|
什么是超級電容
超級電容器（supercapacitor），又叫雙電層電容器(Electrical Doule-Layer Capacitor)、黃金電容、法拉電容，通過極化電解質(zhì)來儲能。它是一種電化學(xué)元件，但在其儲能的過程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種儲能過程是可逆的，也正因為此超級電容器可以反復(fù)充放電數(shù)十萬次。超級電容器可以被視為懸浮在電解質(zhì)中的兩個無反應(yīng)活性的多孔電極板，在極板上加電，正極板吸引電解質(zhì)中的負(fù)離子，負(fù)極板吸引正離子，實際上形成兩個容性存儲層，被分離開的正離子在負(fù)極板附近，負(fù)離子在正極板附近。
超級電容器向快速充電與大功率發(fā)展
充電1分鐘即可驅(qū)動小型筆記本電腦運(yùn)行近1個半小時--在2004年10月于幕張MESSE舉行的IT博覽會“CEATEC JAPAN”上，這種快速充電的演示成了人們關(guān)心的話題。
一般筆記本電腦的充電電池要充滿電至少需要1個小時。但“雙電層電容器”卻大幅縮短了這一時間。
超級電容器是介于電容器和電池之間的儲能器件，它既具有電容器可以快速充放電的特點，又具有電化學(xué)電池的儲能機(jī)理。超級電容器也可以分為兩類：（1）以活性炭材料為電極，以電極雙電層電容的機(jī)制儲存電荷，通常被稱作雙電層電容器(DLC);(2)以二氧化釕或者導(dǎo)體聚合物等材料為陽極，以氧化還原反應(yīng)的機(jī)制存儲電荷，通常被稱作電化學(xué)電容器。
作為一種新型儲能元件，電化學(xué)電容器的電容量可高達(dá)法拉級甚至上萬法拉，能夠?qū)崿F(xiàn)快速充放電和大電流發(fā)電，并比蓄電池具有更高的功率密度(可達(dá)1,000W/kg數(shù)量級)、和更長的循環(huán)使用壽命(充放電次數(shù)可達(dá)10萬次)，同時可在極低溫等極端惡劣的環(huán)境中使用，并且無環(huán)境污染。 這些特點使得電化學(xué)電容器在電動汽車、通訊、消費和娛樂電子、信號監(jiān)控等領(lǐng)域的電源應(yīng)用方面具有廣闊的市場前景。有業(yè)內(nèi)專家預(yù)測，僅就中國市場而言，目前的年需求量可達(dá)2,150萬只，而整個亞太地區(qū)的總需求量則超過9,000萬只。美國市場研究公司Frost & Sullivan不久前發(fā)布的一份報告也預(yù)計，2002年到2009年之間，全球超級電容器產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)量和銷售收入這兩項數(shù)據(jù)將分別以157%和49%的年復(fù)合增長率保持高速增長。
超級電容半永久性使用無需更換
傳統(tǒng)的充電電池由于通過電解液與電極之間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)來產(chǎn)生電力，因此充電時需要花費一定的時間。經(jīng)過多次充電和放電后，電解液逐漸分解、材料變質(zhì)，性能也隨之下降，用上幾年后大都需要更換。
與此相比，電容器不產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，可以直接將電力貯存起來。不僅充電所需的時間非常短，還能在瞬間釋放出大量電流，輸出功率很大。由于充電和放電可反復(fù)進(jìn)行數(shù)十萬次以上，所以基本上無需更換，可以半永久性地使用。
但原有的電容器存在能量密度低的缺點，如果電流強(qiáng)的話不能長時間保持。因此，像原來鈕扣型電容器那樣的小型產(chǎn)品，只能作為電子設(shè)備內(nèi)存等部件的備用電源來使用。
近年來，能量密度得到提高的大容量電容器相繼問世，但尺寸也隨之增大。因此應(yīng)用范圍被局限于混合動力卡車等對尺寸要求不太嚴(yán)格的產(chǎn)品。前面提到的演示活動使用的電容器就屬于這一類，長寬都是20cm，厚度在5cm左右。
從近來的發(fā)展趨勢來看，電容器電池大幅度減小尺寸已經(jīng)指日可待。因為能量密度可望提高到與鎳氫充電電池相當(dāng)?shù)乃�。干電池大小的鎳氫電池產(chǎn)品已經(jīng)得到廣泛普及。也就是說，可快速充電、半永久性使用的充電電池也已經(jīng)有望將體積減小到只有干電池的大小。
超級電容器為何不同與傳統(tǒng)電容器
超級電容器在分離出的電荷中存儲能量，用于存儲電荷的面積越大、分離出的電荷越密集，其電容量越大。
傳統(tǒng)電容器的面積是導(dǎo)體的平板面積，為了獲得較大的容量，導(dǎo)體材料卷制得很長，有時用特殊的組織結(jié)構(gòu)來增加它的表面積。傳統(tǒng)電容器是用絕緣材料分離它的兩極板，一般為塑料薄膜、紙等，這些材料通常要求盡可能的薄。
超級電容器的面積是基于多孔炭材料，該材料的多孔結(jié)夠允許其面積達(dá)到2000m2/g，通過一些措施可實現(xiàn)更大的表面積。超級電容器電荷分離開的距離是由被吸引到帶電電極的電解質(zhì)離子尺寸決定的。該距離（<10 Å）和傳統(tǒng)電容器薄膜材料所能實現(xiàn)的距離更小。 這種龐大的表面積再加上非常小的電荷分離距離使得超級電容器較傳統(tǒng)電容器而言有驚人大的靜電容量，這也是其“超級”所在。
超級電容器充放電時間
超級電容器可以快速充放電，峰值電流僅受其內(nèi)阻限制，甚至短路也不是致命的。實際上決定于電容器單體大小，對于匹配負(fù)載，小單體可放10A，大單體可放1000A。另一放電率的限制條件是熱，反復(fù)地以劇烈的速率放電將使電容器溫度升高，最終導(dǎo)致斷路。
超級電容器的電阻阻礙其快速放電，超級電容器的時間常數(shù)τ在1-2s，完全給阻-容式電路放電大約需要5τ，也就是說如果短路放電大約需要5-10s（由于電極的特殊結(jié)構(gòu)它們實際上得花上數(shù)個小時才能將殘留的電荷完全
超電容有哪些優(yōu)點：
在很小的體積下達(dá)到法拉級的電容量；無須特別的充電電路和控制放電電路；和電池相比過充、過放都不對其壽命構(gòu)成負(fù)面影響；從環(huán)保的角度考慮，它是一種綠色能源；超級電容器可焊接，因而不存在像電池接觸不牢固等問題；
超電容有哪些缺點：
