El principio de funcionamiento, características, ventajas y desventajas del supercondensador.

Como nuevo componente de almacenamiento de energía, los supercondensadores llenan el espacio entre los condensadores electrostáticos tradicionales y las fuentes de alimentación químicas. Este documento presenta el principio, las características, las ventajas y las desventajas de los supercondensadores, analiza el principio de funcionamiento de los supercondensadores en vehículos eléctricos compuestos y resume la investigación de aplicaciones de los supercondensadores en varios campos nacionales y extranjeros.

Con el avance de la ciencia y la tecnología, la gente ahora presta cada vez más atención a la aplicación de la protección del medio ambiente ecológico y la energía verde. Como nuevo tipo de componente de almacenamiento de energía, el supercondensador ha atraído la atención y la atención de la gente. El supercondensador es un nuevo tipo de dispositivo de almacenamiento de energía desarrollado entre la batería y el condensador tradicional desarrollado en las décadas de 1970 y 1980. Su apariencia llena el espacio entre el condensador electrostático tradicional y la fuente de alimentación química.

1. Principio y clasificación del supercondensador.

El supercondensador es una fuente de alimentación secundaria física con capacidad de almacenamiento de superpotencia que proporciona una potente potencia pulsante. Los supercondensadores se clasifican principalmente en tres tipos según el mecanismo de almacenamiento de energía [1]: 1 un condensador eléctrico de doble capa generado por separación de carga en el electrodo de carbono y la interfaz del electrolito; 2 utilizando óxido metálico como electrodo para oxidar en la superficie del electrodo y fase a granel un condensador de Faraday que produce una quimisorción reversible mediante una reacción de reducción; y un condensador que sufre una reacción redox mediante el uso de un polímero conductor como electrodo. El supercondensador de doble capa es un nuevo tipo de dispositivo de almacenamiento de energía que utiliza electrolito polarizado para almacenar energía eléctrica. La estructura se muestra en la Figura 1:

Dado que la carga y descarga del condensador eléctrico de doble capa es un proceso puramente físico, el número de ciclos es alto y el proceso de carga es rápido, por lo que es adecuado para su aplicación en un vehículo eléctrico. El supercondensador eléctrico de doble capa son dos placas porosas inactivas suspendidas en un electrolito, y el voltaje se aplica a las dos placas. El potencial aplicado a la placa del electrodo positivo atrae iones negativos en el electrolito, y la placa del electrodo negativo atrae iones positivos, formando así un condensador eléctrico de doble capa en la superficie de los dos electrodos. La capacitancia de una unidad de supercondensador es de varios a decenas de miles de métodos [2] porque esta estructura utiliza un proceso especial, su resistencia equivalente es muy baja, la capacitancia es grande y la resistencia interna es pequeña, lo que hace que el supercondensador muy alto. La corriente máxima, por lo que el supercondensador tiene una potencia específica alta, su densidad de potencia es 50 ~ 100 veces mayor que la de la batería, puede llegar a 10 × 103W / kg, esta característica hace que el supercondensador sea muy adecuado para aplicaciones a corto plazo Alto Voltaje .

2. Características del supercondensador

No hay reacción química durante el uso del supercondensador y no hay movimiento mecánico como la rotación de alta velocidad; no hay contaminación para el medio ambiente y no hay ruido; su estructura es simple y pequeña, es un dispositivo de almacenamiento de energía ideal. Los productos con supercondensadores tienen las siguientes características técnicas [3]:

(1) La velocidad de carga es rápida. Solo toma de 10 segundos a 10 minutos llenar más del 95% de su capacidad nominal;

(2) Ciclo de vida prolongado. El ciclo de carga y descarga profunda puede alcanzar entre 10.000 y 500.000 veces. Por ejemplo, el supercondensador HCC250F / 2.7V producido por Beijing Hezhong Huineng Company y los capacitores en serie producidos por Beijing Jixing Technology Co., Ltd. tienen un ciclo de vida de más de 500.000 veces;

(3) Alta eficiencia de conversión de energía. Eficiencia del ciclo de energía de alta corriente> 90%;

