超级电容在电梯节能中的应用

邵永青

（宁波市特种设备检验研究院，浙江 宁波 315000）

一、前言

电梯为我们生活带来巨大便利的同时，也带来了相当大的负面影响，其中最重要的就是能耗问题。在现代高层建筑中电梯已经成为仅次于空调的第二能耗大户，2010年年末，全国每年电梯耗电总量将达到430亿千瓦时以上，耗电量十分巨大。而且电梯的能耗无法回收会造成大量热量的流失，增加机房的温度，给散热带来很大的麻烦，为了散热，还需要装空调等散热设备，这会导致能量的二次浪费。因此，如何将电梯运行中的能量进行回收、节约能源已经不仅仅是设计师们需要关注的话题，也是全社会急需关心和了解的。有人估算过，如果每年可节约近80亿度电，按每度0.5元价格计算，每年可节约近40亿元，节能效益十分可观。对电梯制动能量的回收利用需要进行能量存储，现有的储能装置由于各种缺陷一直难以满足要求，这时一种新型的储能装置—超级电容，开始进入我们视野。

二、超级电容的涵义与特点

超级电容器，也叫功率电容器、双电层电容器，具有许多蓄电池所不具备的优点，是近年来发展起来的一种新型储能装置，正在逐步进入到社会各个领域。具有能量密度高、功率密度高、无污染、循环使用寿命长、工作温度范围宽等特点，在重用电源、电动汽车等领域己经得到了较为广泛的应用。

表1 传统电容器、超级电容器和传统蓄电池的性能参数表

从表1可以看出，超级电容器兼具蓄电池能量密度大和普通电容器功率密度高的优点，具体而言：（1）循环使用寿命长，超级电容器深度充放电时的充放电循环次数可达50万次以上，比其他储能装置寿命长很多。（2）功率密度高。超级电容器具有很高的功率密度，约为铅酸蓄电池的二十多倍。特别适用于各种需要大功率放电的场合。（3）充放电速率快。由于超级电容器内阻不大，因此充放电速度快、时间短，有时可以在数十秒时间甚至更短时间内就完成整个充放电过程。（4）高低温性能佳。与其他储能装置相比，超级电容器在工作运行过程中，并不像充电蓄电池那样产生激烈的化学反应，继而对环境温度的要求甚高。相反超级电容具有良好的高低温性能，即便在-40℃—+70℃温度的范围内工作，也不会出现性能降低等现象。（5）环保。超级电容器所用材料环保、无毒，主要是碳元素，不像其他储能装置使用铅等重金属，因此无论是对人体还是环境都不会造成伤害。

三、超级电容在电梯节能中的具体应用

1、超级电容应用于电梯节能装置的工作原理

图1 基于超级电容的电梯节能装置的方案图

如图1所示，超级电容的电梯节能技术的原理是当电梯电机释放再生能量时，将电梯电机再生能量存储到超级电容，实现对超级电容充电，达到节省电能的目的。当超级电容充满的时候，停止对超级电容充电，这种技术不引起电网的谐波干扰，保护电梯元件，提高了电梯电机的可靠性。

2、超级电容放电时间的确定

电梯系统在运行起始阶段，超级电容切换外部交流电网为电梯系统运行供电，电梯运行上升从起始阶段到达到匀速状态之前，超级电容处于放电状态。在超级电容的放电时间选择上，可以通过分析电梯运行过程速度变化的时间来得到。表2为某建筑电梯运行实际测试数据:根据表中的实测数据，通过计算可以得出电梯系统运行的加速上升的过程为4-5s，系统中需要的启动加速时间(超级电容的放电时间)平均为4.6255，。放电时间是超级电容选型的一个重要参数，实际使用过程中可以根据系统需要结合超级电容器的价格水平选择放电时间，选择的放电时间越长，对于超级电容的容量水平要求越高，价格也就越昂贵。

表2 电梯系统上升时间实测表

3、超级电容工作选择

为了避免在变换器上产生过大的能量损耗，超级电容的电压不应与曳引机机构电机电压存在过大差距，在工作电压的选择上，需要考虑电梯的使用频率以及超级电容的使用次数。一般情况下，电梯每年运行大概18万次，寿命为12年，电梯总运行次数为260万次，在这个过程中超级电容的充电次数和放电次数各占到一半，按照目前的技术，超级电容的寿命为65万次左右，为了满足其寿命的要求，需要将超级电容的工作电压应在额定电压的一半到额定电压之间进行选择设定。

4、超级电容器组均压装置

在超级电容制作的过程中由于工艺等问题的限制，很难将每一个超级电容单体做到完全一致，在内阻等方面会存在一定的差异，这种差异会导致单体进行串并联使用的过程分压不均，超级电容器组中压的单体使用寿命会降低，而工作在额定电压以下的单体效率会大幅度降低。为了保证每一个超级电容单体都能发挥自身最大效能，需要增加均压装置。这里提倡超级电容器实用均压装置，超级电容器组均压电路的基本要求为:当超级电容单体端电压达到稳定数值之后，单体端电压的极小变化都会导致很大的单体端电流的变化，即稳压二极管的反向特性。如图2：

图2 超级电容器组实用均压装置电路原理图

总之，超级电容本身的诸多特点使得其受到了越来越多的关注，对超级电容在电梯节能中的应用方兴未艾，还需要更多的专家、工程师做进一步的研究和探讨。

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