超級電容和鋰電池在船舶中的應(yīng)用研究

　　摘要分析了船舶電力推進系統(tǒng)所面臨的難題，針對這些難題引入了儲能元件。分別介紹了兩種典型的能量儲存技術(shù)即超級電容技術(shù)和鋰電池技術(shù)，對這兩種技術(shù)的基本原理和各自的優(yōu)缺點進行了歸納，給出了應(yīng)用與實際船舶的實例。結(jié)果表明混合儲能技術(shù)的使用不僅可以平抑船舶電網(wǎng)功率波動，還可以節(jié)省燃油減少有害氣體的排放。

陳 剛 張思全(上海海事大學物流工程學院，上海201306)

　　在多數(shù)情況下，船舶電力推進系統(tǒng)都是內(nèi)燃機驅(qū)動發(fā)電機組為系統(tǒng)供電。由于海洋環(huán)境復(fù)雜多變，負載是變化的，當負載偏離最佳負荷點時，燃油就會得不到充分燃燒，燃油的利用率隨之大幅度下降，同時會產(chǎn)生大量的氮氧化物和硫氧化物，對環(huán)境造成污染。能量存儲技術(shù)是解決這一問題的辦法之一。

　　利用儲能單元在系統(tǒng)輕載時將多余的能量儲存起來，來防止該能量對電網(wǎng)的沖擊。在系統(tǒng)過載時，儲能單元釋放能量來滿足負載的需求。能量存儲技術(shù)已經(jīng)很好的應(yīng)用于電動汽車行業(yè)。而大容量能量存儲技術(shù)的發(fā)展，使得儲能單元應(yīng)用于船舶電力推進系統(tǒng)成為可能，利用儲能單元來克服功率波動對船舶電力推進系統(tǒng)的影響將是未來船舶推進技術(shù)發(fā)展的新方向。

　　1超級電容器技術(shù)

　　1.1超級電容器的結(jié)構(gòu)

　　超級電容有時也被稱為電雙層電容器，或雙層電容器，是一種擁有高能量密度的電化學電容器，一個標準電池大小的電解電容為幾十微法拉，但同樣大小的超級電容器則可以達到幾法拉，差別可達五個數(shù)量級。電容通過電容效應(yīng)存儲能量，它的容量和電極的表面積以及電解質(zhì)的介電常數(shù)成正比，和電極之間的距離成反比。超級電容使用高介電常數(shù)電解質(zhì)，它的電極采用多孔活性炭材料可以大大增加其表面積，這是超級電容能儲存巨大能量的主要原因。通常情況下，兩個電極由中間一塊多孔活性炭薄膜隔開，兩邊是水或者有機電解液。圖1展示了雙層電容以及普通電容的結(jié)構(gòu)原理。

　　1.2超級電容器的優(yōu)缺點

　　超級電容的優(yōu)點

　　1)高電流容量。超級電容設(shè)計時搭配一個很低的等效串聯(lián) 電阻，因此電容能夠發(fā)送以及吸收很高的電流。超級電容的低等效串聯(lián)電阻能夠使電容迅速充電，電容本身的特點允許電容以同樣的速度充放電，這是電池做不到的。

　　2)使用壽命長。超級電容的能量存儲機制是高度可逆的過 程，這個過程只移動電荷和離子，而不會制造或破壞化學鍵，因此充放電循環(huán)次數(shù)可以達到數(shù)十萬次。小循環(huán)充放電和深度循環(huán)充放電都不會損害超級電容的性能，使得超級電容的使用較為靈活。此外，超級電容容易存儲，長時間放置不會對其性能造成影響。

　　3)溫度范圍廣。由于超級電容無需借助化學反應(yīng)就可以工作，因此能在極大的溫度范圍內(nèi)運作。超級電容能在-40℃～+65℃內(nèi) 正常工作。

　　4)環(huán)境友好。超級電容使用的材料都是無環(huán)境污染的，在工 作過程中也不會產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)。

　　5)維護保養(yǎng)容易。超級電容基本上不需要保養(yǎng)，沒有存儲效 能，不存在放電過量的情況，能夠在任何額定電壓或低于額定電壓的情況下工作。

　　6)狀態(tài)監(jiān)控容易。由于在電容內(nèi)儲存能量只是電容和電壓 的功能，而且電容相對恒定，因此單程開放電路電壓測量就可以確定荷電狀態(tài)。

　　7)延長其他能源的使用壽命。像電池、專業(yè)發(fā)動機以及燃料 電池這類能源在瞬態(tài)情況下表現(xiàn)不是很好。對一些元件來說，瞬態(tài)過程會極大縮短元件的使用壽命。結(jié)合超級電容和這些能源的使用，可從主要的能源中空載很多此類瞬態(tài)值。

　　超級電容的缺點

　　1)能量密度低。超級電容的能量密度為1～10Wh/kg，為鋰電池的1/10。

　　2)端電壓變化較大。超級電容的端電壓在充放電過程中不 斷變化，因此需要在儲能元件和負荷之間安裝調(diào)壓裝置才能保 持負荷側(cè)電壓穩(wěn)定，這使得儲能系統(tǒng)的成本增加。

　　3)價格昂貴，超級電容單體的價格為鋰電池的數(shù)十倍。

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