超級電容
前言：想要寫出一篇令人眼前一亮的文章嗎？我們特意為您整理了5篇超級電容范文，相信會為您的寫作帶來幫助，發(fā)現(xiàn)更多的寫作思路和靈感。
超級電容范文第1篇
超級電容是近年發(fā)展快速的一種大容量儲能器件，具有功率密度高、充放電時間短、效率高、使用壽命長、清潔環(huán)保等特點。超級電容具有90%以上的充放電效率，充放電電流可達數(shù)安培至數(shù)百安培，充放電壽命可達10萬次以上。超級電容器的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，在通訊、電子、鐵路、航空以及軍事等領(lǐng)域起的作用越來越大。當(dāng)今環(huán)境問題越來越受到重視，超級電容器在電動汽車和混合式動力車上的前景廣闊，其可作為電池的輔助電源或取代電池作為動力源。本文將超級電容應(yīng)用于電動自行車上，其可作為電池的輔助電源或取代電池作為動力源，以滿足電動自行車在啟動、加速、爬坡或加載時的高功率要求。
1 超級電容充電器的設(shè)計
超級電容器在使用中，應(yīng)該要注意以下問題：①超級電容器有固定的極性，在使用前注意確認其極性。②超級電容器需要在標(biāo)稱電壓下使用：當(dāng)工作電壓超過標(biāo)稱電壓的時侯會導(dǎo)致其電解液的分解，電容器發(fā)熱，容量也隨著下降，內(nèi)阻增加，壽命將縮短。③超級電容器不能在高頻充放電電路中使用，在高頻率的充放電電路下，會導(dǎo)致電容器內(nèi)部發(fā)熱更多，容量衰減，內(nèi)阻增加，甚至?xí)?dǎo)致電容器的性能崩潰。④當(dāng)多個超級電容器串聯(lián)使用時，存在單體間的電壓均衡問題。單純的串聯(lián)使用會導(dǎo)致某些單體電容器過壓，整體性能會受到影響，甚至?xí)p壞這些電容器。根據(jù)以上對超級電容特性的分析，超級電容不能過電壓充電，但是可以承受大電流充電，所以本次設(shè)計采用了大電流恒壓充電。主要過程為由220V/50Hz的交流市電經(jīng)過變壓器變壓、橋式整流，電容濾波，然后用L4970大功率穩(wěn)壓芯片穩(wěn)定輸出30V電壓，給超級電容進行充電。設(shè)計方案框圖如圖1示。
圖1 超級電容充電方案圖
2 超級電容充電電路的設(shè)計
本設(shè)計對30V/50F的超級電容進行充電。若采用5A大電流充電，假設(shè)超級電容的開始電壓為0，由公式Q=CU=It，可以計算出充電時間為5分鐘。這完全符合充電時間短的要求?；诖吮敬卧O(shè)計了一個輸出電壓為36V的恒壓充電電源給超級電容充電。圖2所示為超級電容充電電路。
本次設(shè)計整流部分采用橋式整流電路，運用四個二極管的單向?qū)щ娮饔谜?。二極管D1、D3和D2、D4兩兩輪流導(dǎo)通，在正半周D1、D3導(dǎo)通，D2、D4截止；在負半周，D1、D3截止，D2、D4導(dǎo)通。橋式整流電路的優(yōu)點是輸出電壓較高，紋波電壓小，二極管承受的最大反向電壓低。因電源變壓器在正負半周內(nèi)都有電流供給負載，電源變壓器得到了充分的利用，效率較高。
由于充電器要求充電時間短，充電器必須要輸出大功率，此處選用的整流二極管其最大正向平均整流電流為10A，最大正向電壓1V。它具有反向漏電流低，正向浪涌承受能力較強，導(dǎo)通壓降低等優(yōu)點，滿足此處整流的需求。當(dāng)以最大電流為10A充電時，單個二級管的正向?qū)▔航禐?V，則功耗有10W。得到的直流電壓V3=0.9V2。
濾波電路采用電容式濾波，并聯(lián)的電容C在電源供給的電壓升到時，能把部分能力存儲起來；當(dāng)電源電壓降低時，就把電場能量釋放出來，使負載電壓比較平滑，達到平波的作用。濾波部分選用兩個3.3mF/50V的電容C1、C2濾波。
