超級電容在太陽(yáng)能路燈設計中的應用

　　由于該電路為升壓電路，G最小值為1，可得K取值必須小于0.25。在系統設計時(shí)根據蓄電池參數，由式（6）算出，能對蓄電池充電的升壓電路最小輸入電壓為：

　　式（7）中，Voc為蓄電池最低充電電壓。

　　若直接采用光伏電池對蓄電池充電，則當光照較弱時(shí)，為了追蹤最大功率，在存在其他干擾因素的同時(shí)其輸出電壓會(huì )不穩定，導致光伏電池在充電時(shí)難以保持在Vzmin上，最后導致系統在該光照范圍內不能對蓄電池正常充電。如圖6中兩曲線(xiàn)分別為晴、陰兩種情況下100W光伏電池可產(chǎn)生的最大功率曲線(xiàn)；陰天的時(shí)候，光伏電池在最大功率跟蹤情況下，輸出功率在較低功率B、C區間內抖動(dòng)，造成對蓄電池充電不可控。本文通過(guò)采用超級電容，把這部分不穩定的輸出能量蓄積起來(lái)，再到滿(mǎn)足一定的電壓條件時(shí)，通過(guò)升壓電路把超級電容中的能量釋放到蓄電池。這種采用超級電容的方式可以提高在弱太陽(yáng)光照下的發(fā)電效率。

　　3 充電控制策略及超級電容參數

　　3.1 充電控制策略

　　圖7為蓄電池充電控制策略。該策略在低光照情況下采用超級電容電壓的滯環(huán)比較控制策略，以超級電容兩端電壓作為反饋采樣信號。若超級電容兩端電壓低于設定下限值Voff，則停止向蓄電池充電，光伏控制器采用最大功率跟蹤對超級電容充電；當超級電容電壓充到足夠大為Von時(shí)（Von>Voff），以蓄電池的三段式10小時(shí)充電法向蓄電池充電；若此時(shí)持續低光照，則當超級電容電壓重新下降到下限值Voff時(shí)，再次停止向蓄電池充電，如此循環(huán)；在足夠光照情況下，當超級電容的電壓超過(guò)Von時(shí)，系統對蓄電池以三段式10小時(shí)充電法充電，同時(shí)超級電容電壓也會(huì )繼續上升，這時(shí)控制器保持超級電容的電壓值不超過(guò)新的上限值Vmax。

　　3.2 充電參數計算

　　獨立式光伏系統在設計時(shí)，需要考慮該系統應用場(chǎng)所的日照條件、電氣設備等。然后根據負載所消耗能量決定光伏電池容量和蓄電池容量。

　　在獨立式太陽(yáng)能路燈系統中，光伏電池的容量選擇如下式（8）：

　　蓄電池的容量選擇如下式（9）：

　　式（8）（9）中I為負載所需電流，T為負載每日工作小時(shí)數。Ta為平均日照時(shí)間。t為連續雨天數，Ksafe為安全系數，Ksoc為蓄電池容許放電深度，η為變換器效率。按三段式10小時(shí)充電法，在恒流充電階段，充電電流icharge為0.1Cbattery。則恒流充電階段，充電功率為：

　　按光伏電池容量可得其滿(mǎn)功率工作時(shí)輸出功率為：

　　由上，采用超級電容電壓滯環(huán)比較控制法，超級電容向蓄電池充電一次最短時(shí)間為td，根據能量守恒有：

　　在本系統中光伏控制器和采用boost電路。由式（7）可得根據光伏電池的弱光下最大功率點(diǎn)工作電壓計算Von上限。根據蓄電池浮充電壓及超級電容的漏電流確定Voff。最后可得超級電容的容量：

　　4 仿真實(shí)驗

　　仿真實(shí)驗示例采用60WLED路燈，按以下參數設計：路燈連續工作時(shí)間為8小時(shí)，平均日照時(shí)間為4小時(shí)，安全系數為0.76，光伏控制器效率為0.85，連續雨天數為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，根據式（9）計算得蓄電池容量為：157Ah。光伏電池發(fā)電容量為：188W。選用開(kāi)路電壓為17V的光伏電池。由前面的推導選擇Von=40V，Voff=30V。由式（13）計算，為保證每蓄電池充電一次持續時(shí)間至少為60s，超級電容值需大于0.127F。