超级电容在太阳能路灯设计中的应用

超级电容在太阳能路灯设计中的应用

太阳能路灯系统在道路照明中有很高的价值。使用超级电容的太阳能LED路灯系统属于复合能源系统，该系统中的电能传输需要在线控制以保证系统的正常运行。图1为超级电容的太阳能LED路灯的系统结构。控制器作为核心部件管理着各个部件之间的能量传输。为保证蓄电池充放电可靠、高效，同时满足照明需求，控制器需要对系统中的电能进行管理。在弱太阳光照的情况下，由于光伏电池产生的能量不稳定，不能有效的对蓄电池充电。

若选择合适的控制方式，使光伏电池产生的能量先蓄积在超级电容里，到适当的时候再将存储的能量通过脉冲或恒流的方式向蓄电池充电，可以有效的提高系统的太阳能利用率。所以合适有效的控制策略是该控制器的关键技术。

本文在独立式光伏路灯系统简单计算方法的基础上，以提高在弱太阳光光照情况下发电效率为目标，提出一种采用了超级电容的独立光伏系统设计方法。通过对使用超级电容的太阳能LED路灯系统各部分组件进行建模，在有充放电控制器控制的情况下，使用计算机仿真对比在各种太阳光照情况下系统的发电情况，其验证结果向使用超级电容的太阳能LED路灯的配置设计提供理论依据。

2 系统分析与设计

使用超级电容的太阳能LED路灯系统由光伏电池阵列、光伏控制器、超级电容、充电控制器、蓄电池、电流变换器、LED负载组成，连接结构如图1所示。超级电容跨接在直流母线和地线之间，用于保持直流母线的电压，并缓冲光伏电池提供的过大能量，在适当的时候放电以满足蓄电池的充电需要和负载的供电需要。

3 仿真实验

仿真实验示例采用60WLED路灯，按以下参数设计：路灯连续工作时间为8小时，平均日照时间为4小时，安全系数为0.76，光伏控制器效率为0.85，连续雨天数为4日，蓄电池允许放电深度为0.5，充电控制器效率为0.85。若选用48V蓄电池，根据式计算得蓄电池容量为：157Ah。光伏电池发电容量为：188W。选用开路电压为17V的光伏电池。由前面的推导选择Von=40V，Voff=30V。由公式（13）计算，为保证每蓄电池充电一次持续时间至少为60s，超级电容值需大于0.127F。

采用带有功率跟踪的光伏电池控制器，把光伏电池上的电能传输到直接并联超级电容的直流母线上。同时电能通过蓄电池充放电控制器给蓄电池充电。模型主要有PV模块、LED模块、直流母线模块、蓄电池模块、超级电容积分模块、蓄电池充电控制器模块。

把超级电容值设置为0，则可以仿真直接boost电路充电方式不采用超级电容系统，分别模拟阴天和晴天光照情况下蓄电池充电电流、及蓄电池电压。在阴天弱光照情况下，系统发电能力受到系统自身损耗影响很大，其启动所需要的光照强度高。

在晴天较强光照情况下，系统能在高工作效率状态下工作。

在阴天弱光照情况下，超级电容充放电次数较少，蓄电池电压呈阶梯状上升。在晴天强光照下，超级电容充放电次数多。

对比两种系统结构，从蓄电池最终电压可以看出，弱光照情况下，使用超级电容系统的光伏电池的利用率上升，蓄电池电压变化值约为不采用超级电容的蓄电池电压变化值的120%，即在弱光照下，系统的光伏发电效率提高了大约20%。而在晴天，有足够光照的情况下，虽然在早晚光照较弱时，其发电能力得到提高，但由于多引入一级变换器，在较高功率下，采用超级电容没有对系统的发电效率有明显的提高。由上，采用超级电容的独立光伏系统在光照不足的地区能对发电能力有明显的改善。

4 结论

在独立式光伏系统简单计算方法的基础上，提出采用了超级电容的独立光伏系统的设计算法。

通过对使用超级电容的太阳能LED路灯系统各部分组件进行建模，在采用充放电控制器控制情况下，使用计算机仿真对比在各种太阳光照情况下系统的发电情况。仿真结果证明，使用该方法可以有效提高在弱太阳光照情况下的光伏系统发电效率，从而向使用超级电容的太阳能LED路灯的配置设计提供了理论依据。