為了得到穩(wěn)定的電壓輸出，選擇了L4970大功率穩(wěn)壓芯片進行穩(wěn)壓，L4970是由DMOS開關(guān)功率管，混合式COMS等集成電路制成的開關(guān)芯片，能夠承受最大輸出10A電流；開關(guān)頻率高，可達400kHz，此處選擇200kHz，電源效率高，減小了濾波電容的體積；輸入輸出壓差低，約為1.1V，使其自身的耗能低，效率可以達到95%；輸入電壓范圍為15V-50V；輸出電壓可在5.1V-40V范圍內(nèi)調(diào)動；有軟啟動、限流保護、過熱保護、欠壓鎖定、PWM鎖定和掉電復(fù)位等電路組成。芯片的工作過程為：首先把輸出電壓V0或經(jīng)R1、R2和W組成的取樣電路的反饋電壓Vf和5.1V的基準(zhǔn)電壓比較，產(chǎn)生的誤差電壓和Vr、VJ比較獲得PWM信號，信號經(jīng)過非門驅(qū)動DMOS功率管，外接L、VD和C構(gòu)成降壓電路，得到穩(wěn)定輸出電壓。1腳和2腳接鋸齒波振蕩器外部定時電阻R4和電容C9，頻率此處取200kHz，工作效率可以達94%。接3腳的R1和R2構(gòu)成分壓器，用以設(shè)定復(fù)位閥值電壓VIL為11V，當(dāng)VIL不大于11V時，輸出V0=0，復(fù)位輸出=0。4腳LED亮著表示正常輸出。5腳C6為復(fù)位延遲電容。6腳C10為自舉電容，用于升功率驅(qū)動級電壓，使功率管獲大電流輸出。7腳C11和R5構(gòu)成吸收網(wǎng)絡(luò)，限制儲能電感L當(dāng)功率開關(guān)管關(guān)斷瞬間產(chǎn)生的尖峰電壓，VD為續(xù)流的作用。8腳為通用接地端。9腳為穩(wěn)壓輸入端。10腳R3和C8構(gòu)成誤差放大器的頻率補償網(wǎng)絡(luò)，C7用于高頻補償。11腳為反饋的調(diào)節(jié)輸入端。12腳C5為軟啟動電容。13腳同步輸入端，用于多片同時使用。14腳C4和15腳的C3為芯片內(nèi)部+5.1V和+12V基準(zhǔn)電壓的濾波電容。
L4970A工作在200kHz的頻率下，它的工作效率為94%。此時定時電阻R4取16kΩ，定時電容C9取220pF。開關(guān)頻率和自舉電容C10的對應(yīng)關(guān)系為200kHz，0.22 uF。儲能電感L一般取值40uH-150uH，設(shè)計中選取120uH。當(dāng)輸出電壓取30V即大于22V，頻率取為200kHz時，效率可以達到94%。想要得到30V的輸出電壓，電阻R8取20kΩ，R9一般取4.7kΩ。由公式U0=（Rs+W+R9）×5.1/R9，計算得出電阻W的取值為2.9kΩ。
充電器從市電220V/50Hz交流輸入，通過變壓器后得到36V的交流電。查L4970A芯片資料可知其在溫度小于120℃的時候最大功耗Pu=30W，給超級電容以5A/30V充電的功率Po=150W，10A10整流二極管導(dǎo)通導(dǎo)通時壓降為1V，電流為5A，所以其兩個二極管導(dǎo)通時的管耗為Pb=10W。L4970A的效率為94%，超級電容充電效率90%，綜合效率約為85%。由公式
計算得出變壓器容量Sc=224VA。由此可以選取容量為0.25kVA的變壓器作為本設(shè)計的變壓器。
3 超級電容放電控制電路的設(shè)計
本設(shè)計主要采用集成電路LM339構(gòu)成的超級電容的放電控制電路，LM339由四個電壓比較器組成，由于其兩個輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因此，選用LM339在此處做信號檢測能夠達到比較理想的效果。LM339由四個電壓比較器組成了電動自行車控制電路的調(diào)速電路，過流保護電路、欠壓保護電路和剎車電路。
4 超級電容的放電實驗
本次試驗采用的是30V/50F的超級電容，通過在實驗室的試驗，超級電容的滿充電壓為30V，充電時間大概8分鐘。試驗的電動自行車電機的額定電壓為30V。超級電容器的容量為50F，為了增加超級電容的容量，我們采用了兩個30V超級電容并聯(lián)放電，但是結(jié)果并不理想，只能跑1000m左右。后來又加了兩個30V/60F的超級電容，容量變大了，車程也相應(yīng)的增加到3km左右。
參考文獻：
[1]唐小洪，唐金勇.基于MSP430單片機的電動自行車充電器設(shè)計[J].電氣技術(shù)與自動化，2009，38（5）：153-155.
[2]劉龍江，白志峰，曹秉剛.一種電動汽車用的超級電容控制器[J].電子元器件應(yīng)用，2003，5（3）：7-9.
[3]趙坤，等.車載超級電容儲能系統(tǒng)間接電流控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報，2011，26（9）：124-129.