如果使用不當(dāng)會造成電解質(zhì)泄漏等現(xiàn)象；和鋁電解電容器相比，它內(nèi)阻較大，因而不可以用于交流電路；
超級電容器與電池的比較
超級電容器不同于電池，在某些應(yīng)用領(lǐng)域，它可能優(yōu)于電池。有時將兩者結(jié)合起來，將電容器的功率特性和電池的高能量存儲結(jié)合起來，不失為一種更好的途徑。
超級電容器在其額定電壓范圍內(nèi)可以被充電至任意電位，且可以完全放出。而電池則受自身化學(xué)反應(yīng)限制工作在較窄的電壓范圍，如果過放可能造成永久性破壞。
超級電容器的荷電狀態(tài)（SOC）與電壓構(gòu)成簡單的函數(shù)，而電池的荷電狀態(tài)則包括多樣復(fù)雜的換算。
超級電容器與其體積相當(dāng)?shù)膫鹘y(tǒng)電容器相比可以存儲更多的能量，電池與其體積相當(dāng)?shù)某夒娙萜飨啾瓤梢源鎯Ω嗟哪芰�。在一些功率決定能量存儲器件尺寸的應(yīng)用中，超級電容器是一種更好的途徑。
超級電容器可以反復(fù)傳輸能量脈沖而無任何不利影響，相反如果電池反復(fù)傳輸高功率脈沖其壽命大打折扣。
超級電容器可以快速充電而電池快速充電則會受到損害。
超級電容器可以反復(fù)循環(huán)數(shù)十萬次，而電池壽命僅幾百個循環(huán)。
如何選擇超級電容器
超級電容器的兩個主要應(yīng)用：高功率脈沖應(yīng)用和瞬時功率保持。高功率脈沖應(yīng)用的特征：瞬時流向負(fù)載大電流；瞬時功率保持應(yīng)用的特征：要求持續(xù)向負(fù)載提供功率，持續(xù)時間一般為幾秒或幾分鐘。瞬時功率保持的一個典型應(yīng)用：斷電時磁盤驅(qū)動頭的復(fù)位。不同的應(yīng)用對超電容的參數(shù)要求也是不同的。高功率脈沖應(yīng)用是利用超電容較小的內(nèi)阻(R)，而瞬時功率保持是利用超電容大的靜電容量(C)。
下面提供了兩種計算公式和應(yīng)用實例：
C(F)： 超電容的標(biāo)稱容量；
R(Ohms)： 超電容的標(biāo)稱內(nèi)阻；
ESR(Ohms)：1KZ下等效串聯(lián)電阻；
Uwork(V)： 在電路中的正常工作電壓
Umin(V)： 要求器件工作的最小電壓；
t(s)： 在電路中要求的保持時間或脈沖應(yīng)用中的脈沖持續(xù)時間；
Udrop(V)： 在放電或大電流脈沖結(jié)束時，總的電壓降；
I(A)： 負(fù)載電流；
瞬時功率保持應(yīng)用
超電容容量的近似計算公式，該公式根據(jù)，保持所需能量=超電容減少能量。
保持期間所需能量=1/2I(Uwork+ Umin)t；
超電容減少能量=1/2C(Uwork2 -Umin2)，
因而，可得其容量(忽略由IR引起的壓降)C=(Uwork+ Umin)t/(Uwork2 -Umin2)
實例：
假設(shè)磁帶驅(qū)動的工作電壓5V，安全工作電壓3V。如果直流馬達(dá)要求0.5A保持2秒（可以安全工作），那么,根據(jù)上公式可得其容量至少為0.5 F。
因為5V的電壓超過了單體電容器的標(biāo)稱工作電壓。因而，可以將兩電容器串聯(lián)。如兩相同的電容器串聯(lián)的話，那每只的電壓即是其標(biāo)稱電壓2.5V。
如果我們選擇標(biāo)稱容量是1F的電容器，兩串為0.5F�？紤]到電容器－20％的容量偏差，這種選擇不能提供足夠的裕量�？梢赃x擇標(biāo)稱容量是1.5F的電容器，能提供1.5F/2=0.75F。考慮－20％的容量偏差，最小值1.2F/2＝0.6F。這種超級電容器提供了充足的安全裕量。大電流脈沖后，磁帶驅(qū)動轉(zhuǎn)入小電流工作模式，用超電容剩余的能量。
在該實例中，均壓電路可以確保每只單體不超其額定電壓。
脈沖功率應(yīng)用
脈沖功率應(yīng)用的特征：和瞬時大電流相對的較小的持續(xù)電流。脈沖功率應(yīng)用的持續(xù)時間從1ms到幾秒。
設(shè)計分析假定脈沖期間超電容是唯一的能量提供者。在該實例中總的壓降由兩部分組成：由電容器內(nèi)阻引起的瞬時電壓降和電容器在脈沖結(jié)束時壓降。關(guān)系如下：
Udrop=I(R+t/C)
上式表明電容器必須有較低的R和較高的C壓降Udrop才小。
對于多數(shù)脈沖功率應(yīng)用，R的值比C更重要。以2.5V1.5F為例。它的內(nèi)阻Ｒ可以用直流ESR估計，標(biāo)稱是0.075Ohms(DC ESR=AC ESR*1.5＝0.060Ohms*1.5=0.090Ohms)。額定容量是1.5F。對于一個0.001s的脈沖，t/C小于0.001Ohms。即便是0.010的脈沖t/C也小于0.0067Ohms，顯然R（0.090Ohms）決定了上式的Udrop輸出。
實例：
GSM/GPRS無線調(diào)制解調(diào)器需要一每間隔4.6ms達(dá)2A的電流，該電流持續(xù)0.6 ms。這種調(diào)制解調(diào)器現(xiàn)用在筆記本電腦的PCMCIA卡上。筆記本的和PCMCIA連接的限制輸出電壓3.3V+/-0.3V筆記本提供1A的電流。許多功率放大器（PA）要求3.0V的最小電壓。對于筆記本電腦輸出3.0V的電壓是可能的。到功率放大器的電壓必須先升到3.6V。在3.6V的工作電壓下（最小3.0V），允許的壓降是0.6V。
選擇超級電容器（C：0.15F,AC ESR：0.200Ohms,DC ESR：0.250Ohms）。對于2A脈沖，電池提供大約1A，超電容提供剩余的1A。根據(jù)上面的公式，由內(nèi)阻引起的壓降：1A×0.25Ohms=0.25V。I(t/C)=0.04V它和由內(nèi)阻引起的壓降相比是小的。
結(jié)論
不管是功率保持還是功率脈沖應(yīng)用都可以用上公式計算．當(dāng)電路的工作電壓超過超電容的工作電壓時，可以用相同的電容器串聯(lián)．一般地，串聯(lián)應(yīng)該保持平衡以確保電壓平均分配．在脈沖功率應(yīng)用中由超電容內(nèi)阻引起的壓降通常是次要因素。電容器超低的內(nèi)阻提供一種克服傳統(tǒng)電池系統(tǒng)阻抗大的全新的解決方案。
超級電容器使用注意事項
1、超級電容器具有固定的極性。在使用前，應(yīng)確認(rèn)極性。
2、超級電容器應(yīng)在標(biāo)稱電壓下使用：
