Wat is supercondensator energieopslag en de toepassingsgebieden?
2024-12-27
Supercondensator energieopslag verwijst naar de technologie van het opslaan van elektrische energie met behulp van condensatoren. Het mechanisme van supercondensator energieopslag is dubbele-laags capaciteitscapaciteit en Faradaycapaciteit. De belangrijkste vorm is supercondensator energieopslag. Het supercondensator energieopslagsysteem bestaat voornamelijk uit een supercondensatorgroep, een bidirectionele DC/DC-omvormer en een bijbehorende besturing. De technische kern ligt in de spanningsverdelingstopologie en de besturingsstrategie binnen de supercondensatorgroep, evenals de topologie en besturingsstrategie van de bidirectionele DC/DC-omvormer.
Supercondensator energieopslag wordt op grote schaal toegepast in elektrische voertuigen, wind- en zonne-energieopslag, regeling van de stroomkwaliteit in elektrische systemen, pulsvermogenlevering, enz.
Supercondensator technologie
Supercondensator energieopslag maakt gebruik van dubbele-laags capaciteitscapaciteit en Faradaycapaciteit. De belangrijkste vorm is supercondensator energieopslag. Supercondensator energieopslag is een nieuw type elektrochemische energieopslagapparaat dat zich bevindt tussen traditionele condensatoren en batterijen. Vergeleken met traditionele condensatoren heeft het een hogere energiedichtheid, en de elektrostatistische capaciteit kan duizenden tot tienduizenden farad bereiken; vergeleken met batterijen heeft het een hogere vermogensdichtheid en een extreem lange cyclustijd. Daarom heeft het de voordelen van zowel traditionele condensatoren als batterijen en is het een chemische energiebron met brede toepassingsvooruitzichten. Het maakt voornamelijk gebruik van de dubbele laag die wordt gevormd door de ladingsscheiding aan het elektroden/elektrolytinterface, of de Faraday "quasi-condensator" die wordt gegenereerd door de snelle redoxreactie op het elektrodenoppervlak en binnenin om de opslag van lading en energie te realiseren.
Daarom heeft supercondensator energieopslag de kenmerken van snelle oplaadsnelheid, goede prestaties bij hoge stroomontlading, extreem lange cyclustijd en een breed bedrijfstemperatuurbereik. Het supercondensator energieopslagsysteem bestaat voornamelijk uit een supercondensatorgroep, een bidirectionele DC/DC-omvormer en een bijbehorende besturing.
Supercondensator energieopslag classificatie
Supercondensator energieopslag met dubbele laag
Wordt gegenereerd door de confrontatie van ladingen die wordt veroorzaakt door de gerichte ordening van elektronen of ionen aan het elektroden/oplossinginterface. Voor een elektroden/oplossingssysteem zal een dubbele laag worden gevormd aan het interface van de elektrongeleidende elektrode en de iongeleidende elektrolytoplossing. Wanneer een elektrisch veld op de twee elektroden wordt aangelegd, migreren de anionen en kationen in de oplossing respectievelijk naar de positieve en negatieve elektroden, waardoor een dubbele laag op het elektrodenoppervlak wordt gevormd; nadat het elektrische veld is verwijderd, trekken de positieve en negatieve ladingen op de elektroden de tegenovergestelde geladen ionen in de oplossing aan om de dubbele laag te stabiliseren, en wordt er een relatief stabiel potentiaalverschil tussen de positieve en negatieve elektroden gegenereerd.
Op dit moment zal voor een bepaalde elektrode een tegenovergestelde ionlading, gelijk aan de lading op de elektrode, binnen een bepaalde afstand (dispersielaag) worden gegenereerd, zodat deze elektrisch neutraal blijft; wanneer de twee polen worden verbonden met een extern circuit, migreert de lading op de elektrode en genereert een stroom in het externe circuit, terwijl de ionen in de oplossing in de oplossing migreren om elektrisch neutraal te zijn, wat het laad- en ontlaadprincipe van dubbele-laags supercondensator energieopslag is.
