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行業動態
2018年中國超級電容器行業發展現狀分析及未來發展趨勢預測(一)
時間:2018-12-11  ;瀏覽:46

一、超級電容行業發展概況

1、超級電容器基本特性介紹

    超級電容器(supercapacitor,ultracapacitor),又叫電化學電容器(Electrochemcial Capacitor, EC)、黃金電容、法拉電容,;包括雙電層電容器(Electrostatic double-layer capacitor)和贗電容器(Electrochemical pseudocapacitor),通過極化電解質來儲能。它是一種電化學元件,但在其儲能的過程并不發生化學反應,這種儲能過程是可逆的,也正因為此超級電容器可以反復充放電數十萬次。超級電容器可以被視為懸浮在電解質中的兩個無反應活性的多孔電極板,在極板上加電,正極板吸引電解質中的負離子,負極板吸引正離子,實際上形成兩個電容性存儲層,被分離開的正離子在負極板附近,負離子在正極板附近。

    超級電容器是建立在德國物理學家亥姆霍茲(1821~1894)提出的界面雙電層理論基礎上的一種全新的電容器。眾所周知,插入電解質溶液中的金屬電極表面與液面兩側會出現符號相反的過剩電荷,從而使相間產生電位差。那么,如果在電解液中同時插入兩個電極,并在其間施加一個小于電解質溶液分解電壓的電壓,這時電解液中的正、負離子在電場的作用下會迅速向兩極運動,并分別在兩上電極的表面形成緊密的電荷層,即雙電層。

    它所形成的雙電層和傳統電容器中的電介質在電場作用下產生的極化電荷相似,從而產生電容效應,緊密的雙電層近似于平板電容器,但是,由于緊密的電荷層間距比普通電容器電荷層間的距離要小得多,因而具有比普通電容器更大的容量。

    雙電層電容器與鋁電解電容器相比內阻較大,因此,可在無負載電阻情況下直接充電,如果出現過電壓充電的情況,雙電層電容器將會開路而不致損壞器件,這一特點與鋁電解電容器的過電壓擊穿不同。同時,雙電層電容器與可充電電池相比,可進行不限流充電,且充電次數可達10^6次以上,因此雙電層電容不但具有電容的特性,同時也具有電池特性,是一種介于電池和電容之間的新型特殊元器件。

    2、全球超級電容器市場規模

    超級電容器是從上世紀七、八十年代發展起來的通過極化電解質來儲能的一種電化學元件。它不同于傳統的化學電源,是一種介于傳統電容器與電池之間、具有特殊性能的電源,主要依靠雙電層和氧化還原假電容電荷儲存電能。

    早在1879年,Helmholz發現了雙層電容性質,提出了雙電層的概念,但是雙電層用于能量的存儲僅僅是近幾十年的事。1957年Bcker首先提出了可以將較小的電容器用做儲能器件,其具有接近于電池的比能量。1968年標準石油公司Sohio首先提出了利用高比表面積碳材料制作雙層電容器的專利,并將該專利技術轉讓給NEC公司,NEC公司在1979年開始生產超級電容器用于電動汽車的啟動系統。幾乎同時,松下公司研究了以活性炭為電極材料,以有機溶液為電解質的超級電容器,此后超級電容器開始大規模的產業化,之后又推出了各種各樣的超級電容器。

    超級電容器作為產品已趨于成熟,其應用范圍也不斷拓展,在工業、消費電子、通訊、醫療器械、國防、軍事裝備、交通等領域得到越來越廣泛的應用。從小容量的特殊儲能到大規模的電力儲能,從單獨儲能到與蓄電池或燃料電池組成的混合儲能,超級電容器都展示出了獨特的優越性。美、歐、日、韓等發達國家和地區對超級電容器的應用進行了卓有成效的研究。

    超級電容器以其大容量、高功率、長壽命、成本低廉、環境友好等優越的性能,可以部分或全部替代傳統的化學電池,并且具有比傳統的化學電池更加廣泛的用途。超級電容的技術不斷發展,推動其應用范圍從最初的電子設備領域擴展到動力領域、儲能領域。
2015年全球超級電容器市場規模達到160億美元,預計未來五年的年復合增長率有望達到21.3%。

2008-2015年全球超級電容市場規模

 

3、中國超級電容器市場規模

    2014年國內超級電容器的市場規模在48.4 億元,同比2013年增加 56.1%, 2015 年,國內超級電容器市場達到66.5億元,

    2012~2015 年年均復合增速超過40%。 交通運輸用超級電容器將是支撐整個行業高速發展的最重要動力,到 2018 年將占到整個超級電容器一半以上的市場份額。近幾年我國超級電容器行業市場規模情況如下圖所示:

2009-2015年中國超級電容器市場規模

 

