第12卷 第9期 中 國 水 運 Vol.12 No.9 2012年 9月 China Water Transport September 2012?

超級電容器在船舶上的應(yīng)用設(shè)計

徐立豐

（中遠(yuǎn)船務(wù)工程集團(tuán)有限公司，遼寧 大連 116600）

摘 要：超級電容器有很多蓄電池所不具備的特性，但目前在船舶上還未得到應(yīng)用。根據(jù)超級電容器的這些特性，文中給出了幾種將來可能在船舶上得到應(yīng)用的設(shè)計方案。 關(guān)鍵詞：超級電容器；船舶；應(yīng)用；太陽能

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-7973（2012）09-0071-02

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一、引言

超級電容器是介于傳統(tǒng)物理電容器和電池之間的一種儲能元件，與蓄電池和傳統(tǒng)物理電容器相比，超級電容器主要有以下幾點特性[1]：

（1）高功率密度。它的輸出功率密度高達(dá)數(shù)kW/kg，是任何一個化學(xué)電源無法比擬的，是一般蓄電池的數(shù)十倍。

（2）長充放電循環(huán)壽命。其循環(huán)壽命可達(dá)萬次以上。蓄電池的充放電循環(huán)壽命只有數(shù)百次，只有超級電容器的幾十分之一。

（3）充電時間短。超級電容器最短可在幾十秒內(nèi)充電完畢，最長充電不過十幾分鐘，而蓄電池則需要8~12h才能充電完畢。

（4）高可靠性。超級電容器工作過程中沒有運動部件，維護(hù)工作少，因而超級電容器的可靠性非常高。

另外，對于船上環(huán)境還有以下特性：

（1）沒有爆炸性，安全。不必考慮周圍設(shè)備的防爆，而鉛酸蓄電池需要考慮防爆。

（2）它是一種綠色能源，環(huán)保的角度考慮。其原材料構(gòu)成以及在生產(chǎn)、使用、儲存過程中均沒有污染，而鉛酸蓄電池和鎳鎘蓄電池均具有毒性。

（3）超級電容器徹底免維護(hù)。不需要進(jìn)行像蓄電池那樣的定期檢查。

（4）可以大電流充放電，而不影響壽命。這是蓄電池?zé)o法比擬的。

即便超級電容器有如此多的優(yōu)勢，在船上卻還沒有得到應(yīng)用，主要有兩個原因：

（1）超級電容器是一種新型的儲能元件，各大船廠及設(shè)計院還沒有足夠的重視。

（2）超級電容器的比能量較低是一個關(guān)鍵的因素。 表1 各種充電蓄電池與超級電容器的性能比較

充電時間（h） 循環(huán)壽命（次） 記憶效應(yīng) 自放電率（%/月） 質(zhì)量比能量（Wh/kg） 質(zhì)量比功率（W/kg）

安全性 環(huán)境

超級電容器 幾秒~幾分鐘 >10000 無 高 4~15 600~6000 優(yōu) 零污染

鉛酸蓄電池 鎘鎳電池

4~12 400~600輕微 3% 30~50 200~300一般 有污染

4~10 400~500 有 25% 40~60 150~300 良 有污染

鎳氫電池12~36 >500 有 20% 60~80 150~300 良 基本無污染

鋰離子電池

3~4 1000 很輕微 5~10% 110~190300~500差 基本無污染

通過表1[2]可以很清晰的比較出常見充電蓄電池與超級電容器的性能差異。

二、超級電容器在船上的應(yīng)用設(shè)計

超級電容器的很多特性可以在船上得到利用，以下幾種基本方案，可以為以后的設(shè)計提供參考。

1．替代蓄電池作為儲能元件

由于鉛酸蓄電池成本低、技術(shù)成熟，在船上基本都會用它作為儲能元件，但它也存在諸如循環(huán)壽命短、需考慮防爆等弊端。

目前各廠家生產(chǎn)的超級電容器，其比能量還很低，僅是鉛酸蓄電池的1/3甚至更低。但同時，也要注意到在各個國家，超級電容器都備受重視[3]，在相關(guān)的媒體報道中，我們欣喜的看到，甚至已經(jīng)有廠家（或單位）研究出來了60Wh/kg及280Wh/kg的質(zhì)量比能量的超級電容器。由此看來，隨著技術(shù)水平的進(jìn)步，在將來很可能會出現(xiàn)比能量較高的超級電容器。而超級電容器由于其相對成本低、充電時間短、超長循環(huán)壽命、無記憶性、綠色環(huán)保、安全，用其儲能將會是個很好的選擇。

在船上，將來不但完全可以用超級電容器取代蓄電池，甚至可以利用其高能量密度、高功率密度、長循環(huán)壽命、高可靠性等優(yōu)點替代一部分發(fā)電機(jī)。

2．與蓄電池組相結(jié)合

目前階段，若將超級電容器與蓄電池組混合使用是個很好的選擇。這樣可以使蓄電池能量密度大和超級電容器功率密度大、循環(huán)壽命長的特點都能充分發(fā)揮，可以大幅提高系統(tǒng)的性能。根據(jù)超級電容器的不同特點，又可以有兩種不同方式的應(yīng)用。

