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超级电容器是一种能够快速储存和释放电能的储能装置,具有功率密度大、充放电时间短、使用寿命长、温度特性好、节能环保等特点。根据储能机理的不同,超级电容器可分为双电层电容器和赝电容器。
当前超级电容器通常指双电层电容器,由正极、负极、电极之间的隔膜以及电解液构成。
正极:电源中电位(电势)较高的一端,与负极相对
负极:电源中电位(电势)较低的一端,与正极相对。
隔膜:是电解反应时用以将正负两极分开,防止它们在电解池中直接反应而损失能量的一层薄膜。
电解液:是化学电池、电解电容等使用的介质(有一定的腐蚀性),为它们的正常工作提供离子,并保证工作中发生的化学反应是可逆的。
在双电层电容器中,电荷在近表面的区域聚集,吸引了电解液中的正负离子,因而电极和电解质间形成静电场用以储能。由于在两极均各有一层正负电荷对,故称之为双电层电容器。与铅酸蓄电池、锂电池相比,双电层电容器的储能反应是高度可逆的物理吸附,循环稳定性极好,具有功率密度高,充放电速度极快,能量转换效率高,使用寿命长,温度工作性能强大,安全系数高等特点,但由于吸附的电荷有限,能量密度并不高。
超级电容器主要应用场景为新能源、交通、工业等领域。因具备辅助峰值功率、备用电源、存储再生能量、替代电源等用途,超级电容器在工业设备、汽车、轨道交通、消费电子等不同场景具有非常广阔的发展前景。新能源、交通运输,工业三大领域共占到超级电容需求的93%。随着政策对新能源、轨道交通领域的大力支持,国内超级电容器领域的研究和产业化水平逐年提高,超级电容器行业与下游应用行业的发展将形成相辅相成之势。光伏和风电系统是超级电容的重要市场。风电系统中,为确保风机保持恒定功率输出,避免因机械压力过大而导致桨叶断裂,同时也能减小涡轮结构的机械压力,需要变桨系统不断调节桨叶间距。如果电网出现故障,风机需要启动紧急备用系统来调整桨叶。超级电容具备瞬间释放大功率、购置成本低、使用寿命长、重量轻等优点,是风电变桨紧急备用电源的首选。此外,自然界的风、太阳光照均具有随机性和不稳定性,会对输出电压造成扰动。超级电容器具备较高的输出功率,可以快速响应风力、光照的变化,在高电压时段储存电能,低电压时段释放电能,平滑地输出电压,大大提高发电设施的稳定性。在轨道交通领域,超级电容能够实现制动能量回收,提高能量利用效率。超级电容器在轨道交通领域主要应用在有轨电车、地铁制动能量回收装置等。地铁站间距离较短,制动频繁,使用超级电容器的制动能量回收装置代替制动电阻,可以吸收列车制动时产生的能量并储存,最多可回收80%的能量,在列车启动时,释放能量助力轨道交通快速启动。在实际应用中,多采用“超级电容器+蓄电池”的混合储能方案。轨道交通基建投资提速,轨道交通领域超级电容需求有望迎来大幅提振。轨道交通是“新基建”的重点之一,据统计,2020年城市轨道交通共完成建设投资6286亿元,在建项目的可研批复投资累计45289.3亿元。2020年底,共有65个城市的城轨道交通通线网规划获批。基建投资提速,利好轨道交通装备行业发展。2019年我国轨道交通装备市场规模突破7000亿元,2020年市场规模有望超7700亿元。随着超级电容技术的进步和成本的下降,轨道交通领域的超级电容需求会迎来大幅提振。新能源公交车为超级电容带来增量。公交车具有行驶路线固定,启停次数多等特点。将超级电容模组用于公交车的储能与动力系统,可实现提高能源利用率,降低有害气体排放,减少噪音的效果。目前搭载超级电容器的新能源公交车已在上海大规模投入运营。据久事公交集团披露,2020年,上海930路、17路、18路、隧道8线、146路新增89辆超级电容车,加上已经投运的11路、26路,上海超级电容公交车超过百辆,配套的6个超级电容快充站也已完成外线送电。传统的超级电容充一次电,公交车只能行驶约5公里,而新款超级电容车充电5分钟,在满负载运营的情况下,可以完成20-30公里的运营,极大的克服了超级电容公交车需要频繁充电的痛点。目前超级电容公交车在上海新能源公交车中的渗透率约为2%,而且,阜阳、南通、东莞等城市都在推广超级电容公交车,空间十分巨大。
中金企信国际咨询公布《2021-2027年中国超级电容器行业市场调查及投资战略预测报告》
2019年全球电容器市场规模达220亿美元,中国电容器市场规模为1102亿元,占全球额比重达71%,中国已经成为全球最大的电容器市场。且中国电容器行业规模增速持续高于全球规模增速。从国内超级电容器消费结构来看,交通运输用超级电容器消费占比38.2%,工业用超级电容器消费占比30.8%,新能源用超级电容器消费占比21.8%,装备等其他应用领域消费占比9.2%。近年来中国将超级电容器产业的发展提升至国家战略层面,超级电容器的市场规模逐年提升,超级电容器产业迎来了快速发展时期。未来,随着电网、轨道交通、消费电子等下游应用领域对超级电容应用的增长,中国的超级电容器市场将继续保持高速增长态势,预计到2022年中国超级电容器市场规模有望达到200亿元。