超級電容范文第2篇
關(guān)鍵詞:EDLC超級電容 直流UPS電源 儲能
中圖分類號:TM53 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)05(a)-0133-02
在各種UPS不間斷供電電源系統(tǒng)中,通常采用可反復(fù)充電蓄電池作為直流電源系統(tǒng)的后備電源。UPS不間斷供電電源往往是在供配電網(wǎng)突然斷電或供配電電網(wǎng)電壓出現(xiàn)瞬時跌落等運行工況狀態(tài)時的最初幾秒到幾分鐘內(nèi)起穩(wěn)定供電電能的作用,即已充滿電能的蓄電池在這段時間內(nèi)提供直流系統(tǒng)對應(yīng)的電能資源。由于充電蓄電池存在綜合使用壽命較短、需定期進行性能維護、以及對運行環(huán)境溫度等影響因素較敏感等不足,導(dǎo)致UPS直流供電電源在實際運行過程中,需要時刻監(jiān)視蓄電池的運行性能狀態(tài),即不能進行大電流直接充放電,又要避免在UPS系統(tǒng)中引入感性負載(如電動機)等。因此,充電蓄電池自身所存在的缺點是限制UPS不間斷電源快速發(fā)展的重要制約因素。超級電容器是在近幾十年的發(fā)展過程中,取得了較為良好的研究成果和應(yīng)用效果,其是一種集常規(guī)電容器與化學(xué)電池間二者性能為一體的新型儲能電子元器件。它不僅具備傳統(tǒng)電容器的放電功率性能,同時也具備化學(xué)電池應(yīng)有的電荷儲備功能。隨著電源技術(shù)研究的進一步深入,超級電容器其容量可達數(shù)千法拉,與常規(guī)可充電蓄電池相比,其具有性能優(yōu)越、能源轉(zhuǎn)換效率高、實用環(huán)保等功能,在UPS不間斷直流電源系統(tǒng)中,具有較大的理論研究和實際推廣應(yīng)用前景[1]。
1 蓄電池直流操作電源系統(tǒng)主要問題
在航空、電網(wǎng)、醫(yī)療、鐵路、工業(yè)等領(lǐng)域,UPS不間斷電源作為直流系統(tǒng)后備電源,在供配電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生突然停電或者電壓瞬時跌落過程中的穩(wěn)定供電電源,對確保整個直流供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定、準(zhǔn)確可靠的供電方面具有較大的應(yīng)用價值。目前,直流操作電源系統(tǒng)中普遍采用反復(fù)充電蓄電池作為后備電源,也就是說蓄電池后備直流操作電源系統(tǒng)是用蓄電池來完成儲能,當(dāng)交流電正常且整流器完好時,蓄電池會通過對應(yīng)整流裝置和放電電路提供相應(yīng)電流來補充電網(wǎng)系統(tǒng)中沖擊負荷的影響,確保直流系統(tǒng)供電安全可靠性;另外,當(dāng)交流電源突然停電或整流裝置發(fā)生故障后,蓄電池會通過放電回路向重要負荷、事故負荷、以及沖擊負荷等停電保護等級較高的負荷提供直流電能資源。以蓄電池為儲能元件的直流操作電源在很多工程領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用,同時也發(fā)揮較為良好的應(yīng)用效果。但實際工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn),很多蓄電池生產(chǎn)廠商為推銷密封鉛酸蓄電池,均在設(shè)備外殼上加上了“免維護”等標(biāo)識,這給實際UPS直流電源系統(tǒng)維護工作人員帶來許多誤區(qū),加上現(xiàn)場蓄電池維護較為繁雜,維護不方便,這就導(dǎo)致工作人員在實際工作中放松了對蓄電池的日常維護管理工作力度,如密封鉛酸蓄電池沒有按照相關(guān)規(guī)定要求進行活化試驗、蓄電池運行環(huán)境溫度變化較大、以及使用過程中出現(xiàn)充放電電流過大、帶感性負載等。由于UPS不間斷直流系統(tǒng)在使用過程中,充電蓄電池存在管理不善等問題,隨著使用時間加長,極板活性物質(zhì)出現(xiàn)大量脫落,容量也大大下降,其輸出能力大大降低,有的甚至不能滿足斷路器合閘等保護控制要求,直接影響到UPS直流電源的使用性能水平。從大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)資料表明,目前12V系列鉛酸蓄電池其平均使用壽命大約只有3～4年,因此,直流UPS不間斷電源的供電安全可靠性問題值得進一步加深研究[2]。
