引言
當(dāng)今社會(huì)對(duì)能源和電力供應(yīng)的質(zhì)量以及安全可靠性的要求越來(lái)越高,傳統(tǒng)的大電網(wǎng)供電方式由于其本身的缺陷已經(jīng)不能滿足這種要求。能夠集成分布式發(fā)電的新型電網(wǎng)——微電網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生，它能夠節(jié)省投資、降低能耗、提高系統(tǒng)安全性和靈活性,是未來(lái)的發(fā)展方向。而作為微電網(wǎng)中必不可少的儲(chǔ)能系統(tǒng)，發(fā)揮著十分重要的作用。超級(jí)電容器作為一種新型的儲(chǔ)能器件，因?yàn)槠錈o(wú)可替代的優(yōu)越性，成為微電網(wǎng)儲(chǔ)能的首選裝置之一。
目前，在我國(guó)比較偏遠(yuǎn)的山區(qū)，架設(shè)輸電線路的成本較高，而且即使架設(shè)了輸電線路，運(yùn)行成本也較高，因此實(shí)現(xiàn)電氣化有一定的難度。如果利用風(fēng)力或太陽(yáng)能發(fā)電構(gòu)建微電網(wǎng)，將電力轉(zhuǎn)化為超級(jí)電容器的電場(chǎng)能儲(chǔ)存起來(lái)，待需要時(shí)再將電場(chǎng)能轉(zhuǎn)換為電能供電是非常經(jīng)濟(jì)的，而且不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生任何破壞。
對(duì)于我國(guó)大部分農(nóng)村地區(qū)，電網(wǎng)可靠性往往不高，難免出現(xiàn)短時(shí)停電，然而提高可靠性需要的成本過(guò)高?？梢栽谪?fù)荷集中區(qū)域建立微電網(wǎng)，在電力正常供應(yīng)時(shí)通過(guò)超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)將電力儲(chǔ)存起來(lái)，而在停電時(shí)由超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)供電。即使在我國(guó)較發(fā)達(dá)的城市地區(qū)，超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)也具有重要的作用。超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力充足時(shí)將電力儲(chǔ)存起來(lái)，而在電力供應(yīng)不足時(shí)回饋給電網(wǎng)，保證電網(wǎng)負(fù)載始終是均衡的。同時(shí)，超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)可以改善電能質(zhì)量，取代目前使用的UPS，提高重要負(fù)載設(shè)備如通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)和醫(yī)療設(shè)備等的供電可靠性。
由此可見(jiàn)，既經(jīng)濟(jì)可靠又對(duì)環(huán)境友好的超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)是大有市場(chǎng)前景的，研究超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)在微電網(wǎng)中的應(yīng)用也符合對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求。太陽(yáng)能、風(fēng)能和燃料電池等無(wú)污染能源儲(chǔ)存在超級(jí)電容器中,適時(shí)提供電能,不需要投資大的發(fā)電站,也不需要復(fù)雜的輸送電網(wǎng),是一種投資少、又能有效應(yīng)用可再生能源的節(jié)能措施。
1 超級(jí)電容器儲(chǔ)能
1.1 超級(jí)電容器的特性
超級(jí)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(chǔ)能元件，其容量可達(dá)幾百至上萬(wàn)法，比功率是電池的10倍以上，儲(chǔ)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(zhǎng)、無(wú)污染、零排放等特點(diǎn)。
1）具有超高的容量。超級(jí)電容器的容量最大可做到上萬(wàn)法拉，比同體積的電解電容器容量大2000～6000倍。
2）具有極高的功率密度。超級(jí)電容器的功率密度可達(dá)到18kW/kg左右，可以在短時(shí)間內(nèi)放出幾百到幾千安的電流。這個(gè)特點(diǎn)使得超級(jí)電容器非常適合用于短時(shí)間高功率輸出的場(chǎng)合。
3）充放電速度快。超級(jí)電容器不產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，可以直接將電力貯存起來(lái)，充電所需的時(shí)間非常短。超級(jí)電容器充電可采用大電流充電，能在幾十秒到數(shù)分鐘內(nèi)完成充電過(guò)程，是真正意義上的快速充電。而蓄電池則需要數(shù)小時(shí)完成充電，采用快速充電也需要幾十分鐘。
4）使用壽命長(zhǎng)。超級(jí)電容器半永久性使用，無(wú)需更換。傳統(tǒng)的充電電池經(jīng)過(guò)多次充電和放電后，電解液逐漸分解、材料變質(zhì)，性能也隨之下降，用上幾年后大都需要更換。超級(jí)電容器充放電過(guò)程中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)都具有良好的可逆性，可反復(fù)進(jìn)行充放電數(shù)十萬(wàn)次以上，基本上無(wú)需更換。
5）環(huán)境溫度對(duì)正常使用影響不大。使用溫度范圍廣,低溫性能優(yōu)越，可達(dá)-40～+85℃。而電池僅為0～+40℃。
當(dāng)然，超級(jí)電容器也有其缺點(diǎn)。如果使用超級(jí)電容器不當(dāng)，會(huì)造成電解液泄漏等現(xiàn)象。超級(jí)電容器不可應(yīng)用于高頻率充放電的電路中，高頻率的快速充放電會(huì)導(dǎo)致電容器內(nèi)部發(fā)熱，容量衰減，內(nèi)阻增加，在某些情況下會(huì)導(dǎo)致電容器性能崩潰。當(dāng)超級(jí)電容器進(jìn)行串聯(lián)使用時(shí)，存在單體間的電壓均衡問(wèn)題。單純的串聯(lián)會(huì)導(dǎo)致某個(gè)或幾個(gè)單體電容器過(guò)壓，從而損壞這些電容器，整體性能受到影響。
1.2 與其它儲(chǔ)能元件的比較
表1是超級(jí)電容器與蓄電池、超導(dǎo)儲(chǔ)能以及飛輪儲(chǔ)能的性能比較。蓄電池技術(shù)成熟、價(jià)格低，但其循化壽命低、污染環(huán)境，即將被新型環(huán)保的儲(chǔ)能元件取代。飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能和超級(jí)電容器均為優(yōu)秀的儲(chǔ)能元件，是未來(lái)的發(fā)展方向，它們具有類(lèi)似的特性，都可以應(yīng)用于微電網(wǎng)中。超導(dǎo)儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能可以用于快速補(bǔ)償，但其功率密度比超級(jí)電容器低得多，效果要差一些。和其他儲(chǔ)能方式相比，超導(dǎo)儲(chǔ)能價(jià)格昂貴，除了超導(dǎo)本身的費(fèi)用外，維持低溫所需要的費(fèi)用也相當(dāng)可觀。而飛輪儲(chǔ)能受到轉(zhuǎn)速及機(jī)械強(qiáng)度的限制。
在微電網(wǎng)中，由負(fù)荷或者微電源導(dǎo)致的電能質(zhì)量問(wèn)題往往具有持續(xù)時(shí)間短、出現(xiàn)頻繁的特點(diǎn)。相比較而言，作為短期儲(chǔ)能裝置，超級(jí)電容器更為理想,因此，主要考慮超級(jí)電容器在微電網(wǎng)中的應(yīng)用。雖然目前超級(jí)電容器價(jià)格依然偏高，但隨著價(jià)格的逐漸下降，超級(jí)電容器作為一種高效、實(shí)用、環(huán)保的能量存儲(chǔ)裝置，必然會(huì)成為理想的選擇。