超级电容在城市轨道交通系统中的应用

超级电容在城市轨道交通系统中的应用

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。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,车辆辅助设备能耗占。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。

工作原理及技术特点

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)或被一层介电物质(相对介电常数为ε)隔离,电容值为

式中为极板面积为介质厚度;所储存的能量为2C(Δ),其中为电容值,Δ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,必须增大面积或减少介质厚度。

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,如图所示。