超级电容器在直流电源中的应用用

（内蒙古工业大学毕业论文·摘要由于石油资源日趋短缺，并且燃烧石油的内燃机尾气排放对环境的污染越来越严重（尤其是在大、中城市），人们都在研究替代内燃机的新型能源装置。已经进行混合动力、燃料电池、化学电池产品及应用的研究与开发，取得了一定的成效。但是由于它们固有的使用寿命短、温度特性差、化学电池污染环境、系统复杂、造价高昂等致命弱点，一直没有很好的解决办法。而超级电容器以其优异的特性扬长避短，可以部分或全部替代传统的化学电池用于车辆的牵引电源和启动能源，并且具有比传统的化学电池更加广泛的用途。正因为如此，世界各国（特别是西方发达国家）都不遗余力地对超级电容器进行研究与开发。关键词：日趋短缺新型能源装置超级电容器内蒙古工业大学毕业论文目录绪论........................................................................................................................................1第一章超级电容器................................................................................................................21.1超级电容器的概述.........................................................................................................21.2超级电容器的原理.........................................................................................................21.3超级电容器的特点.........................................................................................................31.4超级电容器的发展前景.................................................................................................4第二章超级电容器的应用领域............................................................................................62.1小功率电子设备的后备电源、替换电源或主电源......................................................62.2电动汽车和混合电动汽车..............................................................................................72.3可再生能源发电系统.....................................................................................72.4变频驱动系统的能量缓冲器.........................................................................72.5军事装备领域.................................................................................................8第三章超级电容器的性能......................................................................................................83.1超级电容器的电极材料.................................................................................................83.2超级电容器的充放电性能...........................................................................................113.2.1超级电容器的充电性能...........................................................................113.2.2超级电容器的放电性能...........................................................................11第四章超级电容器在直流电源中的应用..............................................................................124.1直流电源的介绍............................................................................................................124.2直流电源的分类............................................................................................................134.3超级电容器应用于直流电源问题的引出....................................................................144.4超级电容器单独储能的直流电源系统可行性分析....................................................154.5超级电容器-蓄电池混合储能直流电源......................................................................15总结..........................................................................................................................................17致谢..........................................................................................................................................18参考文献..................................................................................................................................19内蒙古工业大学毕业论文1绪论在我国，l10kV、35kV、10kV终端变电站以及厂用6kV配电系统，广泛采用了蓄电池直流电源和硅整流电容储能直流电源作为操作、控制以及保护电源。由蓄电池组成的直流电源，可以存储很大的电能从而实现停电时长时间的直流供给，在一些重要变电站(如110kV及以上级别的变电站)应用广泛。然而有些末端站及用户站，实际上并不需要停电后长时间的直流供给，只是在分、合闸操作时需要直流电能。考虑到要保证事故分闸的可靠性使用了蓄电池式直流电源，必然带来很高的运营成本，设备需要经常的维护保养且使用寿命很短。另外故障率也因其电池的多节串联而增加，任何一节电池有问题，都将影响整个蓄电池组的正常工作，且废弃蓄电池对环境带来很大危害。由于上述设备存在的问题，人们迫切希望有较好的办法来解决，超级电容器的出现及其具备的优良性能为解决这一问题带来了希望。当前，超级电容器储能技术在国内还处于前沿探索阶段，因此对超级电容器储能及应用技术开展深入的研究具有十分重要的意义，可以为解决电力系统、可再生能源、电动汽车以及冲击性负载中出现的问题提供一个新的解决方案。超级电容器单独储能和超级电容器与蓄电池组成混合储能系统在我国仅仅处于理论研究与初步试用阶段，而系统的研究超级电容器直流储能单元、超级电容器充电均压、混合储能系统模型及其实际应用设计可以为超级电容器的产业化发展打开市场之门，意义深远。本文课题是基于包括以上观点进行开展的，主要介绍了超级电容器的原理以及发展前景。作为一种新型的储能系统，在直流电源中的应用将会更加广泛，因此，论文以直流电源中存在的问题为引，介绍了超级电容器在直流电源中的应用。内蒙古工业大学毕业论文2第一章超级电容器1.1超级电容器的概述超级电容器，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，但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。超级电容器可以被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，实际上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。超级电容器是建立在德国物理学家亥姆霍兹提出的界面双电层理论基础上的一种全新的电容器。众所周知，插入电解质溶液中的金属电极表面与液面两侧会出现符号相反的过剩电荷，从而使相间产生电位差。那么，如果在电解液中同时插入两个电极，并在其间施加一个小于电解质溶液分解电压的电压，这时电解液中的正、负离子在电场的作用下会迅速向两极运动，并分别在两上电极的表面形成紧密的电荷层，即双电层。它所形成的双电层和传统电容器中的电介质在电场作用下产生的极化电荷相似，从而产生电容效应，紧密的双电层近似于平板电容器，但是，由于紧密的电荷层间距比普通电容器电荷层间的距离更小得多，因而具有比普通电容器更大的容量。双电层电容器与铝电解电容器相比内阻较大，因此，可在无负载电阻情况下直接充电，如果出现过电压充电的情况，双电层电容器将会开路而不致损坏。这一特点与铝电解电容器的过电压击穿不同。同时，双电层电容器与可充电电池相比，可进行不限流充电，且充电次数可达10^6次以上，因此双电层电容不但具有电容的特性，同时也具有电池特性，是一种介于电池和电容之间的新型特殊元器件。1.2超级电容器的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内蒙古工业大学毕业论文3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板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，因此电容量非常大。当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态（通常为3V以下），如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解，为非正常状态。由于随着超级电容器放电，正、负极板上的电荷被外电路泄放，电解液的界面上的电荷相应减少。由此可以看出：超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应。因此性能是稳定的，与利用化学反应的蓄电池是不同的。1.3超级电容器的特点由于超级电容器的结构及工作