大连理工大学网络高等教育
本 科 生 毕 业 论 文（设 计）
题 目：超级电容器及其他储能设备的相关理论研究
层 次： 专科起点本科
专 业： 电气工程及其自动化
年 级： 年 季
学 号：
学 生：
指导教师：
完成日期： 2022年5月17日
超级电容器是一种新型绿色储能器件，具有充放电速度快、功率密度大、循环寿命长、高低温性能好等储能优势，此外，还具有免维护、无污染等优点，在储能领域将具有广阔的前景。本文以独立光伏发电系统为例，研究了超级电容器在储能领域中的应用。
关键词：超级电容器；双向DC/DC变换器；储能；充放电
目 录
1.1 课题的背景及意义
随着能源短缺和环境保护的双重压力，各国政府都在加大对可再生能源和清洁 能源的开发，发展可再生能源和清洁能源，以实现人类的可持续发展。当前主要的可再生能源和清洁能源主要为:风力发电，光伏发电，潮汐发电，地热发电，燃料电池等，这类发电系统的特点是规模和功率比较小，系统可靠，无污染，对环境比较友好。对于新能源系统，其最大缺点是受环境影响比较大，如风力发电和光伏发电系统，由于风速和光照具有随机性，所以发出的电能也是时刻变化的，需要储能系统对其进行能量管理，对于清洁能源发电系统，由于其发电系统的机械惯性等原因，一般也需要储能系统对其进行能量管理。
应用于电力系统中的能量管理系统主要是各种电力储能系统，在电力系统中的储能系统一般为:超级电容储能系统，抽水储能系统，超导储能系统，蓄电池储能系统，飞轮储能系统，压缩空气储能系统等。
超级电容器也称电化学电容器，它具有优良的脉冲充放电性能和大容量储能性能,因其存储能量大，质量轻，可多次充放电而成为一种新型的储能装置，近年来受到科学研究人员的广泛重视。随着环保型电动汽车研究的兴起和发展,超级电容器与各类动力电池配合使用组成复合电池,应用于电动汽车的电源启动系统,在车辆的起步、加速、制动过程中起到保护蓄电池和节能的作用,或者直接作为电动车的电源。也可以为内燃机以及其它重型汽车发动机的启动系统提供瞬间的大电流。
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，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)。
1.2 超级电容器的分类
1、按采用的电极不同，超级电容器可分为以下几种：碳电极电容器、贵金属氧化物电极电容器、导电聚合物电容器。
2、按储存电能的机理不同，超级电容器可分为两种类型：一种是“双电层电容器”，其电容的产生主要基于电极/电解液上电荷分离所产生的双电层电容，如碳电极电容器；另一种则被称为“法拉第准电容”，由贵金属和贵金属氧化物电极等组成，其电容的产生是基于电活性离子在贵金属电极表面发生欠电位沉积，或在贵金属氧化物电极表面及体相中发生的氧化还原反应而产生的吸附电容，该类电容的产生机制与双电层电容不同,并伴随电荷传递过程的发生,通常具有更大的比电容。
3、根据超级电容器的结构及电极上发生反应的不同，又可分为对称型和非对称型。如果两个电极的组成相同且电极反应相同，反应方向相反，则被称为对称型。碳电极双电层电容器，贵金属氧化物电容器即为对称型电容器。如果两电极组成不同或反应不同，则被称为非对称型，由可以进行n型和p型掺杂的导电聚合物作电极的电容器即为非对称型电容器,其性能表现形式更接近蓄电池,表现出更高的比能量和比功率。
超级电容器的最大可用电压由电解质的分解电压所决定。电解质可以是水溶液(如强酸或强碱溶液)也可是有机溶液(如盐的质子惰性溶剂溶液)。用水溶液体系可获得高容量及高比功率(因为水溶液电解质电阻较非水溶液电解质低，水溶液电解质电导为10-1~10-2S·cm-1，而非水溶液体系电导则为10-3~10-4 VS·cm-1)；选用有机溶液体系则可获得高电压(因为其电解质分解电压比水溶液的高,有机溶液分解电压约3.5 V,水溶液则为1.2 V)，从而也可获得高的比能量。
1.3 超级电容器的研究现状
超级电容器也称电化学电容器,它具有优良的脉冲充放电性能和大容量储能性能,因其存储能量大,质量轻,可多次充放电而成为一种新型的储能装置,近年来受到科学研究人员的广泛重视。随着环保型电动汽车研究的兴起和发展,超级电容器与各类动力电池配合使用组成复合电池,应用于电动汽车的电源启动系统,在车辆的起步、加速、制动过程中起到保护蓄电池和节能的作用,或者直接作为电动车的电源。也可以为内燃机以及其它重型汽车发动机的启动系统提供瞬间的大电流。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)。按采用的电极不同,超级电容器可分为以下几种: (1)碳电极电容器; (2)贵金属氧化物电极电容器; (3)导电聚合物电容器。