超级电容器

超级电容器（共12篇）（共12篇）

1.超级电容器 篇一

电器行业：超级电容器成长空间巨大

2010-05-12

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中国超级电容器产业总规模2006年-2008年分别达到3.9亿元、5.7亿元、8.6亿元和13.3亿元，年复合增长率达到了24.4%。目前超级电容器占世界能量储存装置的市场份额不足1％，在我国所占市场份额约为0.5％，超级电容器存在着巨大的市场潜力。产品具有的充放电速度快、对环境无污染、循环寿命长等优点，彰显出无可替代的优越性。由于其巨大的电容量以及快速的充放电速率，超级电容器在新能源汽车、节能设备以及智能电网领域有着非常广泛地应用。相比于国外研究超级电容器起步较早，技术相对比较成熟。许多国家均把超级电容器作为国家的重点研究和开发项目。国内起步较晚，但是在一些技术方面国内超级电容器生产商已经达到国际领先水平。目前国内主要生产经营超级电容器的公司有上海奥威科技开发有限公司、北京合众汇能科技有限公司、锦州凯美能源有限公司、哈尔滨巨容新能源有限公司等十几家公司。方正证券分析师欧阳仕华表示，超级电容器行业在我国属于新兴行业，现在处于起步阶段，未来发展空间巨大。建议关注技术壁垒比较高的上游电解液原料生产企业，如新宙邦，以及中游产业中既有技术基础，又有规模优势的电容器生产商，如法拉电子、铜峰电子等。

2.超级电容器 篇二

随着人类对能源的需求量与日俱增、传统能源的几近匮乏和耗能设备的持续增加而日益加剧, 其导致的直接后果是, 一方面人们会对传统的能源剥夺更为激烈, 另一方面会对环境造成巨大的压力。因此, 急需一种解决上述问题的有效途径, 从而缓解人类对于能源的大量需求, 这正是新能源材料逐步成为未来社会主流能源的内在动因和推动力量。新型环保节能设备, 超级电容器在这一时代背景下应运而生, 并在当今社会逐渐地占有一席之地。根据充放电机制的不同, 电化学电容器可以分为以下几类:

(1) 双电层电容器。这类材料通常采用高比表面积的碳材料作为电极使用, 主要包括:活性炭、碳毡、碳气凝胶、碳纤维以及目前较为热门的碳纳米管、碳纳米片和石墨烯等[1,2,3,4,5]。这类材料是通过利用电极和电解质界面的双电层来存储电荷的。碳材料作为双电层电容器的工作电极, 主要利用了其较高的比表面积、优异的循环稳定性、宽的电位窗口、可用于有机电解质体系从而在更宽的温度范围内使用等优点。但是碳基双电层电容器的不足也是很明显的, 相较于后文所介绍的赝电容电极而言, 双电层电容器往往存在着比电容普遍较低的弊端, 一般小于500F/g (而赝电容材料的比电容数值往往都在500F/g以上) , 改进其不足的方式主要可以通过对碳材料表面进行活化以引入含氧官能团、提高碳材料的比表面积、与赝电容材料进行复合等方法。

(2) 赝电容超级电容器。这类电容器的电极材料往往选用赝电容材料, 它们是通过表面或近表面快速、近可逆的化学反应来实现电荷存储的。而如果将赝电容进一步细化, 可以分为二维反应过程中电化学活性分子的单分子或类单分子层在基体表面发生电吸附和脱附进而转移电荷的“吸附赝电容”以及电活性物质通过氧化还原反应产生氧化态或者还原态来存储能量的“氧化还原赝电容”两种类型。赝电容材料主要有过渡金属氧化物和氢氧化物[6,7]、导电聚合物两种。过渡金属氧化物和氢氧化物通过表面和/或内部的氧化还原反应来进行电荷转移过程, 进而存储能量, 而导电聚合物材料主要是利用其掺杂-去掺杂电荷过程来实现能量的存储和释放。赝电容电容器的优点是能够通过提供较高的比电容, 往往能够达到1000F/g以上, 同时可以通过制备手段的变化, 形成多种形貌、结晶度、相结构的电极材料, 从而得到具有不同电化学性能的电极材料。

(3) 混合型超级电容器或称非对称型超级电容器。它们是指由形成双层电容的碳负极与其它碳材料、金属氧化物、金属氢氧化物、导电聚合物或无机化合物等材料作为正极构成的超级电容器。目前水溶液电解质体系中, 已有碳-氧化镍混合电容器产品, 同时正在发展有机电解质体系的碳-碳、碳-二氧化锰等混合型超级电容器[8]。

此外, 根据所工作电解液的不同, 超级电容器又可以分成液相和固相两种。液相超级电容器又可以分为水系、有机系、熔融盐以及离子液体等类型, 水相体系主要采用的是水溶液作为溶剂, 选用不同的酸、碱或者无机盐作为电解质或者氧化还原反应物以实现其电极工作的, 其优点在于许多高理论比容的赝电容电极材料都是通过该体系得以实现的, 但是, 水的分解电位 (即发生析氢和析氧过程的电位) 以内所能工作的电位窗口较窄, 往往只在1V范围内, 因此限制了超级电容器能量密度的提高;而有机电解液或者离子液体, 往往能将工作电位窗口提高到3V以上, 在一定程度上满足了超级电容器高能量密度的要求, 但是能够在该体系中工作的电极材料种类不如在水系中的多, 一般主要有碳材料、二氧化锰、氧化钌等, 而对于大部分的赝电容电极材料来说, 由于在该电解液体系中不能提供其表面氧化还原反应所必须的反应离子, 因为在很大程度上受到了局限和制约。

2 结论

超级电容器可分为双电层电容器、赝电容超级电容器、混合型超级电容器或称非对称型超级电容器。根据所工作电解液的不同, 超级电容器又可以分成液相和固相两种。

摘要：超级电容器是一种新型绿色储能装置, 电化学电容器 (又叫超级电容器) 由于兼有传统电容和电池的双重功能, 其具有充电速度快、放电电流大、效率高、体积小、循环寿命长、工作温度范围宽、可靠性好、免维护和绿色环保等优点, 在汽车、电力、铁路、通信、国防、消费性电子产品等方面有着巨大的应用价值和市场潜力, 引起了国内外科研机构、生产厂家的高度重视, 因而在人类生活和生产的各个领域都有着广阔的应用前景。本文主要对超级电容的分类进行了简要阐释。

关键词：超级电容器,分类,原理

参考文献

[1]Sun Dongfei, Yan Xingbin, Lang Junwei.JOURNAL OF POWER SOURCES[J], 2012, 222, 52-55.

[2]Zhou Zhengping, Wu Xiang-Fa.JOURNAL OF POWER SOURCES[J], 2013, 222, 410-416.

[3]Li X., Zhitomirsky, I..JOURNAL OF POWER SOURCES[J], 2012, 221, 49-56.

[4]Fic Krzysztof.Frackowiak Elzbieta.Beguin, Francois.JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY[J], 2012, 22 (46) :24213-24223.

[5]Khanra Partha, Kuila Tapas, Bae Seon Hyeong.JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY[J], 2012, 22 (46) :24403-24410.

[6]Yan Tao, Li Zaijun, Li Ruiy.JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY[J], 2012, 22 (44) 23587-23592.

[7]Wang Xu, Liu Wan Shuang, Lu Xuehong.JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY[J], 2012, 22 (43) :23114-23119.

3.智能电网中超级电容器的应用分析 篇三

关键词：智能电网；超级电容器；应用

中图分类号： TM3 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）10-191-2

0 引言

近年来，人们对于能源的需求量越来越高，使得能源产业之间的竞争也异常激烈，智能电网作为现代化输电与配电的总称，其能够有效节省能源，在智能电网的建设过程中，新能源技术将重新来定义人们的生活。若将电网技术与通讯手段进行连接，那么就能很好地保障基础电网的储能技术，而超级电容器是十分重要的储能设备，对于智能电网的长远发展有着重要的意义。

1 智能电网的主要特点

智能电网的建设是为了更好地实现以下几个目标：分布式能源的利用、电力供应商间的良性竞争、电网自动化监测系统的完善、电力供应质量的加强、电力用户间的互动、节省能源，其中节省能源为主要目的。今后的智能电网其会由自动化输电系统与配电系统来构成，其运作方式也会更加协调、可靠，并且其有着以下几个特点：快速满足电力市场供应需求、安全灵活应用现代通信技术、提供安全可靠电力服务、快速诊断与消除故障等功能。将智能电网与以往的用电、配电模式相比较，智能电网主要是依靠现代信息与通信技术来实现电网的自动化和智能化，通过低碳、绿色的相关概念来减少电力能源的消耗，这样就能更好地满足电力市场可持续发展的目标。智能电网的技术关键在于电网运行管理、分布式能源、用户管理几个方面，分布式能源是由储能技术与分布式发电组成的，将超级电容器作为储能技术的主要系统，有利于提高智能电网的电力供应质量。

2 超级电容器的分类

2.1 双电层电容器

双电层电容器是指利用电极与电解质间所形成的界面双层来完成能量存储的元器件，详见图1，一旦电极与电解液之间进行接触，那么就能根据分子间力、原子间力之间的作用，来使固液界面具有更加稳定的双层电荷，以此被称为界面双层。双电层电容器主要使用的电极材料有以下几种：多孔碳材料（见图2）、有活性炭、碳纳米管等，因双电层电容器容量大小与电极材料之间的孔隙率有着直接的联系，所以孔隙率越高，那么电极材料的表面积就会越大，自然双电层电容量也就越大，但这也不意味着所有的孔隙率高，电容器容量都会增大。将电极材料的孔径大小保持在50nm以下，就能够很好地提高孔隙率的表面积。