當(dāng)電容器電壓超過標(biāo)稱電壓時，將會導(dǎo)致電解液分解，同時電容器會發(fā)熱，容量下降，而且內(nèi)阻增加，壽命縮短，在某些情況下，可導(dǎo)致電容器性能崩潰。
3、超級電容器不可應(yīng)用于高頻率充放電的電路中，高頻率的快速充放電會導(dǎo)致電容器內(nèi)部發(fā)熱，容量衰減，內(nèi)阻增加，在某些情況下會導(dǎo)致電容器性能崩潰。
4、超級電容器的壽命：
外界環(huán)境溫度對于超級電容器的壽命有著重要的影響。電容器應(yīng)盡量遠(yuǎn)離熱源。
5、當(dāng)超級電容器被用做后備電源時的電壓降：
由于超級電容器具有內(nèi)阻較大的特點，在放電的瞬間存在電壓降，ΔV=IR。
6、使用中環(huán)境氣體：
超級電容器不可處于相對濕度大于85%或含有有毒氣體的場所，這些環(huán)境下會導(dǎo)致引線及電容器殼體腐蝕，導(dǎo)致斷路。
7、超級電容器的存放：
超級電容器不能置于高溫、高濕的環(huán)境中，應(yīng)在溫度-30+50℃、相對濕度小于60%的環(huán)境下儲存，避免溫度驟升驟降，因為這樣會導(dǎo)致產(chǎn)品損壞。
8、超級電容器在雙面線路板上的使用：
當(dāng)超級電容器用于雙面電路板上，需要注意連接處不可經(jīng)過電容器可觸及的地方，由于超級電容器的安裝方式，會導(dǎo)致短路現(xiàn)象。
9、當(dāng)把電容器焊接在線路板上時，不可將電容器殼體接觸到線路板上，不然焊接物會滲入至電容器穿線孔內(nèi)，對電容器性能產(chǎn)生影響。
10、安裝超級電容器后，不可強(qiáng)行傾斜或扭動電容器，這樣會導(dǎo)致電容器引線松動，導(dǎo)致性能劣化。
11、在焊接過程中避免使電容器過熱：
若在焊接中使電容器出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，會降低電容器的使用壽命，例如：如果使用厚度為1.6mm的印刷線路板，焊接過程應(yīng)為260℃，時間不超過5s。
12、焊接后的清洗：
在電容器經(jīng)過焊接后，線路板及電容器需要經(jīng)過清洗，因為某些雜質(zhì)可能會導(dǎo)致電容器短路。
13、將電容器串聯(lián)使用時：
當(dāng)超級電容器進(jìn)行串聯(lián)使用時，存在單體間的電壓均衡問題，單純的串聯(lián)會導(dǎo)致某個或幾個單體電容器過壓，從而損壞這些電容器，整體性能受到影響，故在電容器進(jìn)行串聯(lián)使用時，需得到廠家的技術(shù)支持。
14、其他：
在使用超級電容器的過程中出現(xiàn)的其他應(yīng)用上的問題，請向生產(chǎn)廠家咨詢或參照超級電容器使用說明的相關(guān)技術(shù)資料執(zhí)行
法拉電容用于主電源瞬間波動或瞬間停電的備用電源
在一些電子設(shè)備中,由于電機(jī)、繼電器、蜂鳴器或顯示器的起動而造成電路電壓的瞬間降低,以致于造成記憶錯誤或電路誤動作,利用法拉電容器可以起到穩(wěn)定電壓的作用。另外,在電池供電的儀器中,由于振動等原因,很有可能產(chǎn)生瞬間斷電的情況,這時用鋁電解電容也可起保護(hù)記憶或維持電路工作的作用。但是,當(dāng)電路工作電流相對較大時,法拉電容無疑是最佳選擇。在攝像機(jī)系統(tǒng)、出租車計價器、汽車音響系統(tǒng)、汽車電子儀器及手持商用機(jī)、打字機(jī)以及文字處理機(jī)等。
法拉電容在汽車能源再生系統(tǒng)的應(yīng)用
當(dāng)汽車制動時,發(fā)動機(jī)制動中仍有運(yùn)轉(zhuǎn)過程。為了使能源快速回收,一般用蓄電池來回收它,但由于頻繁的快速充電降低了蓄電池的使用壽命。而使用法拉電容幾乎能夠?qū)⒛茉唇?00%地快速回收,然后再向負(fù)載及電池輸送電能,以實現(xiàn)能源的有效利用。同時,由于法拉電容具較大的放電功率,因此在汽車起動和加悚過程中可使蓄電池的壽命延長,并使組數(shù)減少,從而減輕車體自身重量。
在負(fù)載側(cè)有電動機(jī)或傳動裝置等強(qiáng)負(fù)載系統(tǒng)中,當(dāng)大負(fù)載突然起動時,一般都需要一個很大的瞬間電流,這時,如果電源能量不足,電源電壓將瞬間下降,從而使控制電路產(chǎn)生誤操作,如果增大電源容量,對于平常不需大電流的工作場合來說,這顯然是一種浪費。而在系統(tǒng)中增加大功率法拉電容就可用較小容量的電源刷驅(qū)動較大的負(fù)載。
DVD ，數(shù)碼相框，手機(jī)等數(shù)碼產(chǎn)品應(yīng)用方案：
主電源停電及關(guān)斷期間的后備用電源.在關(guān)機(jī)及更換電源時,隨機(jī)存儲器中的信息、時鐘等記憶信息需要用備用電源來維持,在這種情況下,采用法拉電容可保護(hù)這些信息,保護(hù)時間可根據(jù)電路條件和法拉電容的容量達(dá)到幾分鐘到幾個月不等（斷電后待機(jī)時間的長短主要取決于電路本身功耗。功耗大，待機(jī)時間短;功耗小，待機(jī)時間長;
利用該電源電路可在數(shù)字調(diào)諧系統(tǒng)中記憶無線電臺、記錄時間及維護(hù)時鐘;在出租車計價計程系統(tǒng)中保持原始數(shù)據(jù);在電話電路中,可以實現(xiàn)號碼記憶、重?fù)芎妥詣討?yīng)答等功能;另外,在VCR中,由于微型計算機(jī)被法拉電容支持著,因此在主電源停電時仍可繼續(xù)錄制電視節(jié)目。
超級電容器在稅控收款機(jī)上的應(yīng)用
稅務(wù)部門推廣使用稅控裝置，運(yùn)用國際先進(jìn)的監(jiān)控手段堵塞發(fā)票漏洞，相當(dāng)于給每一臺稅控裝置裝上了類似飛機(jī)的“黑匣子”， 能儲存企業(yè)近期的經(jīng)營信息、開發(fā)票的情況等，于是出現(xiàn)了一系列的稅控產(chǎn)品，如稅控收款機(jī)、IC卡稅控加油機(jī)。
此類稅控裝置都應(yīng)該具有斷電保護(hù)功能，即當(dāng)出現(xiàn)突然斷電時，仍能將數(shù)據(jù)存儲，并能進(jìn)行短時間IC讀寫卡的操作過程，這時需要有后備電源作保護(hù)。一般常用的方法是利用蓄電池進(jìn)行供電，但存在某些弊端，如下表。超級電容器又叫法拉電容，是一種新型的儲能元件，其特性介于電池及普通電容器之間，可以作為稅控裝置可靠的后備電源。在斷電時，由超級電容器為控制電路提供能量，CPU可在短時間執(zhí)行數(shù)據(jù)存儲過程，讀寫完成后，電容器再提供瞬間脈沖電流（幾A），將IC卡彈出
