Qu'est-ce que le stockage d'énergie par supercondensateur et ses domaines d'application?
2024-12-27
Le stockage d'énergie par supercondensateurs fait référence à la technologie de stockage de l'énergie électrique à l'aide de condensateurs. Le mécanisme du stockage d'énergie par supercondensateurs repose sur la capacitance à double couche et la capacitance de Faraday. Sa principale forme est le stockage d'énergie par supercondensateurs. L'appareil de stockage d'énergie par supercondensateurs est principalement composé d'un groupe de supercondensateurs, d'un convertisseur bidirectionnel DC/DC et d'un circuit de contrôle correspondant. Son noyau technique réside dans la topologie de partage de tension et la stratégie de contrôle à l'intérieur du groupe de supercondensateurs ainsi que dans la topologie et la stratégie de contrôle du convertisseur bidirectionnel DC/DC.
Le stockage d'énergie par supercondensateurs a été largement utilisé dans les véhicules électriques, le stockage d'énergie pour la production d'énergie éolienne et solaire, la régulation de la qualité de l'énergie dans les systèmes électriques, les alimentations à impulsions, etc.
Introduction à la technologie des supercondensateurs
Le mécanisme du stockage d'énergie par supercondensateurs repose sur la capacitance à double couche et la capacitance de Faraday. Sa principale forme est le stockage d'énergie par supercondensateurs. Le stockage d'énergie par supercondensateurs est un nouveau type de dispositif de stockage d'énergie électrochimique situé entre les condensateurs traditionnels et les batteries. Par rapport aux condensateurs traditionnels, il présente une densité énergétique plus élevée, et sa capacité électrostatique peut atteindre des milliers de farads voire des dizaines de milliers de farads. Par rapport aux batteries, il dispose d'une densité de puissance plus élevée et d'une durée de vie en cycles ultra-longue. Par conséquent, il combine les avantages des condensateurs traditionnels et des batteries et constitue une source d'énergie chimique aux perspectives d'application vastes. Il utilise principalement la double couche formée par la séparation de charges à l'interface électrode/électrolyte, ou le "quasi-condensateur" de Faraday généré par la réaction redox rapide sur la surface et à l'intérieur de l'électrode pour réaliser le stockage de charge et d'énergie.
Ainsi, le stockage d'énergie par supercondensateurs présente des caractéristiques de rapidité de charge, de bonnes performances de décharge à haute intensité de courant, de durée de vie ultra-longue en cycles, et d'une large plage de température de fonctionnement. Le dispositif de stockage d'énergie par supercondensateurs est principalement composé d'un groupe de supercondensateurs, d'un convertisseur bidirectionnel DC/DC, et d'un circuit de contrôle correspondant.
Classification du stockage d'énergie par supercondensateurs
Le stockage d'énergie par supercondensateurs à double couche
Il est généré par l'affrontement des charges causé par l'agencement directionnel des électrons ou des ions à l'interface électrode/solution. Pour un système électrode/solution, une double couche se forme à l'interface de l'électrode conductrice d'électrons et de la solution électrolytique conductrice d'ions. Lorsqu'un champ électrique est appliqué aux deux électrodes, les anions et les cations de la solution migrent respectivement vers les électrodes positives et négatives, formant une double couche à la surface de l'électrode. Après la suppression du champ électrique, les charges positives et négatives sur les électrodes attirent les ions de charge opposée dans la solution pour stabiliser la double couche, et une différence de potentiel relativement stable se génère entre les électrodes positive et négative.
À ce moment-là, pour une électrode donnée, une charge d'ions opposée égale à la charge sur l'électrode sera générée à une certaine distance (couche de dispersion), de sorte que le système reste électriquement neutre. Lorsque les deux pôles sont connectés à un circuit externe, la charge sur l'électrode migre et génère un courant dans le circuit externe, et les ions dans la solution migrent dans la solution pour rester électriquement neutres, ce qui constitue le principe de charge et de décharge du stockage d'énergie par supercondensateur à double couche.