2.2 赝电容器

赝电容器又被称为法拉第准电容，其是基于电极材料表面与体相间的二维空间之上，使电活性物质出现欠电位沉积，而发生的还原反应、化学吸附，最终产生电极相关的电容。因所有的反应在体相之间进行，所以才使得体系需要

实现的最大电容值更大，而对于氧化还原型电容器来说，在相同体积下的赝电容器容量是双电层电容器容量的近100倍。

3 智能电网中超级电容器的应用途径

3.1 短时供电

微电网有两种较为特殊的运行模式，一种是在正常情况下，微电网与常规配电网之间进行并网运行，故而被称为并网运行模式，另一种是在检测电网出现故障或无法满足其相关要求时，微电网及时断开自身而进行独立运行，故被称为孤网运行模式。微电网需要在常规配电网中吸收一些功率，所以微电网运行模式转变时，就会出现功率缺乏的现象，安全、可靠的储能设备安装有利于两种模式之间的平稳转换。

3.2 缓冲装置

微电网规模很小，其系统惯性也小，所以使得网络与负荷经常发生一些波动，这些波动会对微电网的运行产生较大的影响，通常工作人员会将微电网中的高效发电机额定容量进行固定，但微电网的负荷却会因为天气等客观因素而产生变化，这就意味着若想满足峰值负荷供电，那么就必须选择燃油或燃气来进行调整，但因为这一类能源的运行费用较为高昂，故而只能作罢。将超级电容器用于此系统之中，其能在负荷期间主动调整微电网的功率需求，因超级电容器的密度较大，所以更加适合负荷最高峰的选择。

3.3 改善质量

超级电容器储能系统有利于改善微电网的电能质量，其可以利用逆变器的控制单元，来对用户和网络进行超级电容器储能系统的调节，这样一来就能实现提高电能质量的目的。超级电容器具有吸收快、功率电能放大快的特点，若将其用于微电网电能质量装置的调节过程中，有利于解决一系列系统暂态问题，如瞬时停电、电压骤降等问题，能夠利用超级电容器来为其提供功率之间的缓冲，自然也就能够吸收和释放电能，以达到电网电压波动的稳定性。

3.4 优化运行

绿色能源是指风能、太阳能，其没有均匀性，会在电能输出方面产生较大的变化，根据这一特性就需要使用缓冲器来进行能量的存储。因这一类能源所产生的电能输出是无法满足微电网符合高峰电能需求的，所以更加需要为储能装置在短时间内提供更加充足的电能，一直到发电量开始增加，那么才能够逐步减少电量的需求量。例如，太阳能发电的夜晚，风力发电的无风等情况下，都需要利用储能系统来解决这些问题，来完成电能需求的过渡阶段。

4 结语

综上所述，本文就智能电网中超级电容器的应用进行了详细地分析，得知能源生产过程需要稳定地发展，而不是不断变化的过程，若将储能装置更好地应用在能源生产过程中，不仅能够高效、可靠的将能量存储在储能装置之中，更能在最短时间内为其提供相应的能源。总之，超级电容器具有寿命长、无污染等优点，将其应用于智能电网中有利于电力企业的长远发展。

参 考 文 献

[1] 罗星，王吉红，马钊.储能技术综述及其在智能电网中的应用展望[J].智能电网，2014（01）：7-12.

[2] 王彦庆.超级电容器在智能电网中的应用[J].电子元件与材料，2014（01）：79-80.

[3] 王承民，孙伟卿，衣涛，颜志敏，张焰.智能电网中储能技术应用规划及其效益评估方法综述[J].中国电机工程学报，2013（07）：33-41+21.

[4] 甄晓亚，尹忠东，孙舟.先进储能技术在智能电网中的应用和展望[J].电气时代，2011（01）：44-47.

4.超级超级污的段子 篇四

2.今天在咖啡店习惯性的点了一根烟，抽了两口之后突然想起来，二手烟是有害他人健康的，感觉很惭愧，于是我让王超把其他人都赶了出去。(大哥王振华去谈生意，一言不合，对方操起西瓜刀就架他脖子上。“哈哈哈哈哈”他大笑起来。 对方疑惑的问：“你…笑什么…?” 振华缩着脖子说：“(*^__^*) 嘻嘻，我怕痒。”

3.下楼取快递，看见快递员穿的羽绒服和我网购的是同一款，我说：这么巧，我也买了一件这个。他边说边脱：这件就是你的，车子装不下了，只好穿着了。

4.我告诉王超：“如果马建国再不还钱，你就用红漆在他大门上写 [ 欠债还钱 ] 。”经过三个月的追债，王超荣获我县青年书法大赛三等奖。

5.(今天下大雪，刚才出门见一大爷摔倒了，我过去问道：大爷，我一月工资不到3500块钱，能扶您起来么? 大爷：小伙子，你走吧，我再等一会。 我：好勒，谢谢大爷! 天气虽冷，大爷的话却是暖暖的，满满的都是正能量。。。

6.商场超市一到年末就会自动分成三种，第一种在循环中国娃娃的《发财发福中国年》，第二种在循环刘德华的《恭喜发财》，第三种把两首歌曲一起循环放。

7.爱上陈妍希了，我要册封她为我的墩儿答应，心情不好的时候，我就大袖一挥，来人呐，把我的墩儿答应传来，叫她随便干点啥让我笑会儿，不一会儿就听到地动山摇的脚步声从远方靠近

8.在哪里在哪里见过你

9.下雨天，一个年轻的女孩在雨中奔跑，我心里很受触动，劝她说：“姑娘别跑了，没伞就找个地方躲雨吧。” 她说：“你他妈别跑，把伞还给我!”

5.超级电容器 篇五

华与华方法”的只言片语在营销界流传已广，“超级符号”“品牌寄生”等词汇也被越来越多的营销人知道、理解和应用，但作为本土营销界成体系的营销思想，十余年来，“华与华方法”一直是以残篇断章的形式，被爱好者、研究者通过打印机、复印机、转发帖或者U盘传播。

所谓超级符号的核心思想很直接，就是不要凭空创造新的概念，而是将品牌的概念寄生于一个已经深入人心的符号。这个符号的概念不只是Logo，是名字，是包装，也是宣传语。

『超级符号是人们本来就记得、熟悉、喜欢的符号，并且还会听它的指挥;超级符号是蕴藏在人类文化里的“原力”，是隐藏在人类大脑深处的集体潜意识。它已经为掌握引爆它引信的人积聚了数万年的能量』。

全书围绕『超级符号』的概念，引用了很多案例，从商标设计，产品命名，品牌口号，营销文案，广告设计等一系列的角度来诠释它的威力。

超级符号概念背后的商业逻辑，是一切创意都是为了降低营销成本，比如大幅降低用户的认知成本，决策成本，传播成本。从更本质的人类认知习惯的层面来说，就是人们天然喜欢接受熟悉的内容，选择熟悉的产品，传播熟悉的语句。而当企业做一款新产品的时候，通过超级符号的运用，可以将一个全新的品牌一夜之间变成亿万消费者的老朋友。可以在一夜之间将一个全新的品牌变为亿万消费者的老朋友。

我们正处在一个信息碎片化的时代。人们对一个品牌的印象是来源于一些记忆碎片的堆积，比如你对可口可乐的印象就是几十年来，无数的记忆碎片堆积起来，形成的那个印象。那么要如何创建品牌符号?那就要从我们人类的五大感觉来说起。他们分别是视觉，听觉，嗅觉，味觉，触觉，这五大感觉就是五条品牌符号化路径。

读完这本书，我认为有三点非常重要：

“宣传的力量来源于重复”。从之前很多的广告例子都能总结出一点，那就是它们中大部分的宣传语都是很容易被人遗忘的。但是拿脑白金为例，它的广告语一直都没有变过，而且在电视投放上占据了大量的时段，这也是大家对它记忆犹新的一大原因。

口号一定要简单，不仅要口语化，还要能形成套话模式，因为这种形式更能让人有深刻的印象，容易被记住。因此，只有朗朗上口的才便于记忆，更方便传播。

6.电容器 电容 篇六

平行板电容器，静电计，各种电容器（包括“25V  4700μF”电容一只和一个可用来拆开的纸制电容器）．学生电源一个，导线若干，起电机．

二、教学过程：

（一）课堂讲解

1、电容器

教师讲解（开门见山），出示图片：通过前面的学习，我们知道：靠近带电物体的接地导体上有感应电荷．带电体和接地导体便具有储存电荷的功能．这种装置我们称为电容器，既“储存电荷的容器”，实际上，任何彼此绝缘又相隔很近的导体，都可以看成是一个电容器，贮藏电量和能量，而两个导体称为电容的两极．

教师讲解：下面我们具体了解一下电容器的结构．

演示实验1：将一个纸制电容器轻轻展开，让学生观察元件结构，识别绝缘层和极板．

教师讲解：电容器中将两片锡箔纸作为电容器的两个极板，两个极板非常靠近，中间的绝缘层用薄绝缘纸充当，分别用两根导线连接两极．这就是电容器的结构．（在这里，可以参考媒体资料中的视频类素材“电容器的结构”）