超級電容器在道釘燈、太陽能光伏產(chǎn)品上的應(yīng)用
◆ ◆ LED：高亮發(fā)光二極管
◆R1，R2：限制電阻
◆C：陶瓷電容
◆D1：普通二極管
◆K：受控開關(guān)
◆工作過程簡述如下：
當(dāng)白天光線較強(qiáng)時，光電轉(zhuǎn)換器將光信號轉(zhuǎn)換為
電信號通過二極管給超級電容器充電，受控開關(guān)
K處于斷開，LED不亮；夜間光線弱時，光電轉(zhuǎn)
換器停止向超級電容器充電受控開關(guān)K導(dǎo)通，超
級電容器開始向LED放電，直至光電轉(zhuǎn)換器再次
工作。
◆超級電容器充放電時間計算方法
一般應(yīng)用在太陽能指示燈上時,LED都采用閃爍發(fā)
光,例如采用一顆LED且控制每秒閃爍放電持續(xù)時間為0.05秒,對超級電容器充電電流100mA,LED放電電流為15mA.
下面以2.5V50F在太陽能交通指示燈上的應(yīng)用為例,超級電容器充電時間計算如下：
C×dv=I×t
C: 電容器額定容量；
V：電容器工作電壓；
I：電容器充電；
t: 電容器充電時間
故2.5V50F超級電容器充電時間為：
t =(C×dv)/I
=(50×2.5)/0.1
=1250s
超級電容器放電時間為：
C×dv-I×C×R=I×t
C: 電容器額定容量；
V：電容器工作電壓；
I：電容器放電電流；
t: 電容器放電時間；
R：電容器內(nèi)阻
則2.5V50F超級電容器從2.5V放到0.9V放電時間為：
t =C×(dv/I-R)
=50×[（2.5-0.9）/0.015-0.02]
=5332s
應(yīng)用在LED上工作時間為5332/0.05=106640s=29.62小時
電動玩具類：
電動玩具汽車是兒童喜愛的一種玩具，長期以來靠裝備蓄電池于其中。超級電容作為儲能器件，應(yīng)用于玩具汽車，優(yōu)勢非常明顯，它可使汽車體積和重量減輕，充放電壽命延長，成本降低（相對于使用Ni-MH或Li-Ion電池）。
原理：將超級電容與Motor連接在一起，LED用于顯示充電情況。使用時用外部充電器對電容充電，當(dāng)LED燈足夠亮?xí)r表示充電結(jié)束，玩具車可以與充電器分離，使用時由超級電容對Motor供電，以維持玩具車行駛。在此，超級電容完全取代了電池，并且體現(xiàn)其優(yōu)勢。
德國GALERIE MEINER生產(chǎn)的一種商標(biāo)名為Condensor Plane 的電動模型飛機(jī)采用的是日本ELNA公司的“GoldCap”驅(qū)動的，該電容器容量為3.3F，電壓為2.5V。韓國最大的鋁電解電容和金屬膜電容生產(chǎn)廠家NuinTEK公司聲稱，他們生產(chǎn)的產(chǎn)品比“GOLDCAP”具有更高的容量和更小的重量。例如，模型飛機(jī)中原來采用的“GOLDCAP“體積為23 by 13mm(length×diameter)，而具有3F相似容量的NuinTEK公司產(chǎn)品體積只有21×8mm，明顯要小的多，在要求采用容量大質(zhì)量輕電源的飛行類電動玩具上極有競爭優(yōu)勢。
NuinTEK公司還開發(fā)20F和25F產(chǎn)品，為了驗證其在玩具飛機(jī)中的應(yīng)用前景，用戶進(jìn)行了部分實驗和對比。實驗平臺還是圖中所示的Condensor Plane 飛機(jī)，實驗者將其固定在卡鉗上，換裝不同的電容器后測試馬達(dá)的轉(zhuǎn)動時間，工作電路非常簡單，電容器通過一個開關(guān)和馬達(dá)直接相連，沒有任何保護(hù)電路板之說。圖中列出了兩家公司的電容器產(chǎn)品，從左到右分別為GoldCap 3.3 F@ 2.5V(Original), SuperCap3F@2.7V,SuperCap10F@2.3V，SuperCap 20F@ 2.5V, SuperCap25F@2.3V。具體實驗方法是先通過充電設(shè)備模擬實際情況對電容器進(jìn)行充電，與我們平時概念不同的是，玩具飛機(jī)的充電器（和一個隨身聽大小差不多）采用恒電壓2.5V的方式對電容器進(jìn)行充電。充電開始電量一般在1A左右，充電過程中電流不斷減小，當(dāng)達(dá)到30mA以下時默認(rèn)為充電完成，對于20F以上的電容器，則電流降至50mA以下時默認(rèn)充電完成。雖然實際情況下使用者尤其是兒童總是通過延長充電時間來希望充入更多的電量，這對于要求較長充電時間的大容量型電容器非常有利，但是過長的充電時間其實是沒有什么用處的�！癵oldcap”在充電16秒后馬達(dá)可以轉(zhuǎn)動48秒以上，但是在空中其不可能飛行48秒，一般也就是滯空30秒，而同樣重量的NuinTEK SuperCap 10F @2.3V產(chǎn)品在充電一分鐘后馬達(dá)轉(zhuǎn)動151秒，估計滯空時間長達(dá)一分半鐘，雖然充電時間較長，但完全可以通過設(shè)計較大功率的充電器來獲得更大的充電電流并解決上述問題。20F和25F的產(chǎn)品具有更好的性能，但是其較大的重量對玩具的性能可能產(chǎn)生影響，因為玩具飛機(jī)本身的重量不過12g，而且電容器安裝在飛機(jī)的頭部位置。飛機(jī)中使用的2.5V小型馬達(dá)的啟運(yùn)電流是0.6A，這對于超級電容器而言完全不成問題。NuinTEK認(rèn)為其從3F到60F的超級電容器產(chǎn)品都可能作為電動玩具的電源，例如可以用于驅(qū)動個頭更大的飛機(jī)。 國內(nèi)也有類似玩具飛機(jī)出售，其動力電源是兩節(jié)1.2V鎳鉻電池串聯(lián)，每節(jié)電池體積與GoldCap 3.3F@2.5V電容器類似，但是重量要大的多，飛機(jī)明顯頭重腳輕，充電器是四節(jié)一號干電池，兩并兩串，從容量來看，這么大的充電器目的就是產(chǎn)生較大的充電電流以達(dá)到短時間完成充電的目的。飛機(jī)售價80元人民幣左右，整個飛機(jī)結(jié)構(gòu)主要由木線和泡沫塑料以及紙構(gòu)成，成本主要集中在電池和馬達(dá)上，利潤很高，我們的超級電容器在這方面的應(yīng)用中頗具競爭優(yōu)勢
