摘要：针对当前轨道交通面临的节能重大课题,阐述超级电容的工作原理、技术特点、工作模式及其在国外的应用情况;从技术和经济方面分析,探讨依靠国内力量开展城市轨道交通超级电容应用研究的前景。
关键词：城市轨道交通 超级电容 能量存储模式 电压稳定模式
近年来,为了充分利用城市轨道交通车辆(特别是轻轨和有轨电车)的制动能量,提出了多种能量管理设备,如飞轮、逆变器、超级电容等。下面就超级电容在城市轨道交通中的应用,进行初步分析和探讨。
1 应用背景
随着城市人口的膨胀,城市轨道交通显得越来越重要。我们在建设城市轨道交通时,必须考虑经济与环境的和谐发展。从经济角度看,城市轨道交通系统的能耗最引人关注,能耗费用占了运营费用的相当大的部分。怎样有效利用能源、减少能耗,是摆在我们面前的一个重要课题。调查显示,在城市轨道车辆的能耗中,牵引能耗占了90%,车辆辅助设备能耗占10%。如果采取适当的措施,如合理安排车辆运行、使用超级电容等能量管理设备,电能消耗量的40%就可以在车辆制动时反馈回供电系统,以供给正在加速的车辆使用,如图1所示。
此外,由于列车启动和制动会引起电压的波动,若采用合适的能量管理设备,就可以减小电网电压的波动,从而提高供电质量。
2 工作原理及技术特点
2.1 工作原理
超级电容器也属于双电层电容器,是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种,其基本原理和其他种类的双电层电容器一样,都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。在传统物理电容中,储存的电能来源于电荷在两块极板上的分离,极板之间为真空(相对介电常数为1)或被一层介电物质(相对介电常数为ε)隔离,电容值为
式中,A为极板面积,d为介质厚度;所储存的能量为E=1/2C(ΔV)2,其中C为电容值,ΔV为极板间的电压降。可见,若想获得较大的电容量,储存更多的能量,必须增大面积A或减少介质厚度d。
在双电层电容器中,采用活性炭材料制成多孔电极,同时在相对的碳多孔电极之间充填电解质溶液。当在两端施加电压时,相对的多孔电极上分别聚集正负电子,而由于电场作用,电解质溶液中的正负离子将分别聚集到与正负极板相对的界面上,从而形成两个集电层,相当于两个电容器串联,如图2所示
由于活性碳材料具有大于等于1 200m2/g的超高比表面积(即获得了极大的电极面积A),而且电解液与多孔电极间的界面距离不到1nm(即获得了极小的介质厚度d),从式(1)可以看出,这种双电层电容器比传统物理电容器的容值要大很多,比容量可以提高100倍以上,从而使利用电容器进行大电量的储能成为可能。
2.2 技术特点
(1)纳米碳电极表面积可以做得很大(3 000 m2/g),而且很轻;(2)两电极间的距离很小,达1 nm;(3)电解质的分解电压:有机电解质为2.5~3 V,无机电解质为0.7~1 V;(4)能量密度相对小(5~12W·h/kg),但功率密度大(达10 kW /kg),且充电速度快;(5)充放电是纯物理过程———离子在电解质中的移动;(6)内阻非常小,便于实现高功率充放电;(7)充放电效率高,工作温度范围宽,环境适应性较强。
3 工作模式
在城市轨道系统中采用的超级电容主要有两种工作模式:一种是作为能量储存器,它吸收了车辆制动过程中产生的能量,直到后面有车辆处于加速状态时才将能量释放到供电系统中;一种是作为稳压器,它总是保持在高容量的状态,当供电系统的电压低于规定值时才开始放电。超级电容系统可以自动地转换这两种运行模式,以便完全适应变化的运行要求。
3.1 能量储存模式
如果没有能量储存系统(如超级电容),如果同一时间内没有任何其他车辆处于加速状态,则制动车辆产生的能量就会通过放热方式消耗在制动电阻上面。然而,在实际运营中,这些同步的加速和制动并不能完全协调,也就是说,当一列车制动时,不可能总是在同一供电区段内有另外的列车在牵引,因此总是有部分能量以热量的方式消耗掉。但采用超级电容,可以在制动的过程中把能量储存下来,当有车辆加速的时候再释放出去,这就减少了供电所中能量的耗费。
图3是2001年在德国科隆做的一次测试,从中可以看出:在t1时刻,供电段3处有一列车在加速(I3为正),超级电容处于放电状态(WSES减小,ISES为负);在t2时刻,供电段2处有一列车在制动(I2为负),超级电容处于充电状态(WSES增大,ISES为正);在t3时刻,供电段1处有一列车在制动(I1为负),超级电容处于充电状态(WSES增大,ISES为正);在t4时刻,供电段1处的列车仍在制动,供电段4处的一列车在加速,超级电容立刻从充电状态转成放电状态(WSES减小,ISES为负)。
3.2 电压稳定模式
如果没有能量储存系统(如超级电容),当有很多车辆在同一时间内加速时,则系统电压会降到一个非常严重的水平,导致车辆频繁地低电压波动,从而在一段时间内影响乘客服务质量。对于这个问题,可以采用超级电容来得到解决。如果系统电压降到规定的限制值,超级电容将会放电,以提高系统电压。
