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用設計

徐立豐

（中遠船務工程集團有限公司，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用的設計方案。 關鍵詞：超級電容器；船舶；應用；太陽能

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：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數(shù)kW/kg，是任何一個化學電源無法比擬的，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。其原材料構成以及在生產、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。不需要進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。這是蓄電池無法比擬的。

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 自放電率（%/月） 質量比能量（Wh/kg） 質量比功率（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用設計

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]，在相關的媒體報道中，我們欣喜的看到，甚至已經有廠家（或單位）研究出來了60Wh/kg及280Wh/kg的質量比能量的超級電容器。由此看來，隨著技術水平的進步，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。

2．與蓄電池組相結合

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，還有可能經常進行深度充放電，這樣就會導致蓄電池組的使用壽命嚴重縮短。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，中遠船務工程集團有限公司助理工程師，從事船舶電氣設計。

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生的不穩(wěn)定能量儲存起來，當儲存能量達到某一設定閾值后開始向蓄電池組充電，當?shù)陀谀骋辉O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合在太陽能上的應用 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

電動機類設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，非常適合起動電機這種情況。圖2是在應急發(fā)電機起動系統(tǒng)中的設計方案，將超級電容器與蓄電池組組合。在未起動應急發(fā)電機時由蓄電池組為超級電容器充電，在起動發(fā)電機時蓄電池組退出，只由超級電容器放電；當超級電容器儲存能量低于某一設定值時，再由蓄電池組為超級電容器充電。這樣的設計顯然會增加應急發(fā)電機機起動蓄電池組

圖2 超級電容器與蓄電池組相結合在應急機上的應用 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生的能量是非常大的，由于直接回饋電網會對其產生沖擊，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，很大程度上補充了電網電能，從而使電網電壓及頻率保持穩(wěn)定，提高了電網的電能質量。

三、結束語

超級電容器行業(yè)還處于快速發(fā)展階段，現(xiàn)有超級電容器產品還存在著很多不足。隨著各行各業(yè)不斷擴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品性能得到提升，降低產品價格，在船上也會得到越來越多的實際應用，為我們一直提倡的綠色造船做出巨大的貢獻。

參考文獻

[1] 張琦，王金全．超級電容器及應用探討[J]．電氣技術，2007，

（8）．

[2] 胡曉．超級電容器行業(yè)市場分析與技術現(xiàn)狀研究[J]．機電

元件，2009，（3）．

[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，

2008，12．

[4] 李少林，姚國興．風光互補發(fā)電蓄電池超級電容器混合儲

能研究[J]．電力電子技術，2010，2．

[5] 周新民，孫暉．新型儲能元件綜述--超級電容及其應用

[J]．變頻器世界，2009，（06）．

[6] 金科，等．復合式燃料電池供電系統(tǒng)[J]．電工技術學報，

2008，3． 4．協(xié)助燃料電池

燃料電池被認為是21世紀首選的潔凈、高效的發(fā)電技術，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設計方案，系統(tǒng)開機時，可以由超級電容器向負載供電，便于燃料電池的自啟動；在系統(tǒng)啟動后，當負載所需功率小于燃料電池的額定功率時，燃料電池對負載供電的同時對蓄電池組充電；當負載功率大于燃料電池額定功率時，則蓄電池組、燃料電池同時對負載供電；當負載發(fā)生突變燃料電池來不及反應時，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。

圖4 超級電容器協(xié)助燃料電池的應用 目前在地鐵、起重機領域已有類似應用。

圖3 超級電容器在回收制動能量上的應用

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