（一）智能水表簡介
傳統(tǒng)的智能水表，在控制水閥開啟和關(guān)斷時，普遍采用的方法是內(nèi)裝鋰電池。鋰電池的優(yōu)點在于重量輕、能量大、自放電率低等。雖然如此，由于智能水表都沒有設(shè)計再充電電路，鋰電池使用到一定時間后，將無法為控制電路提供能量，不得不更換電池。上門為用戶更換電池或水表，這對于水表生產(chǎn)廠家和自來水公司來說都是一件繁瑣的事。更危險的是，電池電量不足的情況出現(xiàn)是隨機(jī)的，如果不精確和及時的監(jiān)測電池電量，將無法可靠的關(guān)斷水閥，造成無法計費、逃水現(xiàn)象等情況出現(xiàn)。這是內(nèi)部安裝了鋰電池的智能水表的致命缺點，直接影響到它的推廣和使用。針對這一問題，水表生產(chǎn)廠家設(shè)計了很多方案，如：盡量降低功耗，在靜態(tài)時控制漏電流在10uA以內(nèi)，保證電池可以連續(xù)使用5年以上，這對電路的設(shè)計和元器件的選型提出了更高的要求，增加了設(shè)計難度和成品檢測的工序，元器件成本也增加了。如加上可靠的電池電量監(jiān)測電路，也會使成本增加。
（二）方案
為了解決這一制約智能水表發(fā)展的瓶頸問題，已有不少廠家嘗試一種全新的方案，那就是用超級電容代替鋰電池應(yīng)用于智能水表。超級電容是近幾年才批量生產(chǎn)的一種無源器件，介于電池與普通電容之間，具有電容的大電流快速充放電特性，同時也有電池的儲能特性，并且重復(fù)使用壽命長，放電時利用移動導(dǎo)體間的電子（而不依靠化學(xué)反應(yīng)）釋放電流，從而為設(shè)備提供電源。
超級電容的特性
超級電容與電池比較，有如下特性：
1、超低串聯(lián)等效電阻（LOW ESR），功率密度(Power Density)是鋰離子電池的數(shù)十倍以上，適合大電流放電，（一枚4.7F電容能釋放瞬間電流18A以上）為水表控制電機(jī)閥或電磁閥的可靠開啟提供了保障。
2、超長壽命，充放電大于50萬次，是Li-Ion電池的500倍，是Ni-MH和Ni-Cd電池的1000倍，如果對超級電容每天充放電20次，連續(xù)使用可達(dá)68年。
3、可以大電流充電，充放電時間短，對充電電路要求簡單，無記憶效應(yīng)。
4、免維護(hù)，可密封。
5、溫度范圍寬-40℃～+70℃，一般電池是-20℃～60℃。
方案描述
與內(nèi)裝鋰電池的智能水表相比較，這種方案是用超級電容替換鋰電池，封裝在水表中，同時外接干電池供電。平時干電池提供水表電路所需能量和對超級電容充電，在需要開啟水閥時，先檢測超級電容是否存儲足夠能量，如果沒有存儲足夠能量，將不開啟水閥，當(dāng)檢測它存儲足夠能量時，由外接干電池提供能量將水閥開啟；在需要關(guān)斷水閥時，如果外接電池不能提供能量將水閥關(guān)斷，那么超級電容將在此刻提供能量來關(guān)斷水閥。如同一個儲水箱，平時將水存儲起來，在停水時提供必要的水。
方案優(yōu)點
這種方案明顯優(yōu)于以前的設(shè)計，優(yōu)點如下：
1、將電池從水表中分離出來，從而可以不考慮電池壽命對水表的影響，延長了水表的使用時間。
2、另一方面，超級電容的大電流放電特性保障了水閥關(guān)斷的可靠性，在外接干電池電量不足時，仍能利用存儲在超級電容上的能量將水閥關(guān)斷。
3、以前一味追求的漏電流指標(biāo)，主要是為了保障電池的使用壽命，改用超級電容后，漏電流指標(biāo)變得不重要。如果電池電量不足，用戶可以隨時更換。這樣，不僅使電路設(shè)計簡化，減少產(chǎn)品的出廠檢驗工序，還使產(chǎn)品的成本降低。
（三）結(jié)論
這種方案克服了現(xiàn)階段智能水表的缺點，為智能水表的發(fā)展找到了一條新的道路，實踐證明是切實可行的，值得大力推廣。
國家"863"計劃電動汽車重大專項超級電容器在電動車上的應(yīng)用
"863" 計劃是國家"十五"規(guī)劃的一部分，主要選擇對國家影響較大的戰(zhàn)略性項目作為支撐點，采取有限項目重點突破的方針，發(fā)展高科技，解決國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中所遇到的頭等問題。
為維護(hù)我國能源安全，改善大氣環(huán)境，提高我國汽車工業(yè)的競爭力，科技部在"十五"規(guī)劃國家"863"計劃中，特別設(shè)立了電動汽車重大專項，計劃在"十五" 期間，以電動汽車的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)平臺為工作重點，力爭在電動汽車關(guān)鍵單元技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)及整車技術(shù)上取得重大突破，使我國的汽車產(chǎn)業(yè)在世界汽車市場上具有一定的競爭能力。
在"863"電動汽車重大專項中，科技部首次將超級電容器列入該研究計劃，和電池一起構(gòu)成復(fù)合動力源。利用超級電容器的瞬間高功率、充電迅速、壽命長等特點滿足電動車起動、爬坡、加速所需的瞬間高功率，或再生制動的高效能量反饋回收。
友仁科技積極地以市場為導(dǎo)向，緊跟國家科技發(fā)展規(guī)劃，與有關(guān)科研院所合作采用新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)共同研究、開發(fā)、生產(chǎn)混合電動車用超級電容器，并被確定為"十五""863"計劃電動汽車合作重大專項的首批啟動課題之一，專業(yè)開發(fā)電動車用超級電容器。
超級電容器將作為二十一世紀(jì)的新型綠色能源在交通、能源等領(lǐng)域取得廣闊的發(fā)展空間。
手搖手電筒產(chǎn)品說明：
1、免換電池，只要搖晃30秒鐘，即可發(fā)光5分鐘。
2、照射距離1公尺。
3、原裝進(jìn)口，流行透明造型設(shè)計，新穎美觀。
4、系利用電磁能原理，只要將電筒搖動10 ~ 30秒，便可將動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽纯砂l(fā)出超炫藍(lán)光。
5、省電LED燈泡，符合世界環(huán)保要求，質(zhì)量穩(wěn)定性高。
