超级电容在电梯应急及节能中的应用

2013-06-17王小磊牛曙光

常熟理工学院学报 2013年2期

王小磊，牛曙光

（1.苏州大学机电工程学院，江苏苏州 215000；2.常熟理工学院机械工程学院，江苏常熟 215500）

当电梯运行时突然断电，在安全电路作用下电梯会停止工作，并停留在它断电时的位置.此时轿厢内的乘员不仅有空气稀少等安全威胁，还会引发紧张、焦急、恐慌等情绪.此时就算强行打开轿厢，也难以将轿厢内的人员救出来.安装了电梯应急平层装置的电梯即使在断电情况下依然能用备用电源将电梯自动运行到最近平层位置.目前应急平层装置多采用蓄电池，但蓄电池有超期失效、充电时间长、电压范围小等缺点，影响了应急平层装置的稳定性及可靠性.电梯的用电量在绝大多数高层建筑中仅次于空调用电量，利用电梯应急平层装置电源的超级电容器来回收电梯的再生能源，再用于电梯的正常工作中，以达到节能的目的.

1 超级电容器的供能与节能

1.1 超级电容器的优点

双电层型超级电容器不仅继承了普通蓄电池能量密度大和一般电容器功率密度大的优点，而且还有充放电效率高、温度适应范围广、充电速度快、寿命长、无污染、真正免维护等优势.表1为两者的性能比较，可看出超级电容的优势.

目前电梯断电应急平层系统的后备电源多用蓄电池，普通电梯应急平层装置中蓄电池的充电效率为几至十几小时回充95%的电量.当外部供电电网出现频繁跳闸的现象时，蓄电池的电容量将不能确保电梯应急到平层位置.而且增大蓄电池的电容量会增加应急平层装置的成本，不能从根本上解决充电时间的问题.同时普通蓄电池并不能做到完全的免维护，超期将失效，需要定期更换，以确保蓄电池电容量的充足.超级电容器的充电周期仅为几十秒，即使在频繁跳闸情况下也能快速回充电能，确保电梯能应急到平层位置.超级电容完全免维护及寿命长的特点提高了电梯应急平层装置的可靠性和降低成本.

表1 超级电容与蓄电池的性能比较

超级电容器两端的电压并不稳定，需要在两端与一个DC/DC变换器相连[1]，保证输出电压的稳定.目前超级电容器主要采用三种电压均衡方法，如图1所示[2].

图1 超级电容电压均衡电路

1.2 超级电容应急平层的储能分析

目前的超级电容单体电压都比较低，大约只有1 V～3 V，长时间在过压环境中工作会导致超级电容内部电解质分解，以致损坏或缩短其寿命[3].因此要将多个单体超级电容串联或并联构成超级电容储能组.假设单体超级电容的容量为Ca，则一个由m×n个单体超级电容构成的超级电容组的电容量为

其中，m代表超级电容串联个数，n代表超级电容并联个数.

超级电容充放电时，两端电压随着储存电量的变化而变化.储存电量变大即充电过程中，两端电压变大；储存电量变小即放电过程中，两端电压变小[4].假设一个单体超级电容在放电过程中电压由u1变为u2，则该超级电容放电过程中释放的能量为

一个由m×n个这样的单体超级电容构成的超级电容组在此过程中释放的能量为

电梯紧急平层时所需曳引机的功率为

其中Mmax为电梯最大载重，单位kg；g为重力加速度；α为电梯平衡系数（见式7）；C3为电梯额定载重量，单位N；v为电梯紧急平层时的运行速度；η为电梯的机械效率.

此时控制电路及照明警报等系统均需用电，总功率记为Ps，则

其中Ui、Ii分别为各电路或系统工作时所需的额定电压和额定电流.

为了确保电梯在应急平层时超级电容组储存的电量充足，必须保证超级电容组工作时释放的有效电能大于电梯整体系统工作所消耗的电能，即

其中S为工作安全系数；t为电梯应急平层工作时间；ξ为超级电容组释放电能的有效率，即因此在满足式（6的前提下，可以确定超级电容组所需单体超级电容的个数，即m×n.

1.3 再生能源的回收与利用

大多数电梯采用的对重重量为

其中：G1为对重的重量；G2为轿厢的重量；G3为轿厢额定载重量；α为电梯平衡系数.假设乘客的重量为G4，当G1>G2+G4且轿厢向上运动时，轿厢与对重整体是势能的释放过程；当G1

一般处理电梯再生能量的方式有两种，一是回馈电网，二是利用储能技术储存起来.目前大多数电梯采用回馈电网技术，但采用传统的半控型晶闸管控制模式会带来谐波干扰，采用事件管理器来控制波形又会增加电梯的整体运营成本.故用电量一般采用电表记数，回馈电量再利用时仍被认为是一次电能，作为电梯所有者并不想投资更多的成本却没有丝毫的收益[5].采用超级电容组回收利用电梯运行时的再生能源，不仅能有效避免电能反馈时的谐波干扰问题，而且整个回收再利用的过程都在电梯装置的内部进行，安全节能.