當前，隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展，各種不同的軌道交通制式均紛紛出現(xiàn)，其中有軌電車更是成為中小城市骨干交通、大型城市現(xiàn)有軌道交通有效補充的一種城市軌道交通制式。但是，現(xiàn)代有軌電車在技術發(fā)展過程中依然存在著諸多的難題，其中接觸網(wǎng)問題是關鍵之一。傳統(tǒng)上，為給有軌電車供電，必須在有軌電車上空架設接觸網(wǎng)或鋪設第三軌，這種限制性條件其實很大程度上阻礙了有軌電車在城市的發(fā)展。為此，使用超級電容代替接觸網(wǎng)或第三軌，這不僅是實現(xiàn)城市上空視覺美感的重要途徑，也是減少有軌電車建設成本的必然要求。

 

　　何為超級電容？中國工程院院士、中國南車株機公司專家委員會主任劉友梅介紹，通俗地講就是第三代儲能裝置。第一代為機械式儲能，如飛輪、發(fā)條等；第二代為化學式儲能，如鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰電池等；而第三代就是以超級電容為代表的物理式儲能裝置。

 

　　在國內(nèi)超級電容有軌電車的生產(chǎn)研發(fā)上，以中國南車株洲電力機車有限公司為代表的中國企業(yè)無疑走在了行業(yè)前列。據(jù)了解，廣州、淮安、寧波等多個城市的現(xiàn)代有軌電車項目均已確定采用超級電容作為儲能裝置。
 

               

　　                               南車所生產(chǎn)的9500F超級電容器單體

 

 

　　超級電容器的發(fā)展始于上個世紀70年代，其為一種介于傳統(tǒng)電容器與電池間的新型儲能器件。相對于傳統(tǒng)電容器，超級電容器具備電容量大、功率密度高、充放電電流量大、充放電循環(huán)次數(shù)高、充放電效率高、免維修等優(yōu)點。

 

　　目前，由于超級電容器憑借自身眾多優(yōu)點而被廣泛應用于各行各業(yè)，例如充當記憶器、計時器、電腦等電子產(chǎn)品后備電源；內(nèi)燃機內(nèi)啟動電力；航空航天；太陽能電池輔助電源；電動玩具車主電源等領域。在軌道交通上，由于其需要在各種天氣條件下頻繁的進行大電量深度充放電，而這種高頻率的充放電對超級電容的壽命影響較大，因此，在很長的時間內(nèi)，超級電容應用在城市軌道交通上的案例并不普遍。

 

　　南車株機公司超級電容儲能技術專家阮殿波博士在接受本刊記者采訪說，要求超級電容器在各種不同天氣條件下頻繁進行大電流深度充放電，并保證其使用壽命，就必須使用基于雙電層原理的超級電容器，這種超級電容器其充放電完全基于電荷吸脫附的物理過程，可實現(xiàn)上百萬次的循環(huán)充放電壽命。雖然能量密度低于金屬氧化物超級電容器，但由于有軌電車運行線路固定，站與站之間有充電站，彌補了其在能量密度方面不足的缺陷。

 

　　阮殿波博士所說的雙電層超級電容器屬于一種新型元器件，其能量儲存主要是通過電解質(zhì)與電極間界面雙層得以實現(xiàn)。若電解液與電極間相互接觸，因分子間力、庫倫力及原子間力作用力的存在，其勢必會引起固液界面產(chǎn)生一個雙層電荷，該電荷具備符號相反及穩(wěn)定性強的特點。

 

　　雙電層電容器電極材料以多孔碳材料為主，例如碳氣凝膠，活性炭纖維、活性炭粉末等活性炭，碳納米管。通常情況下，雙電層電容器電極材料孔隙率影響著其容量大小，即電極材料比表面積隨著孔隙率的增高而變大，雙電層電容隨著孔隙率的增高而變大。需要強調(diào)的一點是，孔隙率的增高與電容器的變大間無規(guī)律性可言，但電極材料孔徑大小保持為2-50mm間，將有助于孔隙率的提高，從而實現(xiàn)材料有效比表面積的提高，并最終實現(xiàn)雙電層電容的提高。

 

 