按储存电能的机理不同,超级电容器可分为两种类型:一种是双电层电容器,其电容的产生主要基于电极P电解液上电荷分离所产生的双电层电容,如碳电极电容器;另一种则被称为法拉第准电容,由贵金属和贵金属氧化物电极等组成,其电容的产生是基于电活性离子在贵金属电极表面发生欠电位沉积,或在贵金属氧化物电极表面及体相中发生的氧化还原反应而产生的吸附电容,该类电容的产生机制与双电层电容不同,并伴随电荷传递过程的发生,通常具有更大的比电容。根据超级电容器的结构及电极上发生反应的不同,又可分为对称型和非对称型。如果两个电极的组成相同且电极反应相同,反应方向相反,则被称为对称型。碳电极双电层电容器,贵金属氧化物电容器即为对称型电容器。如果两电极组成不同或反应不同,则被称为非对称型,由可以进行n型和p型掺杂的导电聚合物作电极的电容器即为非对称型电容器,其性能表现形式更接近蓄电池,表现出更高的比能量和比功率。超级电容器的最大可用电压由电解质的分解电压所决定。电解质可以是水溶液(如强酸或强碱溶液)也可是有机溶液(如盐的质子惰性溶剂溶液)。
虽然双电层电容器和法拉第准电容器的能量密度远远大于传统的物理电容器，但是其能量密度和电池如锂离子电池、镍氢电池等相比还是很低的。产生这一现象的主要原因是:无论是双电层电容还是法拉第准电容，其储能过程都仅发生在电极材料的表面或近表面;相对于此，电池材料则是通过体相的氧化还原过程来储存能量的。为了近一步提高超级电容器的能量密度，人们发明了混合体系，并且这种混合体系近几年逐渐成为研究热点。混合型电化学超级电容器是近年来被关注的储能元件，它具有比常规电容器能量密度大、比二次电池功率密度高的优点，而且可快速充放电，使用寿命长，是一种高效、实用的能量存储装置，因而有着广泛的应用前景，如便携式仪器设备、数据记忆存储系统、电动汽车电源及应急后备电源等，特别是在电动汽车上，超级电容器与电池联合，分别提供高功率和高能量，既减小了电源体积，又延长了电池的寿命。目前，世界各国纷纷制定近期的目标和发展计划，将其列为重点研究对象。俄罗斯、美国和日本等发达国家都为混合型超级电容器的研制开发投入了大量资金。在中国混合电容器也正在迅速发展，并展现出一定的市场前景。目前，上海奥威、哈尔滨巨容等电容器公司已经开始批量生产由 EMSA公司研制的 AC/NiOOH 混合型超级电容器，并将其应用到电动公交车或太阳能电池领域。为了同时获得较高的能量密度和功率密度，人们开始设计新型的非对称型电化学超级电容器，即电容器的一极是双电层电极，另一极为法拉第准电容电极。非对称型电化学超级电容器综合了两类电化学电容器的优点，可更好地满足实际应用中负载对电源系统的能量密度和功率密度的整体要求。另外，人们开始尝试用二次电池的电极材料取代传统电化学电容器的一极，制成电池型电容器，适宜在短时间大电流放电的情况下工作，可作为电动车辆的启动、制动电源。电容器电容值的高低与电极材料的比表面积有密切的关系，制备具有高比表面积的纳米级微孔材料成为一种改善电极材料电容性能的新思路。
2 超级电容器特点及超级电容器组设计
2.1 引言
超级电容器是超级电容储能系统中最重要的器件之一，本章根据文献对超级电容器的原理和超级电容器的特点进行了介绍，并对超级电容器的等效电路模型做了介绍。超级电容储能系统需要一定数量的超级电容器单体串并联来实现系统的要求，如何确定超级电容器的数量，如何对超级电容器进行串并联，使得超级电容器组即满足系统的储能要求，同时系统的可靠性又最高，也是设计超级电容储能系统的一个重要问题。本章最后对超级电容器组中超级电容器单体数量设计及串并联组合方式设计进行了分析。
2.2 超级电容器
超级电容器是近年来发展起来的一种介于电容器和化学电池之间的新型储能元件，根据储存电能机理不同，超级电容可以分为两类：一类是电化学双层电容(electronic-chemieal double-layer capacitors，EDLCs)，其高表面积的碳材料电极和溶液界面形成双电层;一类是法拉第准电容器(Faraday Pseudo-capacitor)，其电活性物质在电极材料表面进行欠电位沉积，并可以发生可逆化学反应，从而在电极上产生电位。实际的超级电容会同时包含两种电容器的电容分量，只是所占分量不同而己，此外还有使用不同正负极材料的非对称型超级电容器(也称混合超级电容器)。由于活性炭材料比较便宜，性能也稳定，易于实现工业化，目前各类己经实用化的超级电容器多为碳材料双电层超级电容器。
图2-1是双电层超级电容器的原理图，超级电容器的电极与电解液接触后，一层电荷会聚集在电极板上，而极性相反的电荷则在电解液中，从而在电极和溶液之间形成双电层，双电层超级电容器一般采用比面积很大的多孔性碳和具有准电容特性的水合氧化钉(RuoO2*xH2O)按照一定比例做成电极材料，在此类电极中，电离子可以嵌入到无定形的氧化钉基体中，而不像其他材料只能在表面存储电荷，因而其活性炭的电极具有很大的表面积，可以达到2000mZ/g，从而它可以获得很高的比电容值(可达到768F/g)。再使用38%硫酸或是胶体高分子聚合物作为电解质，将玻璃一聚丙稀隔膜夹在阳极和每片阴极箔片之间，组成电极基片，再通过基片组装成超级电容器。
现在市场上产品化的超级电容器基本上是美国，日本和俄罗斯几个国家生产
