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行业动态
2018年中国超级电容器行业发展现状分析及未来发展趋势预测(一)
时间:2018-12-11  ;浏览:63

一、超级电容行业发展概况

1、超级电容器基本特性介绍

    超级电容器(supercapacitor,ultracapacitor),又叫电化学电容器(Electrochemcial Capacitor, EC)、黄金电容、法拉电容,;包括双电层电容器(Electrostatic double-layer capacitor)和赝电容器(Electrochemical pseudocapacitor),通过极化电解质来储能。它是一种电化学元件,但在其储能的过程并不发生化学反应,这种储能过程是可逆的,也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板,在极板上加电,正极板吸引电解质中的负离子,负极板吸引正离子,实际上形成两个电容性存储层,被分离开的正离子在负极板附近,负离子在正极板附近。

    超级电容器是建立在德国物理学家亥姆霍兹(1821~1894)提出的界面双电层理论基础上的一种全新的电容器。众所周知,插入电解质溶液中的金属电极表面与液面两侧会出现符号相反的过剩电荷,从而使相间产生电位差。那么,如果在电解液中同时插入两个电极,并在其间施加一个小于电解质溶液分解电压的电压,这时电解液中的正、负离子在电场的作用下会迅速向两极运动,并分别在两上电极的表面形成紧密的电荷层,即双电层。

    它所形成的双电层和传统电容器中的电介质在电场作用下产生的极化电荷相似,从而产生电容效应,紧密的双电层近似于平板电容器,但是,由于紧密的电荷层间距比普通电容器电荷层间的距离要小得多,因而具有比普通电容器更大的容量。

    双电层电容器与铝电解电容器相比内阻较大,因此,可在无负载电阻情况下直接充电,如果出现过电压充电的情况,双电层电容器将会开路而不致损坏器件,这一特点与铝电解电容器的过电压击穿不同。同时,双电层电容器与可充电电池相比,可进行不限流充电,且充电次数可达10^6次以上,因此双电层电容不但具有电容的特性,同时也具有电池特性,是一种介于电池和电容之间的新型特殊元器件。

    2、全球超级电容器市场规模

    超级电容器是从上世纪七、八十年代发展起来的通过极化电解质来储能的一种电化学元件。它不同于传统的化学电源,是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源,主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能。

    早在1879年,Helmholz发现了双层电容性质,提出了双电层的概念,但是双电层用于能量的存储仅仅是近几十年的事。1957年Bcker首先提出了可以将较小的电容器用做储能器件,其具有接近于电池的比能量。1968年标准石油公司Sohio首先提出了利用高比表面积碳材料制作双层电容器的专利,并将该专利技术转让给NEC公司,NEC公司在1979年开始生产超级电容器用于电动汽车的启动系统。几乎同时,松下公司研究了以活性炭为电极材料,以有机溶液为电解质的超级电容器,此后超级电容器开始大规模的产业化,之后又推出了各种各样的超级电容器。

    超级电容器作为产品已趋于成熟,其应用范围也不断拓展,在工业、消费电子、通讯、医疗器械、国防、军事装备、交通等领域得到越来越广泛的应用。从小容量的特殊储能到大规模的电力储能,从单独储能到与蓄电池或燃料电池组成的混合储能,超级电容器都展示出了独特的优越性。美、欧、日、韩等发达国家和地区对超级电容器的应用进行了卓有成效的研究。

    超级电容器以其大容量、高功率、长寿命、成本低廉、环境友好等优越的性能,可以部分或全部替代传统的化学电池,并且具有比传统的化学电池更加广泛的用途。超级电容的技术不断发展,推动其应用范围从最初的电子设备领域扩展到动力领域、储能领域。
2015年全球超级电容器市场规模达到160亿美元,预计未来五年的年复合增长率有望达到21.3%。

2008-2015年全球超级电容市场规模

 

3、中国超级电容器市场规模

    2014年国内超级电容器的市场规模在48.4 亿元,同比2013年增加 56.1%, 2015 年,国内超级电容器市场达到66.5亿元,

    2012~2015 年年均复合增速超过40%。 交通运输用超级电容器将是支撑整个行业高速发展的最重要动力,到 2018 年将占到整个超级电容器一半以上的市场份额。近几年我国超级电容器行业市场规模情况如下图所示:

2009-2015年中国超级电容器市场规模

 

    4、中国超级电容器技术分析

    超级电容器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电容量的。与利用化学反应的蓄电池不同,超级电容器的充放电过程始终是物理过程,性能十分稳定,故而安全系数高、低温性能好、寿命长且免维护。