    4、中國超級電容器技術分析

    超級電容器是利用活性炭多孔電極和電解質組成的雙電層結構獲得超大的電容量的。與利用化學反應的蓄電池不同,超級電容器的充放電過程始終是物理過程,性能十分穩定,故而安全系數高、低溫性能好、壽命長且免維護。

    超級電容器的核心元件是電極,電極的制造工藝目前分為干電極與濕電極兩種技術。干電極技術是僅通過干混活性碳粉和粘合劑加工成電極。濕電極技術在制作電極的過程中,除了活性碳粉和粘合劑還需加入液態的溶劑。由于液態溶劑會影響超級電容器的工作性能,因此還需使用烘箱對其進行干化處理,將溶劑從電極中去除。這意味和干電極技術相比,濕電極技術工序更長,而且有額外的生產成本。另外,烘干處理很難將溶劑徹底去除。在超級電容器工作過程中,溶劑雜質會發生反應產生額外物質,影響電極和電解質的性能。而反應產生的氣體更會加速超級電容器的老化。因此,采用濕電極技術的超級電容器相對壽命較短,可靠性低,穩定性差。

    5、中國超級電容器應用領域

    (一)超級電容器在太陽能能源系統中的應用

    太陽能源的利用最終歸結為太陽能利用和太陽光利用兩個方面。太陽能發電分為光伏發電和光熱發電,其中光伏發電就是利用光伏電池將太陽能直接轉化為電能。光伏發電不論在轉化效率、設備成本和發展前景尚都遠遠強于光熱發電。自從實用型多晶硅的光伏電池問世以來,世界上就便開始了太陽能光伏發電的應用。

    目前,太陽能光伏發電系統有三個發展方向:獨立運行、并網型和混合型光伏發電系統。在獨立運行系統中,儲能單元一般是必須有的,它能將由日照時發出的剩余電能儲存起來供日照不足或沒有日照時使用。目前,國際光伏能源產業的需求開始由邊遠農村和特殊應用向并網發電與建筑結合供電的方向發展,光伏發電已有補充能源向替代能源過渡。國內光伏能源系統仍主要是用在邊遠的無電地區和城市路燈、草坪燈、庭院燈、廣告牌等獨立光伏發電系統。通過蓄電池組構成的儲能系統,能夠熨平太陽光照強度波動導致的電能波動,還可以補償電網系統中的電壓驟降或突升,但是由于其充放電次數有限、大電流充放電時間較慢等因素,因此其使用壽命較短,成本較高。因此,在太陽能光伏發電系統中采用超級電容器組將使其并網發電更具有可行性。

    (二)超級電容器在風力發電系統應用分析

    風力發電作為當前發展最快的可再生能源發電技術,具有廣闊的應用前景。但是,風能是一種隨機變化的能源,風速變化會導致風電機組輸出功率的波動,對電網的電能質量會產生影響。

    目前,風電有功功率波動多采用直接調節風力渦輪機運行狀態的方法來平緩其輸出功率,但是該方法的功率調節能力有限;無功功率波動通常采用并聯靜止無功補償裝置進行無功調節,但無功補償裝置無法平抑有功功率波動。通過附加儲能設備,既可以調節無功功率、穩定風電場母線電壓,又能在較寬范圍內調節有功功率。而風力發電研究表明位于0.01Hz-1Hz 的波動功率對電網電能質量的影響最大,平抑該頻段的風電波動對電網電能質量的影響最大,平抑該頻段風電波動采用較短時間的能量儲存就可以達到目的,因此能夠實現短時能量存儲的小容量儲能設備對風力發電的應用價值很高。超級電容器因其具有數萬次以上的充放電循環壽命、大電流充放電特性,能夠適應風能的大電流波動,它能在白天陽光充足或風力強勁的條件下吸收能量,在夜晚或風力較弱時放電,從而能夠熨平風電的波動,實現更有效的并網。

    (三)超級電容在軍用設備領域的應用

    在移動通信基站、衛星通信系統、無線電通信系統中,都需要有較大的脈沖放電功率,而超級電容器所具有的高功率輸出特性,可以滿足這些系統對功率的要求。

    另外,激光武器也需要大功率脈沖電源,若為移動式的,就必須有大功率的發電機組或大容量的蓄電池,其重量和體積會使激光武器的機動性大大降低。超級電容器可以高功率輸出并可在很短時間內充足電,是用于激光武器的最佳電源。另外,超級電容器還可以用于戰術性武器(電磁炸彈)中,作為炸彈發電機(FCC)的核心部件。

