超级电容器及其光伏应用
超级电容器及其光伏应用
文/颜鲁薪
超级电容器，又叫做电化学电容器或者双电层电容器，是
一种电化学电容器的总称。超级电容器和常规电容器和蓄电池之
间有很大的区别。后者可以支持多达 10000 法拉 / 1.2 伏，高达
10000 倍的电解电容器，但提供或接受不到一半的每单位时间的能
量（功率密度）。相比之下，而超级电容器的能量密度是约 10%
的常规电池，其功率密度一般为10 至 100 倍。这导致在更短的充
电 / 放电周期比电池。此外，他们会容忍更多的充电和放电周期
比电池。本文主要研究超级电容器结构原理及其在光伏领域的应用。
【关键词】超级电容 光伏 应用
超级电容器不支持交流应用。超级电容器的优势应用在大功率短时间的场合，它在一
个非常高的充电/放电周期有更长的使用寿命。典型的应用范围从毫安的电流或毫瓦的功率到
几安培的电流或几百千瓦的功率。它常常用于负荷波动的产品，如笔记本
电脑，PDA，GPS，便携式媒体播放器，手持设备光伏发电系统中，在这种场合超级电容器能稳定电源。
一个超级电容器的能量存储设备可以在90 秒内完全充电。超级电容器提供动力的照
相闪光灯的数码相机和 LED 手电筒，可以在90 秒内快速充电。2013，采用超级电容器的便携音箱投放市场。
1 超级电容器的储能原理
1.1 分类
1.1.1 双层电容器
双层电容器最常用的电极材料是活性炭等各种形式的碳（AC），碳纤维布（AFC），
碳化物衍生碳（CDC），碳气凝胶，石墨（石墨），和碳纳米管（CNTs）。近些年来使用
最为广泛的是碳纳米管。碳纳米管（CNTs），又称巴基管，是一
圆柱形纳米碳分子。他们由一个原子厚度的石墨烯形成的墙有一个中空的结构。碳纳米管可
以存储电荷的活性单位面积碳纳米管的表面是相同的，但有一个规律，提供了更大的润湿
性。单壁碳纳米管具有较高的理论比表面积为1315 m2/g，而多壁碳纳米管的 SSA 较低，由
管和程度的嵌套的直径确定，大约有 3000 平方米 / 克的活性炭的比表面积。然而，碳纳米
管具有较高的比活性炭电极的电容，例如，102 F / 克多壁碳纳米管和 180 F / 克的单壁碳纳米管。
1.1.2 法拉第准电容器
法拉第准电容器采用金属氧化物或导电聚合物为特殊电极材料制成的超级电容器。主
要使用电子导电聚合物作为电容材料。虽然机械弱，导电聚合物具有高的导电性，导致在一
个低的ESR和较大的电容。这样的导电聚合物，包括聚苯胺和聚乙炔。在电极面积相同的情况
下，法拉第准电容器的容量远高于双层电容器的容量，可以是后者的 10-1000 倍。
1.1.3 混合型超级电容器
混合型超级电容器一极是形成双电层电容器的碳材料，另一极是利用法拉第准电容器
储能的金属氧化物电极。混合型超级电容器复合电极是由注册或沉积电容活性材料如金属氧
化物和导电聚合物基碳材料。碳纳米管为主干的金属氧化物或导电聚
合物均匀分布，产生了良好的电容和良好的双电层电容。这些电极比纯碳或纯金属氧化物或
基于聚合物的电极达到更高的电容。这是归因于碳纳米管的缠绕垫结构，它允许一个统一的
赝电容材料和涂层的三维电荷分布。另一种方法来提高碳纳米管电极，主要
通过在锂离子电容器掺杂的电容。在这种情况下，相对小的锂原子嵌入碳层之间。正极采用
锂掺杂碳，阴极采用活性碳。这个结构可以在一个较大的电压下防止电解液氧化 3.8-4。
1.2 超级电容的操作电压
一个 5.5 伏的超级电容器是由两个 2.25 伏单电池串联连接。
超级电容器是低压元件。安全操作电压要求保持在规定的范围内。最大额定电压是直流电压或脉冲峰值电压可以连续施加并保持在
指定的温度范围内。额定电压包括安全边际对电解质的分解电压，电解液的分解。击穿电压
在亥姆霍兹双层分解分离溶剂分子，如水可分解为氢和氧。溶剂分子并不能单独的电荷互
相。超过额定电压产生氢气的形成或短路的高电压。
超级电容器在额定电压以下使用可以提高其电参数，使内部循环电阻电容值更稳定、
寿命和充电 / 放电周期更长。超级电容器的额定电压一般低于应用要求。较高电压的应用采
用串联连接。由于每个组件具有电容和 ESR值略有差异，有必要积极或消极地平衡稳定电压。被动平衡采用电阻与电容器并联。主动平
衡可能包括电子电压控制超过一个阈值不同的电流。
2 超级电容器的应用
超级电容器可以稳定电压了，可以用于风力机变桨距系统的执行器的备用电源。风能
和光伏系统表现出波动负载的情况，超级电容器可以缓冲在毫秒诱发。这有助于稳定电网电
压和频率，平衡供应和需求。超级电容器具有法拉第级的超大电容量
以及超强的荷电保持能力，且漏电流非常小，8H 电压下降率小于 5%，无需特别的充电电路
和控制充放电电路，充电迅速，而且可以在仅高于其漏电流的状态下充电，因此，即使在阴
天，光伏电池也能对超级电容器充电；与蓄电池相比，其过充、过放都不对其寿命构成负面影响，可靠性高，使用寿命长；此外还具有优
良的温度性能，可在 -40—70 摄氏度的温度环境中正常使用；可焊接，不存在像蓄电池那样
接触不牢固等问题。因此，超级电容器是一种无污染的绿色电源。太阳能庭院灯选用 6 个 2.5V/150F 组成
5V/225F 电容器模块。其单个电容器产品的尺寸为直径 25mm，高 48mm。5V/225F 超级电
容器充电时间为 2500S。5V/225F 超 级 电 容 器 放 电 时 间 长 达206975s，电压才从 5V 降至 0.6V。
3 结束语
对于超级电容的选择，功率要求、放电时间及系统电压变化起决定作用。超级电容器
的输出电压降由两部分组成，一部分是超级电容器释放能量；另一部分是由于超 级电容器
内阻引起。两部分谁占主要取决于时间，在非常快的脉冲中，内阻部分占主要的，相反在长时间放电中，容性部分占主要。
参考文献
[1] 冯垛生 . 太阳能光伏发电技术图解指南[M]. 北京 : 人民邮电出版社 ,2011.
[2] 李钟实 . 太阳能光伏发电系统设计施工与维护 [M]. 北京 : 人民邮电出版社 ,2011.
[3] 桑野等 . 最新图解太阳光发电大全 [M].东京 : 日本工业调查会 ,2009.
作者单位武威职业学院 甘肃省武威市 733000