2 超級電容代替蓄電池的可行性分析
目前,工程中應(yīng)用的超級電容器主要包括EDLC雙電層電容器和電化學(xué)電容器兩大類。其中,EDLC超級電容器是一種高能量密度的無源儲能電子元件,其多孔化電極主要采用活性炭粉和活性炭纖維,而且電解液則采用有機電解質(zhì),整個儲能性能相當(dāng)優(yōu)越。EDLC超級電容器在工作時,其可以在可極化電極和電解質(zhì)溶液間界面上形成了雙電層中聚集大量的電容量,從而提高電容器的電荷儲存效率。EDLC超級電容器具有極大的電容量,同時可以儲存很大的靜電負荷,也就是說EDLC超級電容器其儲能性能是介于常規(guī)電容器與化學(xué)電池間的新型高效儲能元件。超級電容與常規(guī)鉛酸充電蓄電池間的特性比較如表1所示。
由表1可知,EDLC超級電容與常規(guī)鉛酸蓄電池相比,其不僅具有材料無毒、環(huán)保性好、使用壽命較長、對使用環(huán)境要求較低、以及可提供大電流充放等優(yōu)點,同時其還具有真正免維護性能,在直流操作電源事故負荷較小或特性指標(biāo)要求不是太高的工程領(lǐng)域,其工作性能完全可以代替常規(guī)鉛酸蓄電池作為直接UPS不間斷電源的儲能設(shè)備,以提高UPS不間斷供電電源系統(tǒng)運行安全可靠性,減少常規(guī)鉛酸電池UPS點煙系統(tǒng)定期維護麻煩和提高使用環(huán)境適應(yīng)性能。
3 基于超級電容器組的不間斷電源設(shè)計
由于EDLC超級電容在生產(chǎn)制造等過程中,會造出其內(nèi)部參數(shù)存在不一致問題,這就可能導(dǎo)致UPS電源在充放電過程中,由于內(nèi)部參數(shù)不一致引起超級電容器工作電壓發(fā)生不平衡,嚴重影響到整個UPS電源系統(tǒng)的供電安全性、可靠性、供電電能質(zhì)量和使用壽命。因此,EDLC超級電容在使用過程中,需要對其進行均壓處理。基于EDLC超級電容的直流UPS不間斷電源系統(tǒng),其主要由電源切換電路、逆變整流器、蓄能控制電路(充放電電路)、超級電容器模組、嵌入式處理器測控電路等共同組成,其邏輯組成方案如圖1所示。
超級電容范文第3篇
關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電;超級電容模組;設(shè)計;制作
中圖分類號： S611文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：
1引言
風(fēng)力發(fā)電變槳距控制系統(tǒng)在市電正常時，依靠市電供電，為了保證當(dāng)市電停止后，風(fēng)力發(fā)電變槳距控制系統(tǒng)仍然可以工作一段時間，需要為系統(tǒng)提供一定工作能量的儲能裝置。儲能裝置儲存能量的大小，根據(jù)用電設(shè)備的功率和備用時間確定。有一些儲能裝置采用蓄電池等作為儲能裝置，其主要缺點是重量較重、體積較大、循環(huán)壽命短、維護成本較高，同時充放電效率低，對工作溫度要求也較嚴格。
超級電容也叫做電化學(xué)電容器，是近期發(fā)展起來的一種新型儲能元件，它既像靜電電容一樣具有很高的放電功率，又像電池一樣具有很大的電荷儲存能力，使得這兩種元件之間找到了一個最佳的結(jié)合點。它性能穩(wěn)定，比容量為傳統(tǒng)電容器的20~200倍，比功率一般大于1000W/Kg，循環(huán)壽命大于105次，可存儲的能量比傳統(tǒng)電容要高得多，并且充電快速。由于它們的使用壽命非常長，可被應(yīng)用于終端產(chǎn)品的整個生命周期。
超級電容模組是由單只超級電容串聯(lián)并配以均壓電路組合而成的，具有超級電容的優(yōu)點并且具有一定的耐壓的電容器體。超級電容模組的出現(xiàn)，就可以很好的彌補鉛酸電池等儲能器件的缺陷，工作溫度范圍寬（-40℃到+70℃），解決了鉛酸電池在室外寒冷條件下使用效率大大降低的問題。充放電循環(huán)50萬次，大大提升了儲能器件的使用壽命。充放電速度快，無記憶效應(yīng)，大電流放電幾乎對超級電容壽命無影響。基于這些諸多優(yōu)點，超級電容模組被用于風(fēng)力發(fā)電變槳距控制系統(tǒng)的的儲能裝置，在電力出現(xiàn)故障的情況下，由超級電容器模組來給這樣的系統(tǒng)存儲和提供能源。
