微電網(wǎng)的自由轉(zhuǎn)換橋梁：超級電容器

超級電容器儲能系統(tǒng)利用多組超級電容器將能量以電場能的形式儲存起來，當(dāng)能量緊急缺乏或需要時。再將存儲的能量通過控制單元釋放出來，準確快速補償系統(tǒng)所需的有功和無功，從而實現(xiàn)電能的平衡與穩(wěn)定控制。超級電容器本身的優(yōu)點使得它在應(yīng)用于分布式發(fā)電時，在與其它儲能方式的互相競爭中勝出。

什么是超級電容

超級電容器(supercapacitor)，又叫雙電層電容器(ElectricalDouble—LayerCapacitor)、黃金電容、法拉電容。是介于傳統(tǒng)電容器和充電電池之間的一種新型儲能元件。其容量可達幾百至上萬法。功率是電池的l0倍以上，儲存能力比普通電容器高，具有工作溫度范圍廣、可快速充放電、循環(huán)壽命長、無污染、零排放等特點。

超級電容器儲能系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。超級電容器多為雙電層結(jié)構(gòu)，其活性炭電極和電解質(zhì)之間是空間分布式結(jié)構(gòu)，可用多個電容器的串并聯(lián)描述超級電容器的特性。

在超級電容器組充放電過程中，端電壓范圍變化大，通常必須采用DC/DC變換器作為接口電路來調(diào)節(jié)超級電容器的儲能和釋能。DC/AC變換器可采用雙向DC/AC逆變器，或者采用AC/DC整流器及DC/AC逆變器。超級電容器儲能系統(tǒng)并聯(lián)在微電網(wǎng)中母線或者饋線上。

超級電容器儲能系統(tǒng)利用多組超級電容器將能量以電場能的形式儲存起來，當(dāng)能量緊急缺乏或需要時。再將存儲的能量通過控制單元釋放出來，準確快速補償系統(tǒng)所需的有功和無功，從而實現(xiàn)電能的平衡與穩(wěn)定控制。超級電容器本身的優(yōu)點使得它在應(yīng)用于分布式發(fā)電時，在與其它儲能方式的互相競爭中勝出。

超級電容器分類介紹

一般認為超級電容器包括雙電層電容器和電化學(xué)電容器兩大類。

(1)雙電層電容器

雙電層電容器是通過電極與電解質(zhì)之間形成的界面雙層來存儲能量的新型元器件，當(dāng)電極與電解液接觸時，由于庫侖力、分子間力、原子間力的作用，使固液界面出現(xiàn)穩(wěn)定的、符號相反的雙層電荷，稱為界面雙層。

雙電層電容器使用的電極材料多為多孔碳材料，有活性炭(活性炭粉末、活性炭纖維)、碳氣凝膠、碳納米管。雙電層電容器的容量大小與電極材料的孔隙率有關(guān)。通常，孔隙率越高，電極材料的比表面積越大，雙電層電容也越大。但不是孔隙率越高，電容器的容量越大。保持電極材料孔徑大小在2-50nm之間提高孔隙率才能提高材料的有效比表面積，從而提高電容。

(2)贗電容器原理

贗電容，也叫法拉第準電容，是在電極材料表面或體相的二維或準二維空間上，電活性物質(zhì)進行欠電位沉積，發(fā)生高度可逆的化學(xué)吸附/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。由于反應(yīng)在整個體相中進行，因而這種體系可實現(xiàn)的最大電容值比較大，如吸附型準電容為2000×10-6F/cm2。對氧化還原型電容器而言，可實現(xiàn)的最大容量值則非常大，而碳材料的比容通常被認為是20×10-6F/cm2，因而在相同的體積或重量的情況下，贗電容器的容量是雙電層電容器容量的10-100倍。

目前贗電容電極材料主要為一些金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物。金屬氧化物超級電容器所用的電極材料主要是一些過渡金屬氧化物，如：MnO2、V2O5、RuO2、IrO2、NiO、WO3、PbO2和Co3O4等金屬氧化物作為超級電容器電極材料，研究最為成功的是RuO2，在H2SO4電解液中其比容能達到700-760F/g。但RuO2稀有的資源及高昂的價格限制了它的應(yīng)用。研究人員希望能從MnO2及NiO等金屬氧化物中找到電化學(xué)性能優(yōu)越的電極材料以代替RuO2。

用導(dǎo)電聚合物作為超級電容器的電極材料是近年來發(fā)展起來的。聚合物產(chǎn)品具有良好的電子電導(dǎo)率，其典型的數(shù)值為1-100S/cm。一般將共軛聚合物的電導(dǎo)性與摻雜半導(dǎo)體進行比較，采用術(shù)語“p摻雜” 和“n摻雜”分別用于描述電化學(xué)氧化和還原的結(jié)果。導(dǎo)電聚合物借助于電化學(xué)氧化和還原反應(yīng)在電子共軛聚合物鏈上引入正電荷和負電荷中心，正、負電荷中心的充電程度取決于電極電勢[9]。導(dǎo)電聚合物也是通過法拉第過程大量存儲能量。目前僅有有限的導(dǎo)電聚合物可以在較高的還原電位下穩(wěn)定地進行電化學(xué)n型摻雜，如聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩等。現(xiàn)階段的研究工作主要集中在尋找具有優(yōu)良的摻雜性能的導(dǎo)電聚合物，提高聚合物電極的充放電性能、循環(huán)壽命和熱穩(wěn)定性等方面。

超級電容器的組成方式

常見的超級電容器有三種組成方式：串聯(lián)方式、并聯(lián)方式和串并混聯(lián)方式。串聯(lián)方式的超級電容器組件：由于超級電容器的單體工作電壓不高，不能覆蓋應(yīng)用工況的電壓需求范圍，需要將多個單體串聯(lián)來滿足應(yīng)用工況的電壓要求，但因單體電容器之間的固有差異，作用在串聯(lián)組件上的總電壓并不能均衡地分配給不同的電容器，它會導(dǎo)致電壓分配的不對稱。

并聯(lián)方式的超級電容：以并聯(lián)方式建構(gòu)的超級電容器組件可以輸出或接受很大的電流。在充電過程中，由串聯(lián)充電電阻保證單體之間的電壓分布，但超級電容器本身固有的充電電阻是一個動態(tài)的量，具有一定的分散性，使得調(diào)整電阻變化的控制電路極其復(fù)雜，難以實現(xiàn)逐點控制;在放電過程中，控制放電電阻，可獲得很高的輸出功率，但為了避免放電電流過大，保證許可的輸出功率，要適當(dāng)控制組件的貯能量。