6、短波長，超亮亮度，照射目測有效距離1公尺，適合露營、登山等，求生必備。
7、迷你體積，隨時配帶，適合長時間夜間使用，如夜歸婦女、警務(wù)人員夜間臨檢、路檢查驗證件等最佳裝備。
太陽能發(fā)電：
對于局部的電源供應(yīng)，太陽能是最方便的電源，因此太陽能電池已經(jīng)成為宇宙飛船，人造衛(wèi)星和星際航天站等的主要電源之一，并相繼用于地面上的許多特殊地方，如航道燈塔、無人值守系統(tǒng)、高山氣象臺、沙漠地區(qū)考察和邊防哨所等。在現(xiàn)代城市中，太陽能照明在節(jié)能的同時還減少了鋪設(shè)電纜的麻煩，因此在高速公路、公園、廣場、居民小區(qū)，旅游區(qū)等作為照明、裝飾、指示性標(biāo)志的光源具有廣泛的應(yīng)用，使用太陽電照明是北京舉辦“綠色奧運(yùn)”的重要組成部分。作為太陽能發(fā)電重要組成部分的儲能裝置要求存儲容量大、工作壽命長，可以進(jìn)行瞬間充電以適應(yīng)天氣的變化、無記憶效應(yīng)以及免維護(hù)等。但是大量蓄電池在復(fù)雜環(huán)境下的運(yùn)行和維護(hù)費用比較昂貴，并且在高溫和反復(fù)充放電的應(yīng)用條件下會縮短使用壽命。超級電容器因其具有十萬次以上的深度充放電循環(huán)壽命和免維護(hù)、高可靠性等特點使行替換蓄電池成為可能并可以大大降太陽能發(fā)電系統(tǒng)的總運(yùn)營成本。另外本公司開發(fā)的微型和小型超級電容器還可與太陽能電池并聯(lián)使用，作為貯能元件用于太陽能手表，太陽能計算器或其它太陽能應(yīng)用方面。
面對二十一世紀(jì)，發(fā)電系統(tǒng)的一次能源多元化和更為強(qiáng)調(diào)環(huán)境的潔凈與安全的發(fā)展趨勢為太陽能發(fā)電的發(fā)展提供了良好的機(jī)遇。二十世紀(jì)七十年代以來，太陽熱發(fā)電和人伏發(fā)電的研究都有了顯著的進(jìn)展，雖然還沒有達(dá)到商用，應(yīng)該說進(jìn)入了成熟的階段。
近年來，光伏電池制造技術(shù)日超成熟、光伏電池生產(chǎn)能力增長、光伏模塊價格不斷下降，不論國內(nèi)還是國外，都有格外看好光伏系統(tǒng)的傾向。然而，盡管據(jù)最近的報道，一九九八年全世界光伏電池的產(chǎn)量已達(dá)157.4兆瓦，而且在美國，過去三年間光伏模塊的制造成本降低了31%，據(jù)稱，到1999年可做到一峰瓦1.79美元，但是，光伏系統(tǒng)的價格仍然相當(dāng)昂貴。另一方面，眾所周知，迄今唯一達(dá)到商業(yè)運(yùn)行水平的太陽能電站，恰恰是建立在美國南加州的槽式線聚焦熱發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)的建造歷經(jīng)十年，九個電站的總?cè)萘窟_(dá)354兆瓦，發(fā)電量已達(dá)60億度，最后建成的電站容量80兆瓦、電價已降至每度電12美分。
本報告概括太陽熱發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀，探討堿金屬熱電能量直接轉(zhuǎn)換技術(shù)與太陽能發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合的可行性，敘述點聚焦太陽熱直接發(fā)電的概念與特點，并提出“十五”期間開展此項研究的建議。
2、太陽熱發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀
太陽能發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀可以美國的動向為代表。除了已經(jīng)提到的槽式線聚焦系統(tǒng)，還有用定日鏡聚光的塔式系統(tǒng)以及采用旋轉(zhuǎn)拋物面聚光鏡的點聚焦一斯特體系統(tǒng)。大家知道，線聚焦系統(tǒng)和點聚焦系統(tǒng)都取得過舉世矚目的成果，特別是麥道公司研制的點聚焦一斯特林系統(tǒng)曾經(jīng)創(chuàng)下了轉(zhuǎn)換效率接近30%的記錄。最近十五所以來，對于線聚焦系統(tǒng)，在提高部件性和可靠性、降低部件造價、降低運(yùn)行維護(hù)費用等方面都取得了長足的進(jìn)展。另一方面，塔式系統(tǒng)的實驗裝備經(jīng)過重要的改造，已成為近年來發(fā)展的重點，因為，根據(jù)美國能源產(chǎn)中的預(yù)測，塔式系統(tǒng)具有最吸引人的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。圖1是三種系統(tǒng)電價的預(yù)測結(jié)果，由圖可見，塔斯社式系統(tǒng)的電價可望在2010年降到5美分，與常規(guī)火電廠匹敵。
以堵塞去十五年的工作成果為基礎(chǔ)，美國能源部制訂了1996年至2015年太陽熱發(fā)電技術(shù)的20年發(fā)展規(guī)劃，其目標(biāo)是，到2020年，世界上太陽熱發(fā)電系統(tǒng)的總?cè)萘窟_(dá)20000兆瓦。圖2是三種不同的類型熱發(fā)電系統(tǒng)的容量份額，可以看到，隨著年代的推移，塔式系統(tǒng)和氣聚焦系統(tǒng)的容量增長得很快。圖3則是太陽熱發(fā)電總?cè)萘吭诿绹鴩鴥?nèi)和國外的分布，由圖可知，差不多從2005年起，美國就把主要注意力放在占領(lǐng)國外市場上。美國能源部的規(guī)劃旨在支持和吸引產(chǎn)業(yè)界的積極參與，以促進(jìn)太陽熱發(fā)電的商業(yè)化。與比相呼應(yīng)，麥道公司和斯特林發(fā)動機(jī)系統(tǒng)公司聯(lián)合推出了點聚焦一斯特林系統(tǒng)商業(yè)化的開發(fā)計劃，以2001年建成示范電站為目標(biāo)。圖4和圖5分別為這種電站的成本及電價的子測結(jié)果。由圖4可知，當(dāng)年產(chǎn)一萬套時，25千瓦裝置的成本在每千瓦1000美元到2000美元之間，而圖5表明，如果容量因子大于50%，那么，25千瓦裝置的電價在5美分上下。
3、在太陽熱發(fā)電系統(tǒng)中采用直接發(fā)電器件的可行性