Faraday pseudocondensator
Het theoretische model werd voor het eerst voorgesteld door Conway. Het houdt in dat het elektroactieve materiaal zich op een onderpotentiaal op het elektrodenoppervlak en nabij het oppervlak of in de bulkfase in een twee- of quasi-twee-dimensionale ruimte afzet, waarbij sterk reversibele chemische adsorptie- en desorptie- en redoxreacties plaatsvinden, wat een capaciteit produceert die gerelateerd is aan de ladingpotentiaal van de elektrode.
Voor de Faraday pseudocondensator omvat het proces van ladingopslag niet alleen de opslag op de dubbele elektrische laag, maar ook de redoxreactie tussen de elektrolytonen en het actieve materiaal van de elektrode. Wanneer de ionen in de elektrolyt (zoals H+, OH-, K+ of Li+) onder invloed van een extern elektrisch veld van de oplossing naar de elektroden/oplossinginterface diffunderen, zullen ze via de redoxreactie aan de interface de bulkfase van de actieve oxide op het elektrodenoppervlak binnendringen, zodat een grote hoeveelheid lading op de elektrode wordt opgeslagen. Tijdens de ontlading zullen deze ionen die in de oxide zijn binnengetreden, terugkeren naar de elektrolyt via de omgekeerde reactie van de bovengenoemde redoxreactie, en de opgeslagen lading zal via het externe circuit worden vrijgegeven. Dit is het laad- en ontlaadmechanisme van de Faraday pseudocondensator.
Toepassingsgebieden van supercondensator energieopslag
Supercondensator energieopslagsystemen worden op grote schaal toegepast in elektrische voertuigen, opslag van wind- en zonne-energie, regeling van de stroomkwaliteit in elektrische systemen, pulsvermogenlevering, enz.
Toepassing in elektrische voertuigen
Supercondensator energieopslag wordt gebruikt in hybride elektrische voertuigen. Aangezien het voertuig tijdens het rijden vaak moet versnellen of vertragen, vereist de versnellingsmotor een grote startstroom, wat zowel de batterij als de brandstofcel grote schade kan toebrengen. Wanneer het voertuig afremt en vertraagt, blijkt uit onderzoek dat de energie die nodig is voor het remmen 50% van de rij-energie uitmaakt. Als een supercondensator energieopslagapparaat wordt toegevoegd om de energie van de voertuigstartversnelling en het afremmen te beheren, kan dit niet alleen de schade aan de batterij of brandstofcel in het elektrische voertuig verminderen, maar ook overtollige energie terugwinnen en het rijbereik van het elektrische voertuig verlengen.
Toepassing in wind- en zonne-energieopwekking en energieopslag
Zonne-energie en windenergie zijn de meest handige en schoonste energiebronnen. Op dit moment worden batterijen veel gebruikt als energieopslag- of bufferapparaten. Het grootste probleem is dat de operationele en onderhoudskosten hoog zijn en de levensduur kort is. Supercondensator energieopslag heeft de kenmerken van meer dan tienduizenden laad- en ontlaadcycli, volledig onderhoudsvrij en hoge betrouwbaarheid, waardoor het een onvermijdelijke trend is om het opslagschachtmotorgenerator supercondensator energieopslagsysteem te vervangen door het omzetten van mechanische energie naar in te voeren mechanische energie bij het ontladen van herlaadbare batterijen. Supercondensator energieopslag absorbeert energie wanneer de zon overvloedig is of de wind sterk is tijdens de dag, en ontlaadt 's nachts of wanneer de wind zwak is om het evenwicht van het systeem te behouden.
