郭山河 田云霞 李 躍 李守春 劉 麗

（吉林大學(xué)物理學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130025）

超級(jí)電容在太陽(yáng)能電池蓄電方面的實(shí)驗(yàn)研究

郭山河 田云霞 李 躍 李守春 劉 麗

（吉林大學(xué)物理學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130025）

超級(jí)電容作為推廣綠色能源的重要環(huán)節(jié)，隨著它的逐步開(kāi)發(fā)、利用，將更多地走進(jìn)人們的視野，其零污染、長(zhǎng)壽命更是價(jià)值的體現(xiàn).作為工科學(xué)生在“太陽(yáng)能電池室外特性研究”實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中及早地了解認(rèn)識(shí)它，對(duì)未來(lái)科技發(fā)展的趨勢(shì)是大有益處的.

超級(jí)電容；太陽(yáng)能電池；充電與放電

1 超級(jí)電容的原理

傳統(tǒng)物理電容中儲(chǔ)存的電能來(lái)源于電荷在兩塊極板上的分離，若兩塊平行極板之間為真空（相對(duì)介電常數(shù)為1）或一層絕緣材料（相對(duì)介電常數(shù)為ε），其電容值為：C＝εS/d.其中，S為極板面積，d為介質(zhì)厚度，所儲(chǔ)存的能量為：E＝C（ΔU）2/2（C為電容值，ΔU 為極板間的電壓降）.可見(jiàn)，若想獲得較大的電容量?jī)?chǔ)存更多的能量，必須增大面積S以及減少介質(zhì)厚度d.但S與d的變化空間有限，就限制了電容儲(chǔ)存電能的能力.超級(jí)電容采用活性炭材料制作成多孔電極，同時(shí)在相對(duì)的碳多孔電極之間充填電解質(zhì)溶液，當(dāng)在兩端施加電壓時(shí)，相對(duì)的多孔電極上分別聚集正負(fù)電荷，而電解質(zhì)溶液中相互束縛的正負(fù)離子將由于電場(chǎng)作用分別聚集到與正負(fù)極板相對(duì)的界面上，從而形成兩個(gè)電荷層.由于活性碳材料具有≥1200m2/g的超高比表面積（即獲得了極大的電極面積S），而相互束縛的正負(fù)離子間距不到1nm（即獲得了極小的介質(zhì)厚度d），根據(jù)前面的計(jì)算公式可以看出，這種雙電層電容器比傳統(tǒng)電容的容值要大很多，其容量可以提高100倍以上.由于所加電壓小于電解液的電離電位，當(dāng)電壓消除后電解液恢復(fù)常態(tài).即充電過(guò)程只有物理變化而無(wú)化學(xué)變化，這是超級(jí)電容長(zhǎng)壽命的原因.而超級(jí)電容充電電壓不要超出其額定電壓，是保證其長(zhǎng)壽命的前提.為區(qū)別一般電容，常把利用活性炭多孔電極和電解質(zhì)組成的雙電層結(jié)構(gòu)的電容稱為超級(jí)電容.

將新技術(shù)、新材料及時(shí)引入教學(xué)，以加強(qiáng)理論知識(shí)與社會(huì)需求、科技發(fā)展的銜接，使我們培養(yǎng)的人才去盡量適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需求，是我們將超級(jí)電容引入物理實(shí)驗(yàn)的初衷.

2 超級(jí)電容與太陽(yáng)能電池板的匹配選擇

根據(jù)廠家對(duì)電容安全性使用建議，額定電壓應(yīng)以充電電壓的1.5倍為宜.其原因有考慮充電電壓的波動(dòng)以及電容參數(shù)不同引起的充電不均勻等因素.本實(shí)驗(yàn)所用太陽(yáng)能電池板的參數(shù)是：開(kāi)路電壓10.8V、短路電流400mA、最大功率3W.超級(jí)電容采用錦州凱美能源廠家生產(chǎn)的4個(gè)2.7V額定電壓、容量400F的單體電容串聯(lián)而成的電容器模組（其額定電壓為10.8V）.

