基于電容器太陽(yáng)能草坪燈的設計

引言

隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展和社會(huì )的進(jìn)步，人們對能源提出了越來(lái)越高的要求，尋找新能源已成為當前人類(lèi)面臨的迫切課題。由于太陽(yáng)能發(fā)電具有火電、水電、核電所無(wú)法比擬的清潔性、安全性、資源的廣泛性和充足性，太陽(yáng)能被認為是二十一世紀最重要的能源。太陽(yáng)能的存儲是太陽(yáng)能產(chǎn)品發(fā)展的關(guān)鍵，目前主要采用各種電池，但是電池的充電時(shí)間長(cháng)、壽命短以及不環(huán)保一直是太陽(yáng)能產(chǎn)品發(fā)展的瓶頸，而超級電容器作為一種充電快、壽命長(cháng)、綠色環(huán)保型儲能元件，它給太陽(yáng)能產(chǎn)品的發(fā)展帶來(lái)了新的活力。本文詳細介紹了一種超級電容器太陽(yáng)能草坪燈的設計及實(shí)現方法。該草坪燈很好的結合了太陽(yáng)能和超級電容器的優(yōu)勢，它無(wú)需安裝其他電源，就可以主動(dòng)發(fā)光，還能夠根據環(huán)境光線(xiàn)的強弱自動(dòng)控制燈的開(kāi)關(guān)，而且安裝方便、不用布線(xiàn)、工作穩定可靠、免維護、環(huán)保無(wú)污染、使用壽命長(cháng)，可廣泛應用于廣場(chǎng)綠地、小區草坪等場(chǎng)所。

1 設計選擇

1.1光源的選擇

由于LED技術(shù)目前已經(jīng)實(shí)現了關(guān)鍵性突破，同時(shí)性能價(jià)格比也有較大地提高?，F在的LED壽命已可達到100 000h以上，而且工作電壓低，非常適合應用于太陽(yáng)能草坪燈上。另外，LED由低壓直流供電，其光源控制成本低，可以調節明暗，并可頻繁開(kāi)關(guān)，而且不會(huì )對LED的性能產(chǎn)生不良影響。因此，從可靠性、性?xún)r(jià)比、色溫和發(fā)光效率等幾個(gè)方面綜合考慮，設計時(shí)可選擇額定電壓為3.3 V、工作電流為6 mA的超亮LED作為光源。由于草坪燈不但要有裝飾作用，還要有一定的照明功能，故可選擇8個(gè)LED使用。

1.2太陽(yáng)能電池的選擇

太陽(yáng)能電池是依據半導體PN結的光伏效應原理把太陽(yáng)光能轉化為電能的半導體器件，是超級電容器太陽(yáng)能草坪燈的核心器件。太陽(yáng)能電池性能的好壞直接決定著(zhù)能量的轉換效率及輸出電壓的穩定性，同時(shí)也直接決定了超級電容器太陽(yáng)能草坪燈的性能。因此，設計時(shí)應采用性?xún)r(jià)比比較好的單晶硅太陽(yáng)能電池。

由于地球上各個(gè)地區的太陽(yáng)年總輻射量與平均峰值日照時(shí)數不同，太陽(yáng)能草坪燈的設計和燈的使用地理位置是有關(guān)系的，太陽(yáng)能電池組件額定輸出功率和燈具的輸入功率之間的關(guān)系大約是2～4：1，具體比例要根據燈的每天工作時(shí)間以及對連續陰雨天的照明要求決定。本系統的太陽(yáng)能電池的功率為3.3V×0.006×8=0.1584 W，假設每天工作12個(gè)小時(shí)，太陽(yáng)能電池功的效率為40%，每天有效工作時(shí)間為5小時(shí)，則可選用3 W/6 V的太陽(yáng)能電池。

