超级电容器在生活中的趣味应用
青岛莱西职业教育中心于志强
摘要：超级电容器是最近十几年才发展起来的新型电子元件，由于采用了新材料、
新工艺，使得它的性能指标比传统电容器有了质的飞跃，从而在社会生产和生活中有了非常好的应用前景，本文简要介绍了超级电容器的基本常识和在日常生活中的应用，以期引起人们对它的注意和重视，使它能更好的为用户服务。
关键词：超级电容器 法拉电容器 新材料 新产品 日常应用
1 引言
电容器的作用可能大家都有所了解，就是存储电荷（本质是存储能量），再稍微详细一点的说，就是在外部电压高时存储能量，等外部电压低了以后又释放能量，起到一个能量的峰谷调节作用。以前的电容器由于工艺和材料的限制，容量非常有限，一般是皮法（10-12F）或者微法（10-6F）级别，存储的电荷不多，放电电流小，放电时间短，所以作用也比较有限，大多只能用在弱电中，起到滤波，交流旁路等作用。
而就在十数年之前，由于材料学和制作工艺的发展，出现了容量超过1F的超级电容器（最大可以超过10000F），这样电容器的应用可以被大大的扩展了。可以实现很多非常有趣的应用。
2 超级电容器简介
2.1 超级电容器原理
超级电容器（supercapacitor,ultracapacitor），又叫双电层电容器(Electrical Doule-Layer Capacitor)、电化学电容器(Electrochemcial Capacitor, EC),黄金电容、法拉电容，通过极化电解质来储能。超级电容器是建立在德国物理学家亥姆霍兹提出的界面双电层理论基础上的一种全新的电容器。当外加电压加到超级电容器的两个极板上时，与普通电容器一样，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用 1
下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，两个电层间距非常近，因此电容量非常大。当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态（通常为3V以下），如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解，为非正常状态。由于随着超级电容器放电，正、负极板上的电荷被外电路泄放，电解液的界面上的电荷相应减少。由此可以看出：超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应。因此性能是稳定的，与利用化学反应的蓄电池是不同的。它具有功率密度大、容量大、使用寿命长、免维护、经济环保等优点。
2.2 优缺点
优点：在很小的体积下达到法拉级的电容量；无须特别的充电电路和控制放电电路；和电池相比过充、过放都不对其寿命构成负面影响；从环保的角度考虑，它是一种绿色能源；超级电容器可焊接，因而不存在像电池接触不牢固等问题。
缺点：如果使用不当会造成电解质泄漏等现象；和铝电解电容器相比，它内阻较大，因而不可以用于交流电路。
2.3 超级电容器用途
超级电容器作为大功率物理二次电源，在国民经济各领域用途十分广泛。在特定的条件下可以部分或全部替代蓄电池，应用在某些机电（电脉冲）设备上，可使其产生革命性进步。
A.配合蓄电池应用于各种内燃发动机的电启动系统，如：汽车、坦克、铁路内燃机车等，能有效保护蓄电池，延长其寿命，减小其配备容量，特别是在低温和蓄电池亏电的情况下，确保可靠启动。
B.用作高压开关设备的直流操作电源，铁路驼峰场道岔机后备电源，可使电源屏结构变得非常简单，成本降低，储能电源真正免维护。
C.用于重要用户的不间断供电系统。
D.应用于电脉冲技术设备，如：电弧螺栓焊机、点焊机、轨道电路光焊机、充磁机、X光机等。
E.用作电动车辆起步，加速及制动能量的回收，提高加速度，有效保护蓄电
池，延长蓄电池使用寿命，节能。
F.代替蓄电池用于短距离移动工具（车辆），其优势是充电时间非常短。G.用于风力及太阳能发电系统。
2.4 最新动态