我们首先将电荷充入电容器中，在使用时再将电荷放出，这两个过程叫做电容器的充电、放电过程．

2、电容

演示实验2：将“25V  4700μF”的电容器与电源（16V）相连，充电后将电容器的两极板短路，产生放电火花并发出声响．演示电容器充放电的课件资料．

教师讲解：为了深入了解电容器的工作原理，我们用下面的实验装置来研究电容器的充放电过程．

演示实验3：利用起电机对相对放置的平行金属板构成的电容器充电，用静电计进行检验，检验两个极板的电荷是等量且相异的．

引导学生分析：两极板积累异号电荷越多，其中带正电荷一极电势越高，带负电荷一极电势越低，从而电势差越大．

问题1：电容器可以充入的电量 是无限的么？电容器容纳电荷多少与什么有关？

教师讲解：理论研究告诉我们，电容器可以充入的电量 并不是无限的，随着电势差的变化，电量 也随之增大，对同一个电容器， 是一个与电量、电势差无关的常量，对不同的电容器，电势差增加1伏所需要增加的电量是不同的，也就是 是不同的常数，因此，我们认为 能够反映电容器容纳电荷的能力，并由此定义了一个新的物理量――电容，符号 ，让 ．

①定义：电容是描述电容器容纳电量特性的物理量．它的大小可用电容器一极的带电量与两极板电势差之比来量度．

②量度：

③单位：法拉（F）

常用单位有微法（ F），皮法（pF）

3、平行板电容器的电容

电容器的电容是一个与与电量、电势差无关的物理量，它的大小是由电容器本身的结构决定的．那么电容器的电容跟电容器结构的哪些因素有关呢？

教师出示平行板电容器：现在我们研究平行板那电容器的电容跟哪些因素有关．

演示实验4：参考书中110实验．

（l）构成：两块平行相互绝缘金属板．

①两极间距d；②两极正对面积S．

（2）量度：   Q是某一极板所带电量的绝对值．

（3）影响平行板电容器电容的因素：

① ，（ 、不变）

② ，（ 、不变）

③两极板间插入电介质时比不插入电介质时电容大．

给出电容公式：

为介电常数，k为静电力恒量．这里也可以用能的观点加以分析：电介质板插入过程中，由于束缚电荷与极板上电荷相互吸引力做功，电势能减少，故电势差降低．

4、出示常用的电容器（可以观看有关电容的视频）

（1）介绍固定电容器．

（2）介绍可变电容器．

（3）介绍击穿电压．

三、典型例题讲解（参考典型例题）

四、布置课下作业

7.超级电容器对航标能源发展的影响 篇七

超级电容器是一种新型储能装置,它结合了传统电容器和蓄电池之间特点,具有功率密度大、单体容量大、循环寿命长、免维护、经济环保等优点,是一种应用前景广阔的化学电源。石墨烯被称为“万能材料”,在各大科技领域都具有不可小觑的潜力。石墨烯基超级电容器的产生和使用更是增强了超级电容容器的能量密度和功率密度,拓宽了超级电容的应用领域。

本文在结合北方海区实际情况的基础上,阐述了航标太阳能供电系统的应用现状,介绍了超级电容器的工作原理、石墨烯基超级电容器的基本情况以及超级电容器应用在航标灯上的优势,重点在于研究超级电容器作为新型航标能源的可行性和关键因素。

1 航标太阳能供电系统使用现状

在未使用太阳能供电系统等新能源之前,北方海区航标设施及航标人员所需电力,主要由柴油机发电或锌空电池等能源提供。频繁的油品补给、锌空电池更换等工作,不仅耗资巨大,而且极易造成环境污染。为解决这一问题,北方海区及时跟踪太阳能供电系统的发展,逐步确定、完善太阳能供电系统实施方案并在海区进行推广,将其成功地应用到灯塔、灯桩、导标、灯船、灯浮标、偏远航标人员生活等诸多航标设施。截止2012年,北方海区已经有83.6%的航标采用了太阳能供电系统。

目前,青岛航标处6座灯塔、74座灯桩和507座灯浮标均采用太阳能供电,且80%以上系统采用铅酸蓄电池。一般情况下,阀控式密封铅酸蓄电池的设计浮充寿命为10年,但是,我们在实际工作过程中发现,这些铅蓄电池总逃脱不了提前报废的怪圈:抛射出去的灯浮电池电压下降快,远达不到设计标准和规定的要求;原本应该两年免维护的灯浮,应用不到一年就得更换电池。究其原因,主要是因为航标太阳能供电系统充放电控制器设计简单,只考虑蓄电池的过充电保护和放电保护,忽视了太阳能电池板输出电能的变化,而且铅蓄电池充电接受能力差、充放电效率低,这不仅降低了航标能量系统可靠性,更增加了航标日常维护费用。

2 超级电容器在航标灯上应用优势

鉴于铅蓄电池寿命短、成本高的诸多缺点,寻找一种性能更好的化学能源成为航标能源发展的必然趋势。

2.1 超级电容器简介

作为一种新型储能装置,超级电容器介于传统电容器和充电电池之间,其容量可达数百至上千法拉。超级电容器分类尚未统一,一般认为主要包括双电层电容器和电化学电容器两大类。

2.1.1 双电层电容器

双电层电容器是靠极化电解液来储存电能的一种储能装置,其两级是多孔极化电极。关于双电层的理论模型有很多,其中以德国亥姆霍兹(Helmholtz)的模型最为经典。该模型认为当金属插入电解液中时,金属表面上的静电荷将从溶液中吸引部分不规则分配离子,使它们在电极-溶液界面的溶液一侧,离电极一定距离排成一排,形成一个电荷数量与电极表面剩余电荷数量相等而符号相反的界面层。这个界面由分配在电极上和溶液中的两个电荷层组成,也就是我们所说的双电层。电容器的电容量计算公式:

式中,E为电容器器储能大小;C为电容器电容量;V为电容器的工作电压。

通过公式我们不难看出,双层电容器的容量与电极电势和材料本身有关。通常情况下,双层电容器采用活性碳粉或者活性碳纤维作为极化电极,其多孔性结构能扩大电极与电解液接触面积,进而增加超级电容器的容量。

2.1.2 电化学电容器

电化学电容器储能机理是在具有氧化还原活性的电极表面,通过电极和电解质之间发生快速可逆的氧化还原反应来储存和释放能量。电极材料主要有金属氧化物、金属氢氧化物或者导电聚合物等。在相同表面积下,电化学电容器的容量是双电层超级电容器的静电容量10~100倍。但由于电极材料的导电性能较差,材料发生氧化还原反应时结构容易被破坏,因此电化学电容器能量密度和循环性能相对较差。

2.2 石墨烯基超级电容器

目前,超级电容器的研究重点和难点是提高能量密度和功率密度,其关键是发展具有比表面积大、电导率高和结构稳定的电极材料。石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构碳材料,具有比表面积大、电子导电性和导热性高等突出优点,符合超级电容器对电极材料能量密度和功率密度的要求。石墨烯超级电容器结构及原理如图1所示。

石墨烯是完全离散的单层石墨材料,其整个表面可以形成双电层,但是在形成宏观聚集体过程巾,石墨烯片层之间互相杂乱叠加,影响石墨烯材料在电解质中的分散性和表面可浸润性,降低了石墨烯材料的有效比表面积和电导率。因此,避免石墨烯堆叠是制备高能量密度和高功率密度石墨烯基超级电容器的技术难题之一。

2.3 超级电容器和蓄电池性能比较

蓄电池属于二次电池,其充放电过程是一种可逆式电化学反应,铅蓄电池的电解液是硫酸水溶液,在充放电过程中,蓄电池内电流的形成就是靠正负离子的反方向运动来实现的。

超级电容充电原理与蓄电池原理不同,其充电要求比蓄电池低,充电没有最低门限电压,从0 V开始充电,且能量转换效率特别高,可以达到95%。

表1比较了几种电化学储能器件的性能,我们可以看出:超级电容器的能量密度(Wh/kg)比普通电容器高10倍以上;功率密度(W/kg)是高出充电电池两个数量级,非常适合需要大电流放电脉冲的设备(如闪光灯);超级电容器充电迅速,通常1~2分钟即可充电完成,且充放电次数高达105次。因此,使用超级电容器作为航标灯能源,将会带来使用寿命长、充放电效率高、免维护、无污染等优势。

3 今后研究的方向和重点

在我国发展新能源政策的指导下,超级电容器显示出强大的生命力,目前已广泛应用于太阳能发电和风力发电系统中。但是也应该看到,超级电容器存在超级电容不够大、价格比较高等缺陷,目前还不能完全替代铅蓄电池。所以,为达到提高小功率太阳能源系统效能的目的,我们可以采用超级电容+蓄电池混合的供电方案。有相关单位研究了混合储能在独立光伏等分布式发电系统的应用,实验结果证明,混合储能可以优化蓄电池的充放电过程,减少充放电循环次数,延长蓄电池的使用寿命,从而降低维护成本。

结合北方海区航标能源实际应用情况,在设计航标超级电容蓄电池混合储能方案时应注意以下几个环节。

3.1 混合储能系统要考虑超级电容器的影响因素

超级电容器应在标称电压下使用。因为当电容器电压超过标称电压时会导致电解液分解,同时电容器会发热,容量下降,内阻增加,使其寿命缩短;要注意超级电容器的安装位置,位置不合理会引起电解质泄露等问题,破坏电容器的结构性能。