图4是2002年在西班牙首都马德里地铁做的一次测试。可以看出:在t1时刻,由于多列车同时加速,导致系统电压下降至规定的最小值,此时超绝电容开始放电(ISES为负),一直到t2时刻,以保证系统电压稳定在510 V的水平;当多列车同时加速的状态结束时,系统电压回升,超级电容处于充电状态(通过变电站或列车制动产生再生能量来充电);t3、t4时刻表明,列车制动时充电电流快速上升,超级电容的能量迅速存储起来。
超级电容保证了系统电压总是在一个稳定的范围内,牵引供电系统的有效性增加了。图5是2002年在西班牙首都马德里地铁做测试的结果。可以看出,系统电压低于490V的情况不再出现,低于530V的情况也大大减少。
4 应用现状
4.1 国外技术水平及应用情况
由于制作工艺的差异,国外产品的性能相对要好一些,循环充放电可达50万次。国外生产大容量超级电容器的厂家主要有美国Maxwell、韩国NESS、俄罗斯ESMA、加拿大庞巴迪、德国西门子等。其中,用在轨道交通领域的主要有西门子公司的SITRAS SES系列和庞巴迪公司的Mitrac系列超级电容产品。据了解,目前在轨道交通领域使用的超级电容,其电压等级普遍在1 000 V以下。
西门子的产品应用在西班牙的马德里、德国的波鸿和科隆、美国的波特兰等城市,其中在马德里地铁上使用的超级电容是放置在地面上的,由1 300个电容组成,占地2. 5 m2,容量为2. 3 kW时,功率1 MW,电压750 V。
2003年,在德国西南部城市曼海姆轻轨交通电气驱动系统中,做了车载储能系统的测试。轻轨车辆长29.2 m,重35.8 t。超级电容储能系统重477 kg,外形尺寸1 900mm×950mm×455mm,安装在车顶,由640支超级电容器组成,每支1 800 F/2.5V,采用空气冷却方式。系统的最大功率300 kW,储能容量1 kW·h,放电深度50%,释放能量75%。
为了对比,设定了列车的测试运行曲线:加速至50 km/h,接着惰行,然后制动。先把超级电容储能系统关断,测试结果如图6所示。可以看出,从供电系统获取的最大功率约为85 kW,只有很少的制动能量被回馈到供电系统。接上超级电容储能系统,列车仍然按照设定的测试运行曲线运行,测试结果如图7所示。从供电系统获取的最大功率约50 kW,几乎全部的制动能量被储存到储能系统。
4.2 国内技术水平及应用情况
在城市轨道交通领域,国内仍处于研究阶段,还没有成熟产品。目前,国内研究生产的超级电容器主要用在电动汽车、电力系统等领域。其容量和功率相对较小,例如用在电梯节能器上的超级电容器(见图8),其容量为0.5 kW·h,功率也只有几十kW。
5 应用前景分析
5.1 技术分析
超级电容装置的关键技术是串联均压技术、充放电控制技术、能量管理技术、储能模块优化技术等。这些关键技术在国内已有一定的基础,只要做进一步的研究,就完全可以开发出适合于城市轨道交通系统应用的超级电容装置。
城轨车辆制动能量的利用与行车密度有很大关系。如果行车密度大,例如地铁车辆的行车间隔普遍可以达到三四分钟,则列车制动时反馈的电能基本上就能提供给其他正在加速的列车使用。因此,作为储能装置的超级电容,更适合于行车密度相对较小的轻轨系统。
5.2 经济分析
目前,国外开发的超级电容装置价格昂贵,一套超级电容装置的价格高达几百万元。国内的产品价格相对便宜,有的科研单位曾针对超级电容器应用于城市轨道交通系统进行了成本分析。
5.2.1 超级电容器安装在供电系统上
采用国产不对称型超级电容器,电压1 500 V,功率2MW,储能系统支撑50%的供电功率,持续时间30 s, 所需的总能量为30MJ,选用20 000 F/1.4 V的电容器(放电范围1.4~1 V),需要3 000支(2串并联,每串1 500支),每支电容器400元,共120万元,再加平衡电路、检测与控制电路,储能单元总成本约150万元。
5.2.2 超级电容器安装在列车上
采用国产不对称型超级电容器,电压1 500 V,功率600 kW,储能系统支撑50%的供电功率,持续时间30 s,所需的总能量为9MJ,选用12 000 F/1. 4 V的电容器(放电范围1.4~1V),需要1 500支,1串,每支电容器250元,总计约40万元,再加平衡电路、检测与控制电路,储能单元总成本约50万元。可见,如果依靠国内技术成功研制适用于城市轨道交通的超级电容器,可以大大降低设备本身的价格。
6 结语
超级电容用在城市轨道交通系统,既能稳定线网电压,又能回收一定的制动能量,可作为节能方案之一做进一步研究。随着国内城市轨道交通的迅猛发展,将会有越来越多的轻轨、有轨电车等行车密度相对小的运载系统出现。若能依靠国内技术力量,研制出适用于城市轨道交通的超级电容器,将能够大大降低超级电容器的价格,有利于超级电容在城市轨道交通领域的推广使用,有利于建设节能型的城市轨道交通运载系统。
参考文献
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