摘要：针对当前轨道交通面临的节能重大课题,阐述超级电容的工作原理、技术特点、工作模式及其在国外的应用情况;从技术和经济方面分析,探讨依靠国内力量开展城市轨道交通超级电容应用研究的前景。

关键词：城市轨道交通 超级电容 能量存储模式 电压稳定模式

近年来,为了充分利用城市轨道交通车辆(特别是轻轨和有轨电车)的制动能量,提出了多种能量管理设备,如飞轮、逆变器、超级电容等。下面就超级电容在城市轨道交通中的应用,进行初步分析和探讨。

1 应用背景

随着城市人口的膨胀,城市轨道交通显得越来越重要。我们在建设城市轨道交通时,必须考虑经济与环境的和谐发展。从经济角度看,城市轨道交通系统的能耗最引人关注,能耗费用占了运营费用的相当大的部分。怎样有效利用能源、减少能耗,是摆在我们面前的一个重要课题。调查显示,在城市轨道车辆的能耗中,牵引能耗占了90%,车辆辅助设备能耗占10%。如果采取适当的措施,如合理安排车辆运行、使用超级电容等能量管理设备,电能消耗量的40%就可以在车辆制动时反馈回供电系统,以供给正在加速的车辆使用,如图1所示。

此外,由于列车启动和制动会引起电压的波动,若采用合适的能量管理设备,就可以减小电网电压的波动,从而提高供电质量。

2 工作原理及技术特点

2.1 工作原理

超级电容器也属于双电层电容器,是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种,其基本原理和其他种类的双电层电容器一样,都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容量。在传统物理电容中,储存的电能来源于电荷在两块极板上的分离,极板之间为真空(相对介电常数为1)或被一层介电物质(相对介电常数为ε)隔离,电容值为

式中,A为极板面积,d为介质厚度;所储存的能量为E=1/2C(ΔV)2,其中C为电容值,ΔV为极板间的电压降。可见,若想获得较大的电容量,储存更多的能量,必须增大面积A或减少介质厚度d。