    (四)在城市軌道交通中應用研究分析

    與道路、航空等交通方式相比,軌道交通運輸具有運量大、定時、安全、環保、節能等顯著優點。在全球倡導保護環境、防止地球溫暖化的今天,軌道交通的環保、節能的優點已越來越受到人們的重視,今后應大力發展軌道公共交通已成為世界各國的共識。 
20 世紀80 年代開始,隨著電力電子技術的飛速發展,交流牽引傳動技術開始在軌道交通車輛上得到應用,并迅速得到普及。軌道交通車輛采用交流傳動技術后,再生制動成為列車常用制動時的主要制動方式,由于再生制動能量可供相同供電區間內的其他力行狀態的列車利用,這就進一步降低了列車的運行能耗,使軌道交通在節能運行方面的優勢越發突出。然而,再生制動的前提是線路上必須有足夠的負載來吸收再生能量,否則就容易造成再生制動的列車受電弓電壓升高超過允許值,引發主電路斷開,導致再生制動失效的現象發生。近年,隨著2 次電池、飛輪、超級電容( EDLC)、超導等儲能技術的發展,如何利用儲能技術來解決列車制動失效、改善列車受電弓電壓、節約列車運行能量等問題得到世界軌道交通界的廣泛關注。

    目前國內外常采用在地面牽引變電所內設置再生制動能量吸收裝置解決該問題,其中電阻耗能型吸收裝置應用較為普遍,該裝置僅將制動能量消耗,未將能量加以利用,且只解決了網壓升高問題卻沒有考慮網壓下降的問題。若采用儲能裝置將制動能量儲存起來,并在列車起動取流時將所儲存能量釋放至電網,減少直流電網電流,則網壓波動問題將迎刃而解。

    儲能裝置的儲能方式有多種,如飛輪儲能、蓄電池儲能及超級電容器儲能等。通過各種儲能方式的比較,提出車載超級電容儲能裝置來解決以上問題。考慮到列車制動能量較大,而超級電容組的吸收能力有限,因此為保證網壓穩定,采用以電容吸收為主,電阻消耗為輔的吸收方案。該儲能裝置若能成功應用到城市軌道交通中,在合理解決網壓波動問題的基礎上,必能創造出巨大的經濟效益,因此對城市軌道交通儲能裝置的研究具有十分重要的現實意義。

    (五)超級電容在運動控制領域的應用

    在現代高層建筑中,電梯的耗能僅次于空調。以往的電梯采用機械制動的方法,將這部分能量以熱的形式散發掉,這不但浪費,而且多余熱量使機房溫度升高,增加散熱的負擔和成本。如果能夠回收多余的動能及勢能,電梯系統真正消耗的能量就只限于電能轉換中的損耗和機械損耗,其中主要包括變頻器、牽引電機及其機械損耗。

    因此,在電梯設計、配置中最迫切需要解決的問題是要全面考慮節能措施。采用節能環保型電梯是未來節能建筑領域的必然趨勢。通過分析電梯系統的運動特性,我們可以發現節能的方向:電梯在升降過程結束時,經常會有制動剎車,產生巨大的制動電流,這是可以回收的;另外,在建筑高層,電梯和電梯使用者都具有很大的勢能,也可以進行回收。由于超級電容器具有大電流充放電等優良的特性,可在電梯系統中作為能量回收裝置回收能量。

    超級電容器還可以應用于建筑領域的通風、空調、給排水系統中,作為啟動裝置。另外,超級電容器還可以應用于電站、變流以及鐵路系統中,包括電磁閥門控制系統、配電屏分合閘、鐵路的岔道控制裝置等。

    作為能源最大消耗者之一的港口機械設備,港口機械如場橋、岸橋中的吊具載運貨物上升時需要很大的能量,而下降時自動產生的勢能很大,這部分勢能在傳統機械設備中沒有得到合理利用。除了在固定港口機械設備中,在流動機械中也同樣存在上述問題。通過采用超級電容器,能夠實現上升過程中的制動能量回收,下降過程中的勢能回收。

    超級電容器能用作飛機上柴油機啟動系統工作電源的輔助電源,能提供飛機發動機瞬間所需的沖擊大電流,另外還可以解決422 系列電源車啟動飛機瞬間功率不足的問題,從而在啟動瞬間對直流電源車發電系統尤其是內燃機具有很大的保護作用。

    6、超級電容器產業競爭格局

    近年來,由于看好這一領域廣闊的應用前景,中國一些公司也開始積極涉足這一產業,并已經具備了一定的技術實力和產業化能力。

    目前,國內廠商大多生產液體雙電層電容器,重要企業有錦州富辰公司、北京集星公司、上海奧威公司等十多家。錦州富辰公司是國內最大的超級電容器專業生產廠,主要生產紐扣型和卷繞型超級電容器。北京集星公司可生產卷繞型和大型電容器。

    除此之外,國內也有其他數家超級電容器供應商,如哈爾濱巨容新能源公司等等,這些公司均是近兩年成立,并在各自擅長的領域進行產品研發或產品市場推廣工作。同時,國內的江西、江蘇、河南、陜西和天津等省市也紛紛出臺相關政策,支持本省市企業積極進軍超級電容器這種新興的儲能元件市場,如中國電子元器件百強之一的江西信達電子公司也正在尋求合作伙伴,以期共同進行超級電容器的生產。


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