超級(jí)電容在電梯節(jié)能中的應(yīng)用

邵永青

（寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，浙江 寧波 315000）

一、前言

電梯為我們生活帶來(lái)巨大便利的同時(shí)，也帶來(lái)了相當(dāng)大的負(fù)面影響，其中最重要的就是能耗問(wèn)題。在現(xiàn)代高層建筑中電梯已經(jīng)成為僅次于空調(diào)的第二能耗大戶，2010年年末，全國(guó)每年電梯耗電總量將達(dá)到430億千瓦時(shí)以上，耗電量十分巨大。而且電梯的能耗無(wú)法回收會(huì)造成大量熱量的流失，增加機(jī)房的溫度，給散熱帶來(lái)很大的麻煩，為了散熱，還需要裝空調(diào)等散熱設(shè)備，這會(huì)導(dǎo)致能量的二次浪費(fèi)。因此，如何將電梯運(yùn)行中的能量進(jìn)行回收、節(jié)約能源已經(jīng)不僅僅是設(shè)計(jì)師們需要關(guān)注的話題，也是全社會(huì)急需關(guān)心和了解的。有人估算過(guò)，如果每年可節(jié)約近80億度電，按每度0.5元價(jià)格計(jì)算，每年可節(jié)約近40億元，節(jié)能效益十分可觀。對(duì)電梯制動(dòng)能量的回收利用需要進(jìn)行能量存儲(chǔ)，現(xiàn)有的儲(chǔ)能裝置由于各種缺陷一直難以滿足要求，這時(shí)一種新型的儲(chǔ)能裝置—超級(jí)電容，開(kāi)始進(jìn)入我們視野。

二、超級(jí)電容的涵義與特點(diǎn)

超級(jí)電容器，也叫功率電容器、雙電層電容器，具有許多蓄電池所不具備的優(yōu)點(diǎn)，是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型儲(chǔ)能裝置，正在逐步進(jìn)入到社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域。具有能量密度高、功率密度高、無(wú)污染、循環(huán)使用壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍寬等特點(diǎn)，在重用電源、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域己經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用。

表1 傳統(tǒng)電容器、超級(jí)電容器和傳統(tǒng)蓄電池的性能參數(shù)表

從表1可以看出，超級(jí)電容器兼具蓄電池能量密度大和普通電容器功率密度高的優(yōu)點(diǎn)，具體而言：（1）循環(huán)使用壽命長(zhǎng)，超級(jí)電容器深度充放電時(shí)的充放電循環(huán)次數(shù)可達(dá)50萬(wàn)次以上，比其他儲(chǔ)能裝置壽命長(zhǎng)很多。（2）功率密度高。超級(jí)電容器具有很高的功率密度，約為鉛酸蓄電池的二十多倍。特別適用于各種需要大功率放電的場(chǎng)合。（3）充放電速率快。由于超級(jí)電容器內(nèi)阻不大，因此充放電速度快、時(shí)間短，有時(shí)可以在數(shù)十秒時(shí)間甚至更短時(shí)間內(nèi)就完成整個(gè)充放電過(guò)程。（4）高低溫性能佳。與其他儲(chǔ)能裝置相比，超級(jí)電容器在工作運(yùn)行過(guò)程中，并不像充電蓄電池那樣產(chǎn)生激烈的化學(xué)反應(yīng)，繼而對(duì)環(huán)境溫度的要求甚高。相反超級(jí)電容具有良好的高低溫性能，即便在-40℃—+70℃溫度的范圍內(nèi)工作，也不會(huì)出現(xiàn)性能降低等現(xiàn)象。（5）環(huán)保。超級(jí)電容器所用材料環(huán)保、無(wú)毒，主要是碳元素，不像其他儲(chǔ)能裝置使用鉛等重金屬，因此無(wú)論是對(duì)人體還是環(huán)境都不會(huì)造成傷害。