Pseudocapaciteur de Faraday
Le modèle théorique a été proposé pour la première fois par Conway. Il stipule que le matériau électroactif est déposé à un sous-potentiel sur la surface de l'électrode et près de la surface ou dans la phase volumique dans un espace bidimensionnel ou quasi-bidimensionnel, et que des réactions de adsorption et désorption chimiques hautement réversibles ainsi que des réactions redox se produisent, produisant une capacité liée au potentiel de charge de l'électrode.
Pour le pseudocapaciteur de Faraday, le processus de stockage de charge inclut non seulement le stockage sur la double couche électrique, mais aussi la réaction redox entre les ions de l'électrolyte et le matériau actif de l'électrode. Lorsque les ions de l'électrolyte (tels que H+, OH-, K+ ou Li+) diffusent de la solution vers l'interface électrode/solution sous l'action d'un champ électrique externe, ils entreront dans la phase volumique de l'oxyde actif sur la surface de l'électrode par la réaction redox à l'interface, permettant ainsi de stocker une grande quantité de charge dans l'électrode. Lors de la décharge, ces ions qui sont entrés dans l'oxyde retourneront à l'électrolyte par la réaction inverse de la réaction redox mentionnée ci-dessus, et la charge stockée sera libérée par le circuit externe. C'est le mécanisme de charge et de décharge du pseudocapaciteur de Faraday.
Domaines d'application du stockage d'énergie par supercondensateurs
Les systèmes de stockage d'énergie par supercondensateurs ont été largement utilisés dans les véhicules électriques, le stockage d'énergie de la production d'énergie éolienne et solaire, la régulation de la qualité de l'énergie dans les systèmes de distribution d'énergie, les alimentations électriques à impulsions, etc.
Application dans les véhicules électriques
Le stockage d'énergie par supercondensateurs est utilisé dans les véhicules hybrides électriques. Étant donné que le véhicule doit souvent accélérer ou décélérer pendant la conduite, le moteur d'accélération nécessite un courant de démarrage important, ce qui peut causer de grands dommages à la fois à la batterie et à la pile à combustible. Lorsque le véhicule décélère et freine, selon des recherches, l'énergie nécessaire au freinage représente 50 % de l'énergie de conduite. Si un dispositif de stockage d'énergie par supercondensateur est ajouté pour gérer l'énergie de l'accélération au démarrage et de la décélération au freinage du véhicule, cela peut non seulement réduire les dommages à la batterie ou à la pile à combustible dans le véhicule électrique, mais aussi récupérer l'excédent d'énergie et prolonger l'autonomie du véhicule électrique.
Application dans la production d'énergie éolienne et solaire et le stockage d'énergie
L'énergie solaire et éolienne sont les sources d'énergie les plus pratiques et les plus écologiques. Actuellement, les batteries sont largement utilisées comme dispositifs de stockage ou de tampon. Le plus grand problème est que les coûts d'exploitation et de maintenance sont élevés et que la durée de vie est courte. Le stockage d'énergie par supercondensateurs présente des caractéristiques telles qu'une durée de vie de cycle de charge et de décharge de plus de dizaines de milliers de cycles, une maintenance nulle et une fiabilité élevée, ce qui en fait une tendance inévitable pour remplacer les dispositifs de stockage, les moteurs à arbre de transmission et les générateurs par un dispositif de stockage d'énergie par supercondensateur qui peut fournir de l'énergie mécanique et en récupérer. Le stockage d'énergie par supercondensateur absorbe l'énergie lorsque le soleil est abondant ou que le vent est fort pendant la journée, et la décharge la nuit ou lorsque le vent est faible, afin de maintenir l'équilibre du système.
