智能微電網(wǎng)中的超級(jí)電容技術(shù)

尹馨

摘 要：當(dāng)前在經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中仍然對(duì)傳統(tǒng)的電網(wǎng)進(jìn)行使用，但是由于其本身存在的一些問題，已經(jīng)不適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的潮流，這為微電網(wǎng)的產(chǎn)生提供了有利的條件。所以文章主要是對(duì)超級(jí)電容器的定義、類型、組成方式以及其在智能微電網(wǎng)中的應(yīng)用進(jìn)行了具體的研究和闡述。

關(guān)鍵詞：智能微電網(wǎng)；超級(jí)電容器；組成方式

中圖分類號(hào)：U665.12 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）33-0052-02

前言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，逐漸用更高的標(biāo)準(zhǔn)要求能源和電力供應(yīng)的質(zhì)量和可靠性，在傳統(tǒng)大電網(wǎng)的供電方式使用中，一些問題和缺陷是無法避免的，在這樣的背景下無法使這種需求得以滿足，在這樣的條件下產(chǎn)生了微電網(wǎng)，其不但可以將能耗降低，同時(shí)可以將系統(tǒng)的安全性和靈活性提升，所以微電網(wǎng)具有廣闊的發(fā)展前景[1]。新型的儲(chǔ)能器件之一就是超級(jí)電容器，其具有非常大的優(yōu)勢和發(fā)展空間，所以當(dāng)前在微電網(wǎng)能量儲(chǔ)存的相關(guān)工作中，超級(jí)電容器使用廣泛。

1 超級(jí)電容器的定義

當(dāng)前一種新型儲(chǔ)能元件主要就是超級(jí)電容器，其介于傳統(tǒng)的電容器和充電電池之間，幾百萬甚至上萬法是其容量，而電池的功率僅僅是超級(jí)電容器的十分之一，其特點(diǎn)也非常多，如較廣的工作溫度范圍、較長的循環(huán)壽命和環(huán)保等。雙電層是超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，活性炭電極和電解質(zhì)之間是空間分布式結(jié)構(gòu)[2]。

超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)存能量的方式主要是通過多組超級(jí)電容器利用電能場的形式儲(chǔ)存能量，這樣可以在缺少能量時(shí)，利用控制單元釋放已經(jīng)存儲(chǔ)起來的能量，對(duì)補(bǔ)償系統(tǒng)需要的有功和無功迅速的補(bǔ)充，從而使平衡和穩(wěn)定控制電能的目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。在分布式發(fā)電的應(yīng)用過程中可以充分體現(xiàn)出超級(jí)電容器本身的優(yōu)點(diǎn)，這是其他儲(chǔ)能方式無法比擬的。

2 超級(jí)電容器的類型

2.1 雙電層電容器

電極和電解質(zhì)共同形成的界面雙層是雙電容器進(jìn)行能量儲(chǔ)存工作的重要基礎(chǔ)和前提，由于庫侖力和原子間力的作用，當(dāng)電極接觸到電解液時(shí)，固液界之間會(huì)出現(xiàn)界面雙層，界面雙層是穩(wěn)定的且具有相反的符號(hào)。多孔碳材料是其主要的電極材料，如活性炭和碳納米管等都包括其中。電極材料的孔隙率對(duì)雙層電容器容量的大小產(chǎn)生影響，即具有越高的孔隙率，則電極材料具有越大的比表面積，就會(huì)產(chǎn)生越大的雙電層電容。但是2-50nm是電極材料孔徑的大小，要想將材料的有效比面積不斷提升只能通過提高孔隙率的方式來實(shí)現(xiàn)，從而可以將雙電層電容量進(jìn)一步提升。

2.2 贗電容器

在電極材料表面或體相的二維空間上使用贗電容器，高度可逆的化學(xué)吸附和還原反應(yīng)等是在電活性物質(zhì)的欠電位沉積的作用下發(fā)生的，從而使與電極充電電位有關(guān)的電容得以產(chǎn)生[4]。由于在體相中發(fā)生整個(gè)反應(yīng)，所以這種體系具有最大的電容值，如吸附型準(zhǔn)電容為2mF/cm2。氧化還原型電容器具有最大的容量值，一般2mF/cm2被認(rèn)為是碳材料的比容，所以如果具有相同的體積或重量，雙電層電容器的容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于贗電容器的容量，甚至只有后者的百分之一。其中MnO2、H3PMo12O40和RuO2等這些過渡金屬氧化物是金屬氧化物超級(jí)電容器主要使用的電極材料。RuO2是超級(jí)電容器電極材料研究中最為成功的案例，700-760F/g是其在H2SO4電解液中的比容，但是其應(yīng)用受到資源和價(jià)格的限制。

近幾年逐漸發(fā)展起導(dǎo)電聚合物的電極材料。聚合物產(chǎn)品的電子導(dǎo)電率比較好，1-100S/cm是其典型的數(shù)值，其電化學(xué)氧化和還原結(jié)果一般用“p摻雜”和“n摻雜”來描述[5]。在電化學(xué)氧化和還原反應(yīng)的幫助下，導(dǎo)電聚合物可以將正負(fù)電荷的中心引入到電子共軛聚合物鏈上，而且其能量的存儲(chǔ)也是利用法拉第過程來實(shí)現(xiàn)的。但是當(dāng)前其電化學(xué)n摻雜反應(yīng)只有有限的導(dǎo)電聚合物能夠完成，所以當(dāng)前主要的研究工作是尋找具有優(yōu)良摻雜性能的導(dǎo)電聚合物，從而可以將其充放電性能等不斷提高。

