2015年3月毕业论文超级电容器的应用研究

网络高等教育本科生毕业论文（设计）题目：超级电容器的应用研究学习中心：层次：专科起点本科专业：电气工程及其自动化年级：2013年秋季学号：学生：指导教师：李丹完成日期：2015年6月24日超级电容器的应用研究I内容摘要近年来，随着新能源工业的需求和节能技术不断发展，作为现代新型的储能设备的超级电容器步入高度发展与应用阶段，超级电容器相对于传统电化学储能设备有着明显的优势，其充放电速度快、功率密度大、使用寿命长等特点特别适合应用于能量回收的系统中，目前超级电容器储能系统作为能量管理的一个重要选择。超级电容器是介于传统电容器和蓄电池之间的一种新型储能装置,它具有功率密度大、容量大、使用寿命长、免维护、经济环保等优点。超级电容器在储存大量能量的时候电压较低，和蓄电池的电压比较匹配。由于超级电容器最大充放电性能由活性物质表面的离子取向和电荷转移速度控制，因此，可在短时间内进行电荷的转移，因此可得到更高放电比功率（可大于500W·kg-1）；同时，由于电极上没有发生决定反应速度与限制电极寿命的活性物质的相应变化，因此它具有很好的循环寿命（可大于105次循环）。文章介绍了超级电容器的原理、主要性能指标、特点及国内外发展和应用状况；归纳了超级电容器在电力系统中的若干具体应用，指出了使用中应注意的问题及其解决方法，以及今后的研究方向。关键词：电力系统；储能；蓄电池；超级电容器；超级电容器的应用研究II目录内容摘要...........................................................................................................................I引言..............................................................................................................................31超级电容器的基本原理............................................................................................41.1超级电容器的基本分类...................................41.2超级电容器的性能指标...................................51.3超级电容器的工作原理...................................61.4超级电容器的优点.......................................71.5超级电容器在使用中应注意的问题.........................82超级电容器的发展现状............................................................................................92.1我国超级电容器发展现状.................................92.2国外超级电容器发展现状.................................93超级电容器的应用..................................................................................................113.1超级电容器应用概况....................................113.1.1超级电容器在太阳能能源系统中的应用......................................113.1.2超级电容器在风力发电系统中的应用..........................................123.1.3超级电容器在新能源汽车中的应用..............................................123.1.4超级电容器在运动控制领域的应用..............................................133.2超级电容器在电力系统中的应用............................143.2.1用于分布式发电系统......................................................................143.2.2用于变/配电站直流系统................................................................143.2.3用于动态电压跌落装置..................................................................153.2.4用于静止同步补偿器......................................................................153.2.5用于分布式储能系统......................................................................164超级电容器存在的问题及发展趋势......................................................................17结论..........................................................................................................................18参考文献........................................................................................................................19超级电容器的应用研究3引言超级电容器是20世纪七八十年代发展起来的一种介于电池和传统电容器之间的新型储能元件，比同体积的电解电容器容量大2000～6000倍，功率密度比电池高10～100倍，可以放大电流充放电，充放电效率高，充放电循环次数可达100000次以上，并且免维护。