由于電容內(nèi)阻的差異，在充放電時(shí)各電容電壓升降的程度不同.如果簡(jiǎn)單地串聯(lián)使用會(huì)造成個(gè)別電容電壓超出額定電壓的情況.以本組實(shí)驗(yàn)為例：4個(gè)2.7V電容串聯(lián)使用，充電前殘留電壓為0.4V，但只存在于第四只電容兩端.在用10V電池板充電時(shí)因串聯(lián)電路電流相等，每只電容電壓的增加量ΔU均為最大充電電壓9.6V的1/4，即2.4V.因第四只電容已有殘留電壓為0.4V，則充電后它的實(shí)際電壓為2.8V，因超出額定電壓值，有可能對(duì)其造成損害.所以串聯(lián)使用時(shí)電容均需要并聯(lián)一均衡電路（其功能類(lèi)似于穩(wěn)壓管，該電路由廠家提供）來(lái)組成電容器模組.我們沒(méi)有讓電容模組的額定電壓是充電電壓的1.5倍，僅使兩者相等，是出于如下原因：（1）對(duì)電池板來(lái)說(shuō)路端電壓恒小于開(kāi)路電壓，開(kāi)路電壓是硅光電池輸出的極限.（2）只要充電前進(jìn)行充分放電，就可以消除殘留電壓的影響.額定電壓與充電電源的最大電壓相等時(shí)，對(duì)電容模組來(lái)說(shuō)依然有10%以上的安全空間.（3）在不影響實(shí)驗(yàn)效果的前提下降低了模組購(gòu)置實(shí)驗(yàn)成本50%（購(gòu)置一套模組的成本約200元），減小了實(shí)驗(yàn)裝置的體積，試驗(yàn)證明匹配效果良好.

3 充放電實(shí)驗(yàn)研究

為使學(xué)生對(duì)超級(jí)電容快速充電能有一個(gè)量化的認(rèn)識(shí)，對(duì)電容容量與充電電源功率的合理搭配有初步的認(rèn)知，采用了兩組對(duì)比性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行.兩個(gè)4×2.7V額定電壓、容量400F的電容器模組，一個(gè)由一塊電池板（10.8V/3W）充電；另一個(gè)由3塊相同電池板并聯(lián)后（3×10.8V/3W）充電.在一天之內(nèi)重復(fù)做了4次實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，效果良好.其平均數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.

表 1

由此可以看出：

（1）在充電初期，由電容的定義可知電容兩端電壓與流經(jīng)電容電流的時(shí)間積分成正比，隨后變化減緩，最后趨于定值.在充電電壓一定時(shí)，充電功率與充電時(shí)間成反比，這也是超級(jí)電容快速充電的原理.

（2）由于電池板內(nèi)阻、電容模組的等效內(nèi)阻存在，使得充電狀態(tài)下最大路端電壓只是開(kāi)路電壓的85%左右，因此從教學(xué)實(shí)際需要上，電容模組的額定電壓也取4個(gè)電容組成的10.8V模組（而不是6個(gè)電容組成的16.2V模組）即可.

該內(nèi)容可由每小組由4名學(xué)生（配4塊電池板，2個(gè)電容模組）分成2組完成上述表中的對(duì)比測(cè)試內(nèi)容.實(shí)驗(yàn)前，先測(cè)量電容模組兩端電壓，在小于3V時(shí)可直接短路放電，若較高，則間斷短路放電數(shù)次后再連續(xù)短路（避免瞬間電流過(guò)大造成的熱損壞）時(shí)間為5分鐘以上.實(shí)驗(yàn)時(shí)電池板對(duì)準(zhǔn)日照方向，按正負(fù)極要求接線，將電壓表并在電容模組兩端觀察電壓變化，待電壓基本不變時(shí)（達(dá)到9V即可）可視為充電完畢.

