超級(jí)電容在風(fēng)電機(jī)組備用電源中的優(yōu)勢(shì)

摘 要：近年，可再生能源發(fā)電在電力供應(yīng)中的比例逐步提升，而風(fēng)力發(fā)電是目前成本最接近常規(guī)電力，發(fā)展前景最大的可再生能源發(fā)電，但風(fēng)電設(shè)備事故頻發(fā)也是今年風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展之殤，風(fēng)電機(jī)組的備用電源是守護(hù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全的最后一道防線，一旦備用電源失效，在電網(wǎng)故障時(shí)極容易造成風(fēng)電機(jī)組飛車乃至倒塔事故，而如今風(fēng)電機(jī)組的備用電源主要有蓄電池和超級(jí)電容兩種，本文就對(duì)超級(jí)電容在風(fēng)電機(jī)組備用電源中的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電；備用電源；超級(jí)電容；蓄電池

風(fēng)電機(jī)組在正常運(yùn)行過(guò)程中如果電網(wǎng)掉電，需要應(yīng)急電源為葉片回槳提供能量。很多機(jī)組采用鉛酸電池作為應(yīng)急電源，一個(gè)電池柜在機(jī)艙內(nèi)，同時(shí)給 3 個(gè)變槳系統(tǒng)提供應(yīng)急電源，通過(guò)機(jī)艙控制柜內(nèi)的電池充放電控制回路，控制監(jiān)測(cè)電池的電量。但鉛酸電池壽命較短、對(duì)工作環(huán)境溫度要求嚴(yán)格、充電時(shí)間長(zhǎng)并且容易出現(xiàn)電能儲(chǔ)存不足的情況。亟需找到一種穩(wěn)定的后備電源儲(chǔ)能設(shè)備。

一、問(wèn)題原因及風(fēng)險(xiǎn)分析

風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行環(huán)境比較惡劣，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行實(shí)際來(lái)看，蓄電池使用壽命短，一般 2～3 年蓄電池就得更換。受地區(qū)季節(jié)性大氣候因素影響，蓄電池的使用壽命將進(jìn)一步降低，單臺(tái)風(fēng)機(jī)電池故障后只能采取整組更換方式，維護(hù)成本較高。蓄電池使用 2 年之后實(shí)際容量降低，經(jīng)常發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)充電現(xiàn)象，故障時(shí)刻機(jī)組存在無(wú)法順槳的隱患，機(jī)組運(yùn)行安全存在風(fēng)險(xiǎn)，并增加了后期的運(yùn)行維護(hù)工作量及成本。

二、超級(jí)電容器介紹

（一）超級(jí)電容器的概念。超級(jí)電容器是建立在德國(guó)物理學(xué)家亥姆霍茲提出的界面雙電層理論基礎(chǔ)上的一種全新的電容器。眾所周知，插入電解質(zhì)溶液中的金屬電極表面與液面兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)符號(hào)相反的過(guò)剩電荷，從而使相間產(chǎn)生電位差。那么，如果在電解液中同時(shí)插入兩個(gè)電極，并在其間施加一個(gè)小于電解質(zhì)溶液分解電壓的電壓，這時(shí)電解液中的正、負(fù)離子在電場(chǎng)的作用下會(huì)迅速向兩極運(yùn)動(dòng)，并分別在兩上電極的表面形成緊密的電荷層，即雙電層，它所形成的雙電層和傳統(tǒng)電容器中的電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的極化電荷相似，從而產(chǎn)生電容效應(yīng)，緊密的雙電層近似于平板電容器，但是，由于緊密的電荷層間距比普通電容器電荷層間距更小，因而具有比普通電容器更大的容量。

（二）超級(jí)電容器的機(jī)構(gòu)和基本原理。超級(jí)電容器的容量比通常的電容器大得多。由于其容量很大，對(duì)外表現(xiàn)和電池相同，因此也稱作“電容電池”或“黃金電池”。超級(jí)電容器電池也屬于雙電層電容器，它是目前世界上已投入量產(chǎn)的雙電層電容器中容量最大的一種，

其基本原理和其它的雙電層電容器一樣，都是利用活性炭多孔電極和電解質(zhì)組成的雙電層結(jié)構(gòu)獲得超大的容量。

三、超級(jí)電容的優(yōu)勢(shì)