(4) Alta densidad de potencia. Hasta 300W / kg - 50000W / kg, 5 a 10 veces la batería;

(5) El proceso de producción, uso, almacenamiento y desmantelamiento de la materia prima no es contaminante y es una fuente de energía verde ideal para la protección del medio ambiente; tiene un alto factor de seguridad y no requiere mantenimiento para un uso prolongado;

(6) Alta eficiencia de carga y descarga. Dado que la resistencia interna es pequeña, la pérdida de carga y descarga también es pequeña, y la eficiencia de carga y descarga es alta y puede alcanzar más del 90%.

(7) El rango de temperatura es amplio hasta -40 ~ +70 ° C. La velocidad de reacción del material del electrodo del supercondensador no se ve afectada por la temperatura;

(8) Detección y control convenientes. La potencia restante se puede calcular directamente mediante la fórmula E = CV2 / 2. La energía almacenada se puede determinar solo detectando el voltaje del terminal. El cálculo del estado de carga (SOC) es simple y preciso, por lo que es fácil de administrar y controlar la energía.

3. Problemas con los supercondensadores

En el caso de aplicaciones de supercondensadores donde la densidad de energía es alta y el ciclo de trabajo es largo, las principales desventajas son las siguientes:

(1) Energía específica baja. La densidad de energía de un supercondensador es aproximadamente el 20% de la de una batería de plomo-ácido; si se almacena la misma energía, el volumen y el peso de un supercondensador son mucho mayores que el de una batería.

(2) Resistencia a baja presión. El voltaje de resistencia actual del supercondensador es mucho más bajo que el del condensador ordinario, y el voltaje es de aproximadamente 1-3 V. Si se utiliza el método en serie para conducir, el sistema de almacenamiento de energía es relativamente voluminoso, lo que no favorece la conducción de equipos de alta potencia.

(3) El voltaje del terminal fluctúa severamente. Cuando se usa un supercondensador, su voltaje terminal cambia exponencialmente. Cuando el supercondensador libera 3 / 4D de energía, su voltaje terminal caerá a la mitad del voltaje original.

(4) Problema de ecualización de voltaje en serie. En el proceso de fabricación de supercondensadores, existen problemas de proceso y material desiguales. Existen algunas diferencias en parámetros como la resistencia interna y la capacidad del mismo lote de condensadores de la misma especificación. Por lo tanto, el conjunto del supercondensador debe estar equipado con un dispositivo de compensación en serie para mejorar la eficiencia energética y la seguridad del componente.

4. Aplicación de supercondensador

4.1 Aplicación en vehículos eléctricos

Los principales factores que restringen el desarrollo de la industria moderna son los problemas de contaminación ambiental y la escasez de energía. Hoy en día, la industria del automóvil ha ocupado la mayor parte del consumo de energía de la industria moderna. Por tanto, la tecnología de ahorro energético de los automóviles se ha convertido en una tecnología clave que debe resolverse en el desarrollo de la industria del automóvil. Debido al rendimiento superior de los supercondensadores, los países de todo el mundo están luchando por investigar y aplicarlos cada vez más a los vehículos eléctricos. Las decenas de miles de supercondensadores de clase Farad se pueden utilizar como fuente de alimentación de conducción de corta duración para vehículos eléctricos. En las condiciones de trabajo de corta duración y alta potencia, como el arranque, la aceleración y la recuperación de energía de frenado de los vehículos, la potencia y la economía de los vehículos eléctricos pueden mejorarse significativamente. Sexualidad y puede mejorar eficazmente el rendimiento de la batería. Los supercondensadores se han convertido en una nueva tendencia en el desarrollo de la energía de los vehículos eléctricos, y el sistema de energía compuesto compuesto por supercondensadores y baterías se considera una de las mejores formas de resolver el problema de la energía de los vehículos eléctricos en el futuro.