　　2013年8月15日，沈陽現(xiàn)代有軌電車正式開通運營，業(yè)內(nèi)普遍認為，其在有軌電車的發(fā)展史上具有開創(chuàng)性的意義。該有軌電車網(wǎng)采用了"無承力索柔性牽引網(wǎng)+超級電容"的供電方式，是超級電容供電技術在我國軌道交通中的首次應用。

 

　　隨著沈陽有軌電車項目正式開通，超級電容有軌電車在業(yè)內(nèi)引起廣泛關注。其實，中國從上世紀90年代開始研制超級電容，近年來以中國南車為代表的企業(yè)在超級電容的結(jié)構設計、材料制備、器件加工、系統(tǒng)集成等領域取得了系列發(fā)明和創(chuàng)新，并擁有自主知識產(chǎn)權，突破了若干制約超級電容技術發(fā)展的關鍵瓶頸，打破了國外技術封鎖，使中國成為世界上少數(shù)具有大功率超級電容研發(fā)能力的國家。

 

　　阮殿波博士認為，超級電容有軌電車相對于其他類型的有軌電車具有很多的優(yōu)勢。首先是取消了接觸網(wǎng)或第三軌的供電線路，可在狹窄街道和文物古跡眾多的老城區(qū)實現(xiàn)無觸網(wǎng)運行，線路運行不受天氣條件影響，同時沒有架空線視覺污染和因此帶來的電磁兼容性問題。第二是能量回收率高，制動能量回收高達85%，可以節(jié)省牽引能量的30%，對城市軌道交通的更加節(jié)能環(huán)保具有重要的意義。第三是安全性高，超級電容充放電是物理吸附過程，沒有化學反應，不會起火燃燒爆炸。第四是充放電效率高達98%，充電速度僅為0.3秒~30秒，在乘客上下車過程中即可完成電能補充。能夠瞬間釋放數(shù)百至數(shù)千安培的電流，而不易產(chǎn)生發(fā)熱著火等現(xiàn)象，大電流放電、過充、過放甚至短路也不會對其壽命和安全性產(chǎn)生任何負面影響。第五是投資建設成本低，與地鐵相比，超級電容有軌電車每公里投資成本是其1/5~1/8。第六是維護要求低，基本實現(xiàn)免維護，工作溫度范圍廣能達到-40℃~+70℃之間，并可實現(xiàn)一年四季長期穩(wěn)定運行。

 

　　正是由于有了上述諸多的優(yōu)勢，越來越多的城市將目光投向了超級電容有軌電車。據(jù)阮殿波博士介紹，目前，國內(nèi)多個城市正與中國南車株機公司開展溝通與交流，開發(fā)運用以超級電容為主動力源的100%低地板有軌電車、城市公交車輛等綠色智能產(chǎn)品。

 

　　鑒于超級電容的應用價值，由中國南車株機公司牽頭，中國科學院青島生物能源與過程研究所、中國工程物理研究院化工材料研究所、南京理工大學等單位共同參與的"高比能、低成本的新型超級電容器關鍵技術研究"，作為高性能化學儲能電池及示范電站關鍵技術研究主題項目的子課題，參與了國家"863"計劃。

 

 

　　雖然超級電容技術對于有軌電車的發(fā)展有著十分重要的意義，但因為其能量密度低于電化學電池、介質(zhì)吸收效應明顯、自放電大大高于電化學電池、工作電壓低等一系列問題依然有待于科技的進一步發(fā)展。

 

　　據(jù)阮殿波博士介紹，目前，南車株機公司正在對超級電容器做更多的改進。如，如何繼續(xù)繼續(xù)提升單體的能量密度，減少單體重量；如何優(yōu)化單體生產(chǎn)工藝，保證產(chǎn)品一致性等。

 