3.2 混合储能系统要考虑与一体化灯器结合

目前北海海区普遍应用的AIS一体化灯器主要是由锂离子电池构成,锂离子电池与铅酸蓄电池电极材料、电解液、电池比能量、比功率、每月自放电率、循环使用寿命均有不同,因此在设计方案时要充分考虑一体化灯器对供电系统的能量要求。

3.3 混合储能系统要考虑安装、巡检的便捷性

目前使用的太阳能供电系统主要由蓄电池、太阳能支架组成,重量普遍偏重(蓄电池约重30 kg、太阳能支架约重10 kg),不利于航标作业人员在海上进行安装、维护,混合储能系统在设计时要考虑安装、维护的便捷性,在达到系统要求的前提下尽量减小系统重量。

4 结语

超级电容器的出现解决了制约航标能源发展的瓶颈,石墨烯基超级电容器的出现更是打开了航标新能源发展的大门。目前,我国首条石墨烯基超级电容器生产线已建成,石墨烯基超级电容器样品成功下线。这标志着我们在石墨烯应用领域又取得新突破,推动了石墨烯基超级电容器的产业化进程。随着技术的进一步发展,超级电容器必将逐步取代目前需频繁更换的航标蓄电池,成为航标能源的重要储能元件,为航标能源免维护提供广阔的发展思路和空间。

摘要：能源是社会和经济发展的重要物质基础,也是提升人们生活水平的先决条件。作为保障助航标志正常工作的重要动力,航标能源经历了从非电能源到电能能源的历史性演变。目前,航标能源的供电方式主要是太阳能电池+蓄电池的模式,但是太阳能电池板也存在着发电效率低,受气候环境因素影响大等诸多问题。

关键词：超级电容器,石墨烯,航标能源

参考文献

[1]胡毅,陈轩恕,杜砚,尹婷.超级电容器的应用与发展[J].电力设备,2008,(01).

[2]杨常玲.超级电容器炭基电极材料制备及其电容性能研究[D].太原理工大学博士论文,2010,05.

[3]周强,王金全,杨波.超级电容器:性能优越的储能器件[J].电气技术,2006,(06).

[4]丁帮助.有机系中石墨/活性碳混合电极在非对称电容器中的应用[D].南昌大学硕士论文,2008,12.

[5]孙辉.新型碳质纳米结构材料的电化学储能行为[D].天津大学硕士论文,2009,05.

[6]薛运伟.超级电容器用沥青基活性炭微球的研究[D].东华大学硕士论文,2007,01.

[7]韩芹.过渡金属氧化物与ACF复合电极的制备及电性能研究[D].东华大学硕士论文,2007,12.

[8]国帅.模板碳的制备及其电容性能的研究[D].东华大学硕士论文,2010,01.

[9]邓晶晶.纳米Ni O及其复合材料的制备与电化学电容性能研究[D].湘潭大学硕士论文,2009,05.

8.下一站:超级电容公交车 篇八

多年来，市公交公司采取各种办法试图减少其公交汽车队的碳足迹，从生物燃料到氢电池，再到混合动力电动柴油。现在，一家中国公司及其美国合作伙伴表示，超级电容器在为市内公交车供电时，能够提供最环保和最经济的方式。

这里只有一个问题：最好的超级电容器储存的能量大约只占锂离子电池本身容纳量的5％，这使它们每次充电后的行驶范围都被限制在几英里。作为一种客运车辆的能量存储介质，它们无法产生预期效果。但是超级电容器的缺陷却可以由其快速充电和放电能力所弥补。因此，对于那些必须经常停车并把停车作为可预见性正常运行一部分的车辆来说，能量的储存完全依靠超级电容这可行了。

维吉尼亚州阿灵顿(Arlington)的Sinautec Automobile Technologies与其中方的合作伙伴——上海奥威科技开发有限公司花了三年的时间，在上海郊区用17辆市公交车证明了其成果。10月21日，两家公司在华盛顿特区的一所美国大学内进行了一天的展示，一辆依靠超级电容器行驶的拥有11座的小型公交车带着乘客穿梭在校园中。

Sinautec公司的常务董事叶丹说，秘诀在于把沿线的一些公交车站改造成充电站。与那些需要不断接触架空电力线路的传统无轨电车不同，Sinautec的超级电容公交车每隔2-3英里就会在指定的充电站——兼具公交车站的功能——进行充电。当停靠在这些站时，公交车顶部的集电器上升几英尺，触及架空线进行充电。只需几分钟，位于公交车座位下的超级电容器就充电完成了。

“这是一个伟大的构想，”超级电容器专家、麻省理工学院电气工程和计算机科学教授乔尔·辛达尔(JoelSchindall)说。“对于纯电动车并非完全适合，但让公交车每隔几个街区停一下是可行的。”

公交车也可以从刹车中获取能量，该公司表示，充电站可配备太阳能电池(尽管这主要是让“使车辆的碳足迹更低”的认识更进一步)。叶说，这些公交车使用的电力比无轨电车少了40％，主要是因为它们的重量更轻，并且具有再生制动的优势。在目前的石油和电力价格的基础上，超级电容公交车与那些依靠燃料行驶的常规公交车相比，在汽车12年的使用寿命中，颇具竞争力。Sinautec公司估计，一辆超级电容公交车消耗的能量是一辆柴油公交车消耗能量的十分之一，并且，在其使用寿命期间，节省的燃油费用能达到20万美元。

“超级电容公交车也比锂离子电池公交车便宜，”叶说。“我们把奥运(锂离子)公交车作为标准，发现我们公交车的价格便宜了40％，并且可靠性评估更优越。”叶还说，环境效益是引人注目的。“即使你使用地球上最污染的煤电厂，它为超级电容器充电时产生的二氧化碳是柴油机车产生二氧化碳的三分之一。”

在上海试用的公交车是由田纳西州的Foton America巴士公司制造的，其使用的是由上海奥威科技开发有限公司制造的超级电容器。该电容器是由活性炭制成的，能量密度为每千克6瓦特时(相较之下，高性能锂离子电池可以达到每千克200瓦特时)。FotonAmerica巴士公司的首席执行官克利福德·克莱尔(Clifford Clare)说，明年初，将有另外60辆载带有超级电容器——提供每千克10瓦特时电力——的公交车交付使用。

克莱尔说：“目前在上海使用的这些公交车连续三年没有发生过任何事故、任何故障，这在公交车行业是一种奇迹。”他又补充说，他的公司正和纽约市、芝加哥以及佛罗里达州的一些城镇商谈有关试运行这些公交车的事项。“它最终将成为该产品的第三代，每次充电后的行驶路程将达到20英里或更远。”

Sinautec公司还与麻省理工大学的辛达尔讨论有关采用垂直排列的碳纳米管的结构——使装置的表面面积增大以储存电量——发展高能量密度电容器的事项。

“到目前为止，我们能够让现有超级电容器的能量密度翻倍，但这还不够，”辛达尔说。“我们正试图达到现有能量密度的5倍左右。”辛达尔说，这将创造一个超级电容器，其拥有的能量密度是锂离子电池的四分之一。

“现在的Foton公交车只能每隔一站进行充电，行驶范围大约为5个或10个街区，这对某些线路来说是不错的，但在波士顿地区，充电站之间的距离太远了，”辛达尔补充说。“如果他们可以做到翻一番甚至翻两番，将会增加一定数量级的路程数，这可能是一个技术解决方案。”

还有其他一些重要的限制。根据目前的技术，当空调开启时，41座的公交车将缩短35％的行驶距离，并且加速力会减弱。但即使在这种情况下，对于市内公交车、校园公交车、机场公交车以及旅游公交车而言，他们仍是可行的。

9.《电容器的电容》教学设计 篇九

一．教材分析

《电容器的电容》是人教版高中物理选修3-1第一章静电场中第8节内容。其主要内容包括：电容器、电容、平行板电容器的电容和常用电容器。本节中包含两个考纲中的Ⅰ级知识点，即常用的电容器,电容器的电压、电量和电容的关系,是高考中的重要知识点，也是电场一章的重点。它是学完匀强电场后的一个重要应用，也是后面学习交流电路（电感和电容对交流电流的影响）和电子线路（电磁振荡）的预备知识，在教材中起承上启下的作用。二．学情分析

由于本节要用到静电场中电荷、电势差的知识，若学生对这部分知识理解不够，分析起问题来就会显得吃力。同时，在学习电容器的充、放电过程时，需要学生具备较好的概括及抽象思维能力，而高中生抽象思维能力水平不高，所以此处易成为学习本节的难点。探究影响平行板电容器电容大小的因素，需学生猜想、设计实验并验证，学生的探究能力和较弱的动手能力会影响实验过程。三．教学目标 1．知识与技能

⑴．知道电容器的概念及构造，认识常见的电容器；

⑵．理解电容的概念及定义方法，掌握电容的定义式、单位，并会用定义式进行简单的计算；

⑶．通过探究实验了解影响平行板电容器电容大小的因素；了解平行板电容器的电容公式，知道改变平行板电容器的电容大小的方法。2．过程与方法

⑴．通过实验感知电容器的充、放电过程；

⑵．通过电容与水容器的类比，体会电容是表示电容器容纳电荷本领的物理量； ⑶．通过探究试验找出影响平行板电容器电容大小的因素。3．情感态度与价值观

通过本节学习，让同学体会电子元件的奇妙，增强探索物理世界的奥秘的好奇心，通过探究试验，增强学生设计实验、处理实验数据的能力，并在实验中体会探索规律的艰辛以及获得成功的喜悦。四．教学重点和难点

