船舶綜合電力系統超級電容儲能技術

李 志

（海軍駐廣州四二七廠軍事代表室，廣州 510715）

0 引言

船舶上所需的特殊電力類型與船舶常規發電設備有所區別，后者根據恒定負載的運行進行設計，而前者需要為一些在短時間（幾秒甚至毫秒級）內功耗巨大的負載提供電能，這些負載即是所謂的高能脈沖負載，它們要求發電設備具備功率密度大，即在短時間內能提供的能量高的特點，這是常規發電設備難以滿足的[1-3]。

如今船舶電站多數還是采用交流電制，若船上的高能脈沖負載從交流電站通過整流獲得電能，脈沖功率會造成電網電壓與頻率巨大的瞬態響應過程，嚴重影響船舶電能品質，而且對船上的無線電設備也會產生很大的干擾[4]。

基于以上幾點提出了船舶電力系統的儲能技術。

1 超級電容儲能技術的優勢

目前使用最廣泛的儲能技術主要有蓄電池儲能、飛輪儲能、超導線圈儲能和超級電容儲能等。表 1是這幾種儲能技術的各方面性能指標進行比對分析。

1）鉛酸蓄電池儲能

鉛酸蓄電池是一種非常成熟的儲能設備，它可靠性好、原材料簡單容易得到、成本低。但它有很多缺點，比如循環壽命短、不能深度放電，使用結束后剩余的化學物質難以回收且污染環境，充、放電時間長，儲存的能量密度大而功率密度小，另外鉛酸蓄電池的效能受溫度的影響較大，維護起來也很麻煩。

2）飛輪儲能

飛輪儲能是一種機械儲能技術，能量密度和功率密度都比蓄電池高，能量轉換效率比較高、循環使用壽命比較長，且沒有環境污染。但飛輪儲能的放電深度較低，機械裝置體積重量大，維護量大，成本比較高[5]。

3）超導線圈儲能

超導線圈的能量密度和功率密度都比飛輪儲能大，能量轉換效率也很高，壽命長且無污染。缺點是超導線圈的材料工作溫度非常低，需要液氦來保持它的低溫，就算是高溫超導材料，它的工作溫度也只有77K，且超導線圈的維護量也很大[6]。

4）超級電容器儲能

超級電容器是在離子遷移過程中存儲電荷的，它的功率密度媲美于甚至超過超導線圈，甚至達到幾十千瓦每千克，儲存的能量可以在短時間內迅速釋放。它還具有以下優勢：循環使用壽命長、使用溫度范圍寬、溫升小以及充放電迅速，沒有環境污染[7]。

因此，結合特殊需求，超級電容是最適用于為船舶高能脈沖負載供電的儲能技術。

表1 幾種儲能技術的對比

2 國內外研究現狀

2.1 超級電容設備現狀

國外超級電容器的主要生產商有美國MAXWELL公司、日本ELNA公司、韓國NESS、日本NEC等，產品的電容量從幾法拉到數千法拉。目前，Maxwell公司的BCAP2600系列產品功率密度達到 5.72kW/kg，能量密度 7.2Wh/kg，General Atomics公司的超級電容脈沖電源的儲能密度己達3MJ/m3，MacDougall使用研制的PVDF膜電容器儲能密度高達4MJ/m3[7]。

國內，北京有色金屬研究總院、北京化工大學、北京金正平公司、解放軍防化院、上海奧威公司等科研院所和公司正在開展超級電容器的研究和制造。總的來說，目前超級電容的市場還是被美國、日本和俄羅斯的產品占據。

2.2 超級電容應用現狀

圖1顯示了超級電容器在軍事、工業、航空等方面的應用：

1）交通領域應用現狀

瑞士的PSI研究所為一輛峰值功率為48kW的燃料電池車安裝了儲存能量為360Wh的超級電容，在發生暫態的間隙超級電容以50kW的額定功率工作 15s。西門子為德國科隆地鐵設計了基于超級電容的SITRAS能量回收系統，大大減少了地鐵電能消耗[8]。2004年7月我國首部“電容蓄能變頻驅動式無軌電車”在上海張江園區投入試運行，電車在停靠站臺的30s時間內快速充電，之后可持續供能，同時，超級電容還可以對制動能量進行回收，非常節能。由上汽股份工程研究院、上海申沃客車有限公司、上海交通大學合作研究開發的并聯式混合動力汽車“申新動1號”也是利用超級電容來節能的典型案例。2006年8月，安裝了超級電容（奧威公司生產）的上海11路環線公交車正式開通，它每跑一圈只需中途停下充電1~2次，一次充電耗時約20s[8]。

2）輸配電領域應用現狀

美國電力研究院電力電子應用中心與Sandia國家實驗室聯合建立了兩個超級電容儲能堆，當重要地區遭遇電壓短時中斷或跌落時，儲能堆能夠提供一定的功率以維持供電。國內，華北電力大學研發了以超級電容器為基礎的統一電能質量調節器（UPQR）。中國科學院電工研究所在研制動態電壓恢復器（DVR）時利用超級電容做直流儲能單元，進行優化電能質量的示范研究。美國西屋電氣公司、德國西門子公司、日本三菱電氣公司、瑞典 ABB公司等各大電力設備制造廠均已研制出相應的輸配電領域產品。

圖1 超級電容器儲能主要應用領域

3 結論

文章提出了船舶綜合電力系統中超級電容儲能技術的應用，基于日趨增長的軍事需求和超級電容儲能技術的各方面性能優勢，結合目前國內外超級電容設備及應用情況，證明超級電容儲能技術在船舶綜合電力系統中的應用十分有必要且很有前景。

[1] 李如年. 新概念動能武器—電磁炮[J]. 中國電子科學研究院學報, 2011(3): 11-13.

[2] 龔新剛. 淺析美國激光武器發展戰略的演變[J]. 激光與紅外, 2012(4): 20-21

[3] 趙建川. 艦載激光武器的發展歷程及趨勢分析[J]. 中國光學, 2013(1): 6-9.

[4] 劉吉柱. 面向電磁彈射器的永磁直線同步電機驅動系統研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學, 2010.

[5] 章以剛. 飛輪儲能電動發電機組的現狀與發展[J]. 船舶綜合電力系統中外文獻集, 2010(2): 35-41.

[6] 羅江虎. 超導磁儲能系統的功率調節器[D]. 成都: 西南交通大學, 2012.

[7] 李啟國. 超級電容器儲能脈沖電源的研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學, 2008.

[8] 劉小寶. 超級電容器應用及其能量管理技術[D]. 南京: 南京航空航天大學, 2009.