重量更轻、价格更低廉的燃料电池系统。

超级电容器与氢燃料电池的完美结合

正处于研发阶段的氢燃料电池能够应用于多个领域。这种氢燃料电池与风能或太阳能不同，只要有氢燃料，它就能够持续输出稳定的电能。

然而，某些应用场合对能量的需求随着时间的变化有很大不同。汽车就是一个直接的例子，因为它们在加速过程中需要的能量比匀速行驶时要高得多。如果没有能量存储器，氢燃料电池就要做得很大，以满足最高的峰值能量需求，其成本就会大得无法忍受。通过将过剩的能量存储在能量存储器中，就可以在短时间内通过存储器提供所需的峰值能量。

图2 超级电容器也非常适合用作工业应用中的后备电池，例如紧急照明和自动设备等

混合能源的内燃/电动汽车是迈向燃料电池汽车时代的重要一步，因为真正的驱动部件都是电动的。当然，采用电池的全电动汽车也是一种方案，但是全电动汽车的驱动范围非常有限。相比为内燃引擎或燃料电池添加燃料所需的时间来看，全电动汽车再充电所需的时间更长。

基于这些原因，很多汽车制造商最初都选择生产混合能源汽车。这使得他们有机会进一步研究和改善高效燃料电池系统所需的电子驱动器和再生系统。

再生意味着可恢复的中断，以及重新捕获下坡滑行过程中的动能。在刹车和减速过程中，普通汽油或柴油汽车减少的动能都以刹车器发热和机械磨损的形式丢掉了。与其丢掉这些能量，不如重新捕捉其中一大部分能量并将其存储起来，以便在加速的时候使用。当一辆重约一吨的汽车以每小时35英里的速度行驶，突然遇到红灯停下来时，大约损失了100kW的能量，而这些能量是有可能被重新存储起来的。