超级电容器原理特点及应用有哪些？

 随着科学技术的进步，现在的人们对生态环境保护和绿色能源的应用越来越重视，超级电容器作为一种新型的储能元件引起了人们的广泛重视与关注。那么，超级电容器原理特点及应用有哪些？下面为您详细介绍:

 

一.超级电容器的原理

  超级电容也称电化学电容，与传统静电电容器不同，主要表现在储存能量的多少上。作为能量的储存或输出装置，其储能的多少表现为电容量的大小。根据超级电容器储能的机理，其原理可分为以下两类：

　1.双电层电容

   是在电极/溶液界面通过电子或离子的定向排列造成电荷的对峙而产生的。对一个电极/溶液体系，会在电子导电的电极和离子导电的电解质溶液界面上形成双电层。

  当在两个电极上施加电场后，溶液中的阴、阳离子分别向正、负电极迁移，在电极表面形成双电层；撤消电场后，电极上的正负电荷与溶液中的相反电荷离子相吸引而使双电层稳定，在正负极间产生相对稳定的电位差。这时对某一电极而言，会在一定距离内（分散层）产生与电极上的电荷等量的异性离子电荷，使其保持电中性；当将两极与外电路连通时，电极上的电荷迁移而在外电路中产生电流，溶液中的离子迁移到溶液中呈电中性，这便是双电层电容的充放电原理。

 2.法拉第准电容

   其理论模型是由Conway首先提出，是在电极表面和近表面或体相中的二维或准二维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸脱附和氧化还原反应，产生与电极充电电位有关的电容。对于法拉第准电容，其储存电荷的过程不仅包括双电层上的存储，而且包括电解液离子与电极活性物质发生的氧化还原反应。

  当电解液中的离子（如H+、OH-、K+或Li+）在外加电场的作用下由溶液中扩散到电极/溶液界面时，会通过界面上的氧化还原反应而进入到电极表面活性氧化物的体相中，从而使得大量的电荷被存储在电极中。放电时，这些进入氧化物中的离子又会通过以上氧化还原反应的逆反应重新返回到电解液中，同时所存储的电荷通过外电路而释放出来，这就是法拉第准电容的充放电机理。

 

  当电压与时间成线性关系d v/d t=k时，电容器的充放电电流为一恒定值i=cd v/d t=ck.此过程为动力学可逆过程，与二次电池不同但与静电类似。

  法拉第电容和双电层电容的区别在于：双电层电容在充电过程中需要消耗电解液，而法拉第电容在整个充放电过程中电解液的浓度保持相对稳定。

 

二.超级电容器的特点

   超级电容器具有优良的脉冲充放电和大容量储能性能，单体容量已经达到万法拉级是一种介于静电电容器与电池之间的储能元件。与普通电容器和电池相比，超级电容器具有许多电池无法比拟的优点。

 

 1.具有极高的功率密度。电容器的功率密度为电池的10~100倍，可达到10kw /kg 左右，可以在短时间内放出几百到几千安培的电流。这个特点使得超级电容器非常适合用于短时间高功率输出的场合。

 2.充电速度快。超级电容器充电是双电层充放电的物理过程或是电极物质表面的快速、可逆的化学过程，可采用大电流充电，能在几十秒到数分钟内完成充电过程，是真正意义上的快速充电。

而蓄电池则需要数小时完成充电，采用快速充电也需要几十分钟。

 

 3.循环寿命长。深度充放电循环可达1～50万次，例如，北京合众汇能公司生产的HCC250F/2.7V的超级电容器和北京集星科技公司生产的系列电容的循环寿命均在50万次以上；

 

 4.低温性能优越。超级电容充放电过程中发生的电荷转移大部分都在电极活性物质表面进行，所以容量随温度衰减非常小。电池在低温下容量衰减幅度却可高达70% 。

 5.原材料生产、使用、存储及拆解过程均无污染，是理想的绿色环保电源；安全系数高，长期使用免维护；

 

