超級電容在太陽能路燈設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

太陽能路燈系統(tǒng)在道路照明中有很高的價(jià)值。使用超級電容的太陽能LED路燈系統(tǒng)屬于復(fù)合能源系統(tǒng)，該系統(tǒng)中的電能傳輸需要在線控制以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。圖1為超級電容的太陽能LED路燈的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。控制器作為核心部件管理著各個(gè)部件之間的能量傳輸。為保證蓄電池充放電可靠、高效，同時(shí)滿足照明需求，控制器需要對系統(tǒng)中的電能進(jìn)行管理。在弱太陽光照的情況下，由于光伏電池產(chǎn)生的能量不穩(wěn)定，不能有效的對蓄電池充電。

若選擇合適的控制方式，使光伏電池產(chǎn)生的能量先蓄積在超級電容里，到適當(dāng)?shù)臅r(shí)候再將存儲的能量通過脈沖或恒流的方式向蓄電池充電，可以有效的提高系統(tǒng)的太陽能利用率。所以合適有效的控制策略是該控制器的關(guān)鍵技術(shù)。

本文在獨(dú)立式光伏路燈系統(tǒng)簡單計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，以提高在弱太陽光光照情況下發(fā)電效率為目標(biāo)，提出一種采用了超級電容的獨(dú)立光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。通過對使用超級電容的太陽能LED路燈系統(tǒng)各部分組件進(jìn)行建模，在有充放電控制器控制的情況下，使用計(jì)算機(jī)仿真對比在各種太陽光照情況下系統(tǒng)的發(fā)電情況，其驗(yàn)證結(jié)果向使用超級電容的太陽能LED路燈的配置設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

使用超級電容的太陽能LED路燈系統(tǒng)由光伏電池陣列、光伏控制器、超級電容、充電控制器、蓄電池、電流變換器、LED負(fù)載組成，連接結(jié)構(gòu)如圖1所示。超級電容跨接在直流母線和地線之間，用于保持直流母線的電壓，并緩沖光伏電池提供的過大能量，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候放電以滿足蓄電池的充電需要和負(fù)載的供電需要。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

仿真實(shí)驗(yàn)示例采用60WLED路燈，按以下參數(shù)設(shè)計(jì)：路燈連續(xù)工作時(shí)間為8小時(shí)，平均日照時(shí)間為4小時(shí)，安全系數(shù)為0.76，光伏控制器效率為0.85，連續(xù)雨天數(shù)為4日，蓄電池允許放電深度為0.5，充電控制器效率為0.85。若選用48V蓄電池，根據(jù)式計(jì)算得蓄電池容量為：157Ah。光伏電池發(fā)電容量為：188W。選用開路電壓為17V的光伏電池。由前面的推導(dǎo)選擇Von=40V，Voff=30V。由公式（13）計(jì)算，為保證每蓄電池充電一次持續(xù)時(shí)間至少為60s，超級電容值需大于0.127F。

采用帶有功率跟蹤的光伏電池控制器，把光伏電池上的電能傳輸?shù)街苯硬⒙?lián)超級電容的直流母線上。同時(shí)電能通過蓄電池充放電控制器給蓄電池充電。模型主要有PV模塊、LED模塊、直流母線模塊、蓄電池模塊、超級電容積分模塊、蓄電池充電控制器模塊。

把超級電容值設(shè)置為0，則可以仿真直接boost電路充電方式不采用超級電容系統(tǒng)，分別模擬陰天和晴天光照情況下蓄電池充電電流、及蓄電池電壓。在陰天弱光照情況下，系統(tǒng)發(fā)電能力受到系統(tǒng)自身損耗影響很大，其啟動所需要的光照強(qiáng)度高。

在晴天較強(qiáng)光照情況下，系統(tǒng)能在高工作效率狀態(tài)下工作。

在陰天弱光照情況下，超級電容充放電次數(shù)較少，蓄電池電壓呈階梯狀上升。在晴天強(qiáng)光照下，超級電容充放電次數(shù)多。

對比兩種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從蓄電池最終電壓可以看出，弱光照情況下，使用超級電容系統(tǒng)的光伏電池的利用率上升，蓄電池電壓變化值約為不采用超級電容的蓄電池電壓變化值的120%，即在弱光照下，系統(tǒng)的光伏發(fā)電效率提高了大約20%。而在晴天，有足夠光照的情況下，雖然在早晚光照較弱時(shí)，其發(fā)電能力得到提高，但由于多引入一級變換器，在較高功率下，采用超級電容沒有對系統(tǒng)的發(fā)電效率有明顯的提高。由上，采用超級電容的獨(dú)立光伏系統(tǒng)在光照不足的地區(qū)能對發(fā)電能力有明顯的改善。

4 結(jié)論

在獨(dú)立式光伏系統(tǒng)簡單計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，提出采用了超級電容的獨(dú)立光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)算法。

通過對使用超級電容的太陽能LED路燈系統(tǒng)各部分組件進(jìn)行建模，在采用充放電控制器控制情況下，使用計(jì)算機(jī)仿真對比在各種太陽光照情況下系統(tǒng)的發(fā)電情況。仿真結(jié)果證明，使用該方法可以有效提高在弱太陽光照情況下的光伏系統(tǒng)發(fā)電效率，從而向使用超級電容的太陽能LED路燈的配置設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。