超級(jí)電容在電梯應(yīng)急及節(jié)能中的應(yīng)用

王小磊 ，牛曙光

（1.蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215000；2.常熟理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500）

當(dāng)電梯運(yùn)行時(shí)突然斷電，在安全電路作用下電梯會(huì)停止工作，并停留在它斷電時(shí)的位置.此時(shí)轎廂內(nèi)的乘員不僅有空氣稀少等安全威脅，還會(huì)引發(fā)緊張、焦急、恐慌等情緒.此時(shí)就算強(qiáng)行打開(kāi)轎廂，也難以將轎廂內(nèi)的人員救出來(lái).安裝了電梯應(yīng)急平層裝置的電梯即使在斷電情況下依然能用備用電源將電梯自動(dòng)運(yùn)行到最近平層位置.目前應(yīng)急平層裝置多采用蓄電池，但蓄電池有超期失效、充電時(shí)間長(zhǎng)、電壓范圍小等缺點(diǎn)，影響了應(yīng)急平層裝置的穩(wěn)定性及可靠性.電梯的用電量在絕大多數(shù)高層建筑中僅次于空調(diào)用電量，利用電梯應(yīng)急平層裝置電源的超級(jí)電容器來(lái)回收電梯的再生能源，再用于電梯的正常工作中，以達(dá)到節(jié)能的目的.

1 超級(jí)電容器的供能與節(jié)能

1.1 超級(jí)電容器的優(yōu)點(diǎn)

雙電層型超級(jí)電容器不僅繼承了普通蓄電池能量密度大和一般電容器功率密度大的優(yōu)點(diǎn)，而且還有充放電效率高、溫度適應(yīng)范圍廣、充電速度快、壽命長(zhǎng)、無(wú)污染、真正免維護(hù)等優(yōu)勢(shì).表1為兩者的性能比較，可看出超級(jí)電容的優(yōu)勢(shì).

目前電梯斷電應(yīng)急平層系統(tǒng)的后備電源多用蓄電池，普通電梯應(yīng)急平層裝置中蓄電池的充電效率為幾至十幾小時(shí)回充95%的電量.當(dāng)外部供電電網(wǎng)出現(xiàn)頻繁跳閘的現(xiàn)象時(shí)，蓄電池的電容量將不能確保電梯應(yīng)急到平層位置.而且增大蓄電池的電容量會(huì)增加應(yīng)急平層裝置的成本，不能從根本上解決充電時(shí)間的問(wèn)題.同時(shí)普通蓄電池并不能做到完全的免維護(hù)，超期將失效，需要定期更換，以確保蓄電池電容量的充足.超級(jí)電容器的充電周期僅為幾十秒，即使在頻繁跳閘情況下也能快速回充電能，確保電梯能應(yīng)急到平層位置.超級(jí)電容完全免維護(hù)及壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)提高了電梯應(yīng)急平層裝置的可靠性和降低成本.

表1 超級(jí)電容與蓄電池的性能比較

超級(jí)電容器兩端的電壓并不穩(wěn)定，需要在兩端與一個(gè)DC/DC變換器相連[1]，保證輸出電壓的穩(wěn)定.目前超級(jí)電容器主要采用三種電壓均衡方法，如圖1所示[2].

圖1 超級(jí)電容電壓均衡電路

1.2 超級(jí)電容應(yīng)急平層的儲(chǔ)能分析

目前的超級(jí)電容單體電壓都比較低，大約只有1 V～3 V，長(zhǎng)時(shí)間在過(guò)壓環(huán)境中工作會(huì)導(dǎo)致超級(jí)電容內(nèi)部電解質(zhì)分解，以致?lián)p壞或縮短其壽命[3].因此要將多個(gè)單體超級(jí)電容串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成超級(jí)電容儲(chǔ)能組.假設(shè)單體超級(jí)電容的容量為Ca，則一個(gè)由m×n個(gè)單體超級(jí)電容構(gòu)成的超級(jí)電容組的電容量為

其中，m代表超級(jí)電容串聯(lián)個(gè)數(shù)，n代表超級(jí)電容并聯(lián)個(gè)數(shù).

