4.4.3.1 双层电容器

传统电容器仅仅设计为存储少量静电能的储能元件，并不适合用于大规模储能，电化学双层电容器（EDLC）的诞生给电容器大规模储能带来了一个新的解决思路。市面上几种品牌的产品，如UltraCaps、SuperCaps和BoostCaps其实都是电化学双层电容器，这种电容的金属电极之间充满电解液。当电极上的电压小于击穿电压时，在阴极上会有溶液中的金属离子析出并覆盖在阴极表面，析出的金属层厚度相当于几个分子直径。由于电极和金属层之间的距离非常小、表面积又大，因此电化学双层电容器可以达到很高的能量密度，其存储的静电能为

容量为5000F的EDLC可以轻易买到，但是其次使用电压则为2.5V/2.8V，能量密度约为4.7Wh/kg。电容存储的能量正比于充满电压和完全放电电压（约为1.2V）的平方差。另外EDLC的串联电阻极低，因此可以通过多单体电池串联的方式使得功率密度轻易提高到10kW/kg。为了把EDLC用于供电系统，串联单体电池之间需要使用均压线，整个电容器组也需要采用其他电力电子设备来达到供电电源的要求。EDLC的使用寿命可以达到50万次充放电循环，使用环境温度为-35～65℃，而且其可靠性极高。因此虽然EDLC目前的能量密度还不如电化学电池，但其仍然被部分研究机构所青睐^[Ha196]。在风力发电系统中，EDLC被用作短期储能元件，参考文献[Kin04]中提出了一种利用EDLC作为补偿器的直流升压/降压斩波器。

4.4.3.2 超导储能器

超导储能器通过把线圈低温冷冻到超导临界温度以下，利用电流产生的磁场来存储能量。在超导状态下线圈的电阻为0，所以线圈中的电流不会衰减，理论上电磁场能量可以长期保存。磁场存储的能量如下：

设计超导储能器必须要考虑导体材料的耐低温性能、冷致收缩和电流导致的洛伦兹力。超导线圈可以设计为螺线管或者螺绕环，但是必须要设计支撑结构。螺线管造价较低，适合制造小型SMES（超导磁储能系统）设备；螺绕环产生的安培力比较小，只需要较弱的支撑部件，因此适合制作大型SMES。(www.daowen.com)

一个完整的超导储能系统应该包含超导线圈、制冷系统、一个用来给线圈充、放电的整流器/逆变器和一个应急安全放电装置。超导储能系统的总效率高于95%，因此特别适合用于频繁充、放电的动态储能器中。

除了低温超导材料（LTSC）以外，还有高温超导材料（HTSC）。低温超导材料的典型使用温度为4.2K，使用液态氦制冷；高温超导材料的典型工作温度则为77K，液态氮就足以作为冷媒了。但是高温超导材料的许用电流密度低于低温超导材料，不同的制冷技术也会造成成本的不同。最终可以使用如支撑结构热传导损耗或者其损耗能量与制冷系统的输入功率的比值作为评价系统成本的参数。

一套使用低温超导NbTi材料、2MJ ACCEL的系统具有如下性能：存储能量为2.1MJ、储能电流为1000A、线圈电感为4.1H、磁通密度为4.5T、逆变器中间电路直流电压为800V、持续8s以上额定放电功率为200kW、最大瞬时放电功率为800kW。

参考文献[Luo96]回顾了超导储能器的发展历史，参考文献[Ars99]则着重讨论了超导储能器的建模和仿真。