本节的重点内容是常用的电容器，电容器的电压、电量和电容的关系。其难点一是电容器的构造和充、放电；二是对电容概念的理解和定义式，为突破该点我首先利用传感器形象展示电容器的电量和电压，再用水容器和电容器类比，理解电容；三是如何探究影响平行板电容器电容的相关因素，针对操作难点我对实验器材进行改进以降低实验难度。五．教学方法

针对学生情况和教材的重、难点，设计了如下教学方法： 1．启发式教学

针对问题创设情境，学生在教师的启发下解决问题，可以充分体现学生的主体地位。2．类比法教学

本节利用水容器水量与水面高度关系来类比电容器带电量与电压的关系，帮助学生对电容的理解。

3．探究式实验教学

引导学生自主探究平板电容器的电容与极板正对面积、极板距离、介电常数三者之间的关系，使学生在探索中加深对知识的理解，找出自己渴望得到的答案。六．教学过程

1．课堂引入（2分钟）

利用家中的洗衣机故障为例引入电容器，洗衣机通电后不工作，用手启动旋转桶后能工作，经检修更换启动电容器后正常工作，可见电容器是一个重要的元件。

在大量的用电器中都用到电容器，让学生观看收音机、电视机、VCD和计算机线路板上的电容器，形成直观的认识。

2．电容器的构造（5分钟）

电容器的外形多种多样，以纸质电容器为例介绍电容器的构造。让学生拆开纸质电容器，观察电容器的基本构造，并总结电容器的构造。

思考：两个叠放在一起的金属盆，中间用绝缘的塑料隔开，能否构成一个电容器？两个相互靠近的人，能否构成一个电容器？

由学生总结：任何两个彼此绝缘又相距很近的导体，都可以看成一个电容器。

3．电容器的作用（5分钟）

由水容器能盛水引出电容器能储存电荷，让学生思考一下如何将电荷“倒入”电容器中，学生能分析出将电容器接到电源上给电容器充电。以动画为例帮助学生理解电容器充、放电的过程，引导学生注意“电容器所带电量为一个极板电荷量的绝对值”，还应注意电容器储存电荷的同时，两极板间有电压，也储存了电场能。

提出问题：电容器储存电荷与两板间的电压有什么关系？

因为我们无法直观的观察电容器储存电荷的多少，我们利用计算机和电流、电压传感器辅助设备，展示充电电流的波形图线，得出电容器充电电压与电荷量的关系图线，由图线可直观的看出电压与电荷量成正比。不同的电容器在相同的电压下充电电荷量不同，但电压与电荷量仍成正比。4．电容

不同的电容器使两极板间的电压均为1V时，所带电荷量不同，与此类同，不同的容器使其中的水位均为1cm时，水的体积不同。但同一个容器，使水位每升高1cm，所加入水的体积相同。升高的水位与加入水的体积成正比，提出问题：加入水的体积与水位升高的高度之比表示什么？学生能总结出比值为容器的底面积，与容器中有无水和水量的多少无关，由容器本身决定。

进一步对比：同一个电容器，每使板间电压增加1V，所需电荷量相同，提出问题：电容器的电荷量与板间电压的比值表示什么？因为两者成正比，比值用常数C表示，即电容器的电容。与电容器是否带电及所带电荷量的多少无关，由电容器本身决定。

5．合作探究

电容器的电容由电容器本身决定，我们以平行板电容器为例，探究影响电容的相关因素。

阅读P30演示实验，讨论以下问题：

（1）影响平行板电容器电容有哪些因素？

（2）当平行板电容器的电容与多个因素有关时，应如何探究？

（3）无法直观的比较电容的大小，应通过什么方法判断电容的变化？（4）如何根据静电计判断电压的变化？

通过以上问题让学生猜想影响电容器电容的因素，并能用控制变量法进行实验探究，又因为无法直接观察到电容的变化，应保持电量不变，通过电压的变化来反映电容的变化，还应学会如何利用静电计来测量电容器两极板的电压。

课本上实验器材较难操作，主要存在以下几个问题，一是板间距离不能太大，距离较大时，改变板间距离，电压变化不明显；二是改变两板的正对面积时，很难保证板间距离的不变；三是向两板间加入电介质时，容易使介质与极板相碰；四是很难保证电容器电荷量不变。通过对实验的改进解决以上问题。

学生实验

总结，6．常用电容器

10.超级电容器 篇十

成都市武侯高级中学

周諓（邮编：610043）

教材分析：

教材首先讲解了电容的功用，通过介绍电容器的构造及使用，使学生认识电容器有储存电荷的本领，同时介绍了电容的概念、定义式，再讲解电容器的电容与哪些因素有关．整个这一节的内容，是后面学习LC振荡电路的必备知识，是学习交变电路和电子线路的基础，关于电容器的充放电现象和电容概念，是高中物理教学的重点和难点之一，又比较抽象，因此再教学中，可以多增设实验，让学生易于理解和接受，同时培养学生的实验观察能力和科学探究能力．

一、教学目标

（一）知识与技能

1、通过媒体展示电容器实物让学生知道什么是电容器及常见的电容器的构成；

2、通过电容充放电现象的实验演示让学生理解电场能的基本概念，知道电容器充电和放电时的能量转换；

3、通过多媒体展示“水容量”和“电容量”的动态变化过程理解电容器电容的概念及定义式，并能用来进行有关的计算；

4、通过实验演示让学生知道平行板电容器的电容与哪些因素有关，有什么关系；掌握平行板电容器的决定式并能运用其讨论有关问题，培养学生分析问题与解决问题的能力。

（二）过程与方法

结合实物观察与演示，通过学生的亲自实践与体会，在具体练习的计算过程中理解掌握电容器的相关概念、性质。

（三）情感态度与价值观

体会电容器在实际生活中的广泛应用，培养学生探究新事物的兴趣；电容 器两极带等量异种电荷，让学生体会物理学中的对称美。

二、重点、难点、疑点及解决办法 1．重点

电容的概念，影响电容大小的因素 2．难点

电容的概念，电容器的电量与电压的关系，电容的充、放电 3．疑点

两极间电势差增加1伏所需电量的多少是衡量电容器电容大小的标志。4．解决办法

用充了电的电容器短路放电产生白炽的火花使学生感受到电容器有“容纳（储存）电荷”的功能。为使学生理解充、放电的抽象过程。用自制的充放电的电路中的示教电流表显示充、放电过程，为使学生理解电容器电量与电压的抽象关系，不同电压、不同电容的电容器充电再放电时的声音与亮光形象的展示这一抽象关系。运用演示实验讲授这一课，可取得较好的教学效果；若只停留在理论上和抽象的论证，学生是难以理解和接受的

三、教具准备：常见的电容器示教板，带电羽的平行板电容器，静电计，介质板，感应起电机，电线，各种电容器（包括“25V 4700μF”电容一只和一个可用来拆开的纸制电容器），学生电源一个，导线若干，起电机．

四、教学方法：实验教学法

五、教学过程：

（一）、复习、演示，引入新课

两块相互靠近，平行放置的金属板，如果分别带上等量异种电荷，它们之间有没有电场？（同时板画）

两金属板间有没有电势差？ 教师归纳小结：

由此可见，相互靠近的两金属板构成的装置具有储存电荷的作用，或者说它可以容纳电荷，而两板所带 2 正、负电荷越多，板间电场就越强，两板间的电势差就越大（稍作解释）。

那么有什么方法可以使两金属板带上正、负电荷呢？ 将两金属极分别按到电源的正、负两板上（同时画出电路）。

（实验演示1）将“25v 4700μF”电容器（出示实物）充以16V电压，然后短路放电产生白炽的火花，并发出较大的声响。（激发学生学习本节兴趣）然后教师明确告诉学生“电容器可以容纳电荷”。

如何解释这一现象呢？（学生疑惑）现在我们来学习有关电容器的知识。（板书课题）

（二）新课教学：

展示各种电容器。并做解释：这是一种能容纳电荷的容器，今天我们来先来学习它——电容器以及描述它容纳电荷本领的物理量——电容

1、电容器

（1）构造：任何两个彼此绝缘又相隔很近的导体都可以看成一个电容器（讲解：电容器中将两片锡箔纸作为电容器的两个极板，两个极板非常靠近，中间的绝缘层用薄绝缘纸充当，分别用两根导线连接两极．这就是电容器的结构）。

（2）电容器的充电、放电：

[实验演示2]：把电容器的一个极板与电池组的正极相连，另一个极板与负极相连，两个极板上就分别带上了等量的异种电荷。这个过程叫做充电。

现象：从灵敏电流计可以观察到短暂的充电电流。充电后，切断与电源的联系，两个极板间有电场存在，充电过程中由电源获得的电能贮存在电场中，称为电场能。

[实验演示3]：把充电后的电容器的两个极板接通，两极板上的电荷互相中和，电容器就不带电了，这个过程叫放电。

现象：从灵敏电流计可以观察到短暂的放电电流。放电后，两极板间不存在电场，电场能转化为其他形式的能量。

问题1：电容器在充、放电的过程中的能量转化关系是什么?待学生讨论后总结如下：

【板书】充电——带电量Q增加，板间电压U增加，板间场强E增加，电能转化为电场能

放电——带电量Q减少，板间电压U减少，板间场强E减少，电场能转化为电能

问题2：电容器可以充入的电量 的本领？（且听下面分解。）

2、电容

与水容器类比后得出（动画演示）。说明：对于给定电容器，相当于给定柱形水容器，C（类比于横截面积）不变。这是量度式，不是关系式。在C一定情况下，Q=CU，Q正比于U。

