超级电容储存船舶电力推进系统：平抑功率波动，减少有害气体排放

超级电容储存船舶电力推进系统：平抑功率波动，减少有害气体排放

超级电容器存储

船舶电力推进系统介绍了两种典型的储能技术——超级电容器技术和锂电池技术，总结了这两种技术的基本原理和各自的优缺点，并给出了其应用实例和实际船舶。

结果表明，采用混合储能技术不仅可以平滑船舶电网的功率波动，还可以节省燃料，减少有害气体的排放。

基于此，你还敢说锂电池这艘船随时可能翻吗？

陈刚，张思全（上海海事大学物流工程学院）

船舶电力推进系统多数情况下是由内燃机带动发电机组供电，由于海洋环境复杂多变，负荷变化无常，当负荷偏离最佳负荷点时，燃料不能充分燃烧，二氧化碳利用率会大幅下降，并产生大量氮氧化物和硫氧化物，造成环境污染。

储能单元用于在系统轻载时储存多余的能量，防止能量对电网造成冲击；当系统超载时，储能单元释放能量，满足负载需求。

一

超级电容器技术

1.1 超级电容器的结构

超级电容器有时也被称为电双层电容器，或双层电容器，是一种具有高能量密度的电化学电容器，标准电池的电解电容为几十微法拉，但同样大小的超级电容器，当电容达到几法拉时，其容量差别可达五个数量级。电容器是通过电容效应来储存能量的，其容量与电极的表面积和电解质的介电常数成正比，与电极之间的距离成反比，超级电容器采用高介电常数的电解质，其电极采用多孔活性炭材料，可以大大增加其表面积，这也是超级电容器能储存巨大能量的主要原因。

通常，两个电极中间由一层多孔活性炭膜隔开，两侧则为水或有机电解质。

1.2 超级电容器的优点和缺点

超级电容器的优点：

1）高电流容量。超级电容器采用极低的等效串联电阻设计，因此电容器可以发送和吸收非常高的电流。超级电容器的低等效串联电阻使电容器可以快速充电，而电容器本身的特性使电容器可以以相同的速率充电和放电，这是电池无法做到的。

2）使用寿命长。超级电容器的储能机理是高度可逆的过程，只移动电荷和离子，而不会形成或破坏化学键，因此充放电循环次数可达数十万次。超级电容器的性能不会因长期深度循环充放电而受损，使超级电容器的使用更加灵活。此外，超级电容器易于储存，不会因长期储存而受到影响。

3）温度范围广。由于超级电容器工作时不发生化学反应，因此其工作温度范围很广。超级电容器在-40℃～+65℃范围内均可正常工作。

4)环境友好。超级电容器所用材料无污染，在运行过程中不会产生有毒有害物质。

5)维护方便。超级电容器基本不需要维护，没有储能效率，不存在过放电现象，可以在任意额定电压或额定电压以下工作。

6) 易于状态监测。由于电容器中存储的能量仅是电容和电压的函数，并且电容相对恒定，因此单次开路电压测量即可确定充电状态。

7）延长其他能源的寿命。电池、专用发动机和燃料电池等能源在瞬态条件下表现不佳。对于某些组件而言，瞬态过程会显著缩短组件的寿命。结合超级电容器和这些能源的使用可以从主能源中卸载许多这些瞬态值。

超级电容器的缺点：

1）能量密度低：超级电容器的能量密度为1-10Wh/kg，是锂电池的1/10。

2）端电压变化较大，超级电容器在充电和放电过程中，端电压不断变化，因此需要在储能元件与负载之间加装稳压器，以保持负载侧电压稳定，增加了储能系统的成本。

3）价格昂贵：超级电容器电芯的价格是锂电池的几十倍。

二

锂电池技术

2.1锂电池结构

锂电池是一种可充电电池，主要依靠Li+离子在正极和负极之间的移动来工作。在充电和放电过程中，Li+在两个电极之间来回嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌；在嵌锂过程中，电解液嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。

2.2 锂电池优缺点分析

锂电池的优点：

1）能量密度高。其体积能量密度和质量能量密度分别已达到450Wh/dm^3和150Wh/kg，且还在不断提高。

2）单格电压较高，约3.6V，充满电时电压一般为4.2V，终止放电电压不低于2.5V。

3）自放电率小，每月5%～10%，不到镍镉电池、镍氢电池的一半，无记忆效应，循环性能优良。

4）输出功率大。

5）工作温度范围广，可在-20℃～60℃范围内正常工作。

锂电池的缺点：

1）成本较高。主要原因是正极材料价格较高。随着正极材料技术的不断发展，可以使用等作为正极，有望大大降低锂电池的成本。

2）必须有专门的保护电路，防止过充电或者过放电。

3）与普通电池兼容性差，一般需要三节普通电池（3.6V）才可以用锂离子电池代替。

3 储能系统的典型应用

对于船舶电力推进系统，如何降低燃料消耗、系统维护成本、有害气体排放以及增加整船的稳定性和可靠性一直是科研人员研究的重点，其中，该公司的技术领先于其他公司，开发出了应用广泛的储能系统。

4。结论

虽然目前储能装置价格昂贵，但可以平滑船舶电网电力波动，提高系统稳定性和可靠性，提高燃料利用率，节省燃料，减少有害气体排放。

随着大容量锂电池和超级电容器技术的发展，储能装置的价格必然会下降，储能装置在船舶电力推进系统应用中的前景值得期待。

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