超级电容在太阳能电池蓄电方面的实验研究

郭山河 田云霞 李 跃 李守春 刘 丽

（吉林大学物理学院，吉林 长春 130025）

超级电容在太阳能电池蓄电方面的实验研究

郭山河 田云霞 李 跃 李守春 刘 丽

（吉林大学物理学院，吉林 长春 130025）

超级电容作为推广绿色能源的重要环节，随着它的逐步开发、利用，将更多地走进人们的视野，其零污染、长寿命更是价值的体现.作为工科学生在“太阳能电池室外特性研究”实验环节中及早地了解认识它，对未来科技发展的趋势是大有益处的.

超级电容；太阳能电池；充电与放电

1 超级电容的原理

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，若两块平行极板之间为真空（相对介电常数为1）或一层绝缘材料（相对介电常数为ε），其电容值为：C＝εS/d.其中，S为极板面积，d为介质厚度，所储存的能量为：E＝C（ΔU）2/2（C为电容值，ΔU 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S以及减少介质厚度d.但S与d的变化空间有限，就限制了电容储存电能的能力.超级电容采用活性炭材料制作成多孔电极，同时在相对的碳多孔电极之间充填电解质溶液，当在两端施加电压时，相对的多孔电极上分别聚集正负电荷，而电解质溶液中相互束缚的正负离子将由于电场作用分别聚集到与正负极板相对的界面上，从而形成两个电荷层.由于活性碳材料具有≥1200m2/g的超高比表面积（即获得了极大的电极面积S），而相互束缚的正负离子间距不到1nm（即获得了极小的介质厚度d），根据前面的计算公式可以看出，这种双电层电容器比传统电容的容值要大很多，其容量可以提高100倍以上.由于所加电压小于电解液的电离电位，当电压消除后电解液恢复常态.即充电过程只有物理变化而无化学变化，这是超级电容长寿命的原因.而超级电容充电电压不要超出其额定电压，是保证其长寿命的前提.为区别一般电容，常把利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构的电容称为超级电容.

将新技术、新材料及时引入教学，以加强理论知识与社会需求、科技发展的衔接，使我们培养的人才去尽量适应社会发展需求，是我们将超级电容引入物理实验的初衷.

2 超级电容与太阳能电池板的匹配选择

根据厂家对电容安全性使用建议，额定电压应以充电电压的1.5倍为宜.其原因有考虑充电电压的波动以及电容参数不同引起的充电不均匀等因素.本实验所用太阳能电池板的参数是：开路电压10.8V、短路电流400mA、最大功率3W.超级电容采用锦州凯美能源厂家生产的4个2.7V额定电压、容量400F的单体电容串联而成的电容器模组（其额定电压为10.8V）.

由于电容内阻的差异，在充放电时各电容电压升降的程度不同.如果简单地串联使用会造成个别电容电压超出额定电压的情况.以本组实验为例：4个2.7V电容串联使用，充电前残留电压为0.4V，但只存在于第四只电容两端.在用10V电池板充电时因串联电路电流相等，每只电容电压的增加量ΔU均为最大充电电压9.6V的1/4，即2.4V.因第四只电容已有残留电压为0.4V，则充电后它的实际电压为2.8V，因超出额定电压值，有可能对其造成损害.所以串联使用时电容均需要并联一均衡电路（其功能类似于稳压管，该电路由厂家提供）来组成电容器模组.我们没有让电容模组的额定电压是充电电压的1.5倍，仅使两者相等，是出于如下原因：（1）对电池板来说路端电压恒小于开路电压，开路电压是硅光电池输出的极限.（2）只要充电前进行充分放电，就可以消除残留电压的影响.额定电压与充电电源的最大电压相等时，对电容模组来说依然有10%以上的安全空间.（3）在不影响实验效果的前提下降低了模组购置实验成本50%（购置一套模组的成本约200元），减小了实验装置的体积，试验证明匹配效果良好.

3 充放电实验研究

为使学生对超级电容快速充电能有一个量化的认识，对电容容量与充电电源功率的合理搭配有初步的认知，采用了两组对比性实验进行.两个4×2.7V额定电压、容量400F的电容器模组，一个由一块电池板（10.8V/3W）充电；另一个由3块相同电池板并联后（3×10.8V/3W）充电.在一天之内重复做了4次实验，数据稳定，效果良好.其平均数据见表1.

表 1

由此可以看出：

（1）在充电初期，由电容的定义可知电容两端电压与流经电容电流的时间积分成正比，随后变化减缓，最后趋于定值.在充电电压一定时，充电功率与充电时间成反比，这也是超级电容快速充电的原理.

（2）由于电池板内阻、电容模组的等效内阻存在，使得充电状态下最大路端电压只是开路电压的85%左右，因此从教学实际需要上，电容模组的额定电压也取4个电容组成的10.8V模组（而不是6个电容组成的16.2V模组）即可.

该内容可由每小组由4名学生（配4块电池板，2个电容模组）分成2组完成上述表中的对比测试内容.实验前，先测量电容模组两端电压，在小于3V时可直接短路放电，若较高，则间断短路放电数次后再连续短路（避免瞬间电流过大造成的热损坏）时间为5分钟以上.实验时电池板对准日照方向，按正负极要求接线，将电压表并在电容模组两端观察电压变化，待电压基本不变时（达到9V即可）可视为充电完毕.

尽管我们在电容两端已并有均衡电路，可保证消除残留电压的影响，但在教学环节上让学生经历放电这一步骤，对学生今后的正确使用是大有帮助的.

4 超级电容的输出特性

根据电容的定义可知，电容两端的电压与电容储存的电量成正比，则随着放电过程，电容两端电压将持续降低.将电容模组作为电源使用时，是以降压输出的形式供电，这是与蓄电池恒压输出供电的不同之处.一般需要相应的稳压电路，保障负载在最大电压VMAX至负载额定电压V额定之间稳定工作.用带10V恒流源驱动电路的LED做演示负载，可正常发光20分钟以上.将电压表加在负载两端，即可观察到降压输出这一特征.根据电容充电前要考虑残留电压的影响的因素，LED还可用来作为放电负载可不用断开，以持续降低残留电压，直至下次实验前.

5 超级电容器使用注意事项

（1）超级电容器具有固定的极性.在使用前，应确认极性.

（2）超级电容器应在标称电压下使用，当电容器电压超过标称电压时，将会导致电解液分解，同时电容器会发热和容量下降，而且内阻增加，寿命缩短，在某些情况下会导致电容器性能崩溃.

（3）超级电容器不可应用于高频率充放电的电路中，高频率的快速充放电会导致电容器内部发热，容量衰减及内阻增加，在某些情况下会导致电容器性能崩溃.

（4）安装超级电容器后，不可强行倾斜或扭动电容器，这样会导致电容器引线松动，导致性能劣化.

6 总结

由于太阳能电池输出的即时性，需要增加能量存储这一环节来完善.因此该内容可作为太阳能电池板室外特性研究实验的一部分，经过学生室外实验的教学环节检验效果良好，在实验学时内（不超过2学时）可以完成相应内容.当然超级电容的应用决不仅限于太阳能的存储，作为一个应用性很广的知识点，我们希望通过本实验的初步尝试，除了使学生对超级电容在蓄电方面的基本特性有一了解之外，还将对学生学习后续知识，特别是科技创新小发明、专业实验中产生积极的影响.

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）