（板书）定义：电容器所带的电量Q与电容器两极板间的电势差U的比值，叫做电容器的电容。公式：CQ U是无限的么？如何描述电容器容纳电荷单位：法拉（F）还有微法（F）和皮法（pF）

1F=10-6F=10-12pF（4）电容的物理意义：电容是表示电容器容纳电荷本领的物理量，是由电容器本身的性质（由导体大小、形状、相对位置及电介质）决定的，与电容器是不是带电无关。

例1．某电容C=20PF，那么用国际单位表示，它的电容为_________F． 练习：

1．两个电容器电量之比为2：1，电压之比为1：2，则它们的电容之比（）对于一个确定的电容器的电容正确的理解是（）A.电容与带电量成正比 B.电容与电势差成反比

C.电容器带电量越大时，电容越大

D．对确定的电容器，每板带电量增加，两板间电势差必增加．用两节相同的电池给两个电容器C1和C2充电，已知C1＜C2，当达到稳定状态时，两电容器的电势差分别为U1和U2，则（）A．U1＞U2．

B．U1=U2 C．U1＜U2．

D．无法确定U1与U2的大小关系用两节相同的电池给两个原来不带电的电容器C1和C2充电，已知C1＜C2，当达到稳定状态时，两电容器每板的带电量分别为Q1和Q2，则（）A．Q1＞Q

2B．Q1=Q2

C．Q1＜Q2．

D．无法确定Q1与Q2的大小关系对于给定的电容器，在描述电容量C、带电量Q、两板间电势差U的相互关系中，下列图1－16中正确的是()

3、平行板电容器的电容

（1）、[实验演示4]感应起电机给静电计带电（详参阅教材）

说明（多媒体演示）：静电计是在验电器的基础上制成的，用来测量电势差。把它的金属球与一个导体相连，把它的金属外壳与另一个导体相连，从指针的偏转角度可以量出两个导体之间的电势差U。平等板电容器由两块平行相互绝缘金属板构成：①两极间距d；②两极正对面积S．

（2）、量度：

，Q是某一极板所带电量的绝对值．

（3）、影响平行板电容器电容的因素：

① ．

② ．，（，（、、不变），d越大，偏转角度越小，C越小。不变），S越小，静电计的偏转角度越大，U越大，电容C越小；

③．保持Q、d、S都不变，在两极板间插入电介质板，静电计的偏转角度并且减小，电势差U越小电容C增大。说明插入比不插入电介质时电容大．

为介电常数，k为静电力恒量．这里也可以用能的观点加以分析：电介质板插入过程中，由于束缚电荷与极板上电荷相互吸引力做功，电势能减少，故电势差降低．

（4）、结论：平行板电容器的电容C与介电常数ε成正比，跟正对面积S成正比，跟极板间的距离d成反比。

平行板电容器的决定式：真空 CSS

介质 Cr 4kd4kd例3．平行板电容器充电后,继续保持电容器的两极板与电源相连接,在这种情况下,如果增大两极板间的距离d,那么,两极板间的电势差U、电容器所带的电量Q、两极板间的场强E各如何改变?

1．平行板电容器充电后,切断与电源的连接,在这种情况下,如果增大d,则U、Q、E各如何改变？

4、常用电容器（结合课本介绍P135），出示常用的电容器

（1）介绍固定电容器．（2）介绍可变电容器．（3）介绍击穿电压．

（三）、典型例题讲解

例

1、（幻灯展示）例

2、（幻灯展示）例3．（幻灯展示）

（四）小结：对本节内容要点进行概括

（幻灯展示）

五、巩固新课：

1、引导学生完成问题与练习。

2、阅读教材内容。

（幻灯展示）

六、教学反思：

1．本节课在物理教学情景的设计上打乱了书中的教学结构，运用了多种教学手段，以增加学生对抽象概念的理解，特别是对“电场能”、“电容”概念的理解，运用实验和多媒体的教学手段，效果比较明显，从学生作业的反馈来看，作业的正确率达到了93.5%。

2．本节课在多媒体、实验的运用上，相互补充，克服了单一媒体运用对课堂教学呆板的形式，整合了课堂教学资源，起到了一定的作用。

3．本节课的教学容量较大，如果学生生源层次较差，这一教学设计，可能会加大学生学习的难度，可将本节课分为两节来让，第一节只讲“电容”的基本概念，第二节讲“电容”概念的运用和“平行板电容器”，这样可克服这一不足。

11.超级电容器 篇十一

关键词：超级电容；能量管理系统；起重机；DC/DC变换器

中图分类号：TH215；TM531.4 文献标志码：A

Application of super capacitor and EMS in crane

XUE Shilong, ZHENG Kaiyu, LIU Shimei

(Logistics Engineering College, Shanghai Maritime Univ., Shanghai 200135, China)

Abstract： In order to save energy when the crane is coming down, by means of super capacitor and Energy Management System (EMS), which is used to control DC/DC converter to exchange energy between super capacitor and hoisting gear of the crane, according to the operation features of a crane, a method to save energy of crane by means of EMS is presented. The serial communication software and dynamic data processing software are developed in the integrated developing environment VB 6.5 so as to build the real time monitoring system of EMS. The result is proved by experiment equipment, and the experiment result shows that adopting the real time monitoring system of EMS can control the charge time of super capacitor efficiently, and enhance the operation performance of crane.

Key words： super capacitor; energy management system; crane; DC/DC converter

0 引 言

近年来，能源和环境问题越来越受到人们的关注，如何保护环境、节约能源已成为不容忽视的问题.港口起重机起升机构频繁起动和制动，要求动力源具有较高的峰值功率和可靠、高效的吸收再生制动能量的能力.^［1-4］电机在制动过程中会产生大量的能量，传统上有2种方式处理这些再生能量：一种是在变频器直流侧增设能耗电阻，直接消耗再生能量；另一种是将再生能量回馈电网.若增设能耗电阻，制动产生的再生能量就浪费掉了，而且需要很大的散热空间；如果回馈给电网，虽然可以节约能量，但会对电网造成很大冲击，即对电网造成污染，传统的处理方式已经不能满足需求.

在国外，从20世纪80年代起，超级电容器已经进入商业运行；而在国内，其使用历史只有10年左右.过去，超级电容器被认为是低功率、低能量,不具有很长寿命的器件，主要作为备用或辅助器件用在录像机和闹钟中.^［5-10］

近年来，超级电容器技术飞速发展,使用范围也不断扩大，被认为是介于充电电池和电容器之间的新型能源器件.超级电容器在许多领域都有广阔的应用前景,如便携式仪器设备、数据记忆存储系统、电动汽车能源和应急后备电源等方面，特别是在电动汽车上的应用优势明显.

近来，专家开始研究双层电容器在高压、高能系统中的应用，特别是峰值能量需求频繁的比功率高的系统.例如电动汽车，在匀速行驶时由蓄电池供电，加速时由超级电容供电，目前，在烟台已有超级电容辅助供电的电动汽车在试运行；再例如美国国家航空和宇宙航行局（NASA）正在研究的用以代替水力驱动系统的电力驱动系统，航天飞机的主要发动机需要短期高功率的能量，利用超级电容器可以满足这方面的需求.

随着科学技术的进步，具有充放电速度快、储能量大等优点的新型储能元件——超级电容的出现，解决了再生能量的问题.控制超级电容先把电机制动产生的能量储存起来，在电机启动时再将储存的能量释放出来，不仅可以提高电能的使用效率，而且可以减少对电网的冲击.^［11-18］

本文采用可编程控制器、DC/DC变换电路、超级电容、变频器和电机等构建物理仿真系统，模拟港口起重机起升机构的各种工作状态，控制超级电容充放电，实现回收、储存、释放电机再生制动能量，改善起重机起升机构的起动性能.

1 系统构建

本文所述系统能够回收、储存和释放再生制动能量，改善起重机起升机构的起动性能.如图1所示，系统主要由超级电容，DC/DC变换电路，可编程控制器PLC，变频器与监控系统等构成.其中，超级电容器组由8个20 F/2.7 V的单体超级电容串联而成，额定电压为21.6 V；通过RS232串口通信进行PLC（FX2N系列）和上位机之间的数据传输.系统中，速度编码器检测电机的转速和转向；霍耳传感器检测超级电容器实时电流，并把检测到的值传输给可编程控制器PLC；上位机与PLC之间进行串口通信，用来分析判断电机及超级电容的工作状态.通过改变PLC模拟量输出模块的电压给定值来控制DC/DC变换器工作状态，以达到电机制动时超级电容吸收再生制动能量、电机启动时超级电容释放能量的目的.

DC/DC变换电路的主电路由PWM发生器、IGBT及其驱动电路、电感、滤波电容和电流检测元件等组成，见图2.PWM发生器用SG3525A，IGBT的驱动芯片用EXB841，电流检测功能由ACS704来完成.

应用超级电容器与逆变器的直流侧一起给起升机构的电动机供电，利用双向DC/DC变换器进行升降压，以保持电机两端工作电压的稳定性.^［2］

当电机进入发电状态时，母线电压上升，此时给IGBT2以触发脉冲使其导通，电能储存到电感L中，从PWM波形的下降沿开始IGBT2关断，电感L，超级电容C和二极管D1形成回路，电感为超级电容充电.IGBT2持续开通、关断，直到母线电压下降至不足以使IGBT2开通，即母线电压回落到安全值时，充电过程结束.