    超级电容器的核心元件是电极,电极的制造工艺目前分为干电极与湿电极两种技术。干电极技术是仅通过干混活性碳粉和粘合剂加工成电极。湿电极技术在制作电极的过程中,除了活性碳粉和粘合剂还需加入液态的溶剂。由于液态溶剂会影响超级电容器的工作性能,因此还需使用烘箱对其进行干化处理,将溶剂从电极中去除。这意味和干电极技术相比,湿电极技术工序更长,而且有额外的生产成本。另外,烘干处理很难将溶剂彻底去除。在超级电容器工作过程中,溶剂杂质会发生反应产生额外物质,影响电极和电解质的性能。而反应产生的气体更会加速超级电容器的老化。因此,采用湿电极技术的超级电容器相对寿命较短,可靠性低,稳定性差。

    5、中国超级电容器应用领域

    (一)超级电容器在太阳能能源系统中的应用

    太阳能源的利用最终归结为太阳能利用和太阳光利用两个方面。太阳能发电分为光伏发电和光热发电,其中光伏发电就是利用光伏电池将太阳能直接转化为电能。光伏发电不论在转化效率、设备成本和发展前景尚都远远强于光热发电。自从实用型多晶硅的光伏电池问世以来,世界上就便开始了太阳能光伏发电的应用。

    目前,太阳能光伏发电系统有三个发展方向:独立运行、并网型和混合型光伏发电系统。在独立运行系统中,储能单元一般是必须有的,它能将由日照时发出的剩余电能储存起来供日照不足或没有日照时使用。目前,国际光伏能源产业的需求开始由边远农村和特殊应用向并网发电与建筑结合供电的方向发展,光伏发电已有补充能源向替代能源过渡。国内光伏能源系统仍主要是用在边远的无电地区和城市路灯、草坪灯、庭院灯、广告牌等独立光伏发电系统。通过蓄电池组构成的储能系统,能够熨平太阳光照强度波动导致的电能波动,还可以补偿电网系统中的电压骤降或突升,但是由于其充放电次数有限、大电流充放电时间较慢等因素,因此其使用寿命较短,成本较高。因此,在太阳能光伏发电系统中采用超级电容器组将使其并网发电更具有可行性。

    (二)超级电容器在风力发电系统应用分析

    风力发电作为当前发展最快的可再生能源发电技术,具有广阔的应用前景。但是,风能是一种随机变化的能源,风速变化会导致风电机组输出功率的波动,对电网的电能质量会产生影响。

    目前,风电有功功率波动多采用直接调节风力涡轮机运行状态的方法来平缓其输出功率,但是该方法的功率调节能力有限;无功功率波动通常采用并联静止无功补偿装置进行无功调节,但无功补偿装置无法平抑有功功率波动。通过附加储能设备,既可以调节无功功率、稳定风电场母线电压,又能在较宽范围内调节有功功率。而风力发电研究表明位于0.01Hz-1Hz 的波动功率对电网电能质量的影响最大,平抑该频段的风电波动对电网电能质量的影响最大,平抑该频段风电波动采用较短时间的能量储存就可以达到目的,因此能够实现短时能量存储的小容量储能设备对风力发电的应用价值很高。超级电容器因其具有数万次以上的充放电循环寿命、大电流充放电特性,能够适应风能的大电流波动,它能在白天阳光充足或风力强劲的条件下吸收能量,在夜晚或风力较弱时放电,从而能够熨平风电的波动,实现更有效的并网。

    (三)超级电容在军用设备领域的应用

    在移动通信基站、卫星通信系统、无线电通信系统中,都需要有较大的脉冲放电功率,而超级电容器所具有的高功率输出特性,可以满足这些系统对功率的要求。

    另外,激光武器也需要大功率脉冲电源,若为移动式的,就必须有大功率的发电机组或大容量的蓄电池,其重量和体积会使激光武器的机动性大大降低。超级电容器可以高功率输出并可在很短时间内充足电,是用于激光武器的最佳电源。另外,超级电容器还可以用于战术性武器(电磁炸弹)中,作为炸弹发电机(FCC)的核心部件。

