當(dāng)前缺少對儲能系統(tǒng)中碳基電化學(xué)雙層電容器的基本原理和應(yīng)用的系統(tǒng)介紹, 本書以填補此空白為出版目的。
這種被稱為超級電容器的雙層裝置能夠在一個單體中聚集上千法的電容量, 具有與電池相媲美的能量。本書不僅僅介紹超級電容器的電化學(xué)性能, 更主要的是面向應(yīng)用工程師, 尤其是負責(zé)儲能設(shè)備設(shè)計、容量配置的工程師, 以及后續(xù)使用的客戶。一個世紀前就得到可以將電能存儲在一個雙層電容器中( 即一個導(dǎo)電固體和電解質(zhì)的界面) 的結(jié)論, 但是直到1957 年通用公司的H. I. Becker 才基于這個現(xiàn)象申請了一個基本的碳裝置的專利。我們現(xiàn)在所知的超級電容器歸功于俄亥俄州標準石油公司的化學(xué)家RobertA. Rightmire 在1962 年設(shè)計的碳-碳電化學(xué)電容器。其余的, 正如他們所說, 就是過時的了。
超級電容器應(yīng)用廣泛。小的單體只有拇指蓋大小, 電容量為5 ~10F, 可為固態(tài)硬盤存儲信息提供電力支撐; 小型20 ~150F 電解電容器組可以用于各種電子設(shè)備。大容量單體, 例如D 型超級電容器單體的電容量超過300F, 可以用于工業(yè)領(lǐng)域, 包括風(fēng)力發(fā)電機變槳距調(diào)節(jié)器的備用電源模塊以及一些動力應(yīng)用中, 例如電動自行車和電動摩托車的動力電源。更加大型的單體, 例如現(xiàn)在標準60mm 直徑的圓柱單體的電容量范圍是650 ~3000F, 可以應(yīng)用于不間斷電源、橋式功率、汽車電網(wǎng)的穩(wěn)定以及在怠速停止系統(tǒng)中促進汽車發(fā)動機重新起動。大容量單體構(gòu)成的模塊組應(yīng)用于重型卡車發(fā)動機冷起動輔助, 廂式車、自卸車、擺渡車及公交車的混合組件, 以及軌道交通的能量換熱器。超級電容器在軌道交通上的應(yīng)用也擴展到車載能量換熱器和軌道側(cè)第三軌或懸鏈線的穩(wěn)定器。新的應(yīng)用不斷涌現(xiàn)在一些前景廣闊的領(lǐng)域。在智能電網(wǎng)和鐵路領(lǐng)域的實施, 可以提供更強有力的公用設(shè)施和配套服務(wù), 可以在地鐵和輕軌系統(tǒng)中減少需額外增設(shè)的變電站數(shù)量。
例如, 在智能電網(wǎng)中, 超級電容器可以滿足高倍率充放電來調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率的需求。其高效率快充快放的特性意味著它們也可以被用來支持電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)。這兩個應(yīng)用需要大量兆瓦級有功功率來進行頻率支撐, 甚至更高的無功功率作為電壓調(diào)節(jié)。超級電容器作為公用事業(yè)儲能應(yīng)用可以提供10s ~1min 的持續(xù)輸出, 而將超級電容器和電池相結(jié)合可以提供長達8h 的持續(xù)輸出。這些內(nèi)容, 以及與其相似的應(yīng)用, 例如應(yīng)用于汽車的大功率緩存, 在本書中都有詳細介紹。
本書的大綱是從我2007 年至2010 年在Maxwell 技術(shù)公司講授的課程中提出。因此, 我感謝Maxwell 技術(shù)公司的CEO———David Schramm 先生, 是他聘請我擔(dān)任Maxwell 大學(xué)的院長。早期課程中的講座和實例具有課堂風(fēng)格。然而, 由于像Maxwell 技術(shù)公司全球分布廣泛, 到各地授課和向?qū)W員展示材料是不現(xiàn)實的, 因此我們啟動了Maxwell 大學(xué)第2 版。這一次, 作者修訂了相關(guān)材料, 并提供了音頻格式的CD。本書的許多章節(jié)都有提到這些資料,同時作為實例展示給讀者。
如果沒有更多人的鼓勵和幫助, 本書不可能成形。我要特別感謝Maxwell 技術(shù)公司的資深科學(xué)家Porter Mitchell博士幫我審閱了以電化學(xué)為主題的第1 ~ 6 章, 同時感謝Mitchell 博士對剩余章節(jié)的評議。我也要感謝Maxwell 技術(shù)公司的技術(shù)應(yīng)用工程總監(jiān)David Wright 先生對本書后半部分實際應(yīng)用內(nèi)容的審查和評議。我還要特別感謝我的妻子JoAnn, 在周末和節(jié)假日, 我們可以放松或者做一些例如旅游等與工作無關(guān)的活動。
我要感謝英國工程技術(shù)學(xué)會( IET) 里參與本書出版的所有人, 尤其是感謝英國工程技術(shù)學(xué)會( IET) 的策劃編輯Lisa Reading, 以及感謝生產(chǎn)人員。
John M. MillerⅥ