 6.检测控制方便。剩余电量可通过公式E=CV2/2直接算出，只需要检测端电压就可以确定所储存的能量，荷电状态（SOC）的计算简单准确，因此易于能量管理与控制。

 

 

 

三.超级电容器的应用有哪些？

 1.超级电容器在电力系统中的应用

    随着电力系统的发展，分布式发电技术越来越受到重视。储能系统作为分布式发电系统必要的能量缓冲环节，因而其作用越来越重要。超级电容器储能系统利用多组超级电容器将能量以电场能的形式储存起来，当能量紧急缺乏或需要时，再将存储的能量通过控制单元释放出来，准确快速地补偿系统所需的有功和无功，从而实现电能的平衡与稳定控制[14]。

 

　2005年，美国加利福尼亚州建造了1台450kW的超级电容器储能装置，用以减轻950kW风力发电机组向电网输送功率的波动。

 

　除此之外，储能系统对电力系统配电网电能质量的提高也可起到重要的作用。通过逆变器控制单元，可以调节超级电容器储能系统向用户及网络提供的无功及有功，从而达到提高电能质量的目的。

 

 2.超级电容器在太阳能能源系统中的应用

  太阳能源的利用最终归结为太阳能利用和太阳光利用两个方面。太阳能发电分为光伏发电和光热发电，其中光伏发电就是利用光伏电池将太阳能直接转化为电能。光伏发电不论在转化效率、设备成本和发展前景尚都远远强于光热发电。自从实用型多晶硅的光伏电池问世以来，世界上就便开始了太阳能光伏发电的应用。

 

　目前，太阳能光伏发电系统有三个发展方向：独立运行、并网型和混合型光伏发电系统。在独立运行系统中，储能单元一般是必须有的，它能将由日照时发出的剩余电能储存起来供日照不足或没有日照时使用。

 

    目前，国际光伏能源产业的需求开始由边远农村和特殊应用向并网发电与建筑结合供电的方向发展，光伏发电已有补充能源向替代能源过渡。国内光伏能源系统仍主要是用在边远的无电地区和城市路灯、草坪灯、庭院灯、广告牌等独立光伏发电系统。通过蓄电池组构成的储能系统，能够熨平太阳光照强度波动导致的电能波动，还可以补偿电网系统中的电压骤降或突升，但是由于其充放电次数有限、大电流充放电时间较慢等因素，因此其使用寿命较短，成本较高。因此，在太阳能光伏发电系统中采用超级电容器组将使其并网发电更具有可行性。

 3.超级电容器在汽车工业领域中的应用

     我们都知道，汽车的智能控制系统（即轻型混合动力系统）的电路系统就需要用到电容，以前的普通电容储存的电能容量有限，使得汽车在不断地启动与停车中，造成蓄电池的工作情况始终不稳定，发生着很大的变化。随着汽车汽车工业的发展，以及超级电容的问世，这样的情况得到了相应的解决。
  
   超级电容的电能储存量大，电能的比能量比较低，这样即使在不停地停车与启动的过程中也能够保持一个稳定的电能量，这就使得汽车能够保持稳定的行驶。而且在汽车行驶的过程中，超级电容还能够迅速地、高效地吸收电动车制动的再生能，这样就可以使电池的寿命延长，使汽车的续驶里程得到极大的提高。
  

  超级电容还能够应用于小型的机械设备上，应用于小型设备上的超级电容主要是微型的超级电容设备，而上文所讲的应用于汽车领域的超级电容则是大尺寸的电容设备。应用于小型机械设备的超级电容就目前而言，在运输行业以及自然资源采集的行业有着非常好的前景，特别是用于交通运输行业的制动系统。
  
 在自然能源的采集行业里，超级电容因为有着充放电快、循环寿命长的特点，能够减少电池的更换，为采集设备提供能量。