盡管我們?cè)陔娙輧啥艘巡⒂芯怆娐?，可保證消除殘留電壓的影響，但在教學(xué)環(huán)節(jié)上讓學(xué)生經(jīng)歷放電這一步驟，對(duì)學(xué)生今后的正確使用是大有幫助的.

4 超級(jí)電容的輸出特性

根據(jù)電容的定義可知，電容兩端的電壓與電容儲(chǔ)存的電量成正比，則隨著放電過(guò)程，電容兩端電壓將持續(xù)降低.將電容模組作為電源使用時(shí)，是以降壓輸出的形式供電，這是與蓄電池恒壓輸出供電的不同之處.一般需要相應(yīng)的穩(wěn)壓電路，保障負(fù)載在最大電壓VMAX至負(fù)載額定電壓V額定之間穩(wěn)定工作.用帶10V恒流源驅(qū)動(dòng)電路的LED做演示負(fù)載，可正常發(fā)光20分鐘以上.將電壓表加在負(fù)載兩端，即可觀察到降壓輸出這一特征.根據(jù)電容充電前要考慮殘留電壓的影響的因素，LED還可用來(lái)作為放電負(fù)載可不用斷開(kāi)，以持續(xù)降低殘留電壓，直至下次實(shí)驗(yàn)前.

5 超級(jí)電容器使用注意事項(xiàng)

（1）超級(jí)電容器具有固定的極性.在使用前，應(yīng)確認(rèn)極性.

（2）超級(jí)電容器應(yīng)在標(biāo)稱電壓下使用，當(dāng)電容器電壓超過(guò)標(biāo)稱電壓時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致電解液分解，同時(shí)電容器會(huì)發(fā)熱和容量下降，而且內(nèi)阻增加，壽命縮短，在某些情況下會(huì)導(dǎo)致電容器性能崩潰.

（3）超級(jí)電容器不可應(yīng)用于高頻率充放電的電路中，高頻率的快速充放電會(huì)導(dǎo)致電容器內(nèi)部發(fā)熱，容量衰減及內(nèi)阻增加，在某些情況下會(huì)導(dǎo)致電容器性能崩潰.

（4）安裝超級(jí)電容器后，不可強(qiáng)行傾斜或扭動(dòng)電容器，這樣會(huì)導(dǎo)致電容器引線松動(dòng)，導(dǎo)致性能劣化.

6 總結(jié)

由于太陽(yáng)能電池輸出的即時(shí)性，需要增加能量存儲(chǔ)這一環(huán)節(jié)來(lái)完善.因此該內(nèi)容可作為太陽(yáng)能電池板室外特性研究實(shí)驗(yàn)的一部分，經(jīng)過(guò)學(xué)生室外實(shí)驗(yàn)的教學(xué)環(huán)節(jié)檢驗(yàn)效果良好，在實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)內(nèi)（不超過(guò)2學(xué)時(shí)）可以完成相應(yīng)內(nèi)容.當(dāng)然超級(jí)電容的應(yīng)用決不僅限于太陽(yáng)能的存儲(chǔ)，作為一個(gè)應(yīng)用性很廣的知識(shí)點(diǎn)，我們希望通過(guò)本實(shí)驗(yàn)的初步嘗試，除了使學(xué)生對(duì)超級(jí)電容在蓄電方面的基本特性有一了解之外，還將對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)知識(shí)，特別是科技創(chuàng)新小發(fā)明、專業(yè)實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生積極的影響.

EXPERIMENTAL STUDY OF SUPER CAPACITOR IN THE SOLAR ENERGY STORAGE

Guo Shanhe Tian Yunxia Li Yue Li Shouchun Liu Li
（Institute of Physics，Jilin University，Changchun，Jilin 130025）

Super capacitor as an important step in promoting green energy，with its gradual development，utilization，has been concerned by most of people ，especially for its embodiment of zero pollution and long service life.It is beneficial to the future trend of technology development for the engineering student at “solar outdoor property study”understanding about it as soon as possible in the experiment.

super capacitor；solar cell；charge and discharge

2011－08－09）