超级电容器的出现填补了传统的静电电容器和化学电源之间的空白，并以其优越的性能及广阔的应用前景受到了各个国家的重视。本文介绍了超级电容器的原理和分类，以及近年来超级电容器的发展和商业化进程。同时，也介绍了超级电容器的应用情况。随着电动车研究的兴起，超级电容器重要的研究方向之一是将其与高比能量的蓄电池连用，在车辆加速、刹车或爬坡的时候提供车辆所需的高功率，达到减少蓄电池的体积和延长蓄电池寿命的目的。纳米碳材料的出现和发展为超级电容器电极材料研究提供了新的发展方向，将给超级电容器性能提高提供广阔的发展思路和空间。超级电容器的应用研究41超级电容器的基本原理1.1超级电容器的基本分类超级电容器的类型比较多，按原理分为双电层型超级电容器和赝电容型超级电容器：（1）双电层型超级电容器根据材料不同可包括：①活性碳电极材料，采用了高比表面积的活性炭材料经过成型制备电极。②碳纤维电极材料，采用活性炭纤维成形材料，如布、毡等经过增强，喷涂或熔融金属增强其导电性制备电极。③碳气凝胶电极材料，采用前驱材料制备凝胶，经过炭化活化得到电极材料。④碳纳米管电极材料，碳纳米管具有极好的中孔性能和导电性，采用高比表面积的碳纳米管材料，可以制得非常优良的超级电容器电极。以上电极材料可以制成：①平板型超级电容器，在扣式体系中多采用平板状和圆片状的电极，另外也有Econd公司产品为典型代表的多层叠片串联组合而成的高压超级电容器，可以达到300V以上的工作电压。②绕卷型溶剂电容器，采用电极材料涂覆在集流体上，经过绕制而成，这类电容器通常具有更大的电容量和更高的功率密度。（2）赝电容型超级电容器根据材料不同包括金属氧化物电极材料与聚合物电极材料，金属氧化物包括NiOx、MnO2、V2O5等作为正极材料，活性炭作为负极材料制备的超级电容器，导电聚合物材料包括PPY、PTH、PAni、PAS、PFPT等经P型或N型或P/N型掺杂制取电极，以此制备超级电容器。这一类型超级电容器具有非常高的能量密度，目前除NiOx型外，其它类型多处于研究阶段，还没有实现产业化生产。按电解质类型可以分为水性电解质和有机电解质类型（1）水性电解质主要包括以下几类：①酸性电解质，多采用36％的H2SO4水溶液作为电解质。②碱性电解质，通常采用KOH、NaOH等强碱作为电解质，水作为溶剂。③中性电解质，通常采用KCl、NaCl等盐作为电解质，水作为溶剂，多用于超级电容器的应用研究5氧化锰电极材料的电解液。（2）有机电解质通常采用LiClO4为典型代表的锂盐、TEABF4作为典型代表的季胺盐等作为电解质，有机溶剂如PC、ACN、GBL、THL等有机溶剂作为溶剂，电解质在溶剂中接近饱和溶解度。另外还可以分为：①液体电解质超级电容器，多数超级电容器电解质均为液态。②固体电解质超级电容器，随着锂离子电池固态电解液的发展，应用于超级电容器的电解质也对凝胶电解质和PEO等固体电解质进行研究。1.2超级电容器的性能指标超级电容器，又叫双电层电容器、电化学电容器、黄金电容、法拉电容，通过极化电解质来储能。它是一种电化学元件，在储能的过程中并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，因此超级电容器可以反复充放电十万次。超级电容器可视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，形成两个容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近。目前，对超级电容器性能描述的指标有：（1）额定容量。指按规定的恒定电流(如1000F以上的超级电容器规定的充电电流为100A，200F以下的为3A)充电到额定电压后保持2~3min，在规定的恒定电流放电条件下放电到端电压为零所需的时间与电流的乘积再除以额定电压值，单位为法拉，F。（2）额定电压。即可以使用的最高安全端电压。此外还有浪涌电压，通常为额定电压的105%；击穿电压，其值远高于额定电压，约为额定电压的1.5~3倍，单位为伏特(V)。（3）额定电流。指5s内放电到额定电压一半的电流，单位为安培(A)。（4）最大存储能量。指额定电压下放电到零所释放的能量，单位为焦耳(J)或瓦时(Wh)。（5）能量密度，也称比能量。指单位质量或单位体积的电容器所给出的能量，单位为Wh/kg或Wh/L。（6）功率密度，也称比功率。指单位质量或单位体积的超级电容器在匹配负荷下产生电/热效应各半时的放电功率。它表征超级电容器所能承受电流的能力，超级电容器的应用研究6单位为kW/kg或kW/L。（7）等效串联电阻(ESR)。其值与超级电容器电解液和电极材料、制备工艺等因素有关。通常交流ESR比直流ESR小，且随温度上升而减小。单位为欧姆。（8）漏电流。指超级电容器保持静态储能状态时，内部等效并联阻抗导致的静态损耗，通常为加额定电压72h后测得的电流，单位安培(A)。（9）使用寿命。是指超级电容器的电容量低于额定容量的20%或ESR增大到额定值的1.5倍时的时间长度。因为此时可判断为其寿命终了。（10）循环寿命。超级电容器经历1次充电和放电，称为1次循环或叫1个周期。超级电容器的循环寿命很长，可达10万次以上。1.3超级电容器的工作原理超级电容器是利用双电层原理的电容器。当外加电压加到超级电容器的两个极板上时，与普通电容器一样极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极