Application dans le système électrique
L'application du système de stockage d'énergie par supercondensateur dans le système électrique est actuellement principalement axée sur la régulation de la qualité de l'alimentation. Dans le système d'approvisionnement en électricité réel, en raison de l'application généralisée des charges non linéaires et du démarrage et de l'arrêt soudains des grands moteurs, les harmoniques de tension du réseau augmentent, ce qui entraîne des distorsions de forme d'onde, une chute de tension et d'autres problèmes qui endommagent l'équipement d'alimentation nécessitant une haute qualité. Afin d'améliorer la qualité de l'alimentation, le système de stockage d'énergie par supercondensateur est largement utilisé comme élément de stockage d'énergie pour améliorer la qualité de l'alimentation. Il se divise principalement en : restaurateur dynamique de tension (DVR), compensateur statique synchronisé de distribution (D-STATCOM), conditionneur unifié de qualité d'alimentation (UPQR), alimentation sans interruption (UPS).
Application dans l'alimentation à impulsions
Les stations de base de communication mobile, les systèmes de communication par satellite, les systèmes de communication radio et les équipements militaires, en particulier les équipements de terrain, ne peuvent pas être alimentés directement par le réseau électrique public, mais nécessitent des équipements de production d'énergie et des dispositifs de stockage d'énergie. À l'avenir, les systèmes de puissance à impulsion des nouvelles armes conceptuelles telles que les armes à laser, les armes à faisceau de particules, les armes à micro-ondes et les canons électromagnétiques absorberont l'énergie du réseau électrique par le biais du système de chargement. Par exemple, les lasers à énergie moyenne et les armes à micro-ondes haute puissance nécessitent entre 100 kW et 500 kW de puissance d'impulsion et libèrent cette puissance d'impulsion à haute puissance en quelques millisecondes. L'orientation des recherches sur la technologie des sources d'impulsions vise souvent à générer une puissance de sortie instantanée plus élevée et à améliorer l'efficacité. Le problème technique central de l'alimentation haute puissance est l'étude des systèmes de stockage d'énergie à impulsion avec une densité de stockage d'énergie élevée (kJ/kg) et une densité de puissance élevée (kW/kg). Les caractéristiques de sortie à haute densité de puissance du stockage d'énergie par supercondensateur peuvent répondre aux exigences de puissance de ces systèmes.
Avantages et inconvénients du stockage d'énergie par supercondensateur
Les avantages du stockage d'énergie par supercondensateur incluent une vitesse de charge rapide, une densité de puissance élevée, une longue durée de vie en cycles, etc. Toutefois, la densité d'énergie est relativement faible et il n'est pas adapté pour un stockage d'énergie à long terme. Les batteries de stockage d'énergie ont une densité d'énergie élevée et peuvent stocker de l'énergie pendant longtemps, mais la vitesse de charge est relativement lente et la durée de vie est limitée.
La relation entre le stockage d'énergie par supercondensateur et les batteries de stockage d'énergie
Bien que le stockage d'énergie par supercondensateur et les batteries de stockage d'énergie soient tous deux des dispositifs de stockage d'énergie, leurs principes de fonctionnement et leurs scénarios d'application diffèrent de manière significative. Le stockage d'énergie par supercondensateur n'est pas une batterie de stockage d'énergie, mais un nouveau dispositif de stockage d'énergie situé entre les condensateurs traditionnels et les batteries. Chacun d'eux présente ses propres avantages dans le domaine du stockage d'énergie et peut se compléter mutuellement pour promouvoir conjointement le développement de la technologie de stockage d'énergie.
En résumé, le stockage d'énergie par supercondensateur n'appartient pas aux batteries de stockage d'énergie. Ils présentent des différences évidentes en termes de définition, de principe de fonctionnement, de scénarios d'application, d'avantages et d'inconvénients, etc. Dans le domaine du stockage d'énergie, le stockage d'énergie par supercondensateur et les batteries de stockage d'énergie jouent chacun un rôle irremplaçable et favorisent conjointement le développement et l'application des nouvelles technologies énergétiques.
Voie technologique du stockage d'énergie par supercondensateur
Le cœur technique du dispositif de stockage d'énergie par supercondensateur réside dans la topologie de répartition de la tension et la stratégie de contrôle au sein du groupe de stockage d'énergie par supercondensateur, ainsi que dans la topologie et la stratégie de contrôle du convertisseur bidirectionnel DC/DC.