1.3超級電容的選擇

由于太陽(yáng)能電池的輸入能量極不穩定，同時(shí)草坪燈只是在周?chē)饩€(xiàn)較弱時(shí)才發(fā)光，因而必需配置蓄電系統才能有效工作?，F階段普遍采用鉛酸蓄電池、Ni-Cd蓄電池或Ni-H蓄電池，但采用蓄電池作為蓄電系統有許多缺陷：首先可充電型蓄電池的充電次數有限(小于1000次)，使用壽命較短;其次，由于其化學(xué)結構的影響，它不能進(jìn)行大電流充電;第三，蓄電池需要有防過(guò)充、防過(guò)放以及溫度補償等控制電路，而且控制電路比較復雜;第四，可充電型蓄電池主要利用化學(xué)反應來(lái)進(jìn)行充放電，電池中的廢物會(huì )對環(huán)境產(chǎn)生污染，不屬于環(huán)保產(chǎn)品。

因此，本產(chǎn)品中選用超級電容做為儲能元件。該電容具有法拉級的超大電容量，超強的荷電保持能力，且漏電流非常小，8小時(shí)電壓下降率小于5%;無(wú)須特別的充電電路和控制放電電路，充電迅速，而且可以在僅高于其漏電流(典型值約為1 mA)的狀態(tài)下充電，因此，即使在陰天，太陽(yáng)能電池也能對超級電容器充電;與蓄電池相比，其過(guò)充、過(guò)放都不對其壽命構成負面影響，可靠性高、使用壽命長(cháng)(充放電循環(huán)壽命在10萬(wàn)次以上);此外還具有優(yōu)良的溫度性能，可在-40℃～75℃的環(huán)境溫度中正常使用;無(wú)污染，是一種綠色電源;可焊接，而且不存在象蓄電池那樣接觸不牢固等問(wèn)題。

本太陽(yáng)能草坪燈產(chǎn)品選用錦州凱美能源有限公司生產(chǎn)的6個(gè)2.5 V/150 F超級電容器組成的5.0V/225 F電容器模塊，其單只電容器產(chǎn)品的ESR(DC)只有20mΩ，直徑25 mm，高為48 mm。5 V/225 F超級電容器充電時(shí)間為(在充電電流為450mA的情況下)：

式中：C-電容器額定容量;△U-電容器工作電壓變化;I-電容器充電電流;t-電容器充電時(shí)間。

超級電容器放電時(shí)間為：

式中：ESR為電容器的直流內阻。5 V/225 F超級電容器可從5 V放電到0.6 V。

2系統控制電路的設計

2.1 充電電路

本系統中的充電電路由防過(guò)壓和防反充電路構成，圖1所示為其充電電路，圖中的ZD1為5.6V穩壓二極管，當電池電壓高于5.6 V時(shí)，Q2導通，硅電池全部電流通過(guò)電阻Q2消耗掉，當硅電池電壓降到5.6 V以下時(shí)，Q2截至，硅電池給超級電容充電，并同時(shí)保護超級電容。

防止反充電控制電路可以保證在太陽(yáng)能電池輸入電壓低于超級電容電壓時(shí)，超級電容不會(huì )反向對太陽(yáng)能電池充電，以免造成不必要的能量損耗。反充電控制可由圖1中的二極管D1來(lái)完成，這個(gè)二極管選用肖特基二極管，因為肖特基二極管的導通壓降比普通二極管低。

2.2驅動(dòng)LED穩壓電路

由于所選用的LED燈的額定電壓為3.3 V，而超級電容器的電壓為5.0 V，并且超級電容器在放電過(guò)程中電壓會(huì )不斷降低，因此需要有穩壓電路來(lái)驅動(dòng)LED。

本文選用CMOS工藝制造且靜態(tài)電流極低的VFM開(kāi)關(guān)型DC/DC升壓穩壓器，該芯片內部包括VFM控制電路、LX開(kāi)關(guān)驅動(dòng)晶體管、基準電壓?jiǎn)卧?、振蕩器、誤差比較放大器、電壓采樣電阻、LX開(kāi)關(guān)保護電路等。芯片外部只需要一個(gè)電感、一個(gè)輸出電容和一個(gè)肖特基二極管就可以提供穩定的低噪聲輸出電壓。該穩壓器具有8μA的極低輸入電流、低紋波、低噪聲特性，效率可達到80%，并具有0.6 V的極低啟動(dòng)電壓，輸出電壓精度可達±2.5%。該部分電路如圖2所示。