2超級電容模組設(shè)計
2.1設(shè)計原理
單只超級電容器電壓一般比較低，有2.5V和2.7V兩種。而實際應(yīng)用電路的工作電壓要遠高于單只超級電容器的工作電壓，因此需要十幾個甚至幾十個串聯(lián)配成超級電容模組，才能滿足實際應(yīng)用系統(tǒng)對電壓和能量等級的需要。需要串聯(lián)的超級電容的數(shù)量n串聯(lián)=超級電容模組最大工作電壓/單只超級電容器額定電壓，串聯(lián)后的電容值C=C單只/n串聯(lián)。
2.2設(shè)計方法
同一型號規(guī)格的超級電容器在電壓、內(nèi)阻、容量等參數(shù)上存在著差異，這將導(dǎo)致串聯(lián)超級電容器單體上電壓不一致，電容量小的電容器將會出現(xiàn)過壓，過壓工作將會引起超級電容器內(nèi)部的電解質(zhì)分解，致使電容器損壞。因此需要通過合適的均壓電路使得串聯(lián)超級電容器單體電壓保持一致。
為選擇合適阻值的均壓電阻，需要計算整個充電過程中各串聯(lián)超級電容器單體的電壓。一個超級電容器單體的等效模型為一個理想電容C與一個等效并聯(lián)內(nèi)阻EPR并聯(lián)，再串聯(lián)一個等效串聯(lián)內(nèi)阻ESR，多個單體超級電容器串聯(lián)充電的等效電路如圖1所示。其中，Ra為充電電阻，Rb為均壓電阻。
圖1恒壓充電等效電路圖
為了使充電結(jié)束時超級電容模組上電壓接近恒壓源電壓，均壓電阻Rb必須比充電電阻Ra大一個數(shù)量級以上，否則會導(dǎo)致超級電容器電壓穩(wěn)定和低于額定電壓值。等效并聯(lián)內(nèi)阻EPR代表超級電容器自放電，并聯(lián)均壓電阻Rb會導(dǎo)致超級電容器更快的自放電。為了滿足電壓均衡和不過分增大超級電容器泄漏電流的要求，取Rb≈0.01～0.1EPR。
3超級電容模組制作
3.1 單體電容檢查
通常選擇品牌較好的超級電容器可以確保其品質(zhì)穩(wěn)定，但在使用前仍必須對其外觀仔細進行檢查，特別是封口焊處確保沒有缺陷，電容殼體無損傷和漏液等。
3.2均壓電阻選用
為使得串聯(lián)超級電容器單體電壓保持一致，通常選用精度較高的金屬膜電阻作為均壓電阻，并按0.1%精度進行測試分類。
3.3焊接
在環(huán)境溫度為20℃左右，有良好通風(fēng)設(shè)備無粉塵污染的環(huán)境中，使用恒溫焊臺，在320℃左右的焊接溫度下，用焊錫絲焊接電源正負極引出線及連接線，并根據(jù)均壓電阻的阻值，將阻值相同或相近的一類電阻盡量焊接在同一塊線路板上，調(diào)整電阻管腳，使其離錫面距離為2mm左右，同時焊接電容管腳，注意電容管腳掛錫焊接的時間不能超過5S，最后把線路板上的錫焊接熔化均勻。焊接完成后要檢查電容和電阻有無虛焊現(xiàn)象，用洗板水清洗整個線路板使其光亮整潔，線路板應(yīng)有防腐涂層。
3.4測試
對超級電容模組使用恒壓源進行充放電測試，不少于兩個循環(huán)，使用數(shù)字萬用表測量電壓并記錄測試數(shù)據(jù)，對比分析電容充放電是否正常，有無虛焊及異常現(xiàn)象；如發(fā)現(xiàn)異常及時停止充放電測試，檢查原因并調(diào)整改善，改善完成后繼續(xù)進行充放電測試，直至合格。
4超級電容模組設(shè)計制作實例
表1列出了風(fēng)力發(fā)電驅(qū)動槳距調(diào)節(jié)電機的電力要求
表1 電力規(guī)格要求
為了滿足表1中規(guī)定的電力要求，超級電容儲能系統(tǒng)設(shè)計成在電力出現(xiàn)故障的情況下，將由三個210V的超級電容模組驅(qū)動槳距調(diào)節(jié)電機。此配置將提供給槳距調(diào)節(jié)系統(tǒng)約90%的20秒放電時間要求。
通過緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計，制作成如圖2所示的額定電壓為210V超級電容模組，其峰值電壓為226V，最大放電電流>100A( 1秒放電速率達到額定電壓的1/2), 最大儲存能量107.1 kJ (29.7Wh)，有效能量63.5 kJ (17.6Wh), 能量密度可達1.89 Wh/L