El automóvil híbrido de celda de combustible-supercondensador Honda FCX de Japón es el primer automóvil comercial de celda de combustible del mundo. Fue lanzado en 2002 en Japón y California. La japonesa Nissan también introdujo un autobús híbrido de gas natural con supercondensador, como se muestra en la Figura 2. La economía de combustible del automóvil es 214 veces mayor que la del automóvil de gas natural original.

El Instituto PSI en Suiza instaló un banco de supercondensadores de 360Wh en un vehículo de celda de combustible de 48kW. El supercondensador ayudó a la celda de combustible con una potencia de pulso nominal de 15 kW de 50 kW, aprovechando al máximo la desaceleración del sistema de transmisión y la potencia del estado de arranque. En 1996, Eltran de Rusia desarrolló un vehículo eléctrico con un supercondensador como fuente de energía. Utiliza 300 condensadores en serie y puede conducir durante 12 km a una velocidad de 25 km / h. El bus híbrido desarrollado por NASALewis Research Center en los Estados Unidos utiliza supercondensadores como el principal sistema de almacenamiento de energía; American Electric Fuel Company (EFC) diseñó y desarrolló el vehículo eléctrico de celda de combustible de zinc-aire, que también utiliza supercondensadores como energía auxiliar e instala supercondensadores. Ha aumentado su kilometraje en casi un 25%.

Después del lanzamiento de los proyectos de vehículos eléctricos "Undécimo quinquenal" y "863" de China, las empresas nacionales que desarrollan supercondensadores también han aumentado sus esfuerzos de desarrollo. El primer "trolebús de accionamiento de frecuencia variable con almacenamiento de energía por condensador" de China se puso en funcionamiento en Zhangjiang, Shanghai, en julio de 2004. Cuando el tranvía está en la parada, se puede cargar rápidamente en 30 s, con una velocidad de 44 km / h, y es sostenible fuente de alimentación. . Este trolebús aprovecha al máximo las ventajas de la potencia del supercondensador y el estacionamiento en punto fijo en el transporte público. El autobús eléctrico con supercondensador desarrollado por el Instituto de Tecnología de Harbin y el Grupo Jurong tiene una velocidad máxima de 20 km / hy puede acomodar hasta 50 pasajeros. En la Exposición Universal de Shanghai 2010, se invirtieron un total de 1.147 vehículos de ahorro de energía y nuevas energías: vehículos con supercondensadores, vehículos de pila de combustible, vehículos eléctricos puros y vehículos híbridos. Los vehículos de nueva energía en el parque ocuparon el 66% de la capacidad en el parque durante la operación real. Ha logrado cero descarga de transporte público en el parque y baja emisión de transporte público alrededor del parque. Además, Shanghai Aowei Company, Beijing Jixing Company, Jinzhou Baina Electric Company y Harbin Jurong Company han lanzado sus propios productos de supercondensadores para HEV (unidad de energía híbrida) o EV (vehículo eléctrico). Sin embargo, el diseño y el control actuales de los vehículos eléctricos de energía compuesta con supercondensadores y baterías están básicamente en su infancia, y todavía existe una brecha entre los supercondensadores producidos por empresas nacionales y los productos extranjeros.

4.2 Diagrama del principio de funcionamiento del vehículo eléctrico de la fuente de alimentación compuesta

El vehículo eléctrico de supercondensador puro es la única fuente de energía para los vehículos eléctricos. Este método es de estructura simple, de bajo costo, práctico y sin emisiones, por lo que es adecuado para áreas de línea fija de corta distancia, como escuelas y jardines de infancia. Se puede utilizar el carro de reparto, se puede utilizar el tractor en la estación de tren o en el aeropuerto, también se puede utilizar el autobús turístico del parque y el autobús eléctrico. La aplicación en vehículos eléctricos del supercondensador y la batería o la pila de combustible para formar un sistema de energía compuesto es más flexible y tiene un espacio de aplicación más amplio.