Toepassing in het elektrische systeem
De toepassing van supercondensator energieopslagsystemen in het elektrische systeem is momenteel voornamelijk gericht op de regeling van de stroomkwaliteit. In het daadwerkelijke elektriciteitsnet kunnen door de wijdverspreide toepassing van niet-lineaire belastingen en de plotselinge start en stop van grote motoren de netspanningsharmonischen toenemen, wat leidt tot golfvormvervorming, spanningsdalingen en andere problemen die schade veroorzaken aan de apparatuur die een hoge kwaliteit vereist. Om de kwaliteit van de stroomvoorziening te verbeteren, wordt het supercondensator energieopslagsysteem op grote schaal gebruikt als een energieopslagelement om de stroomkwaliteit te verbeteren. Het wordt voornamelijk verdeeld in: dynamische spanningshersteller (DVR), distributie statische synchrone compensator (D-STATCOM), universele stroomkwaliteitsconditioner (UPQC), ononderbroken stroomvoorziening (UPS).
Toepassing in pulsvermogenlevering
Mobiele communicatiebasisstations, satellietcommunicatiesystemen, radiocommunicatiesystemen en militaire apparatuur, vooral veldapparatuur, kunnen niet direct door het openbare elektriciteitsnet van stroom worden voorzien, maar moeten worden uitgerust met energieopwekkingsapparatuur en energieopslagapparaten. In de toekomst zullen pulsvermogen systemen van nieuwe conceptwapens zoals laserwapens, deeltjesstraalwapens, microgolfwapens en elektromagnetische wapens energie uit het elektriciteitsnet absorberen via het oplaadsysteem. Bijvoorbeeld, medium-energie lasers en hoogvermogen microgolfwapens vereisen 100kW tot 500kW pulsvermogen en geven pulsvermogen af met hoog vermogen binnen enkele milliseconden. De onderzoeksrichting van pulsvermogen technologie is vaak gericht op het genereren van hogere onmiddellijke uitvoervermogens en het verbeteren van de efficiëntie. Het kerntechnische probleem van hoogvermogen stroomvoorzieningen is het bestuderen van pulsvermogen opslagsystemen met hoge energiedichtheid (kJ/kg) en hoge vermogensdichtheid (kW/kg). De hoge vermogensdichtheid uitvoereigenschappen van supercondensator energieopslag kunnen voldoen aan de vermogensvereisten van deze systemen.
Voordelen en Nadelen van Supercondensator Energieopslag
De voordelen van supercondensator energieopslag omvatten snelle oplaadsnelheid, hoge vermogensdichtheid, lange cyclustijd, enz., maar de energiedichtheid is relatief laag en het is niet geschikt voor langdurige energieopslag. Energieopslagbatterijen hebben een hoge energiedichtheid en kunnen energie langdurig opslaan, maar de oplaadsnelheid is relatief langzaam en er is een levensduurbeperking.
De relatie tussen supercondensator energieopslag en energieopslagbatterijen
Hoewel supercondensator energieopslag en energieopslagbatterijen beide energieopslagapparaten zijn, verschillen hun werkingsprincipes en toepassingsscenario's aanzienlijk. Supercondensator energieopslag is geen energieopslagbatterij, maar een nieuw type energieopslagapparaat dat zich bevindt tussen traditionele condensatoren en batterijen. Ze hebben elk hun eigen voordelen op het gebied van energieopslag en kunnen elkaar aanvullen en samen de ontwikkeling van energieopslagtechnologie bevorderen.
Samenvattend, supercondensator energieopslag behoort niet tot de energieopslagbatterijen. Ze vertonen duidelijke verschillen in definitie, werkingsprincipe, toepassingsscenario's, voor- en nadelen, enz. In het veld van energieopslag spelen supercondensator energieopslag en energieopslagbatterijen elk een onmiskenbare rol en bevorderen ze samen de ontwikkeling en toepassing van nieuwe energietechnologieën.
Technische route van supercondensator energieopslag
De technische kern van het supercondensator energieopslagsysteem ligt in de spanningsverdelingstopologie en besturingsstrategie binnen de supercondensator energieopslaggroep en de topologie en besturingsstrategie van de bidirectionele DC/DC-omvormer.
