超級電容在智能小區(qū)太陽能路燈系統(tǒng)中的應用

　　智能小區(qū)不只是高科技的應用，更注重節(jié)能和環(huán)保，本太陽能路燈照明系統(tǒng)在一般太陽能路燈的基礎上進一步進行了優(yōu)化，采用了LED 光源和超級電容，充電效率更高，元件壽命更長，比一般太陽能路燈更加節(jié)能和環(huán)保。本太陽能路燈系統(tǒng)主要由光伏電池極板、儲能電池、超級電容器、照明燈具和控制器等幾個部分構成。

　　1 照明燈具及控制方式的設計

　　1.1 照明燈具的設計

　　傳統(tǒng)的照明燈具效率低，如白熾燈、鹵鎢燈等，不適合智能建筑節(jié)能理念，各種照明光源的性能比較如表1 所示。白光超高亮度的LED 燈具，光效為45 lm/W，雖然不高，但是發(fā)出的光線都在可見光范圍內，適合用于照明光源。LED 燈具壽命長，可達100 000 h 以上，可以有效減少燈具垃圾。另外，LED 由低壓直流電源供電，更加安全，而且適合頻繁開、關。因此太陽能照明系統(tǒng)選擇了12 V、10 W 的白光超亮大功率LED 燈具，其光效可以達450 lm/W，相當于50 W 的白熾燈，可以達到良好的照明效果。

　　1.2 照明燈具的控制方式

　　太陽能照明燈具的開、關控制方式主要有兩種： 定時控制和光照控制。

　　定時控制是設定每天的開、關燈時間后由系統(tǒng)自動控制，但是隨著季節(jié)的變化需要不斷調整設定時間，否則就會出現天黑不亮燈，天亮不熄燈的情況，造成能源浪費。光照控制是系統(tǒng)通過檢測光照度來開、關照明燈具，如光照度低于10 lx時開燈，高于10 lx 時熄燈，這樣既能滿足用戶的需要，又能節(jié)約電能，符合智能建筑的理念。所以系統(tǒng)照明燈具的開、關采用光照控制方式。

　　光照控制方式的工作時間和本地的緯度及當天的太陽赤緯角有關，而且日出前半小時和日落前半小時，天空的余光足夠照明，可以不開路燈，這樣每天可以少開燈1 h。智能小區(qū)位于東緯116. 84°、北緯38. 31°的位置，本地區(qū)光照控制路燈在冬至時工作時間最長為12 h，夏至時工作時間最短為9h?？梢钥闯?，光照太陽能路燈工作時間變化不是太大，可以認為是均衡性負載，其對太陽電池板傾角的影響不大。

　　2 太陽電池

　　2.1 太陽電池板最佳傾角的確定

　　太陽電池板要朝向赤道安裝，通常面向正南或稍微偏西，而且相對地平面應有一定的傾角，即太陽電池板傾角。因為太陽光的照射角度隨時間的變化而變化，使得固定傾角下的太陽電池板接收的太陽能量也隨之改變，所以太陽電池板傾角的確定對整個系統(tǒng)來說至關重要，在太陽能路燈系統(tǒng)優(yōu)化設計中，要根據負載情況、當地氣候狀況和經緯度來確定太陽電池板的最佳傾角，使其接收的太陽光全年平均量最大。本系統(tǒng)負載近似為均衡性負載，太陽電池板最佳傾角的確定采用了國際流行的“全年均衡冬季最大”的接收太陽能輻射量的光伏系統(tǒng)設計原則。即在保證全年電池板日照量均衡的前提下，最佳傾角使冬季日照量盡量達到最大，以提高系統(tǒng)在太陽輻射較弱月份的發(fā)電量，滿足蓄電池均衡充電和負載的需要。

　　以滄州市區(qū)過去10 ～ 20 年的氣象資料數據為依據，可以使用天空散射輻射各向異性的模型，算出太陽能電池板不同傾角時所接收到的太陽輻照量，結合“全年均衡冬季最大”理論，可以確定太陽電池板傾角取本地緯度38°即可。因為夏季小傾角的電池板接收到的太陽輻照量大，冬季大傾角的電池板接收到的太陽輻照量大，所以可以在38°傾角基礎上適當增加5° ～ 10°，效果會更好，而且有利于積雪滑落，減小維護工作量。本系統(tǒng)太陽電池板傾角取43°。

　　2.2 太陽電池組容量的確定

　　LED 的功率為10 W，每天工作12 h; 設太陽電池的功率為WS，效率為40%，留20% 的余量，每天日照工作時間為5 h，則有：

　　WS × 5 h × 40% ÷ 120% = 10 W × 12 h

　　解得WS = 72 W為了滿足蓄電池的儲能要求，太陽電池組功率選擇要大些，系統(tǒng)選擇12 V、100 W 的太陽電池組。

　　3 蓄電池組及超級電容的選擇

　　目前來說大容量、價格便宜的儲能器件還是鉛酸蓄電池，雖然超級電容優(yōu)點很多，可是其儲能量對于太陽能路燈系統(tǒng)來說，應付連續(xù)的陰雨天還是不容易實現的。不過超級電容器可以輔助蓄電池更好地進行工作，超級電容和蓄電池組成儲能元器件，可以提高充電效率，延長蓄電池的壽命，提高系統(tǒng)的供電可靠性。其結構如圖1所示。