　　另外，阮殿波博士認為，未來的超級電容應該向更大電容、更小體積、更安全等方面發(fā)展。首先是活性炭電極開發(fā)及新型炭電極進行研究方面。未來的超級電容需要開發(fā)出儲能密度更高，能快速深度充放電的復合電極材料。第二是電解液體系優(yōu)化方面。未來的超級電容器要設計開發(fā)出耐高電壓值的電解液體系。第三是大電流承流結(jié)構設計方面。未來的超級電容器要在保證連接結(jié)構穩(wěn)定可靠的前提下盡可能的降低接觸電阻。第四是安全結(jié)構設計方面。未來的超級電容器既要保證產(chǎn)品的安全性，又不會降低產(chǎn)品使用壽命。第五是超級電容管理系統(tǒng)設計方面。未來的超級電容器要開發(fā)出能夠在線實時監(jiān)測單體運行狀態(tài)并作出調(diào)整運行參數(shù)的電容管理系統(tǒng)，以此保證系統(tǒng)的可靠性與安全性。

 

 

　　其實，從超級電容技術發(fā)明以來，有關這一高科技技術就一直是科技界關注的重點。在超級電容的產(chǎn)業(yè)化方面，美國、日本、俄羅斯、瑞士、韓國、法國的一些公司憑借多年的研究開發(fā)和技術積累，技術上存在一定的優(yōu)勢。如美國的Maxwell公司，韓國的NessCap公司、LS公司等。

 

　　Maxwell公司在創(chuàng)新型高性價比儲能和輸電解決方案的開發(fā)和制造領域居全球領先地位，2012年，Maxwell公司每季度能生產(chǎn)100萬個單體超級電容器，在全球市場占據(jù)領先地位。

 

　　2014年3月，Maxwell公司首席執(zhí)行官JohnJ.Warwick在北京召開記者會，首次系統(tǒng)而全面地在中國向公眾介紹其超級電容技術。Warwick介紹到，Maxwell下一步計劃將超級電容與電池的特點結(jié)合起來，充分選取雙方的優(yōu)點，研發(fā)出新一代側(cè)重高能量密度的超級電容器。2014年4月份，Maxwell公司為ABB公司提供了用于費城城際輕軌升級換代的超級電容器產(chǎn)品，其所安裝的混合動力型高效ENVILINETM能量回收和存儲系統(tǒng)，能為新的城際輕軌節(jié)省大約30以上的能量。據(jù)了解，Maxwell的科技公司核心技術是干電極技術，其使用材料是復合炭材料，目前公司大部分專利技術都集中在電極上，包括研發(fā)、生產(chǎn)、制造。

 

　　韓國Nesscap公司成立于1999年，目前，韓國Nesscap公司能生產(chǎn)的最大單體容量為6200F（法拉，超級電容器能量單位）的方形超級電容器。

 

　　據(jù)阮殿波博士介紹，南車和這些國際公司相比，擁有核心的的電極技術和儲能系統(tǒng)開發(fā)設計能力。目前中國南車株機公司已開發(fā)出擁有自主知識產(chǎn)權，全球單體容量最大的9500F方形有機體系超級電容器，無論是從技術上還是從性能上，都是世界領先的。

 

　　未來，更多的新型材料將被用在超級電容的電極活性材料上。最近，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所趙志剛課題組開發(fā)出一種智能超級電容器電極，不需要復雜的電路設計，即可獲得與人互動的能力。據(jù)了解，這種智能超級電容器以氧化鎢納米線和聚苯胺為電極活性材料，通過圖案化制備加工而成，氧化鎢組成圖案SINANO，聚苯胺組成背景。這種電極具有豐富的顏色變化，且電容性能優(yōu)異，可以通過其圖案和背景顏色的交互變化來展示其能量存儲狀態(tài)--當一種組分著色時，另一種組分即為透明色。隨著能量儲存和釋放過程進行，圖案和背景顏色發(fā)生相應的交互變化。據(jù)介紹，這些研究結(jié)合了普通超級電容器能量儲存的功能和電致變色的可視變化，賦予了超級電容器智能化新特性。

 

　　在美國，俄勒岡州立大學的科學家們宣稱，纖維素在加熱爐中氨氛圍下加熱，可以成為超級電容器的構建材料。該研究發(fā)現(xiàn)的新方法可以低成本、快速、環(huán)保地制備含氮的納米多孔碳膜。這種納米多孔碳膜可作為超級電容器的理想電極材料，其副產(chǎn)品是甲烷，可以用作燃料或有其他用途。             本刊記者吳獻龍