圖2超級電容模組爆炸示意圖
圖3所示為630V2.0F配置模擬恒功率放電電壓和電流曲線。此配置由三個210V的超級電容模組串聯(lián)組成，工作電壓范圍從630V到350V。模擬估計，630V的配置可以提供恒定的放電功率為10kW，持續(xù)時間17.6秒，如圖1所示。
模擬值可能與真實系統(tǒng)的測量值不同。
圖3 630V2.0F配置模擬恒功率放電
5結(jié)論
超級電容模組是一種新型儲能裝置，其將能量儲存在電極與電解液界面，具有介于電容和化學(xué)電源之間的儲能性質(zhì)。與蓄電池相比，其壽命長、能夠短時釋放大電流、能量狀態(tài)易于檢測、效率高、溫度工作范圍寬及易于維護。所以，在變槳UPS的應(yīng)用場合，超級電容模組具有蓄電池所無法比擬的優(yōu)點。從目前風(fēng)能發(fā)電的發(fā)展趨勢來看，兆瓦級風(fēng)機都將使用電動變槳系統(tǒng)，而使用超級電容模組的風(fēng)電變槳UPS，目前公認為電動變槳系統(tǒng)緊急備用電源的最佳解決方案。通過對超級電容模組設(shè)計的不斷完善，其尺寸更緊湊，能量密度和功率密度進一步提升，在風(fēng)力發(fā)電上的應(yīng)用將會越來越廣泛。
超級電容范文第4篇
電池家族添新銳“堂弟”
伴隨著新能源技術(shù)發(fā)展的日新月異，鋰電池、燃料電池等相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)備受關(guān)注，而同樣作為儲能裝置的超級電容器或許還未被大眾所熟知。它可以被稱為超級電容器，猶如電池家族中的“堂帶”，因具有充電時問短、使用壽命長、溫度特性好、節(jié)約能源和綠色環(huán)保等特點，得到了業(yè)內(nèi)人士的普遍認可，且行業(yè)增長迅速。
此次，科研團隊研制的超級電容器是基于碳的微型電容器，它囊括的石墨烯和碳納米管的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)十分緊致，其存儲的能量相比一些薄膜鋰電池更具優(yōu)勢。該裝置具有保持充電和釋放能量比電池快得多的優(yōu)點。這種纖維結(jié)構(gòu)的雜化材料提供了巨大可接觸的表面區(qū)域，并高度導(dǎo)電。目前，此款超級電容器的存儲能量可達到每立方米6.3微瓦特每小時，是同一體積的微型超級電容器的最高值。也就是說對于一只虧電的蘋果手機來說，充滿電僅需兩三分鐘的時間。
該纖維還能夠以十字交義的方式織成服裝，作成在智能紡織品方面的可穿戴設(shè)備。例如，這樣的衣服可以為家里攜帶生物醫(yī)學(xué)監(jiān)控儀器的病人供電，可提供信息給遠在醫(yī)院的醫(yī)生。織入制服像電池般的超級電容器可為顯示器或通信的晶體管提供電源。
研究人員說，這種纖維可能是一個節(jié)省空間的電源，作為醫(yī)療植入物的“能量運送導(dǎo)線”，可為在家的病人或老人供電給醫(yī)療檢測設(shè)備，或在野外為士兵使用通信設(shè)備提供電源。
此外，研究人員還饒有興趣地測試了這些纖維的多功能應(yīng)用，包括電池、太陽能電池、生物燃料電池及可靈活、穿戴式光電系統(tǒng)的傳感器。研究人員說：“我們已經(jīng)開辟了許多可能性，未來仍然有很多事情要做?！?/p>
魚與熊掌如何兼得
制作這種高性能微型超級電容器的技術(shù)瓶頸是，大多數(shù)超級電容器具有高功率密度但低能量密度，意味著它們可以快速充電和大大提升電力，但不會持續(xù)很長時間。相反，電池具有高能量密度和低功率密度，意味著其可以持續(xù)很長時間，但不會快速輸送大量的能量。而電動車的微電子受益于能夠提供高功率和高能量密度的儲能裝置。這就是為什么研究人員正在開發(fā)一種可以兼顧兩方面優(yōu)點的裝置。
要繼續(xù)小型化電子產(chǎn)品，行業(yè)內(nèi)需要開發(fā)具有大體積能量密度的微小能量存儲設(shè)備。而與電池相比，大量的超級電容器可能有類似的能量儲存，或能量密度。但是，因為它們需要大量的可接觸的表面積儲存能量，其體積能量密度總是滯后不堪。
那么魚與熊掌到底該如何兼得呢？科學(xué)家是永遠不會放棄探索的人，通過無數(shù)的實驗驗證，他們設(shè)計出了混合纖維以提高體積能量密度。利用含有氧化過的酸性單層碳納米管、氧化石墨烯和亞乙基二胺促進合成氮給石墨烯涂層，通過柔性狹窄增強管即毛細管柱泵送，在烘箱中加熱6個小時。