（1）超級電容器協(xié)助蓄電池組儲存不穩(wěn)定能量 隨著日本商船三井的汽車運輸船的即將交付，太陽能在船上的應(yīng)用會逐漸流行起來，如何根據(jù)太陽能的特性選擇合適的大容量蓄電池是個重點。由于太陽能受天氣、時間的影響很大，發(fā)電功率具有不連續(xù)性和不穩(wěn)定性等特點，若使用蓄電池組作為儲能元件，由于蓄電池組需要不斷的吸收或者釋放能量，還有可能經(jīng)常進(jìn)行深度充放電，這樣就會導(dǎo)致蓄電池組的使用壽命嚴(yán)重縮短。而太陽能這樣的特點對超級電容器基本沒有影響。按圖1的設(shè)計方案，將超級電容器與蓄

收稿日期：2012-05-20

作者簡介：徐立豐（1980-），男，中遠(yuǎn)船務(wù)工程集團(tuán)有限公司助理工程師，從事船舶電氣設(shè)計。

72 中 國 水 運 第12卷 ?電池組組合起來，首先由超級電容器將光伏陣列產(chǎn)生的不穩(wěn)定能量儲存起來，當(dāng)儲存能量達(dá)到某一設(shè)定閾值后開始向蓄電池組充電，當(dāng)?shù)陀谀骋辉O(shè)定閾值時停止充電或浮充。這樣就可以有效的降低蓄電池組內(nèi)部損耗，增加使用壽命，還可以縮小儲能裝置的體積[4]。

圖1 超級電容器與蓄電池組相結(jié)合在太陽能上的應(yīng)用 將來超級電容器比能量有了大幅提高后，在上述方案基礎(chǔ)上可以取消蓄電池組。

（2）蓄電池組協(xié)助超級電容器起動電機(jī)

電動機(jī)類設(shè)備一般在起動時起動電流都很大，若由蓄電池組為其提供電源，即使是專用蓄電池組也會由于大電流沖擊而嚴(yán)重降低蓄電池組的使用壽命。超級電容器具有大電流放電特性，非常適合起動電機(jī)這種情況。圖2是在應(yīng)急發(fā)電機(jī)起動系統(tǒng)中的設(shè)計方案，將超級電容器與蓄電池組組合。在未起動應(yīng)急發(fā)電機(jī)時由蓄電池組為超級電容器充電，在起動發(fā)電機(jī)時蓄電池組退出，只由超級電容器放電；當(dāng)超級電容器儲存能量低于某一設(shè)定值時，再由蓄電池組為超級電容器充電。這樣的設(shè)計顯然會增加應(yīng)急發(fā)電機(jī)機(jī)起動蓄電池組

圖2 超級電容器與蓄電池組相結(jié)合在應(yīng)急機(jī)上的應(yīng)用 將來超級電容器比能量有了大幅提高后，同樣可以取消蓄電池組。

3．回收制動能量

在鉆井平臺上，絞車在下放鉆具的過程中產(chǎn)生的能量是非常大的，由于直接回饋電網(wǎng)會對其產(chǎn)生沖擊，并且有一定程度的諧波污染，同時由于沒有適合快速吸收電能、大容量的儲能裝置，目前的做法是利用制動電阻白白的將這些能量消耗掉[5]。超級電容器具有大電流充放電特性，使其具備了儲存這部分能量的必要條件，將來超級電容器的比能量大幅提高后，按圖3的設(shè)計方案，在絞車下放鉆具時，由超級電容器吸收制動能量并儲存起來，在提升鉆具過程中再將存儲的這部分能量重新提供給負(fù)載，這將有效的節(jié)約燃油消耗。同時由于在提升過程中超級電容器可以大功率放電，很大程度上補(bǔ)充了電網(wǎng)電能，從而使電網(wǎng)電壓及頻率保持穩(wěn)定，提高了電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

三、結(jié)束語

超級電容器行業(yè)還處于快速發(fā)展階段，現(xiàn)有超級電容器產(chǎn)品還存在著很多不足。隨著各行各業(yè)不斷擴(kuò)大對超級電容器的需求，以及各個國家對超級電容器的重視，將來一定會使超級電容器的產(chǎn)品性能得到提升，降低產(chǎn)品價格，在船上也會得到越來越多的實際應(yīng)用，為我們一直提倡的綠色造船做出巨大的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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[3] 于凌字，馮玉萍．世界超級電容器發(fā)展動態(tài)[J]．今日電子，

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能研究[J]．電力電子技術(shù)，2010，2．

[5] 周新民，孫暉．新型儲能元件綜述--超級電容及其應(yīng)用

[J]．變頻器世界，2009，（06）．

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2008，3． 4．協(xié)助燃料電池

燃料電池被認(rèn)為是21世紀(jì)首選的潔凈、高效的發(fā)電技術(shù)，受到各國政府的高度重視，未來在船上必然會受到大力推廣。但是燃料電池有一些缺點，比如沒有能量儲存能力、外特性很軟以及冷啟動困難等。因此系統(tǒng)中需要加入能量儲存裝置[6]，超級電容就是最好的選擇。按圖4設(shè)計方案，系統(tǒng)開機(jī)時，可以由超級電容器向負(fù)載供電，便于燃料電池的自啟動；在系統(tǒng)啟動后，當(dāng)負(fù)載所需功率小于燃料電池的額定功率時，燃料電池對負(fù)載供電的同時對蓄電池組充電；當(dāng)負(fù)載功率大于燃料電池額定功率時，則蓄電池組、燃料電池同時對負(fù)載供電；當(dāng)負(fù)載發(fā)生突變?nèi)剂想姵貋聿患胺磻?yīng)時，可由超級電容器提供和吸收動態(tài)能量提高系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)。

圖4 超級電容器協(xié)助燃料電池的應(yīng)用 目前在地鐵、起重機(jī)領(lǐng)域已有類似應(yīng)用。

圖3 超級電容器在回收制動能量上的應(yīng)用

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