3 超級(jí)電容器的組成方式

3.1 串聯(lián)方式

由于超級(jí)電容器具有較低的單體工作電壓，這對(duì)于應(yīng)用工況電壓需求的范圍無法全面覆蓋，所以只有通過串聯(lián)多個(gè)單體使應(yīng)用工況的電壓需求得以滿足。但是固定的差異性存在于單體電容器之間，這樣對(duì)于不同的電容器無法將串聯(lián)組件上的總電壓均衡的分配，從而使電壓分配不對(duì)稱的狀況得以出現(xiàn)。

3.2 并聯(lián)方式

超級(jí)電容器組件通過并聯(lián)的方式可以對(duì)很大的電流進(jìn)行輸出或接受。在充電時(shí)，單體之間的電壓分布是由串聯(lián)充電電阻來保障的，但是其本身的充電電阻具有動(dòng)態(tài)性和分散性，這樣使電阻變化的調(diào)整和電路控制的復(fù)雜性加強(qiáng)。在放電時(shí)，較高的輸出功率可以通過對(duì)放電電阻的控制來獲取，但是為了對(duì)過大放電電流現(xiàn)象的避免，需要對(duì)組件的貯能量合理的控制。

3.3 串并混聯(lián)

串并混聯(lián)主要是將串聯(lián)和并聯(lián)方式的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，對(duì)兩種方式的不足進(jìn)行避免，這樣可以使用指定的電阻對(duì)電容器充電過程的電壓合理控制。

4 智能微電網(wǎng)中超級(jí)電容器的應(yīng)用

4.1 對(duì)短時(shí)供電進(jìn)行提供

微電網(wǎng)中部分的有功功率需要從常規(guī)配電網(wǎng)中進(jìn)行吸收，所以微電網(wǎng)在用孤網(wǎng)模式替換并網(wǎng)模式時(shí)，會(huì)有功率缺額的現(xiàn)象出現(xiàn)，這時(shí)儲(chǔ)能設(shè)備的安裝對(duì)其兩種模式的轉(zhuǎn)換具有一定的推動(dòng)作用，將其平穩(wěn)性大大提升。

4.2 在能量緩沖裝置中的應(yīng)用

微電網(wǎng)具有較小的規(guī)模和較小的系統(tǒng)慣性，所以其具有非常嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)和負(fù)荷波動(dòng)，嚴(yán)重影響整個(gè)微電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性[6]。一般微電網(wǎng)高效發(fā)電機(jī)的額定容量下進(jìn)行相應(yīng)的工

作，但是由于微電網(wǎng)的負(fù)能量的波動(dòng)會(huì)跟隨天氣變化等情況出現(xiàn)。為了使峰值負(fù)荷供電需求得以滿足，要利用燃油和燃?xì)獾日{(diào)峰電廠調(diào)整其高峰負(fù)荷，但是這種方式具有非常高的價(jià)格費(fèi)用。超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)可以將這個(gè)問題合理的解決，其可以將電源的多余電能儲(chǔ)存在負(fù)荷低落的過程中，這樣可以在負(fù)荷高峰時(shí)進(jìn)行使用，從而使微電網(wǎng)調(diào)整功率的需求得以滿足。endprint

4.3 對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量進(jìn)行改善

儲(chǔ)能系統(tǒng)在提升微電網(wǎng)電能質(zhì)量的過程中發(fā)揮的作用是十分重要的，其可以使電能質(zhì)量提升的目的得以實(shí)現(xiàn)[7]。較快的吸收速度和對(duì)大功率電能進(jìn)行釋放是超級(jí)電容器本身具有的優(yōu)勢，所以在微電網(wǎng)電能質(zhì)量的調(diào)節(jié)裝置中非常適合使用，其可以對(duì)系統(tǒng)故障引發(fā)的瞬時(shí)停電和電壓驟降等這些系統(tǒng)中的暫態(tài)問題進(jìn)行及時(shí)的解決，這時(shí)可以通過超級(jí)電容器對(duì)電能進(jìn)行補(bǔ)充或者吸收，從而可以使電網(wǎng)電壓的波動(dòng)的穩(wěn)定性和平滑性大大提升。

4.4 對(duì)微電源的運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化

太陽能等這些綠色能源本身不具備均勻性，這樣會(huì)改變輸出的電能，這時(shí)能量需要一種緩沖器來存儲(chǔ)。由于這些電能輸出可能無法使微電網(wǎng)峰值電能的需求得以滿足，所以可以將其需要的峰值電能在短時(shí)間內(nèi)利用儲(chǔ)能裝置提升。直到其減少需求量為止。一定的過渡作用是系統(tǒng)中的儲(chǔ)能在DG單元無法正常運(yùn)行的狀況下發(fā)揮的，為其正常運(yùn)行提供保障。

5 結(jié)束語

由此可見，能源系統(tǒng)中功率密度和能量密度之間的矛盾可以通過超級(jí)電容器合理的解決。隨著科技水平的進(jìn)一步提升會(huì)逐漸實(shí)現(xiàn)家用儲(chǔ)能系統(tǒng)的目標(biāo)。由于超級(jí)電容器這個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)中一系列的優(yōu)點(diǎn)，如較低的價(jià)格、安全可靠性較高以及較廣的工作溫度范圍等，在微電網(wǎng)中應(yīng)用，不但可以對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量進(jìn)行改善，同時(shí)可以對(duì)微電源的運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化，從而可以推動(dòng)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展。

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