超級電容在太陽能路燈設計中的應用

太陽能路燈系統在道路照明中有很高的價值。使用超級電容的太陽能LED路燈系統屬于復合能源系統，該系統中的電能傳輸需要在線控制以保證系統的正常運行。圖1為超級電容的太陽能LED路燈的系統結構。控制器作為核心部件管理著各個部件之間的能量傳輸。為保證蓄電池充放電可靠、高效，同時滿足照明需求，控制器需要對系統中的電能進行管理。在弱太陽光照的情況下，由于光伏電池產生的能量不穩定，不能有效的對蓄電池充電。

若選擇合適的控制方式，使光伏電池產生的能量先蓄積在超級電容里，到適當的時候再將存儲的能量通過脈沖或恒流的方式向蓄電池充電，可以有效的提高系統的太陽能利用率。所以合適有效的控制策略是該控制器的關鍵技術。

本文在獨立式光伏路燈系統簡單計算方法的基礎上，以提高在弱太陽光光照情況下發電效率為目標，提出一種采用了超級電容的獨立光伏系統設計方法。通過對使用超級電容的太陽能LED路燈系統各部分組件進行建模，在有充放電控制器控制的情況下，使用計算機仿真對比在各種太陽光照情況下系統的發電情況，其驗證結果向使用超級電容的太陽能LED路燈的配置設計提供理論依據。

2 系統分析與設計

使用超級電容的太陽能LED路燈系統由光伏電池陣列、光伏控制器、超級電容、充電控制器、蓄電池、電流變換器、LED負載組成，連接結構如圖1所示。超級電容跨接在直流母線和地線之間，用于保持直流母線的電壓，并緩沖光伏電池提供的過大能量，在適當的時候放電以滿足蓄電池的充電需要和負載的供電需要。

3 仿真實驗

仿真實驗示例采用60WLED路燈，按以下參數設計：路燈連續工作時間為8小時，平均日照時間為4小時，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，根據式計算得蓄電池容量為：157Ah。光伏電池發電容量為：188W。選用開路電壓為17V的光伏電池。由前面的推導選擇Von=40V，Voff=30V。由公式（13）計算，為保證每蓄電池充電一次持續時間至少為60s，超級電容值需大于0.127F。

采用帶有功率跟蹤的光伏電池控制器，把光伏電池上的電能傳輸到直接并聯超級電容的直流母線上。同時電能通過蓄電池充放電控制器給蓄電池充電。模型主要有PV模塊、LED模塊、直流母線模塊、蓄電池模塊、超級電容積分模塊、蓄電池充電控制器模塊。

把超級電容值設置為0，則可以仿真直接boost電路充電方式不采用超級電容系統，分別模擬陰天和晴天光照情況下蓄電池充電電流、及蓄電池電壓。在陰天弱光照情況下，系統發電能力受到系統自身損耗影響很大，其啟動所需要的光照強度高。

在晴天較強光照情況下，系統能在高工作效率狀態下工作。

在陰天弱光照情況下，超級電容充放電次數較少，蓄電池電壓呈階梯狀上升。在晴天強光照下，超級電容充放電次數多。

對比兩種系統結構，從蓄電池最終電壓可以看出，弱光照情況下，使用超級電容系統的光伏電池的利用率上升，蓄電池電壓變化值約為不采用超級電容的蓄電池電壓變化值的120%，即在弱光照下，系統的光伏發電效率提高了大約20%。而在晴天，有足夠光照的情況下，雖然在早晚光照較弱時，其發電能力得到提高，但由于多引入一級變換器，在較高功率下，采用超級電容沒有對系統的發電效率有明顯的提高。由上，采用超級電容的獨立光伏系統在光照不足的地區能對發電能力有明顯的改善。

4 結論

在獨立式光伏系統簡單計算方法的基礎上，提出采用了超級電容的獨立光伏系統的設計算法。

通過對使用超級電容的太陽能LED路燈系統各部分組件進行建模，在采用充放電控制器控制情況下，使用計算機仿真對比在各種太陽光照情況下系統的發電情況。仿真結果證明，使用該方法可以有效提高在弱太陽光照情況下的光伏系統發電效率，從而向使用超級電容的太陽能LED路燈的配置設計提供了理論依據。