当前，随着城镇化的发展，各种不同的轨道交通制式均纷纷出现，其中有轨电车更是成为中小城市骨干交通、大型城市现有轨道交通有效补充的一种城市轨道交通制式。但是，现代有轨电车在技术发展过程中依然存在着诸多的难题，其中接触网问题是关键之一。传统上，为给有轨电车供电，必须在有轨电车上空架设接触网或铺设第三轨，这种限制性条件其实很大程度上阻碍了有轨电车在城市的发展。为此，使用超级电容代替接触网或第三轨，这不仅是实现城市上空视觉美感的重要途径，也是减少有轨电车建设成本的必然要求。

 

　　何为超级电容？中国工程院院士、中国南车株机公司专家委员会主任刘友梅介绍，通俗地讲就是第三代储能装置。第一代为机械式储能，如飞轮、发条等；第二代为化学式储能，如铅酸蓄电池、镍氢电池、锂电池等；而第三代就是以超级电容为代表的物理式储能装置。

 

　　在国内超级电容有轨电车的生产研发上，以中国南车株洲电力机车有限公司为代表的中国企业无疑走在了行业前列。据了解，广州、淮安、宁波等多个城市的现代有轨电车项目均已确定采用超级电容作为储能装置。
 

               

　　                               南车所生产的9500F超级电容器单体

 

 

　　超级电容器的发展始于上个世纪70年代，其为一种介于传统电容器与电池间的新型储能器件。相对于传统电容器，超级电容器具备电容量大、功率密度高、充放电电流量大、充放电循环次数高、充放电效率高、免维修等优点。

 

　　目前，由于超级电容器凭借自身众多优点而被广泛应用于各行各业，例如充当记忆器、计时器、电脑等电子产品后备电源；内燃机内启动电力；航空航天；太阳能电池辅助电源；电动玩具车主电源等领域。在轨道交通上，由于其需要在各种天气条件下频繁的进行大电量深度充放电，而这种高频率的充放电对超级电容的寿命影响较大，因此，在很长的时间内，超级电容应用在城市轨道交通上的案例并不普遍。

 

　　南车株机公司超级电容储能技术专家阮殿波博士在接受本刊记者采访说，要求超级电容器在各种不同天气条件下频繁进行大电流深度充放电，并保证其使用寿命，就必须使用基于双电层原理的超级电容器，这种超级电容器其充放电完全基于电荷吸脱附的物理过程，可实现上百万次的循环充放电寿命。虽然能量密度低于金属氧化物超级电容器，但由于有轨电车运行线路固定，站与站之间有充电站，弥补了其在能量密度方面不足的缺陷。

 

　　阮殿波博士所说的双电层超级电容器属于一种新型元器件，其能量储存主要是通过电解质与电极间界面双层得以实现。若电解液与电极间相互接触，因分子间力、库伦力及原子间力作用力的存在，其势必会引起固液界面产生一个双层电荷，该电荷具备符号相反及稳定性强的特点。

 

　　双电层电容器电极材料以多孔碳材料为主，例如碳气凝胶，活性炭纤维、活性炭粉末等活性炭，碳纳米管。通常情况下，双电层电容器电极材料孔隙率影响着其容量大小，即电极材料比表面积随着孔隙率的增高而变大，双电层电容随着孔隙率的增高而变大。需要强调的一点是，孔隙率的增高与电容器的变大间无规律性可言，但电极材料孔径大小保持为2-50mm间，将有助于孔隙率的提高，从而实现材料有效比表面积的提高，并最终实现双电层电容的提高。

 

 

　　2013年8月15日，沈阳现代有轨电车正式开通运营，业内普遍认为，其在有轨电车的发展史上具有开创性的意义。该有轨电车网采用了"无承力索柔性牵引网+超级电容"的供电方式，是超级电容供电技术在我国轨道交通中的首次应用。

 

　　随着沈阳有轨电车项目正式开通，超级电容有轨电车在业内引起广泛关注。其实，中国从上世纪90年代开始研制超级电容，近年来以中国南车为代表的企业在超级电容的结构设计、材料制备、器件加工、系统集成等领域取得了系列发明和创新，并拥有自主知识产权，突破了若干制约超级电容技术发展的关键瓶颈，打破了国外技术封锁，使中国成为世界上少数具有大功率超级电容研发能力的国家。

 

　　阮殿波博士认为，超级电容有轨电车相对于其他类型的有轨电车具有很多的优势。首先是取消了接触网或第三轨的供电线路，可在狭窄街道和文物古迹众多的老城区实现无触网运行，线路运行不受天气条件影响，同时没有架空线视觉污染和因此带来的电磁兼容性问题。第二是能量回收率高，制动能量回收高达85%，可以节省牵引能量的30%，对城市轨道交通的更加节能环保具有重要的意义。第三是安全性高，超级电容充放电是物理吸附过程，没有化学反应，不会起火燃烧爆炸。第四是充放电效率高达98%，充电速度仅为0.3秒~30秒，在乘客上下车过程中即可完成电能补充。能够瞬间释放数百至数千安培的电流，而不易产生发热着火等现象，大电流放电、过充、过放甚至短路也不会对其寿命和安全性产生任何负面影响。第五是投资建设成本低，与地铁相比，超级电容有轨电车每公里投资成本是其1/5~1/8。第六是维护要求低，基本实现免维护，工作温度范围广能达到-40℃~+70℃之间，并可实现一年四季长期稳定运行。