已有的三種太陽熱發(fā)電系統(tǒng)都用熱機(jī)和發(fā)電機(jī)來實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，在線聚焦和塔式系統(tǒng)中用的是傳統(tǒng)的蒸汽輪機(jī)作原動機(jī)，這樣的系統(tǒng)只有在大容量發(fā)電的場合才能獲得良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)；另一方面，點聚焦一斯特林系統(tǒng)的容量可以小到幾個千瓦，而且可以達(dá)到高效率，但是需要用氫作工質(zhì)，工作壓力高速150個大氣壓，增加了期特林發(fā)動機(jī)的制造難度。不僅如此，所有這些帶有運(yùn)動部件的系統(tǒng)都包含了可觀的維護(hù)工作量和必須的運(yùn)行維護(hù)費用。于是，把無運(yùn)動部件、無聲而且不需維護(hù)的直接發(fā)電器件來替代上迷能量轉(zhuǎn)換部件，顯然是一種可取的思路。
所說的熱電直接發(fā)電器件，有溫差半導(dǎo)體、熱電子發(fā)電器、光伏發(fā)電器和堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器，四種器件的工作原理各不相同，運(yùn)用的熱源溫度亦有差異，如圖所示。
堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器是四種直接發(fā)電器件中最年輕的分支，它的概念提出于1968年，大的經(jīng)過十年的探索，完成了原理試驗，建立了基本理論，并且以效率19%，功率密度1.1瓦/厘米的實驗成果驗證了理論的可靠性。堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器用β”-A1203固體電解質(zhì)作選擇性滲透膜，以金屬鈉為工質(zhì)，在液鈉/β”-A1203界面由化學(xué)勢梯度驅(qū)動，使鈉離子和電子分離，實現(xiàn)熱電能量的直接轉(zhuǎn)換，由于它在中等的熱源溫度范圍就能達(dá)到30%左右的效率，遠(yuǎn)高于熱電半導(dǎo)體發(fā)電的效率（5%左右），又不必使用像熱光伏光電器那樣的高溫材料，器件結(jié)構(gòu)也比熱電子發(fā)電器簡單，因而頗受人們的關(guān)注，以空間電源為目標(biāo)的研制工作在美國宇航局所設(shè)計劃的支持下正積極順利的進(jìn)行。
除了無運(yùn)動部件、無聲、無需維護(hù)之外，堿金屬熱轉(zhuǎn)換器是一種低電壓面積型器件，功率密度可達(dá)0.5-1.0瓦（厘米），比普通先伏電池的高；可以靠模塊組合構(gòu)成不同規(guī)模的發(fā)電裝置，而且能量轉(zhuǎn)換效率與裝置容量無關(guān)。
因此，只要在效率和價格方面具有競爭力，用直接發(fā)電器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換部件是可行的。
4、點聚焦太陽熱直接發(fā)電的概念
如果把點聚焦一斯特體系統(tǒng)中的斯特林發(fā)動機(jī)/發(fā)電機(jī)組以堿金屬熱電轉(zhuǎn)換發(fā)電器件取而代之，那么就構(gòu)成了點聚焦太陽熱直接發(fā)電系統(tǒng)，它的結(jié)構(gòu)框圖示于圖6。由碟型集能器聚焦的太陽輻射被位于拋物面焦點處的熱管傳熱單元所接收并輸入堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器，后者使熱能直接轉(zhuǎn)換成直流電，經(jīng)功單調(diào)節(jié)變換成用戶所需要的交流電力。必要的支持系統(tǒng)有太陽輻射集能器跟蹤子系統(tǒng)和貯能裝置，還有和熱電轉(zhuǎn)換器件的冷卻及余熱利用有關(guān)的設(shè)備。采用點聚焦集能是非常合適的，首先因為它有很大的聚光比，容易達(dá)到高效率，就通量轉(zhuǎn)換效率而言，堿金屬轉(zhuǎn)換器可以同斯特林組匹敵，還可以考慮與其他器件串級組合，有效利用排熱來增加系統(tǒng)的效率。此外，點聚焦系統(tǒng)容量范圍寬，在我國發(fā)展，可以避開占地、選點的難題，降低建設(shè)費用。
堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器只要求聚光鏡焦班處的溫度不低于900℃就能實現(xiàn)高效發(fā)電，這一溫度正好與斯特林發(fā)動機(jī)所要求的一致，于是點聚焦一斯特林系統(tǒng)研究的許多成果都可以借鑒到直接發(fā)電系統(tǒng)中來，特別是一體化的熱管式吸熱器。圖7和圖8分別為美國和日本提出的用堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器的大空太陽能電源的示意圖，在地面應(yīng)用時，為了降低成本，將考慮廉價的貯熱物質(zhì)。順便指出，與光伏系統(tǒng)相比，在夜間或雨天時對策多樣化是太陽熱發(fā)電的一大特長，除了熱貯能，也可以考慮燃燒驅(qū)動的所謂混合方式，當(dāng)然也可以考慮電力貯能方法、包括先進(jìn)蓄電池和超級電容器。
圖7和圖8所示結(jié)構(gòu)的差別在于，前者發(fā)電單元的軸線與吸熱器的軸線垂直，后者則是平行配置的。
5、點聚焦太陽熱直接發(fā)電系統(tǒng)主要部件的發(fā)展?fàn)顩r
1、堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器
美國最早研究開發(fā)堿金屬熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)的機(jī)構(gòu)有福特汽車公司和美國宇航局噴氣推進(jìn)實驗室，1990年以來，美國先進(jìn)模塊電源系統(tǒng)（AMPS）公司則對堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器的商化起了重要的推動作用。美國在該領(lǐng)域所取得的成果有：
36管實驗裝置發(fā)電1千瓦；
用電磁泵加壓的實驗裝置連續(xù)發(fā)電14000小時；
用毛細(xì)芯加壓的模塊式器件連續(xù)穩(wěn)定發(fā)電11000小時。
高效率點聚焦太陽熱直接發(fā)電：
AMPS公司的功率4瓦的器件已進(jìn)入試生產(chǎn)階段。