三、超級(jí)電容在電梯節(jié)能中的具體應(yīng)用

1、超級(jí)電容應(yīng)用于電梯節(jié)能裝置的工作原理

圖1 基于超級(jí)電容的電梯節(jié)能裝置的方案圖

如圖1所示，超級(jí)電容的電梯節(jié)能技術(shù)的原理是當(dāng)電梯電機(jī)釋放再生能量時(shí)，將電梯電機(jī)再生能量存儲(chǔ)到超級(jí)電容，實(shí)現(xiàn)對(duì)超級(jí)電容充電，達(dá)到節(jié)省電能的目的。當(dāng)超級(jí)電容充滿的時(shí)候，停止對(duì)超級(jí)電容充電，這種技術(shù)不引起電網(wǎng)的諧波干擾，保護(hù)電梯元件，提高了電梯電機(jī)的可靠性。

2、超級(jí)電容放電時(shí)間的確定

電梯系統(tǒng)在運(yùn)行起始階段，超級(jí)電容切換外部交流電網(wǎng)為電梯系統(tǒng)運(yùn)行供電，電梯運(yùn)行上升從起始階段到達(dá)到勻速狀態(tài)之前，超級(jí)電容處于放電狀態(tài)。在超級(jí)電容的放電時(shí)間選擇上，可以通過(guò)分析電梯運(yùn)行過(guò)程速度變化的時(shí)間來(lái)得到。表2為某建筑電梯運(yùn)行實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù):根據(jù)表中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算可以得出電梯系統(tǒng)運(yùn)行的加速上升的過(guò)程為4-5s，系統(tǒng)中需要的啟動(dòng)加速時(shí)間(超級(jí)電容的放電時(shí)間)平均為4.6255，。放電時(shí)間是超級(jí)電容選型的一個(gè)重要參數(shù)，實(shí)際使用過(guò)程中可以根據(jù)系統(tǒng)需要結(jié)合超級(jí)電容器的價(jià)格水平選擇放電時(shí)間，選擇的放電時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)于超級(jí)電容的容量水平要求越高，價(jià)格也就越昂貴。

表2 電梯系統(tǒng)上升時(shí)間實(shí)測(cè)表

3、超級(jí)電容工作選擇

為了避免在變換器上產(chǎn)生過(guò)大的能量損耗，超級(jí)電容的電壓不應(yīng)與曳引機(jī)機(jī)構(gòu)電機(jī)電壓存在過(guò)大差距，在工作電壓的選擇上，需要考慮電梯的使用頻率以及超級(jí)電容的使用次數(shù)。一般情況下，電梯每年運(yùn)行大概18萬(wàn)次，壽命為12年，電梯總運(yùn)行次數(shù)為260萬(wàn)次，在這個(gè)過(guò)程中超級(jí)電容的充電次數(shù)和放電次數(shù)各占到一半，按照目前的技術(shù)，超級(jí)電容的壽命為65萬(wàn)次左右，為了滿足其壽命的要求，需要將超級(jí)電容的工作電壓應(yīng)在額定電壓的一半到額定電壓之間進(jìn)行選擇設(shè)定。

4、超級(jí)電容器組均壓裝置

在超級(jí)電容制作的過(guò)程中由于工藝等問(wèn)題的限制，很難將每一個(gè)超級(jí)電容單體做到完全一致，在內(nèi)阻等方面會(huì)存在一定的差異，這種差異會(huì)導(dǎo)致單體進(jìn)行串并聯(lián)使用的過(guò)程分壓不均，超級(jí)電容器組中壓的單體使用壽命會(huì)降低，而工作在額定電壓以下的單體效率會(huì)大幅度降低。為了保證每一個(gè)超級(jí)電容單體都能發(fā)揮自身最大效能，需要增加均壓裝置。這里提倡超級(jí)電容器實(shí)用均壓裝置，超級(jí)電容器組均壓電路的基本要求為:當(dāng)超級(jí)電容單體端電壓達(dá)到穩(wěn)定數(shù)值之后，單體端電壓的極小變化都會(huì)導(dǎo)致很大的單體端電流的變化，即穩(wěn)壓二極管的反向特性。如圖2：

圖2 超級(jí)電容器組實(shí)用均壓裝置電路原理圖

總之，超級(jí)電容本身的諸多特點(diǎn)使得其受到了越來(lái)越多的關(guān)注，對(duì)超級(jí)電容在電梯節(jié)能中的應(yīng)用方興未艾，還需要更多的專家、工程師做進(jìn)一步的研究和探討。

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