超級(jí)電容充放電時(shí)，兩端電壓隨著儲(chǔ)存電量的變化而變化.儲(chǔ)存電量變大即充電過(guò)程中，兩端電壓變大；儲(chǔ)存電量變小即放電過(guò)程中，兩端電壓變小[4].假設(shè)一個(gè)單體超級(jí)電容在放電過(guò)程中電壓由u1變?yōu)閡2，則該超級(jí)電容放電過(guò)程中釋放的能量為

一個(gè)由m×n個(gè)這樣的單體超級(jí)電容構(gòu)成的超級(jí)電容組在此過(guò)程中釋放的能量為

電梯緊急平層時(shí)所需曳引機(jī)的功率為

其中Mmax為電梯最大載重，單位kg；g為重力加速度；α為電梯平衡系數(shù)（見(jiàn)式7）；C3為電梯額定載重量，單位N；v為電梯緊急平層時(shí)的運(yùn)行速度；η為電梯的機(jī)械效率.

此時(shí)控制電路及照明警報(bào)等系統(tǒng)均需用電，總功率記為Ps，則

其中Ui、Ii分別為各電路或系統(tǒng)工作時(shí)所需的額定電壓和額定電流.

為了確保電梯在應(yīng)急平層時(shí)超級(jí)電容組儲(chǔ)存的電量充足，必須保證超級(jí)電容組工作時(shí)釋放的有效電能大于電梯整體系統(tǒng)工作所消耗的電能，即

其中S為工作安全系數(shù)；t為電梯應(yīng)急平層工作時(shí)間；ξ為超級(jí)電容組釋放電能的有效率，即因此在滿足式（6的前提下，可以確定超級(jí)電容組所需單體超級(jí)電容的個(gè)數(shù)，即m×n.

1.3 再生能源的回收與利用

大多數(shù)電梯采用的對(duì)重重量為

其中：G1為對(duì)重的重量；G2為轎廂的重量；G3為轎廂額定載重量；α為電梯平衡系數(shù).假設(shè)乘客的重量為G4，當(dāng)G1>G2+G4且轎廂向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，轎廂與對(duì)重整體是勢(shì)能的釋放過(guò)程；當(dāng)G1

一般處理電梯再生能量的方式有兩種，一是回饋電網(wǎng)，二是利用儲(chǔ)能技術(shù)儲(chǔ)存起來(lái).目前大多數(shù)電梯采用回饋電網(wǎng)技術(shù)，但采用傳統(tǒng)的半控型晶閘管控制模式會(huì)帶來(lái)諧波干擾，采用事件管理器來(lái)控制波形又會(huì)增加電梯的整體運(yùn)營(yíng)成本.故用電量一般采用電表記數(shù)，回饋電量再利用時(shí)仍被認(rèn)為是一次電能，作為電梯所有者并不想投資更多的成本卻沒(méi)有絲毫的收益[5].采用超級(jí)電容組回收利用電梯運(yùn)行時(shí)的再生能源，不僅能有效避免電能反饋時(shí)的諧波干擾問(wèn)題，而且整個(gè)回收再利用的過(guò)程都在電梯裝置的內(nèi)部進(jìn)行，安全節(jié)能.

1.4 整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

外部電網(wǎng)正常供電時(shí)，電梯正常工作，同時(shí)用超級(jí)電容器組存儲(chǔ)再生的電能，達(dá)到一定電壓后，超級(jí)電容器組自動(dòng)向系統(tǒng)進(jìn)行供電；當(dāng)外部供電電網(wǎng)失效時(shí)，控制電路控制電容器持續(xù)供電，完成應(yīng)急平層操作.圖2給出了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖.

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 總結(jié)與展望

基于超級(jí)電容器相對(duì)于普通蓄電池的優(yōu)勢(shì)，論證了超級(jí)電容作為電梯后備應(yīng)急電源的可行性，并在此基礎(chǔ)上闡述了超級(jí)電容回收利用再生能源的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性.后續(xù)的研究應(yīng)著眼于如何降低超級(jí)電容組的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本，完善超級(jí)電容組儲(chǔ)能技術(shù)，將節(jié)約的電能實(shí)實(shí)在在體現(xiàn)在電梯持有者的賬單上.

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[3]文方，楊盛毅.基于超級(jí)電容器的電梯后備電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代建筑電氣，2010（12）.

[4]周小節(jié)，曹大鵬，阮毅.超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置在電梯中的研究與實(shí)現(xiàn)[J].電力電子技術(shù)，2011（1）.

[5]徐衛(wèi)玉，朱元晨.電梯節(jié)能與再生能量的利用[J].裝備機(jī)械，2011（1）.