超级电容在智能小区太阳能路灯系统中的应用

　　1.2 照明灯具的控制方式
　　太阳能照明灯具的开、关控制方式主要有两种： 定时控制和光照控制。
　　定时控制是设定每天的开、关灯时间后由系统自动控制，但是随着季节的变化需要不断调整设定时间，否则就会出现天黑不亮灯，天亮不熄灯的情况，造成能源浪费。光照控制是系统通过检测光照度来开、关照明灯具，如光照度低于10 lx时开灯，高于10 lx 时熄灯，这样既能满足用户的需要，又能节约电能，符合智能建筑的理念。所以系统照明灯具的开、关采用光照控制方式。
　　光照控制方式的工作时间和本地的纬度及当天的太阳赤纬角有关，而且日出前半小时和日落前半小时，天空的余光足够照明，可以不开路灯，这样每天可以少开灯1 h。智能小区位于东纬116. 84°、北纬38. 31°的位置，本地区光照控制路灯在冬至时工作时间最长为12 h，夏至时工作时间最短为9h。可以看出，光照太阳能路灯工作时间变化不是太大，可以认为是均衡性负载，其对太阳电池板倾角的影响不大。

　　2 太阳电池

　　2.1 太阳电池板最佳倾角的确定
　　太阳电池板要朝向赤道安装，通常面向正南或稍微偏西，而且相对地平面应有一定的倾角，即太阳电池板倾角。因为太阳光的照射角度随时间的变化而变化，使得固定倾角下的太阳电池板接收的太阳能量也随之改变，所以太阳电池板倾角的确定对整个系统来说至关重要，在太阳能路灯系统优化设计中，要根据负载情况、当地气候状况和经纬度来确定太阳电池板的最佳倾角，使其接收的太阳光全年平均量最大。本系统负载近似为均衡性负载，太阳电池板最佳倾角的确定采用了国际流行的“全年均衡冬季最大”的接收太阳能辐射量的光伏系统设计原则。即在保证全年电池板日照量均衡的前提下，最佳倾角使冬季日照量尽量达到最大，以提高系统在太阳辐射较弱月份的发电量，满足蓄电池均衡充电和负载的需要。
　　以沧州市区过去10 ～ 20 年的气象资料数据为依据，可以使用天空散射辐射各向异性的模型，算出太阳能电池板不同倾角时所接收到的太阳辐照量，结合“全年均衡冬季最大”理论，可以确定太阳电池板倾角取本地纬度38°即可。因为夏季小倾角的电池板接收到的太阳辐照量大，冬季大倾角的电池板接收到的太阳辐照量大，所以可以在38°倾角基础上适当增加5° ～ 10°，效果会更好，而且有利于积雪滑落，减小维护工作量。本系统太阳电池板倾角取43°。
　　2.2 太阳电池组容量的确定
　　LED 的功率为10 W，每天工作12 h; 设太阳电池的功率为WS，效率为40%，留20% 的余量，每天日照工作时间为5 h，则有：
　　WS × 5 h × 40% ÷ 120% = 10 W × 12 h
　　解得WS = 72 W为了满足蓄电池的储能要求，太阳电池组功率选择要大些，系统选择12 V、100 W 的太阳电池组。
　　3 蓄电池组及超级电容的选择

　　目前来说大容量、价格便宜的储能器件还是铅酸蓄电池，虽然超级电容优点很多，可是其储能量对于太阳能路灯系统来说，应付连续的阴雨天还是不容易实现的。不过超级电容器可以辅助蓄电池更好地进行工作，超级电容和蓄电池组成储能元器件，可以提高充电效率，延长蓄电池的寿命，提高系统的供电可靠性。其结构如图1所示。

　　

　　图1 太阳能路灯系统的结构

　　3.1 蓄电池组容量的选择
　　在太阳能路灯系统中，蓄电池是储能设备，其容量大小直接关系到照明时间的长短，对蓄电池组选择的依据主要是额定电压和额定容量。蓄电池容量的计算公式为：

　　

　　式中，C 为蓄电池组容量，单位为A·h; D 为最长无日照用电天数，取6 天； F 为蓄电池组放电效率的修正系数，通常取1. 05; Q 为日用电量，单位为W·h，本系统取120 W·h; L 为蓄电池组充放电效率，通常取0. 9; U 为蓄电池组的放电深度，通常取0. 6; Ka为线路损失，通常取0. 98; Vt为系统工作电压，取12 V。
　　根据公式算出蓄电池组容量C = 120 A·h，可以选择120 A·h /12 V 的单体蓄电池一只。
　　负载的日耗电量为10 W × 12 h = 120 W·h，即10 A·h，120 A·h 蓄电池可以提供12 天的用电量，按照放电深度为0. 6，则可以使用7 天。实际使用中连续7 个阴雨天太阳能路灯能够正常照明。
　　3.2 超级电容的选择
　　超级电容器是一种新型储能元器件，它是以双电层为原理，采用多孔碳材料为电极的EDLC超级电容，拥有大至数千法的电容量，其性能介于传统充电电池和普通电容器之间，可以在很短的时间内充满电，同时又如其他充电电池一般可储存大量电能。放电时利用移动导体间的电子（ 而不依靠化学反应） 释放电流，从而为灯具提供电源。但是目前来说其价格太高，大容量供电不易实现，只能用来辅助蓄电池。
　　太阳电池的输出功率随天气的变化而变化，这种不稳定的充电电流影响了蓄电池寿命，无形中会提高系统成本，造成更多的环境污染。所以系统设计了超级电容这种可以快速充电、放电的中间元件。特别是在太阳光照射不强时，控制系统把太阳电池输出的不稳定的电能存储在超级电容器里面，充满之后再以恒定电流给蓄电池充电，这样可以提高蓄电池的寿命，同时超级电容的储能也可以在连续的阴雨天为路灯提供更多的能量，增加照明时间。
　　超级电容充电时间可以用下面公式计算：