 

　　正是由于有了上述诸多的优势，越来越多的城市将目光投向了超级电容有轨电车。据阮殿波博士介绍，目前，国内多个城市正与中国南车株机公司开展沟通与交流，开发运用以超级电容为主动力源的100%低地板有轨电车、城市公交车辆等绿色智能产品。

 

　　鉴于超级电容的应用价值，由中国南车株机公司牵头，中国科学院青岛生物能源与过程研究所、中国工程物理研究院化工材料研究所、南京理工大学等单位共同参与的"高比能、低成本的新型超级电容器关键技术研究"，作为高性能化学储能电池及示范电站关键技术研究主题项目的子课题，参与了国家"863"计划。

 

 

　　虽然超级电容技术对于有轨电车的发展有着十分重要的意义，但因为其能量密度低于电化学电池、介质吸收效应明显、自放电大大高于电化学电池、工作电压低等一系列问题依然有待于科技的进一步发展。

 

　　据阮殿波博士介绍，目前，南车株机公司正在对超级电容器做更多的改进。如，如何继续继续提升单体的能量密度，减少单体重量；如何优化单体生产工艺，保证产品一致性等。

 

　　另外，阮殿波博士认为，未来的超级电容应该向更大电容、更小体积、更安全等方面发展。首先是活性炭电极开发及新型炭电极进行研究方面。未来的超级电容需要开发出储能密度更高，能快速深度充放电的复合电极材料。第二是电解液体系优化方面。未来的超级电容器要设计开发出耐高电压值的电解液体系。第三是大电流承流结构设计方面。未来的超级电容器要在保证连接结构稳定可靠的前提下尽可能的降低接触电阻。第四是安全结构设计方面。未来的超级电容器既要保证产品的安全性，又不会降低产品使用寿命。第五是超级电容管理系统设计方面。未来的超级电容器要开发出能够在线实时监测单体运行状态并作出调整运行参数的电容管理系统，以此保证系统的可靠性与安全性。

 

 

　　其实，从超级电容技术发明以来，有关这一高科技技术就一直是科技界关注的重点。在超级电容的产业化方面，美国、日本、俄罗斯、瑞士、韩国、法国的一些公司凭借多年的研究开发和技术积累，技术上存在一定的优势。如美国的Maxwell公司，韩国的NessCap公司、LS公司等。

 

　　Maxwell公司在创新型高性价比储能和输电解决方案的开发和制造领域居全球领先地位，2012年，Maxwell公司每季度能生产100万个单体超级电容器，在全球市场占据领先地位。

 

　　2014年3月，Maxwell公司首席执行官JohnJ.Warwick在北京召开记者会，首次系统而全面地在中国向公众介绍其超级电容技术。Warwick介绍到，Maxwell下一步计划将超级电容与电池的特点结合起来，充分选取双方的优点，研发出新一代侧重高能量密度的超级电容器。2014年4月份，Maxwell公司为ABB公司提供了用于费城城际轻轨升级换代的超级电容器产品，其所安装的混合动力型高效ENVILINETM能量回收和存储系统，能为新的城际轻轨节省大约30以上的能量。据了解，Maxwell的科技公司核心技术是干电极技术，其使用材料是复合炭材料，目前公司大部分专利技术都集中在电极上，包括研发、生产、制造。

 

　　韩国Nesscap公司成立于1999年，目前，韩国Nesscap公司能生产的最大单体容量为6200F（法拉，超级电容器能量单位）的方形超级电容器。

 

　　据阮殿波博士介绍，南车和这些国际公司相比，拥有核心的的电极技术和储能系统开发设计能力。目前中国南车株机公司已开发出拥有自主知识产权，全球单体容量最大的9500F方形有机体系超级电容器，无论是从技术上还是从性能上，都是世界领先的。

 

　　未来，更多的新型材料将被用在超级电容的电极活性材料上。最近，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所赵志刚课题组开发出一种智能超级电容器电极，不需要复杂的电路设计，即可获得与人互动的能力。据了解，这种智能超级电容器以氧化钨纳米线和聚苯胺为电极活性材料，通过图案化制备加工而成，氧化钨组成图案SINANO，聚苯胺组成背景。这种电极具有丰富的颜色变化，且电容性能优异，可以通过其图案和背景颜色的交互变化来展示其能量存储状态--当一种组分着色时，另一种组分即为透明色。随着能量储存和释放过程进行，图案和背景颜色发生相应的交互变化。据介绍，这些研究结合了普通超级电容器能量储存的功能和电致变色的可视变化，赋予了超级电容器智能化新特性。

 

　　在美国，俄勒冈州立大学的科学家们宣称，纤维素在加热炉中氨氛围下加热，可以成为超级电容器的构建材料。该研究发现的新方法可以低成本、快速、环保地制备含氮的纳米多孔碳膜。这种纳米多孔碳膜可作为超级电容器的理想电极材料，其副产品是甲烷，可以用作燃料或有其他用途。             本刊记者吴献龙