提升货物时，电机进入电动状态，IGBT2的触发脉冲关断的同时给IGBT1以触发脉冲，超级电容放电，能量储存到电感中，IGBT1关断后，升压回路切断，电感泵升电压使得二极管D2导通，电流流向负载，将存储的电能回馈到母线上，从而增大起动电流，改善起动性能.

2 系统监控及实验结果分析

霍耳传感器ACS704检测电路中瞬时电流，并把检测到的值传输给可编程控制器PLC，应用VB 6.5中MSComm控件实现PLC与上位机之间进行串口通信，把实时的电压、电流值通过上位机的人机友好界面显示出来，见图3.观测电路电流以及超级电容和负载两端的电压的变化曲线，由此可以分析判断超级电容和电机的工作状态, 从而通过改变PLC模拟量输出模块的电压给定值来控制DC/DC变换电路的工作状态.

2.1 恒定PWM占空比充电实验

设定PWM波形频率为f=556 Hz，占空比为61%，超级电容端电压变化曲线如图4所示.对超级电容充电到其额定电压的80％，大约需要29 s.考虑到起重机实际工作时，一般会放电到额定电压的50%～60％后开始充电，所以只考虑超级电容两端电压从12 V升高到16 V所需要的时间.从电压的显示波形来看，大约需要15 s，即超级电容从电压60％充电到80%需要15 s时间.

充电过程中充电电流值过小，导致超级电容两端电压上升缓慢.如果能增大充电电流，就可以在更短的时间内完成电容的充电过程.为此可以通过采用改变PWM输出的脉冲宽度，即增加占空比的方式来实现.图5是在PWM输出频率为f=556 Hz，占空比为87.5%的情况下得到的超级电容端电压变化曲线.由电压的变化曲线可知，超级电容两端的电压从60％上升到80%（12 V上升到18 V）需要11.6 s，与相同频率下占空比为61%的情况相比，显然充电时间缩短了.

另经分析发现，恒定PWM占空比时，充电过程不仅电流值小，而且电流的波动剧烈.

2.2 基于PID调节PWM占空比充电实验

如果能使充电电流维持在一定的范围内，不随时间的延长而剧烈减小，并减小电流的脉动，就能使充电速度加快并且会使电压上升更加平稳.

图6所示电流电压曲线是在PWM发生器产生频率为f=556 Hz,占空比为61%情况下，对超级电容进行充电得到的.在充电过程中，采用PID调节，充电电流一直维持在2.5 A附近，波动很小；超级电容端电压平稳上升，从额定电压的60％上升到80％(从12 V上升到16 V)所需时间仅为5 s.

本系统对超级电容的充电应用了PID调节，即通过改变PWM的占空比的方式使电流保持恒定，快速、平稳地给超级电容充电.

分析以上试验结果发现，采用PID调节控制充电电流使其维持在恒定值，就可以在短时间内完成对超级电容的充电.试验结果表明，该系统可以在6 s甚至更短的时间内将超级电容

从其额定电压的60%充电至80%，完全满足港口起重机实际工作的需求.

3 结 论

本文根据起重机的工作特点，采用超级电容及能量管理系统控制DC/DC变换器，使起重机在落货时，超级电容能回收再生能量；在起升时，超级电容能释放能量.在VB 6.5环境下，设计通信和动态数据处理程序，构建能量管理实时监控系统.试验结果表明，采用PID调节控制超级电容充电电流，不仅可以储存、回馈制动产生的能量，而且可以在电机起动时提供电流，改善系统性能.

参考文献：

［1］陈永真. 电容器及其应用［M］. 北京: 科学出版社, 2005： 13-14.

［2］孟丽囡. 超级电容器组及能量管理系统［J］. 辽宁工学院学报, 2005, 25(2): 71-74.

［3］陈巧玲. 基于碳纳米管和碳原子线的超级电容器［D］. 南京: 南京师范大学, 2003.

［4］蒋先锋, 韩敏芳. 煤炭地下气化与高温燃料电池联合发电系统［J］. 上海电力, 2005, 18(5): 455-457.

［5］强国斌, 李忠学, 陈杰. 混合电动车用超级电容能量源建模［J］. 能源技术, 2005, 26(2): 58-61.

［6］韩明武, 黄军, 杨世彦. 超级电容电动公交车用双向直流驱动器的设计［J］. 电力电子技术, 2007, 41(1): 51-53.

［7］阮越广. 电动车辆新型能量回收电机的研制［D］. 杭州: 浙江大学, 2004.

［8］于维平, 孟令款, 杨晓萍, 等. 化学法制备掺杂CoO的NiO及其电容性能研究［J］. 金属热处理, 2005, 30(9): 23-26.

［9］郭天瑛, 朱经纬, 宋谋道, 等. 块状碳/氧化镍复合物的合成及电容特征［J］. 电化学, 2006, 12(4): 394-397.

［10］刘志祥. 超级电容器相关技术研究［D］. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2002.

［11］朱修锋. 纳米MnO2/C混合超级电容器的研究［D］. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2003.

［12］冷超. 超级电容器储能系统发电控制的研究［D］. 保定: 华北电力大学, 2004.

［13］刘献明. 金属氧化物超级电容器电极材料的研究［D］. 乌鲁木齐: 新疆大学, 2003.

［14］杨晓芳. 基于纳米碳管的超级电容器［D］. 杭州: 浙江大学, 2004.

［15］常志江. 混合动力电动汽车动力系统匹配性研究［D］. 西安: 西北工业大学, 2004.

［16］李奇睿. 基于超级电容器的统一电能质量调节器的研发［D］. 北京: 华北电力大学, 2005.

［17］丁海洋. Nano-NiO/C超级电容器的研究［D］. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2004.

［18］曹正策. 混合动力电动公交车动力系统的研制［D］. 武汉: 武汉理工大学, 2004.

12.超级电容器在微型电网中的应用 篇十二

为了保证某些重要负荷在系统外部故障时的正常供电,出现了一种分布式电源与负荷单独构成小型电力系统的运行方式。分布式电源与负荷构成的小系统称为微型电网(微网)。微网的电压等级在400 V以下,即为配电网电压等级。外部无故障时,微网与主网(配电网)连接,这种运行状态称为联网运行;外部故障时,微网与主网解列,这种运行方式称为孤岛运行。当微网中的总发电容量小于总负荷需求时,对于长期的外部故障,孤岛运行时应将次要负荷切除,但是对于几秒就能恢复的瞬时故障,切负荷显然代价过高,故需要一个元件在联网运行时储存能量,在微网进入孤岛运行的初期向微网注入功率,保持电压的基本稳定直至与主网重合。飞轮、电池和超级电容器都是理想的储能元件,本文着重讨论超级电容器在微网中的应用。

1 微网建模

本文在MATLAB软件中的Simulink环境下建立模型,系统简化模型见图1。当KA闭合时,微网处于联网运行状态;当微网外部故障时,KA打开,微网进入孤岛运行。元件参数说明如下。

1)主网。

电压等级30 kV,短路容量100 MVA,X/R=7。

2)变压器。

额定容量100 kVA,d11,Yn接法,电压比30 kV/400 V,R=0.97 Ω,X=35 Ω。

3)重要负荷。

1台异步鼠笼式电动机,额定状态运行时P=39.7 kW,Q=38.8 kvar,最大负载转矩238 N·m,额定转速1 480 r/min,其他参数为MATLAB提供的典型参数;电阻性负荷10 kW,电机负荷占总负荷比例为78.7%。

4)次要负荷。

1台异步鼠笼式电动机,额定状态运行时P=16.6 kW,Q=13.6 kvar,最大负载转矩98 N·m,额定转速1 460 r/min,其他参数为MATLAB提供的典型参数;电阻性负荷6.5 kW,电机负荷占总负荷比例为70%。

5)分布式电源模块。

现有的分布式电源有光伏电池、燃料电池、风力发电机、微型燃气轮机等[1,2,3],机端电压或为直流电压,或为高频电压,不能直接接于电网,而要经过逆变器,或者整流器+逆变器等功率变换器件,使电压幅值、频率和相位与电网相匹配后再并入电网,同时可利用功率变换器件的可控性来实现不同的控制方式。分布式电源模块简化图见图2。微网中分布式电源模块的控制方式主要有2种:定功率控制和定电压控制。在定功率控制方式下,分布式电源向系统注入预定数值的有功和无功功率,原理图见图3;在定电压控制方式下,逆变器利用反馈电压以调节交流侧电压来保证电压的稳定,原理图见图4。以下各图中,TV为电压互感器,TA为电流互感器,PLL为锁相环。

分布式电源采用标准同步发电机模型,额定功率35 kVA,额定电压600 V,电压频率100 Hz。由于篇幅所限,在此不对控制原理做详细介绍。

6)超级电容器模块。

超级电容器(组)可以通过整流器从电网吸收能量,也可经由逆变器向电网注入功率。超级电容器模块简化图见图5。微网联网运行时,KR闭合,KG3打开,系统向电容器充电;在KA打开、进入孤岛运行的同时,KG3闭合,KR打开,超级电容器以定电压控制方式短时维持所有负荷正常运行,控制原理见图4。超级电容器的参数选择见后文。

