超电-应用案例
第12卷 第9期 中 国 水 运 Vol.12 No.9 2012年 9月 China Water Transport September 2012?
超级电容器在船舶上的应用设计
徐立丰
（中远船务工程集团有限公司，辽宁 大连 116600）
摘 要：超级电容器有很多蓄电池所不具备的特性，但目前在船舶上还未得到应用。根据超级电容器的这些特性，文中给出了几种将来可能在船舶上得到应用的设计方案。 关键词：超级电容器；船舶；应用；太阳能
中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2012）09-0071-02
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一、引言
超级电容器是介于传统物理电容器和电池之间的一种储能元件，与蓄电池和传统物理电容器相比，超级电容器主要有以下几点特性[1]：
（1）高功率密度。它的输出功率密度高达数kW/kg，是任何一个化学电源无法比拟的，是一般蓄电池的数十倍。
（2）长充放电循环寿命。其循环寿命可达万次以上。蓄电池的充放电循环寿命只有数百次，只有超级电容器的几十分之一。
（3）充电时间短。超级电容器最短可在几十秒内充电完毕，最长充电不过十几分钟，而蓄电池则需要8~12h才能充电完毕。
（4）高可靠性。超级电容器工作过程中没有运动部件，维护工作少，因而超级电容器的可靠性非常高。
另外，对于船上环境还有以下特性：
（1）没有爆炸性，安全。不必考虑周围设备的防爆，而铅酸蓄电池需要考虑防爆。
（2）它是一种绿色能源，环保的角度考虑。其原材料构成以及在生产、使用、储存过程中均没有污染，而铅酸蓄电池和镍镉蓄电池均具有毒性。
（3）超级电容器彻底免维护。不需要进行像蓄电池那样的定期检查。
（4）可以大电流充放电，而不影响寿命。这是蓄电池无法比拟的。
即便超级电容器有如此多的优势，在船上却还没有得到应用，主要有两个原因：
（1）超级电容器是一种新型的储能元件，各大船厂及设计院还没有足够的重视。
（2）超级电容器的比能量较低是一个关键的因素。 表1 各种充电蓄电池与超级电容器的性能比较
充电时间（h） 循环寿命（次） 记忆效应 自放电率（%/月） 质量比能量（Wh/kg） 质量比功率（W/kg）
安全性 环境
超级电容器 几秒~几分钟 >10000 无 高 4~15 600~6000 优 零污染
铅酸蓄电池 镉镍电池
4~12 400~600轻微 3% 30~50 200~300一般 有污染
4~10 400~500 有 25% 40~60 150~300 良 有污染
镍氢电池12~36 >500 有 20% 60~80 150~300 良 基本无污染
锂离子电池
3~4 1000 很轻微 5~10% 110~190300~500差 基本无污染
通过表1[2]可以很清晰的比较出常见充电蓄电池与超级电容器的性能差异。
二、超级电容器在船上的应用设计
超级电容器的很多特性可以在船上得到利用，以下几种基本方案，可以为以后的设计提供参考。
1．替代蓄电池作为储能元件
由于铅酸蓄电池成本低、技术成熟，在船上基本都会用它作为储能元件，但它也存在诸如循环寿命短、需考虑防爆等弊端。
目前各厂家生产的超级电容器，其比能量还很低，仅是铅酸蓄电池的1/3甚至更低。但同时，也要注意到在各个国家，超级电容器都备受重视[3]，在相关的媒体报道中，我们欣喜的看到，甚至已经有厂家（或单位）研究出来了60Wh/kg及280Wh/kg的质量比能量的超级电容器。由此看来，随着技术水平的进步，在将来很可能会出现比能量较高的超级电容器。而超级电容器由于其相对成本低、充电时间短、超长循环寿命、无记忆性、绿色环保、安全，用其储能将会是个很好的选择。
在船上，将来不但完全可以用超级电容器取代蓄电池，甚至可以利用其高能量密度、高功率密度、长循环寿命、高可靠性等优点替代一部分发电机。
2．与蓄电池组相结合
目前阶段，若将超级电容器与蓄电池组混合使用是个很好的选择。这样可以使蓄电池能量密度大和超级电容器功率密度大、循环寿命长的特点都能充分发挥，可以大幅提高系统的性能。根据超级电容器的不同特点，又可以有两种不同方式的应用。