    (四)在城市轨道交通中应用研究分析

    与道路、航空等交通方式相比,轨道交通运输具有运量大、定时、安全、环保、节能等显著优点。在全球倡导保护环境、防止地球温暖化的今天,轨道交通的环保、节能的优点已越来越受到人们的重视,今后应大力发展轨道公共交通已成为世界各国的共识。 
20 世纪80 年代开始,随着电力电子技术的飞速发展,交流牵引传动技术开始在轨道交通车辆上得到应用,并迅速得到普及。轨道交通车辆采用交流传动技术后,再生制动成为列车常用制动时的主要制动方式,由于再生制动能量可供相同供电区间内的其他力行状态的列车利用,这就进一步降低了列车的运行能耗,使轨道交通在节能运行方面的优势越发突出。然而,再生制动的前提是线路上必须有足够的负载来吸收再生能量,否则就容易造成再生制动的列车受电弓电压升高超过允许值,引发主电路断开,导致再生制动失效的现象发生。近年,随着2 次电池、飞轮、超级电容( EDLC)、超导等储能技术的发展,如何利用储能技术来解决列车制动失效、改善列车受电弓电压、节约列车运行能量等问题得到世界轨道交通界的广泛关注。

    目前国内外常采用在地面牵引变电所内设置再生制动能量吸收装置解决该问题,其中电阻耗能型吸收装置应用较为普遍,该装置仅将制动能量消耗,未将能量加以利用,且只解决了网压升高问题却没有考虑网压下降的问题。若采用储能装置将制动能量储存起来,并在列车起动取流时将所储存能量释放至电网,减少直流电网电流,则网压波动问题将迎刃而解。

    储能装置的储能方式有多种,如飞轮储能、蓄电池储能及超级电容器储能等。通过各种储能方式的比较,提出车载超级电容储能装置来解决以上问题。考虑到列车制动能量较大,而超级电容组的吸收能力有限,因此为保证网压稳定,采用以电容吸收为主,电阻消耗为辅的吸收方案。该储能装置若能成功应用到城市轨道交通中,在合理解决网压波动问题的基础上,必能创造出巨大的经济效益,因此对城市轨道交通储能装置的研究具有十分重要的现实意义。

    (五)超级电容在运动控制领域的应用

    在现代高层建筑中,电梯的耗能仅次于空调。以往的电梯采用机械制动的方法,将这部分能量以热的形式散发掉,这不但浪费,而且多余热量使机房温度升高,增加散热的负担和成本。如果能够回收多余的动能及势能,电梯系统真正消耗的能量就只限于电能转换中的损耗和机械损耗,其中主要包括变频器、牵引电机及其机械损耗。

    因此,在电梯设计、配置中最迫切需要解决的问题是要全面考虑节能措施。采用节能环保型电梯是未来节能建筑领域的必然趋势。通过分析电梯系统的运动特性,我们可以发现节能的方向:电梯在升降过程结束时,经常会有制动刹车,产生巨大的制动电流,这是可以回收的;另外,在建筑高层,电梯和电梯使用者都具有很大的势能,也可以进行回收。由于超级电容器具有大电流充放电等优良的特性,可在电梯系统中作为能量回收装置回收能量。

    超级电容器还可以应用于建筑领域的通风、空调、给排水系统中,作为启动装置。另外,超级电容器还可以应用于电站、变流以及铁路系统中,包括电磁阀门控制系统、配电屏分合闸、铁路的岔道控制装置等。

    作为能源最大消耗者之一的港口机械设备,港口机械如场桥、岸桥中的吊具载运货物上升时需要很大的能量,而下降时自动产生的势能很大,这部分势能在传统机械设备中没有得到合理利用。除了在固定港口机械设备中,在流动机械中也同样存在上述问题。通过采用超级电容器,能够实现上升过程中的制动能量回收,下降过程中的势能回收。

    超级电容器能用作飞机上柴油机启动系统工作电源的辅助电源,能提供飞机发动机瞬间所需的冲击大电流,另外还可以解决422 系列电源车启动飞机瞬间功率不足的问题,从而在启动瞬间对直流电源车发电系统尤其是内燃机具有很大的保护作用。

    6、超级电容器产业竞争格局

    近年来,由于看好这一领域广阔的应用前景,中国一些公司也开始积极涉足这一产业,并已经具备了一定的技术实力和产业化能力。

    目前,国内厂商大多生产液体双电层电容器,重要企业有锦州富辰公司、北京集星公司、上海奥威公司等十多家。锦州富辰公司是国内最大的超级电容器专业生产厂,主要生产纽扣型和卷绕型超级电容器。北京集星公司可生产卷绕型和大型电容器。

    除此之外,国内也有其他数家超级电容器供应商,如哈尔滨巨容新能源公司等等,这些公司均是近两年成立,并在各自擅长的领域进行产品研发或产品市场推广工作。同时,国内的江西、江苏、河南、陕西和天津等省市也纷纷出台相关政策,支持本省市企业积极进军超级电容器这种新兴的储能元件市场,如中国电子元器件百强之一的江西信达电子公司也正在寻求合作伙伴,以期共同进行超级电容器的生产。


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