2 微网联网运行控制

当图1中的开关KA闭合时,微网即处于联网运行状态,系统的电压和频率由主网进行调节,分布式电源模块在定功率控制模式下,向系统恒定输出有功功率28 kW,无功功率20 kvar,即设定Pdef=28 kW,Qdef=20 kvar,且在不超过发电机额定容量的前提下,有功功率和无功功率的数值可以任意调节。联网运行仿真中,KA保持闭合,0.5 s时KG1和KG2闭合,即分布式电源模块并入电网。仿真结果见图6。可以看出,电机的启动和分布式电源的并网都对电网造成了扰动,前者在0.5 s内达到稳定,后者在0.2 s内达到稳定。稳定后分布电源模块按设定值向系统注入有功功率和无功功率,主网输出功率随之降低,系统电压无明显波动。

3 微网孤岛运行控制

开关KA因左侧的主网发生故障而跳开时,微网即进入孤岛运行。孤岛运行的控制流程见图7。

孤岛检测装置检测开关KA的状态,KA打开为“Y”,闭合为“N”。孤岛初期运行状态的定义为:孤岛运行中,所有分布式电源模块以定功率控制,超级电容器以定电压控制,且不切除任何负荷的运行状态。孤岛初期运行发生在由联网进入孤岛后的2 s左右,其有2种结束方式:一是外部故障恢复,KA重新闭合,微网恢复联网运行,分布电源模块控制方式不变,超级电容器由向系统注入能量转为吸收能量,为下一次孤岛运行做准备;二是当超级电容器的能量将消耗殆尽,但微网仍未与主网重合时,则切出超级电容器,切除次要负荷,分布式电源模块1转为定电压控制,此时的运行状态定义为:孤岛稳态运行状态。因为微网的电压会随着超级电容器能量的消耗而逐渐降低,所以使用电压测量模块来决定微网从孤岛初期运行转入稳态运行的时机。国际电工委员会(IEC)在1983年提出,100 V~1 000 V系统电压偏差不得超过额定电压的±10%[4],但为了充分利用超级电容器,并尽可能长时间地保持住所有负荷来等待与主网重合,且考虑到低压运行的时间并不太长,本文提出将电压偏差限定改为±15%。

3.1 超级电容器参数选择

由于超级电容器单体电压低,模块化的也不超过100 V,所以仿真中使用多个超级电容器串、并联来提高直流电压和电容值[5,6,7],根据前述负荷以及分布式电源模块参数,要在孤岛运行初期保持所有负荷正常运行,超级电容器模块输出视在功率SC=16.4 kVA。

低压电网中,保护动作时间为0~2.5 s[8],加上重合闸的时间,取孤岛初期运行时间为1.5 s,在此期间超级电容器模块输出功率为SC,输出总的能量WC至少为:

$W{}_{\text{C}}=S{}_{\text{C}}t=24.6\text{k}\text{J}(1)$

三相桥式电压型逆变电路输出三相线电压基波幅值U=0.78UC(UC为超级电容器电压),本文中低压电网电压为400 V,那么只有在UC≥512.8 V时超级电容器才能向微网供电,否则就会从微网吸收能量,所以在超级电容器放电1.5 s后电压仍要求在512 V之上。超级电容器的电容C取0.2 F,电容能量计算公式为:

$\text{Δ}W{}_{\text{C}}=\frac{1}{2}C(U{}_{\text{C}}^2-U{}_{\text{Τ}}^2)(2)$

式中:UC为电容器初始电压;UT为放电后的电压。

如前所述,UT要高于512.8 V,则可算得:

$U{}_{\text{C}}=\sqrt{\frac{2\text{Δ}W}{C}+U{}_{\text{Τ}}^2}=713.4\text{V}(3)$

考虑一定裕量,取UC为800 V。

4 故障仿真分析

4.1 瞬时故障仿真

本节对主网发生的瞬时故障时、有超级电容器和无超级电容器的情况进行仿真分析。分布式电源模块在0.5 s并入主网,均以定功率控制,1 s时刻KA因为主网故障而跳开,经过1.5 s后KA重合,故障过程中分布式电源模块控制方式不变。仿真波形见

图8、图9。

由图8可见,由于微网总发电功率小于负荷需求,当没有超级电容器时微网进入孤岛运行后,系统电压在0.2 s内迅速降至额定电压的75%,重要负荷电机和次要负荷电机转速分别降至89%和88%额定转速。为了保证重要负荷正常运行,则必须在进入孤岛运行的同时切掉次要负荷,并将分布式电源模块1的控制方式转为定电压控制,即提前进入微网稳态运行。由于仅过1.5 s左右微网将与主网重合,所以因瞬时故障而切除次要负荷,从供电稳定性和经济性的角度来看都是不合适的。

有超级电容器时,微网进入孤岛运行时即投入超级电容器,并以定电压控制方式填补功率缺额,保持电压稳定,分布式电源模块保持定功率控制方式不变。从图9可以看出,由于超级电容器的存在,微网进入孤岛时电压仅在前5个周期大于额定值,第3个周期幅值最大,为额定电压的104%,之后恢复为额定值;电动机的最大转速下降了50 r/min,在0.1 s后恢复正常转速。2.5 s时KA闭合结束孤岛初期运行,超级电容器停止对微网的控制转而通过整流器吸收能量,直至达到额定电压;由于电压的扰动,电动机的转速发生衰减振荡并在0.5 s内结束,最大振幅为80 r/min。

4.2 永久故障仿真

发生永久故障后,若无超级电容器,则所有负荷均不能正常运行,而且电压下降过大时电机转速将逐渐降低而最终堵转,只能通过切负荷进入孤岛稳态运行。有超级电容器时,系统控制方式与发生瞬时故障时相同,即微网进入初期运行。为了最大限度地维持所有负荷,等待重合到主网,本文且将电压偏差限定改为±15%,当电压检测模块检测到系统电压低于额定电压的85%时,再切除次要负荷和超级电容器,分布式电源模块1改为定电压控制,进入稳态运行,仿真结果见图10。

如图10所示,在约3.6s时,系统电压降为额定电压的85%,因此,控制环节在此切除次要负荷电机和超级电容器,此后系统电压恢复到额定值,重要负荷电机恢复正常运行。由于设定电压最大偏差为15%,从而造成了重要电机负荷转速最低降到600 r/min,在实际中还应根据电机转速偏差指标来定义最大电压偏差。

5 结语

总发电功率小于总负荷的微网,在有超级电容器时,由于外部故障进入孤岛运行后不必马上进入孤岛稳定运行——切除次要负荷、分布式电源模块由定功率控制转为定电压控制;而是在进入孤岛运行后的2 s左右时间内进行孤岛初期运行——不切负荷、不调整分布式电源模块的控制模式,并由超级电容器补充功率不足、维持系统电压稳定,等待与主网重合。当外部故障为瞬时故障时,故障消失后微网恢复联网运行,超级电容器转为从主网吸收能量,为下一次投入做准备;当为永久故障时,在电压偏差超过额定值之后,再进入孤岛稳态运行。

仿真结果证明,超级电容器引入微型电网后,提高了微网抗瞬时故障的能力,最大程度地保证了次要负荷的运行,提高了供电可靠性和经济性。

摘要：总发电容量小于总负荷需求的微型电网(微网),因外部故障而进入孤岛运行时,为了保护重要负荷必须切除次要负荷。如果外部故障为瞬时性故障,则在短时间内微网又会因瞬时故障消失而重合到主网并重启次要负荷,从供电稳定性和经济性的角度来看对次要负荷不利。因此,提出在外部故障后,用超级电容器向孤岛运行的微网提供短时功率缺额,维持所有负荷并等待重合于主网。文中用理论和仿真证明了此方法的合理性。

关键词：微型电网,超级电容器,重要负荷,次要负荷

参考文献

[1]鲁宗相,王彩霞,闵勇,等.微电网研究综述.电力系统自动化,2007,31(19).LU Zongxiang,WANG Caixia,MI N Yong,et al.OverviewonMicroGrid research.Automation of Electric Power Systems,2007,31(19).

[2]王建,李兴源,邱晓燕.含有分布式发电装置的电力系统研究综述.电力系统自动化,2005,29(24).WANG Jian,LI Xingyuan,QI U Xiaoyan.Power systemresearch on distributed generation penetration.Automation ofElectric Power Systems,2005,29(24).

[3]梁才浩,段献忠.分布式发电及其对电力系统的影响.电力系统自动化,2001,25(12).LI ANG Caihao,DUAN Xianzhong.Distributed generation andits i mpact on power system.Automation of Electric PowerSystems,2001,25(12).

[4]全国电压电流等级和频率标准化技术委员会.电压电流频率和电能质量国家标准应用手册.北京:中国电力出版社,2001:45-53.

[5]鲁蓉,张建成.超级电容器储能系统在分布式发电系统中的应用.电力科学与工程,2006(3).LU Rong,ZHANG Jiancheng.Application of super capacitorenergy storage systemto distributed generation system.PowerScience and Engineering,2006(3).

[6]严俊,赵立飞.储能技术在分布式发电中的应用.华北电力技术,2006(10).YAN Jun,ZHAO Lifei.Energy storage for distributedgeneration.North China Electric Power,2006(10).

[7]张步涵,王云玲,曾杰,等.超级电容储能技术及其应用.水电能源科学,2006(5).ZHANG Buhan,WANG Yunling,ZENG Jie,et al.Thetechnology and application of super-capacitor.Water Resourcesand Power,2006(5).