超级电容在太阳能路灯设计中的应用

　　3.2 充电参数计算
　　独立式光伏系统在设计时，需要考虑该系统应用场所的日照条件、电气设备等。然后根据负载所消耗能量决定光伏电池容量和蓄电池容量。
　　在独立式太阳能路灯系统中，光伏电池的容量选择如下式（8）：

　　

　　蓄电池的容量选择如下式（9）：

　　

　　式（8）（9）中I为负载所需电流，T为负载每日工作小时数。Ta为平均日照时间。t为连续雨天数，Ksafe为安全系数，Ksoc为蓄电池容许放电深度，η为变换器效率。按三段式10小时充电法，在恒流充电阶段，充电电流icharge为0.1Cbattery。则恒流充电阶段，充电功率为：

　　

　　按光伏电池容量可得其满功率工作时输出功率为：

　　

　　由上，采用超级电容电压滞环比较控制法，超级电容向蓄电池充电一次最短时间为td，根据能量守恒有：

　　

　　在本系统中光伏控制器和采用boost电路。由式（7）可得根据光伏电池的弱光下最大功率点工作电压计算Von上限。根据蓄电池浮充电压及超级电容的漏电流确定Voff。最后可得超级电容的容量：

　　

　　4 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（9）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。
　　根据以上数据在仿真模型中建立simulink/matlab模型，模型按照图1所示的系统结构建立，采用带有最大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。如图8所示，该系统的simulink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。

　　

　　如图8，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，仿真结果如图9所示，图9（a）、图9（b）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。
　　采用超级电容系统的仿真结果如图10所示图10（a）、图10（b）分别模拟阴天和晴天光照情况下超级电容电压、蓄电池充电电流、及蓄电池电压。

　　

　　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。

　　5 结论

　　本文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。

来源：电子工程网