超級(jí)電容器的存儲(chǔ)容量可以達(dá)到數(shù)千法以上，理論上超級(jí)電容器應(yīng)具備很高的功率密度和循環(huán)壽命。與蓄電池相比，超級(jí)電容的主要技術(shù)特點(diǎn)體現(xiàn)在：功率密度高，遠(yuǎn)高于目前蓄電池的功率密度水平；循環(huán)壽命長(zhǎng)，在幾秒的高速深度循環(huán)10萬(wàn)次后，超級(jí)電容器的特性變化很小，容量和內(nèi)阻僅降低10%～20%；響應(yīng)速度較快，對(duì)過(guò)充電和過(guò)放電有一定的承受能力。由以上分析可得出超級(jí)電容在儲(chǔ)能方面有無(wú)與倫比的優(yōu)越性，具體的有以下幾點(diǎn)：

（一）良好的充/放電特性。超級(jí)電容在任何情況下依然可以進(jìn)行儲(chǔ)能，而傳統(tǒng)蓄電池只要在電壓達(dá)到一定門(mén)限時(shí)才能吸收能量，這樣無(wú)異于對(duì)能量的巨大浪費(fèi)。

（二）極化電解質(zhì)的物理反應(yīng)，性能較穩(wěn)定。超級(jí)電容充電時(shí)，當(dāng)外電壓加到超級(jí)電容器的兩個(gè)極板上時(shí)，極板的正電極存儲(chǔ)正電荷，負(fù)極板存儲(chǔ)負(fù)電荷，在超級(jí)電容器兩個(gè)極板上的電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)作用下，電解液與電極間的界面上形成相反的電荷，以平衡電解液的內(nèi)電場(chǎng)，正電荷與負(fù)電荷吸附在兩個(gè)極板上。放電時(shí)，正、負(fù)極板上的電荷被外電路泄放，當(dāng)兩極板間電勢(shì)低于電解液的氧化還原電極電位時(shí)，電解液界面上的電荷響應(yīng)減少，但不會(huì)脫離電解液。由此可以看出：超級(jí)電容器的充放電是物理過(guò)程，沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)。而鉛酸蓄電池在放電時(shí)，正極的活性物質(zhì)二氧化鉛和負(fù)極的活性物質(zhì)金屬鉛都與硫酸電解液反應(yīng)，生成硫酸鉛，在電化學(xué)上把這種反應(yīng)叫做“雙硫酸鹽化反應(yīng)”。在蓄電池剛放電結(jié)束時(shí)，正、負(fù)極活性物質(zhì)轉(zhuǎn)化成硫酸鉛是一種結(jié)果疏松、晶體細(xì)密的結(jié)晶物，活性程度非常高。蓄電池充電過(guò)程中，正、負(fù)極疏松細(xì)密的硫酸鉛，在外界充電電流的作用下會(huì)重新還原成二氧化鉛和金屬鉛，蓄電池又處于充足電的狀態(tài)。正是這種可逆轉(zhuǎn)的電化學(xué)反應(yīng)，使蓄電池實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)存電能和釋放電能的功能。因此性能較穩(wěn)定的超級(jí)電容器，與利用化學(xué)反應(yīng)的蓄電池不同。

（三）超長(zhǎng)的循環(huán)壽命。風(fēng)力發(fā)電由于自身的特點(diǎn)，可能引起蓄電池反復(fù)頻繁充電，導(dǎo)致電池壽命縮短。而超級(jí)電容器因具有 10 萬(wàn)次以上的充放電循環(huán)壽命和完全免維護(hù)、高可靠性等特點(diǎn)，很快成為儲(chǔ)能緩沖裝置的首選，此外，在有瞬間強(qiáng)負(fù)載的系統(tǒng)中，利用超級(jí)電容器可以發(fā)揮穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，減少系統(tǒng)電源容量配置的作用。

（四）快速響應(yīng)特性（ms）。超級(jí)電容放電響應(yīng)時(shí)間在 ms 之內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于傳統(tǒng)蓄電池，可以有效、及時(shí)保護(hù)負(fù)載的安全。

基于以上超級(jí)電容與鉛蓄電池、鉛酸電池的對(duì)比，筆者認(rèn)為超級(jí)電容在未來(lái)風(fēng)電機(jī)組備用電源選用中更具優(yōu)勢(shì)。

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作者簡(jiǎn)介：

白雪銀（1988-）男，漢族，遼寧省鞍山市，工程師，工學(xué)學(xué)士，單位：中廣核大北山（瓦房店）風(fēng)力發(fā)電有限公司，研究方向：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行與維護(hù)。