Series en parallelle aansluiting van supercondensator energieopslag
Het nominale voltage van een supercondensator is doorgaans 2,3V, 2,5V of 2,7V, wat relatief laag is in vergelijking met andere energieopslagapparaten. Daarom is het noodzakelijk om supercondensatoren in serie te verbinden om het spanningsniveau van de supercondensator energieopslaggroep te verhogen. Volgens het circuitprincipe wordt de capaciteit kleiner naarmate de spanning toeneemt. In de praktijk wordt supercondensator energieopslag meestal zowel in serie als parallel verbonden om een supercondensator energieopslaggroep te vormen die zowel aan de spannings- als capaciteitsvereisten voldoet.
Veelgebruikte serie-spanningsbalanceringscircuits voor supercondensator energieopslag
De serie-spanningsbalanceringsmethoden voor supercondensator energieopslag kunnen worden onderverdeeld in twee categorieën: de ene is de methode waarbij energie wordt verbruikt via resistieve apparaten, zoals de spanningsregelaarmethode en de schakelweerstandsmethode; de andere is de methode waarbij energie wordt overgedragen via energieopslagapparaten, zoals de DC/DC-omvormermethode.
De spanningsstabilisatorbuismethode en de schakelweerstandsmethode bereiken spanningsbalans van de condensator door energie te verbruiken, wat onvermijdelijk de efficiëntie van het supercondensator energieopslagsysteem zal verlagen. Bovendien, wanneer de laadstroom van de supercondensator energieopslag groot is, zal het moeilijk zijn om de spanningsbalansvereiste te bereiken door de spanningsstabilisatorbuis- of schakelweerstandsmethode te gebruiken. Enerzijds vergroot het krachtig resistieve apparaat het volume en maakt het de installatie ongemakkelijk. Anderzijds neemt het energieverbruik toe en wordt de temperatuur te hoog, wat veiligheidsrisico’s met zich meebrengt voor het energieopslagsysteem en de betrouwbaarheid van het systeem vermindert.
Daarnaast kunnen de spanningsstabilisatorbuismethode en de schakelweerstandsmethode alleen spanningsbalans bereiken tijdens het laadproces, wat bepaalde beperkingen met zich meebrengt. De energietransfer-type spanningsbalansmethode maakt gebruik van energieopslagapparaten voor spanningsbalans, wat de huidige ontwikkelingsrichting is van de serie-spanningsbalans-technologie voor supercondensator energieopslag.
Topologie van de bidirectionele DC/DC-omvormer
Als energieopslagapparaat is de supercondensator verbonden met het elektriciteitsnet via een netgekoppelde omvormer. Er zijn twee manieren om de supercondensator aan de DC-bus van de netgekoppelde omvormer te verbinden: de ene is door deze direct aan de DC-bus van de omvormer te verbinden; de andere is door deze via een energieomvormer aan de DC-bus te verbinden.
Supercondensator energieopslag laadcontrolecircuit
Het hoofdcomponent is een spanningsgestuurde omvormer met een AC/DC energieomzettingsmodus. Omdat er een hoogcapaciteitscondensator-energieopslagsysteem tussen de gelijkrichter- en omvormercircuits zit, en omdat de spanning over de condensator niet plotseling kan veranderen, fungeert het condensatorapparaat in de beginfase van inschakelen als een "kortsluiting", wat een enorme stroomstoot oplaadstroom zal veroorzaken. Dit zal een grote stroomimpact op de gelijkrichtermodule veroorzaken en deze beschadigen, en ook de luchtstroomonderbreker die verbonden is met de omvormer aan de voedingszijde laten uitschakelen vanwege overstroom.
De conventionele behandelwijze is het verbinden van een laadstroombeperkingsweerstand en een laadcontacteur (relais) in serie tussen de gelijkrichter en het condensator-energieopslagsysteem.
Wat zijn natrium-ionbatterijen en hun voordelen?
Wat is een flow-batterij?
Gerelateerd artikel
