能量收集领域电解电容器和超级电容器的最新进展

简介：化石燃料之外的出路在哪里？

自古以来，我们周围环境的能量就一直存在于地球生态系统之中，人类长期以来一直在寻找各种富有想象力的方法来加以利用，例如在阳光下晒烤早期的建筑材料，利用风的能量磨碎谷物并驱动船只等等。随着工业化进程的加深，通过使用化石燃料等能源满足了人们随时随地且不断增长的能量需求。

如今，化石燃料的弊端变得越来越明显，其中包括有限的储量、有害的气体排放、日益困难且非常昂贵的开采过程、以及可能导致供应问题和价格波动的政治因素等等。因此，业界又把解决问题的出路指向我们周围环境中的能量。

根据MarketWatch的数据，2019年至2024年，全球环境能量收集市场将以11.1％的复合年增长率增长，2024年将达到8.4亿美元。

能量收集市场现状

在最初的环境能源利用达到鼎盛时期之后，世界已经发生了一些巨大变化，这包括电力的发现以及随后发明了加热器和电机来处理以前直接由太阳或风能完成的任务。还有一些非常有效的技术，可以将太阳能和风能转化为电能，包括光伏电池技术的发展和宽带隙功率半导体的商业化应用。各种类型电容器和电池之类的价格经济、高质量储能技术也至关重要，这有助于能量流更加平稳，并确保人们可以根据需要来使用能量。

伴随着许多类型电气设备能耗的普遍降低，这些因素的共同作用，使环境能量成为一些设备和应用的可行能源，其中包括并网发电机、独立物业设施（off-grid properties）或直接为IoT传感器和低压照明等设备供电的转换器等。

并网发电机的种类很多，从大型太阳能或风电发电站等公用事业级设施到个人拥有的微型发电机等，所有这些共同构成了分布式基础设施，可通过增加常规装机容量，并帮助维持稳定以前从大型集中化石燃料或核动力发电设施获得的能源，从而实现从化石燃料向可再生能源的转变。

专门为本地负载供电的孤岛式微型发电机（Islanded microgenerators）有助于减少对电网系统的需求，同时还可以减少业主的电费。这些应用不仅包括“非联网”物业，还包括较小的负载，例如路边电子标牌和在偏僻处安装并无线连接的传感器和执行器等物联网设备。

利用周围环境能量为设备供电非常方便，不仅能够节省公用事业成本，还可以节省安装电力线或派遣维护团队定期更换电池的成本。此外，设备也不受电网停电影响。它还有一个重要优势，即能够以更容易和更具成本效益的方式将电力优势普及到偏远的农村地区。

能量收集与转换

能量收集系统的基本组件包括能量转换设备（例如光伏板阵列或风力涡轮机），用于从周围环境产生电能。接下来的过程包括电力转换、存储和管理。电池和电容器等能量存储设备对于系统的成功至关重要，是稳定电力质量和确保根据需要使用电能所必需的。

最终，连接的负载可以是小型设备（例如低能耗无线模块），也可以是较大的负载（例如网络化的系列智能传感器或控制和监视设备），或用于LED照明网络的低压直流配电总线 。图1概括地说明了每个阶段的功能。

图1：能量收集系统的主要功能模块。

例如，在小型太阳能微型发电机中，DC-DC转换器能够从光伏阵列中获取电能，并将其输出用于为设备供电。高能量效率和电力质量是关键的系统性能指标，它可以最大程度地减少宝贵能源的浪费，并以正确的电压和最小的波动为负载提供稳定的直流电源。

能量存储的目的是用于平衡能量供给和需求，因此需要何种储能方式在很大程度上取决于具体应用。例如，锂离子纽扣电池之类的可充电电池通常用于小型自供电设备，这些设备可能在节电睡眠模式下很长时间，并可定期唤醒以执行诸如捕获传感器读数，并将数据发送到聚合设备（aggregating device）或物联网网关。DC/DC转换器的输出能够以恒定电压连续为电池充电，随着时间的推移，能够积累足够多存储电荷以便为低占空比设备供电。

能量收集系统的超级电容器

作为电池的替代产品，超级电容器具有简化的充电电路、明显更长的寿命周期、更宽的工作温度范围以及高峰值放电速率等优点，可用于在短时间内需要大功率的负载等应用。相对于体积而言，超级电容器电容值可能比传统电容器高几个数量级，并且超级电容器可与电池结合使用，能够充分结合两种设备类型的最佳特性。

尽管超级电容器的使用方式与可充电电池类似，但这种器件并不需要恒定的充电电压。诸如PV电池阵列之类的能源即可从0V直接给超级电容器充电。如果PV阵列的开路电压低于超级电容器的额定电压，则充电电路可能会相对简单，仅需一个阻塞二极管即可在没有光照射到面板上时避免超级电容器向电源放电。超级电容器能够以非常快的速度放电，因此可为负载提供高峰值功率。超级电容器可以做成特定尺寸以满足负载的峰值功率需求，由于其等效串联电阻（ESR）而可以造成功率损耗。

超级电容器是极化型器件，可提供各种额定电压。KEMET公司的FS系列涵盖了5.5V DC～12V DC的额定值，适用于备用电源和电机驱动等应用。2.7V HV系列包含从标称电容为1法拉的12mm x 8mm直径到200法拉的50mm x 35mm直径径向封装。HV系列器件可以提供高达几个安培的峰值电流，能够为街道指示牌和显示屏照明等设备供电。

电解电容器

对于能量收集之后需要立即使用的情况，并非总是需要能量存储设备。这种情况下通常可以使用电解电容器。

KEMET的技术发展路线图可确保铝电解解决方案能够满足能量收集领域不断变化的需求。 KEMET的High CV Screw Terminal和Snap-In系列工作温度范围为85°C和105°C。这些器件具有的多种特性使其非常适合于能量收集应用，例如高纹波电流能力和高出额定电压达15％的浪涌电压能力。对于85°C系列，额定电压高达630V，浪涌电压为690V。此外，直径为77mm的Screw Terminal器件可以选配偏置端子，以防止电容器极性连接错误，如图2所示。

图2：用于能量收集的ALS电容器偏置Screw Terminals可防止极性错误。

计算电容器寿命

在为能量收集应用选择电解电容器时，器件的寿命是需要考虑的关键参数。由于设备通常安装在偏远之处，并希望在零维护的情况下长期运行，而且偏远之处安装的设备也可能会暴露在极端温度下，特别是高温环境，往往会缩短电解电容器寿命。

在特定应用运行条件下，使用https://elc.kemet.com/上的寿命计算器可以估算电解电容器的理论预期寿命。通过输入应用的占空比、环境温度以及冷却规定、工作电压和纹波电流等基本信息，如图3所示，可以根据输入的寿命终止条件（如电容损耗、ESR变化或泄漏电流变化）来自动计算寿命。KEMET的ALS Screw Terminal电解电容器的一个优点是不需要降低电压也可确保较长的使用寿命。

图3：电解电容器寿命计算器能够简化可靠性评估。

结论

从低功率或在偏远之处安装的电子设备，到低电压基础设施、微型发电机和并网发电机等应用，收集周围环境的能量是一种可行的解决方案。能量收集系统中所用组件的许多特性都得到了极大改进，能够满足应用的具体要求，坚固而高效的超级电容器可用于高速能量提供，而长寿命的电解电容器则可用于稳定直流功率传输。