AMPS公司還對燃燒加熱，電功率35千瓦的堿金屬熱電轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行了設(shè)計研究，結(jié)果表明，35千瓦系統(tǒng)的尺寸僅為0.7立方米，燃燒加熱的裝置每千瓦的價格約為650美元。
中國科學(xué)院電工研究所和上海硅酸鹽研究所是國內(nèi)從事堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器研究的主要單位，上硅所主要從事β”A1203，管材的研制，用于鈉一硫電池的管材已達(dá)到國際先進(jìn)水平。電工所則進(jìn)行發(fā)電裝置的關(guān)鍵技術(shù)研究和發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計研究，已經(jīng)建立了熱電直接發(fā)電器件實驗室和必要的工藝設(shè)備，單管實驗裝置已經(jīng)達(dá)到重復(fù)運(yùn)行多次、累計發(fā)電2小時、峰值輸出885瓦、功率密度0.9瓦/厘米2 的水平。
2、點聚焦碟形集能器
應(yīng)用于斯特林循環(huán)的拋物面碟形集能器在美國已發(fā)展多年，在降低價格、改進(jìn)鏡面材料工藝等方面作了大量工作。聚焦碟的效率與聚焦比以及上限工作溫度有關(guān)，對于堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器，其工作溫度在700℃-800℃，聚焦比可以在150D上下，效率可做到85%-9%。聚焦碟支架的設(shè)計需要兼顧跟蹤的要求，當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)速和系統(tǒng)的振動。堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器無運(yùn)動部件，振動的約束大為緩和。
八十年代，湘潭電機(jī)廠曾與美國合作建立了張品直徑7.5米的聚焦碟，鋁質(zhì)結(jié)構(gòu)，表面鍍鋁反光膜，積累了寶貴的制作經(jīng)驗；近年來，國內(nèi)隨著衛(wèi)星通訊與衛(wèi)星電視產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，拋物面天線的制作技術(shù)發(fā)展很快，比如深圳華達(dá)玻璃鋼公司引進(jìn)美國的技術(shù)，制造的碟型天線，形狀精度完全能滿足太陽能發(fā)電的要求。中科院電工所則利用玻璃鋼質(zhì)拋物面聚焦碟表面粘貼鍍鋁反光膜，當(dāng)張口直徑為1.8米、焦徑比0.39時，焦斑直徑約40毫米，斑點溫度達(dá)1300℃，為進(jìn)一步研制輕質(zhì)、廉價的聚焦碟作了有效的探索。
3、鈉熱管吸熱器
鈉熱管吸熱器很大程度上可以借鑒太陽能/斯特林系統(tǒng)已有的研究成果，據(jù)1993年的報告，德國工程熱力學(xué)研究所為V-160斯特林發(fā)動機(jī)研制的和直徑7.5米碟型聚能器配合使用的鈉熱管吸熱器，經(jīng)歷了兩代的演進(jìn)。第一代樣機(jī)，在鈉蒸汽溫度為700T時，工作60個循環(huán)，累計190小時，當(dāng)蒸汽溫度達(dá)780℃時，熱管傳輸?shù)淖畲鬅峁β蕿?/B>33千瓦。經(jīng)改進(jìn)后的第二代樣機(jī)，吸收表面的最高溫度達(dá)900C，在西班牙的PSA現(xiàn)場試驗，已運(yùn)行了730小時，在斯特林發(fā)動機(jī)系統(tǒng)中，鈉蒸汽攜帶的熱量必須傳給高壓的氦氣，在堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器的場合，因為鈉蒸汽兼作熱電轉(zhuǎn)換的工質(zhì)，鈉熱管吸熱器的設(shè)計可以簡化，國內(nèi)工作用高鈉熱管的研制已有較多的成果積累，可作為借鑒。
4、貯能裝置
可以根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價，把熱貯能和電力貯能結(jié)合實際起來考慮。因為點聚焦直接發(fā)電是單元型的發(fā)電系統(tǒng)，因此熱貯能可以是分單元配置也可以集中配置。特別要提到，像鈉硫電池和超級電容這類新型電力貯能器件在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用正受到極大的關(guān)注，將成為新的發(fā)展方向。
另外，還可考慮用燃料油作為夜間或陰雨天無日照射的熱源，用燃燒熱維持發(fā)電系統(tǒng)工作，這將有利于降低系統(tǒng)的成本和光伏系統(tǒng)類似，太陽熱發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行也是降低系統(tǒng)成本的可取途徑。我們對電功率10千瓦的點聚焦太陽熱直接發(fā)電裝置技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)所作的初步估計表明，系統(tǒng)凈效率可達(dá)24%,到2010年每千瓦的成本不超過人民幣20000元，同光伏發(fā)電相比具有顯然的競爭能力。
6、“十五”立項的建議
從以上敘述可知，點聚焦太陽熱直接發(fā)電系統(tǒng)，能夠高效率利用太陽輻射這一潔凈能源，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上可以與光伏系統(tǒng)匹敵，適合我國太陽資源頒不平衡，邊遠(yuǎn)地區(qū)日照資源豐富、卻缺乏其他能源的情況，建議在，十五期間立項開展這種新發(fā)電系統(tǒng)的研究與開發(fā)，以在“十五”建成電功率2千瓦試驗裝置為目標(biāo)，開展關(guān)鍵技術(shù)的研究，研究內(nèi)容如下：
1） 高效碟形集能器及其跟蹤控制技術(shù)
2） 高效鈉熱管吸熱器
3） 堿金屬熱電轉(zhuǎn)換發(fā)電組件的優(yōu)化設(shè)計及工作可靠性
4） 新型熱貯能和電力貯能技術(shù)及其組合方式的研究
5） 點聚焦太陽熱直接發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)驗分析
|