Connexion série et parallèle des supercondensateurs
La tension nominale d'un supercondensateur est généralement de 2,3V, 2,5V ou 2,7V, ce qui est très faible par rapport à d'autres dispositifs de stockage d'énergie. Par conséquent, il est nécessaire de les connecter en série pour augmenter le niveau de tension du groupe de stockage d'énergie par supercondensateur. Selon le principe du circuit, la capacité diminue à mesure que la tension augmente. En pratique, afin de tenir compte des exigences de niveau de tension et de capacité, le stockage d'énergie par supercondensateur est généralement connecté en série et en parallèle pour former un groupe de stockage d'énergie par supercondensateur.
Circuits d'égalisation de tension en série couramment utilisés pour le stockage d'énergie par supercondensateur
Les méthodes d'égalisation de tension en série pour le stockage d'énergie par supercondensateur peuvent être divisées en deux catégories :
1. La méthode de consommation d'énergie par des dispositifs résistifs, comme la méthode de régulation de tension et la méthode du résistor à commutateur ;
2. La méthode de transfert d'énergie par des dispositifs de stockage d'énergie, comme la méthode du convertisseur DC/DC.
1. La méthode de consommation d'énergie par des dispositifs résistifs, comme la méthode de régulation de tension et la méthode du résistor à commutateur ;
2. La méthode de transfert d'énergie par des dispositifs de stockage d'énergie, comme la méthode du convertisseur DC/DC.
La méthode du tube de régulation de tension et la méthode du résistor à commutateur réalisent l'équilibrage de la tension du condensateur en consommant de l'énergie, ce qui réduit inévitablement l'efficacité du système de stockage d'énergie par supercondensateur. De plus, lorsque le courant de charge du supercondensateur est élevé, il sera difficile de respecter les exigences d'équilibrage de la tension en utilisant la méthode du tube de régulation de tension ou celle du résistor à commutateur. D'une part, les dispositifs résistifs de haute puissance augmentent le volume et compliquent l'installation. D'autre part, la consommation d'énergie augmente et la température devient trop élevée, ce qui présente des risques pour la sécurité du système de stockage d'énergie et réduit la fiabilité du système.
En outre, la méthode du tube de régulation de tension et celle du résistor à commutateur ne peuvent réaliser l'équilibrage de la tension que pendant le processus de charge, ce qui présente certaines limitations. La méthode d'équilibrage de la tension par transfert d'énergie utilise des dispositifs de stockage d'énergie pour l'équilibrage de la tension, ce qui constitue l'orientation actuelle du développement de la technologie d'égalisation de tension des supercondensateurs en série.
Topologie du convertisseur bidirectionnel DC/DC
En tant qu'élément de stockage d'énergie, le supercondensateur est connecté au système de réseau électrique via un convertisseur de connexion au réseau. Il existe deux façons de connecter le supercondensateur au bus DC du convertisseur connecté au réseau :
1. Le connecter directement au bus DC de l'onduleur ;
2. Le connecter au bus DC via un convertisseur de puissance.
1. Le connecter directement au bus DC de l'onduleur ;
2. Le connecter au bus DC via un convertisseur de puissance.
Circuit de contrôle de charge du stockage d'énergie par supercondensateur
Le circuit principal est un onduleur de type tension avec un mode de conversion d'énergie AC/DC. Étant donné qu'il y a un circuit de stockage d'énergie à grande capacité de condensateur entre le circuit redresseur et l'onduleur, et parce que la tension à travers le condensateur ne peut pas changer brusquement, au début de la mise sous tension, le dispositif de condensateur agit comme un "court-circuit". Cela provoque un courant de charge de surtension énorme, ce qui entraîne un impact de courant élevé sur le module redresseur et peut l'endommager. Cela peut également entraîner le déclenchement de l'interrupteur automatique (disjoncteur) connecté à l'extrémité de l'alimentation de l'onduleur à cause d'une surcharge de courant.
La méthode conventionnelle pour traiter ce problème consiste à connecter une résistance limitant le courant de charge et un contacteur de charge (relais) en série entre le redresseur et le circuit de stockage d'énergie par condensateur.
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