第三节 电磁场储能
一、超导线圈储能（磁场储能）
超导线圈储能（SMES）就是把电能转化为磁能储存在超导线圈的磁场中。由于超导状态下线圈没有电阻，所以能量损耗非常小，效率也高，对环境无污染。它通过快速、高效的换流器与电力系统连接。同时，它的电流密度远高于常规线圈，可以做到很高的储能密度。另外，其响应速度很快，适合于在瞬变状态下使用。它的缺点是需要深冷设备。由于目前超导状态要在线圈处于极低温度下才能实现，维持线圈处于超导状态所需要的低温需耗费大量能源，而且维持装置过大，不易小型化，所以家用市场前景并不广阔。
高储能密度的SMES系统
中国目前已研制成功多台高储能密度的SMES系统，系统储能量达到2兆焦，储能密度达到1.65兆焦每立方米，形成了高功率脉冲电源系统。
超导储能线圈
SMES长期以来一直被视为一种优秀的大型工艺，因为它可提供瞬间放电和理论上无限的充电周期。然而，时至今日，SMES设备的材料成本仍然过高，只有很少的应用。
二、超级电容器储能（电场储能）
超级电容器就是具有超大电容的电容器，它是靠极化电解液来储存电能的新型电化学装置。它是近十几年随着材料科学的突破而出现的新型功率型储能元件。美国《探索》杂志认为超级电容器是能量储存领域的一种革命性产品，并将在某些领域取代传统蓄电池。
（一）超级电容器储能原理
电容器储能就是利用电容器储存电荷的能力来储存电能。过去由于电容器的电容太小，电容储能只能在弱电方面或高压脉冲技术方面得到应用。随着超级电容器的出现，电容储能开始向能源等领域进军。
车用电容器
超级电容器的电介质具有极高的介电常量，因此电容值比一般电容器大了几个数量级。电容器储能同样具有快速充放电能的优点，甚至比超导线圈储能更快，且不需要复杂的深冷设备。但超级电容器的电介质耐压很低，一般仅有几伏耐压。如果能把耐压提高，则储能将大幅增长，这正是目前超级电容器的研究方向。另外，由于它的工作电压低，所以在实际使用中必须将多个电容器串联使用。这就要求增加充放电的控制回路，使每个电容器能工作在最佳条件下，这也是需要研究的问题之一。尽管如此，超级电容器储能将在交通和能源领域中得到广泛的应用，目前国内也已有产品供应。
（二）超级电容器的优点
（1）充电速度快，充电10秒至10分钟可达到其额定容量的95%以上。
（2）循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达1万至50万次，没有“记忆效应”。
（3）大电流放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率≥90%。
（4）功率密度高，相当于普通电池的5～10倍。
（5）产品原材料构成，以及生产、使用、储存和拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源。
（6）充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，安全系数高，长期使用免维护。
（7）超低温特性好，温度范围宽。
（8）检测方便，剩余电量可直接读出。
（三）超级电容器的缺点
使用不当会造成超级电容器电解质泄漏等现象。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。
（四）超级电容器与电池的比较
超级电容器不同于电池，在某些应用领域，它可能优于电池。有时将两者结合起来，将电容器的功率特性和电池的高能量存储结合起来，不失为一种更好的途径。
多个电容器串联使用
超级电容器在其额定电压范围内可以被充电至任意电位，且可以完全放出。而电池则受自身化学反应限制，工作在较窄的电压范围，如果过度放电可能造成永久性破坏。
超级电容器可以反复传输能量脉冲，无任何不利影响；而如果电池反复传输高功率脉冲，其寿命将大打折扣。
超级电容器可以快速充电，而电池快速充电则会受到损害。
超级电容器可以反复循环数十万次，而电池寿命仅几百个循环。
超级电容器功率密度大，是锂离子电池的数十倍以上，适合大电流放电。
（五）超级电容器在国内外的发展现状
超级电容器的发展始于20世纪60年代，起先被认为是一种低功率、低能量、长使用寿命的器件。但到了20世纪90年代，由于电动汽车的兴起，超级电容器才受到广泛的关注并开始迅速发展起来。现今，大功率的超级电容器被视作一种大功率物理二次电源，各发达国家都把对超级电容器的研究列为国家重点战略研究项目。目前，超级电容器在电力系统中的应用越来越受到关注，如基于双电层电容器储能的静止同步补偿器和动态电压补偿器等，国内外这方面的研究和应用开发正在如火如荼地进行。此外，超级电容器还活跃在电动汽车、消费类电子电源、军事等高峰值功率场合。
超级电容器
目前超级电容器的发展主要倾向于液体电解质双电层电容器和导电聚合物复合电极材料超级电容器。在超级电容器的产业化上，最早是日本在20世纪80年代的产品。这些电容器标称电压为2．3～6伏，电容从10－2法至几法，年产量数百万只。20世纪90年代，俄罗斯开始生产了电化学电容器，其标称电压为12～450伏，电容从1法至几百法，适合需要大功率启动动力的场合。如今，日本、美国、法国、澳大利亚、韩国等国的企业在超级电容器方面的研究均非常活跃。美国EEStor公司开发的超级电容器，由于钡钛酸盐有足够的纯度，存储能量的能力大大提高。该公司声称，其超级电容器每千克所存储的能量可达0．28千瓦时，相比之下，锂电池是0．12千瓦时，铅酸电池只有0．032千瓦时。总的来说，当前美国、日本、俄罗斯的产品几乎占据了整个超级电容器市场。而实现产业化的超级电容器基本上都是双电层电容器。
2005年，由中国科学院电工研究所承担的“可再生能源发电用超级电容器储能系统关键技术研究”项目通过专家验收。该项目完成了用于光伏发电系统的超级电容器储能系统的研究开发工作。另外，华北电力大学的有关课题组正在研究将超级电容器储能系统应用到分布式发电系统的配电网。但从整体来看，中国在超级电容器领域的研究与应用水平还明显落后于世界先进水平。
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