（1）超级电容器协助蓄电池组储存不稳定能量 随着日本商船三井的汽车运输船的即将交付，太阳能在船上的应用会逐渐流行起来，如何根据太阳能的特性选择合适的大容量蓄电池是个重点。由于太阳能受天气、时间的影响很大，发电功率具有不连续性和不稳定性等特点，若使用蓄电池组作为储能元件，由于蓄电池组需要不断的吸收或者释放能量，还有可能经常进行深度充放电，这样就会导致蓄电池组的使用寿命严重缩短。而太阳能这样的特点对超级电容器基本没有影响。按图1的设计方案，将超级电容器与蓄
收稿日期：2012-05-20
作者简介：徐立丰（1980-），男，中远船务工程集团有限公司助理工程师，从事船舶电气设计。
72 中 国 水 运 第12卷 ?电池组组合起来，首先由超级电容器将光伏阵列产生的不稳定能量储存起来，当储存能量达到某一设定阈值后开始向蓄电池组充电，当低于某一设定阈值时停止充电或浮充。这样就可以有效的降低蓄电池组内部损耗，增加使用寿命，还可以缩小储能装置的体积[4]。
图1 超级电容器与蓄电池组相结合在太阳能上的应用 将来超级电容器比能量有了大幅提高后，在上述方案基础上可以取消蓄电池组。
（2）蓄电池组协助超级电容器起动电机
电动机类设备一般在起动时起动电流都很大，若由蓄电池组为其提供电源，即使是专用蓄电池组也会由于大电流冲击而严重降低蓄电池组的使用寿命。超级电容器具有大电流放电特性，非常适合起动电机这种情况。图2是在应急发电机起动系统中的设计方案，将超级电容器与蓄电池组组合。在未起动应急发电机时由蓄电池组为超级电容器充电，在起动发电机时蓄电池组退出，只由超级电容器放电；当超级电容器储存能量低于某一设定值时，再由蓄电池组为超级电容器充电。这样的设计显然会增加应急发电机机起动蓄电池组
图2 超级电容器与蓄电池组相结合在应急机上的应用 将来超级电容器比能量有了大幅提高后，同样可以取消蓄电池组。
3．回收制动能量
在钻井平台上，绞车在下放钻具的过程中产生的能量是非常大的，由于直接回馈电网会对其产生冲击，并且有一定程度的谐波污染，同时由于没有适合快速吸收电能、大容量的储能装置，目前的做法是利用制动电阻白白的将这些能量消耗掉[5]。超级电容器具有大电流充放电特性，使其具备了储存这部分能量的必要条件，将来超级电容器的比能量大幅提高后，按图3的设计方案，在绞车下放钻具时，由超级电容器吸收制动能量并储存起来，在提升钻具过程中再将存储的这部分能量重新提供给负载，这将有效的节约燃油消耗。同时由于在提升过程中超级电容器可以大功率放电，很大程度上补充了电网电能，从而使电网电压及频率保持稳定，提高了电网的电能质量。
三、结束语
超级电容器行业还处于快速发展阶段，现有超级电容器产品还存在着很多不足。随着各行各业不断扩大对超级电容器的需求，以及各个国家对超级电容器的重视，将来一定会使超级电容器的产品性能得到提升，降低产品价格，在船上也会得到越来越多的实际应用，为我们一直提倡的绿色造船做出巨大的贡献。
参考文献
[1] 张琦，王金全．超级电容器及应用探讨[J]．电气技术，2007，
（8）．
[2] 胡晓．超级电容器行业市场分析与技术现状研究[J]．机电
元件，2009，（3）．
[3] 于凌字，冯玉萍．世界超级电容器发展动态[J]．今日电子，
2008，12．
[4] 李少林，姚国兴．风光互补发电蓄电池超级电容器混合储
能研究[J]．电力电子技术，2010，2．
[5] 周新民，孙晖．新型储能元件综述--超级电容及其应用
[J]．变频器世界，2009，（06）．
[6] 金科，等．复合式燃料电池供电系统[J]．电工技术学报，
2008，3． 4．协助燃料电池
燃料电池被认为是21世纪首选的洁净、高效的发电技术，受到各国政府的高度重视，未来在船上必然会受到大力推广。但是燃料电池有一些缺点，比如没有能量储存能力、外特性很软以及冷启动困难等。因此系统中需要加入能量储存装置[6]，超级电容就是最好的选择。按图4设计方案，系统开机时，可以由超级电容器向负载供电，便于燃料电池的自启动；在系统启动后，当负载所需功率小于燃料电池的额定功率时，燃料电池对负载供电的同时对蓄电池组充电；当负载功率大于燃料电池额定功率时，则蓄电池组、燃料电池同时对负载供电；当负载发生突变燃料电池来不及反应时，可由超级电容器提供和吸收动态能量提高系统动态响应。
图4 超级电容器协助燃料电池的应用 目前在地铁、起重机领域已有类似应用。
图3 超级电容器在回收制动能量上的应用
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