石墨烯片中，只有幾個原子厚并且排列成一條線的碳納米管自組裝成運行纖維長度的多孔互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。如此安排提供了大量可接觸的表面積，每克混雜纖維達396平方米，用于電荷的運輸和儲存。而這些材料被緊緊地包含在毛細管柱里，以便可將其抽取出來，形成高體積能量密度。這種使用多個毛細管柱的過程，可使制造出的纖維連續(xù)不斷，并保持一貫的品質(zhì)。
經(jīng)得起考驗的質(zhì)地
每日科學(xué)網(wǎng)日前報道稱，研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種連續(xù)生產(chǎn)這種彈性纖維的方式，使其能夠擴大生產(chǎn)以滿足應(yīng)用需求。到目前為止，已經(jīng)制作出50米長的纖維，每立方厘米具有300法拉的高容量。
在測試中，研究人員發(fā)現(xiàn)三對串聯(lián)排列的纖維具有三倍的電壓，同時可保持相同的充電/放電時間。與相同電流密度操作的單纖維相比，三對平行的纖維是在輸出電流和充電/放電時間方面具有三倍的效力。當(dāng)把它們在兩個電極之間集成多個成對的纖維，其存儲電能的能力即電容，可根據(jù)所使用纖維的數(shù)量呈線性增加。
使用聚乙烯醇/磷酸凝膠作為電解質(zhì)，固態(tài)微型超級電容器由一對光纖制造可提供每立方毫米6.3微瓦小時的體積密度，可與4伏特500微安小時的薄膜鋰電池媲美。纖維超級電容器表現(xiàn)出超高能量密度值，同時保持了高功率密度和循環(huán)穩(wěn)定性。
研宄人員說：“我們測試了這種光纖設(shè)備上萬次的充電/放電周期，其保留了原有的性能約93%，而傳統(tǒng)的充電電池壽命小于千次周期?！?/p>
該小組還測試了這個設(shè)備的柔性能量存儲，對其不斷進行恒定的機械應(yīng)力，最后對其性能的評價是：纖維超級電容器可持續(xù)無性能損失地工作，甚至在彎曲數(shù)百次之后，它們?nèi)阅鼙３朱`活性，并在結(jié)構(gòu)上長度保持一致。
應(yīng)用的N種可能
超級電容器的應(yīng)用范圍除了常見的在停電時作為備用電源、用于企業(yè)級SSD、服務(wù)器等需要數(shù)據(jù)備份的設(shè)備中之外，還擁有廣闊的應(yīng)用前景。例如在帶有LED閃光燈的相機，或者馬達驅(qū)動等需要瞬間釋放大電流放電的設(shè)備中，超級電容器作為峰值輸出輔助裝置，具有較高的功率密度，不僅可實現(xiàn)大電流放電，而且其超低的ESR幾乎可以忽略放電瞬間的電壓降影響，即便是在低溫的情況下，內(nèi)阻也不會像普通電池那樣大幅上升。
其次，在那些具有Wi-Fi或GPRS等無線通信功能、或需要長時間存儲數(shù)據(jù)、要求延長電池壽命的便攜式設(shè)備中，通常對于漏電流和小型化封裝都有較高的要求。超級電容器具有微安級別的超低漏電流，及最薄3 2毫米的緊湊型封裝，是這類設(shè)備的理想選擇。另外，在備受關(guān)注的便攜式醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域，小型化、薄型化的層壓式超級電容器也將會大有用武之地。
市場調(diào)研公司IDTechEx的主席PeterHarrop博士認為：“超級電容器不需要全部達到鋰離子電池的能量密度來秤噬電池市場。也許電池市場的百分之一已經(jīng)被取代，因為這百分之一的能量密度持續(xù)時間更長，而且安全，還有10倍的功率密度。在中國的一些公交車上，超級電容器已經(jīng)取代了鋰離了電池，但因前期價格高昂，超級電容器的銷量比鋰離予電池低3%?！?/p>
超級電容范文第5篇
電能和燃油的緊缺使人們開始尋找更多的替代能源，超級電容器彌補了鋁電解電容和可充電電池之間的技術(shù)缺口，同時又克服了兩者的缺陷。它們與傳統(tǒng)的電池系統(tǒng)不同，能夠以很高的電流進行充電和放電，不會老化。超級電容器的熱響應(yīng)能力也優(yōu)于電池系統(tǒng)，它的充放電次數(shù)可達50萬次，具有相當(dāng)長的使用壽命。由于超級電容器不是通過化學(xué)反應(yīng)來充電的，而是通過在導(dǎo)電碳粒子的表面積累電荷進行充電的，因此它的充電電流可以非常高，這對電池來說是不可能的，因為電池本身具有很高的內(nèi)阻。電池充電是一種電化學(xué)反應(yīng)過程，受到了反應(yīng)動力學(xué)的限制，而超級電容器則沒有充電時間的限制。