Sistema de energía compuesto supercondensador-batería El principio de funcionamiento del automóvil eléctrico se muestra en la Figura 3. Primero, el vehículo eléctrico suministra energía al motor eléctrico a través de un convertidor de potencia en condiciones normales de conducción. En condiciones de conducción de vehículos ligeros, la batería carga el supercondensador, de modo que el supercondensador tiene una capacidad de salida de alta potencia; cuando el vehículo acelera o sube, el supercondensador y la batería proporcionan simultáneamente energía al motor; cuando el vehículo frena o va cuesta abajo Cuando el motor está en modo generador, la energía regenerativa es cargada por el convertidor de potencia para el supercondensador. Si el supercondensador no puede aceptar toda la energía regenerativa, la batería absorbe la parte restante.

4.3 Aplicación en el sistema UPS

La mayoría de los sistemas actuales de USP (suministro de energía ininterrumpida) utilizan baterías de almacenamiento de plomo como dispositivos de almacenamiento de energía eléctrica. Si se usa en caso de cortes frecuentes de energía, las baterías se sulfatarán debido a una carga insuficiente a largo plazo y la vida útil se acortará considerablemente. Los supercondensadores no se ven afectados por cortes de energía frecuentes y pueden cargarse completamente en un corto período de tiempo. Los supercondensadores la convierten en una buena fuente de energía de emergencia debido a sus características de salida de alta densidad de potencia. Por ejemplo, en el alto horno no se permite interrumpir el proceso de refrigeración por agua de la acería. Una vez que se corta la energía, el supercondensador puede proporcionar inmediatamente una alta potencia de salida para arrancar el grupo electrógeno diesel y suministrar energía al alto horno y la bomba para garantizar la producción segura del alto horno.

4.4 Aplicación en sistemas militares

El ejército estadounidense aplica supercondensadores a vehículos blindados de transporte de personal, camiones pesados y tanques. La potencia utilizada por Oshkosh Motors para fabricar el concept car HEMTTLMS para el ejército de EE. UU. Es el sistema de propulsión eléctrico híbrido ProPulse de Maxwell, que utiliza supercondensadores PowerCache. La tecnología de generación de energía PEMFC tiene perspectivas de aplicación extremadamente amplias en la ingeniería de comando de defensa aérea civil debido a sus ventajas de alta eficiencia, limpieza, peso ligero, tamaño pequeño y baja temperatura de funcionamiento. Sin embargo, independientemente del método de suministro de energía que se adopte, la potencia de CC inestable generada por el generador PEMFC debe convertirse en una potencia de CC estable para alimentar la carga o el inversor. Las características dinámicas del generador PEMFC muestran una caída transitoria de voltaje significativa en caso de un aumento repentino de la carga, lo que evita que los subsiguientes CC / CC y CC / CA (conversión directa / CA) funcionen correctamente. El uso de supercondensadores para compensar las características dinámicas del generador PEMFC elimina los picos de caída de voltaje durante los aumentos repentinos de carga, mejorando así el rendimiento de salida dinámica del generador y proporcionando un voltaje de CC estable para las cargas de CC y CC / CA posteriores.

4.5 Aplicación en equipos eléctricos de baja potencia

Las linternas de batería tradicionales tienen una vida útil limitada. Incluso con linternas LED modernas, se necesitan horas para cargar completamente y la batería tiene un ciclo de vida muy corto. El uso de supercondensadores como linternas para componentes de almacenamiento de energía requiere solo 90 segundos para cargar y un ciclo de vida de 500,000 ciclos. Si se carga y descarga una vez al día, se puede utilizar durante unos 135 años. Esta linterna táctica fue desarrollada por la policía y el ejército. El uso de supercondensadores como componentes de almacenamiento de energía asegura que las luces de emergencia tengan las características de ahorro de energía, alto brillo, ininterrumpidas y de larga duración.

5. Terminología

Como un tipo de sistema de almacenamiento de energía con gran almacenamiento de energía, velocidad de carga y descarga rápida, amplio rango de temperatura de funcionamiento, operación segura y confiable y sin mantenimiento, con tecnología de supercondensador, reemplazará gradualmente la batería y el campo de aplicación se ampliará . Sin duda, promoverá el progreso tecnológico y obtendrá mayores beneficios económicos y sociales.

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