　　圖1 太陽能路燈系統(tǒng)的結構

　　3.1 蓄電池組容量的選擇

　　在太陽能路燈系統(tǒng)中，蓄電池是儲能設備，其容量大小直接關系到照明時間的長短，對蓄電池組選擇的依據主要是額定電壓和額定容量。蓄電池容量的計算公式為：

　　式中，C 為蓄電池組容量，單位為A·h; D 為最長無日照用電天數，取6 天； F 為蓄電池組放電效率的修正系數，通常取1. 05; Q 為日用電量，單位為W·h，本系統(tǒng)取120 W·h; L 為蓄電池組充放電效率，通常取0. 9; U 為蓄電池組的放電深度，通常取0. 6; Ka為線路損失，通常取0. 98; Vt為系統(tǒng)工作電壓，取12 V。

　　根據公式算出蓄電池組容量C = 120 A·h，可以選擇120 A·h /12 V 的單體蓄電池一只。

　　負載的日耗電量為10 W × 12 h = 120 W·h，即10 A·h，120 A·h 蓄電池可以提供12 天的用電量，按照放電深度為0. 6，則可以使用7 天。實際使用中連續(xù)7 個陰雨天太陽能路燈能夠正常照明。

　　3.2 超級電容的選擇

　　超級電容器是一種新型儲能元器件，它是以雙電層為原理，采用多孔碳材料為電極的EDLC超級電容，擁有大至數千法的電容量，其性能介于傳統(tǒng)充電電池和普通電容器之間，可以在很短的時間內充滿電，同時又如其他充電電池一般可儲存大量電能。放電時利用移動導體間的電子（ 而不依靠化學反應） 釋放電流，從而為燈具提供電源。但是目前來說其價格太高，大容量供電不易實現，只能用來輔助蓄電池。

　　太陽電池的輸出功率隨天氣的變化而變化，這種不穩(wěn)定的充電電流影響了蓄電池壽命，無形中會提高系統(tǒng)成本，造成更多的環(huán)境污染。所以系統(tǒng)設計了超級電容這種可以快速充電、放電的中間元件。特別是在太陽光照射不強時，控制系統(tǒng)把太陽電池輸出的不穩(wěn)定的電能存儲在超級電容器里面，充滿之后再以恒定電流給蓄電池充電，這樣可以提高蓄電池的壽命，同時超級電容的儲能也可以在連續(xù)的陰雨天為路燈提供更多的能量，增加照明時間。

　　超級電容充電時間可以用下面公式計算：

　　式中，C 為電容器的額定容量； dv 為電容器工作電壓變化； I 為電容器充電電流； t 為電容器充電時間。

　　根據式（1） ，13. 5 V、480 F 的電容器充電時間為（ 充電電流為10 A）：

　　可以看出其充電時間是很短的，便于系統(tǒng)快速充電。

　　超級電容的放電時間由公式：

　　得到：

　　如果放電截止電壓為3. 5V，則放電時間為：

　　由式（2） 可以看出，超級電容器的儲能對負載放電可以達到1. 6 h，延長了系統(tǒng)的供電時間。

　　4 太陽能控制器的設計

　　太陽能路燈系統(tǒng)作為一種小型光伏系統(tǒng)，其控制器自身損耗電流應小于額定工作電流的1%，系統(tǒng)控制器電路的設計都選擇了低功耗元器件，采用的是由集成運放構成的電壓比較器作為控制電路，這種電路簡單可靠、維護方便、成本低并且電路本身功耗也極低，是一種匹配性很好的電路。這種電路的關鍵是針對蓄電池的充放電特性設計一個比較好的電壓回差，同時元器件的選擇要可靠，再加上發(fā)光二極管構成的充放電狀態(tài)指示電路，便成了一個具有實用功能的控制器電路，具有防蓄電池過放電、過充電功能。

　　控制系統(tǒng)在光伏控制器和充電控制器基礎上增加了超級電容，跨接在直流母線和地線之間，以便穩(wěn)定直流母線的電壓，并緩沖光電池提供的過大能量，然后放電給蓄電池，再提供給負載。

　　光伏控制器在設計時通常采用升壓電路，產生比光伏電池板兩端更高的電壓，以利于向蓄電池充電，同時也克服了傳統(tǒng)電路中防倒灌二極管將蓄電池電壓鉗位在12 V 的弊端。但當光照不足時，若要使蓄電池能夠繼續(xù)充電，該控制電路會導致光伏電池的工作點脫離最大功率輸出點，會使得光伏路燈系統(tǒng)的發(fā)電效率下降。因此設計控制系統(tǒng)時需預設弱光段的閾值，以實現在弱光下能通過超級電容緩沖來保證蓄電池正常充電的目的。

　　若直接采用光伏電池對蓄電池充電，當光照較弱且存在其他干擾因素時其輸出電壓會不穩(wěn)定，導致光伏電池在充電時難以保持在充電最小電壓上，最后導致系統(tǒng)在該光照范圍內不能對蓄電池正常充電。系統(tǒng)通過采用超級電容，把陰天時太陽電池的不穩(wěn)定的輸出能量蓄積起來，等到滿足一定的電壓條件時，通過升壓電路把超級電容中的能量釋放到蓄電池，升壓電路圖如圖2 所示。這種采用超級電容的方式可以提高在太陽光照射不強時的發(fā)電效率。

　　圖2 充電升壓電路

　　LED 的控制電路比較簡單，直流驅動即可，且其壽命可達10 萬h。但是，驅動電流的大小在很大程度上影響著LED 的壽命，如果電流太大，則可能引起LED 光衰現象嚴重，且壽命減少。故必須合理設計其驅動電路，如圖3 所示為用BUCK電路實現的LED 恒流控制電路。