作為目前替代能源應(yīng)用領(lǐng)域的一個極佳的技術(shù)解決方案，超級電容器在需要更高效更可靠電源的新技術(shù)領(lǐng)域中逐漸嶄露頭角。
超級電容器存儲的能量主要可以通過三種方式來使用：
它能夠向汽車電氣系統(tǒng)饋電，減輕車載發(fā)電機的負擔(dān)，
起純粹的增強作用，也就是說，在換擋時，增大電動機的扭矩，提高加速度；
啟動輔助：使電動機從某個固定的狀態(tài)啟動加速汽車。這在某些需要反復(fù)啟停的特殊操作中能夠大大節(jié)省能源。
混合能源汽車與超級電容器
超級電容器在混合能源技術(shù)汽車領(lǐng)域中所起的作用是十分重要的。隨著能源價格的不斷上漲，以及歐洲汽車制造商承諾在1995年到2008年之間將汽車CO2，的排放量減少25％，這些都促進了混合能源技術(shù)的發(fā)展。寶馬、奔馳和通用汽車公司已經(jīng)結(jié)成了一個全球聯(lián)盟，共同研發(fā)混合能源技術(shù)。
混合能源汽車可以分成三類：輕微混合、中度混合和完全混合。輕微混合型使用一種更強大的啟動器，能夠在停車時熄滅引擎，在再次加速時重新啟動引擎。這種小型的改進可以在城市行車條件下節(jié)省8％的能源，同時能夠大幅度減少尾氣排放。
另外一種改進就是中度混合技術(shù)，就是使用一個電動馬達，在汽車停止后開始加速的前30s增大其加速度。這項技術(shù)需要大規(guī)模存儲再生能源，通過使用超級電容器很容易實現(xiàn)，在需要反復(fù)啟停的城市行車條件下能夠節(jié)省15％的燃料。
最后，完全混合能源技術(shù)將為汽車配備更強大的電動馬達和高能電池，產(chǎn)生高達75kW的功率，能夠在短距離加速過程中實現(xiàn)全電動推進。這種設(shè)計能夠節(jié)省20％的能源。
這些新技術(shù)中有很多將會使用替代能源，例如太陽能、風(fēng)能或者燃料電池。但是由于能量來源本身的特性，決定了這些發(fā)電的方式往往具有不均勻性，電能輸出容易發(fā)生變化。
隨著風(fēng)力和太陽光強度的變化，這些能源產(chǎn)生的電能輸出也會發(fā)生相應(yīng)的變化。這就需要使用一種緩沖器來存儲能量。
由于這些能源產(chǎn)生的電能輸出可能無法滿足消費者一方的峰值電能需求，因此可以采用能量緩沖器在短時間內(nèi)提供所需的峰值電能，直到發(fā)電量增大，需求量減少。另外，在能源產(chǎn)生的過程是穩(wěn)定的而需求是不斷變化的情況下，也可以使用能量緩沖器。
在使用替代能源技術(shù)的汽車驅(qū)動領(lǐng)域，超級電容器也是一種新型的關(guān)鍵部件。在采用燃料電池供電的汽車中，如果結(jié)合使用超級電容器，那么燃料電池就可以滿足持續(xù)供電需求，而不僅僅是峰值供電。
除了能夠滿足峰值供電的需求外，超級電容器還具有其他器件無法比擬的響應(yīng)時間。將超級電容器的強大性能和燃料電池結(jié)合起來，可以得到尺寸更小、重量更輕、價格更低廉的燃料電池系統(tǒng)。
超級電容器與氫燃料電池的完美結(jié)合
正處于研發(fā)階段的氫燃料電池能夠應(yīng)用于多個領(lǐng)域。這種氫燃料電池與風(fēng)能或人陽能不同，只要有氫燃料，它就能夠持續(xù)輸出穩(wěn)定的電能。
然而，某些應(yīng)用場合對能量的需求隨著時間的變化有很大不同。汽車就是一個直接的例子，因為它們在加速過程中需要的能量比勻速行駛時要高得多。如果沒有能量存儲器，氫燃料電池就要做得很大，以滿足最高的峰值能量需求，其成本就會大得無法忍受。通過將過剩的能量存儲在能量存儲器中，就可以在短時間內(nèi)通過存儲器提供所需的峰值能量。
混合能源的內(nèi)燃／電動汽車是邁向燃料電池汽車時代的重要一步，因為真正的驅(qū)動部件都是電動的。當(dāng)然，采用電池的全電動汽車也是一種方案，但是全電動汽車的驅(qū)動范圍非常有限。相比為內(nèi)燃引擎或燃料電池添加燃料所需的時間來看，全電動汽車再充電所需的時間更長。