2007年1月16日，美国得克萨斯州一家研制电动汽车储能装置，名为EEStor的公司对外宣告了其超级电容器产品的关键物质钡钛酸盐粉末已经完成了最初的纯化，纯度达到了99.9994%。由于钡钛酸盐有足够的纯度，存储能量的能力大大提高。EEStor公司负责人声称，该超级电容器每公斤所存储的能量可达0.28千瓦时，相比之下，每公斤锂电池是0.12千瓦时，铅酸电池只有0.032千瓦时，这就让超级电容器有了可用在从电动车、起搏器到现代化武器等多种领域的可能。
这一发明的意义相当重大，该突破不仅从根本上改变了电动车在交通运输中的位置，也将改进诸如风能、太阳能等间歇性能源的利用性能，增进了电网的效率和稳定性，满足人们能源安全的需求，减少对石油的依赖。显然，该突破也对下一代锂电池的研制者造成威胁。EEStor公司负责人暗示，他们的技术不仅适用于小型旅客电动车，还可能取代220-500瓦的大型汽车。
3 日常生活中的应用
3.1、充电手电筒
美国加利福尼亚公司5.11 Tactical推出了一款创新产品——“Light For Life”UC3.400手电筒。不同于需要变换电池的普通手电筒，这款新产品可以在极短时间内充满电。UC3.400使用了超级电容器技术，每次充满电仅需90秒，能连续使用90分钟，手电筒的充电次数高达5万次以上。军事和救援单位可受益于此项技术，确保始终有光源。
3.2 电动玩具
在电子玩具中，常要求瞬时大电流，而电池无法提供，将超级电容器与电池组合可以解决问题，超级电容器也可以作为电源对电子玩具供电，可以降低使用成本、减轻质量。
最典型的就是可以飞的玩具级电动飞机，电动玩具飞机之所以不能飞起来的主要原因是就现在的材料水平而言，玩具飞机如果不计电源和电动机的质量将是
极其轻的，电动机也可以做得很轻，最重的便是电池。如果让飞机飞起来，电池能提供的功率与电动机牵引飞机飞起来的功率相差很多。专业航模的飞机可以不计成本，并且采用高倍率放电的充电电池，个头也相对很大，远远超出玩具的概念，如果采用质量远低于电池甚至远低于电动机的超级电容器就可以很好地解决电源质量与电源功率的矛盾。一只4.7F超级电容器不到10克，而两节6号电池将重达近50克，三节镍氢电池则更重300克。
3.3 应急照明灯储能系统
为了确保应急照明灯具有节电、高亮度、长寿命和不间断性，采用由直流电源供电的半导体照明灯LED。采用LED灯后，节约了大量的电能，维修费用，同时也确保了照明质量。采用超级电容器作为储能元件，确保了应急照明灯的超长寿命和免维护、可靠性强等特性。
3.4 太阳能、风能蓄电装置
随着社会经济的快速发展，资源和能源日渐短缺，生态环境日益恶化，人类将更加依赖于太阳能、风能或者燃料电池等清洁和可再生的新能源。但是，这些能量来源本身的特性决定了这些发电的方式和电能输出往往具有不稳定性，而超级电容器不仅能起到功率调节作用，而且还可作为太阳能电池和风力发电的储能系统，白天储存太阳能电池和风力发电产生的电能，夜间提供照明等所需的能量。
3.5 公交车
电容公交车智能运行系统采用了高科技成果---超级电容器作动力电源；采用了先进的交流变频调速牵引技术和车辆制动时的动能再利用技术；采用了智能化车辆动力管理系统、车辆运行动态信息系统等现代化手段，是零污染、节能高效环保的新型公共交通系统。
在开启空调的情况下，电容公交车每公里带空调耗能仅为1.4度电,能耗费用仅为燃油汽车的33%，在刹车制动时能量回收率达到40%。电容电车充电速度快，中途充电时间为30秒钟，终点站的充电时间约90秒钟。按照上海公交的客运模式，一次充电可运行3～8公里,最高速度达到每小时44公里，车辆行驶平稳、舒适。新型快速充电景观候车站，与有轨、无轨电车相比，没有地面轨道和空中触线网，有利于“净化”城市空间，车辆机动灵活性好，可以根据街道、场馆等风貌，进行匹配的景观设计，并融入人性化理念，成为都市一道靓丽的风景线。
4 结语
超级电容器作为最近几年出现的新型元器件，发展势头极为迅猛，开始为越来越多的领域所使用，并取得了极好的应用效果。随着材料和工艺技术的进一步成型实用化，超级电容器的使用甚至会远远超出我们的想象。作为电子技术的爱好者，我们尤其应该密切关注其发展动态和趋势，并向广大用户热心推荐经济环保的超级电容产品，为低碳生活做出自己的贡献。
