超級電容在智能小區(qū)太陽能路燈系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　智能小區(qū)不只是高科技的應(yīng)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(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)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(chǔ)能電池、超級電容器、照明燈具和控制器等幾個(gè)部分構(gòu)成。

　　1 照明燈具及控制方式的設(shè)計(jì)

　　1.1 照明燈具的設(shè)計(jì)

　　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(nèi)，適合用于照明光源。LED 燈具壽命長，可達(dá)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(guān)。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(dá)450 lm/W，相當(dāng)于50 W 的白熾燈，可以達(dá)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(guān)控制方式主要有兩種： 定時(shí)控制和光照控制。

　　定時(shí)控制是設(shè)定每天的開、關(guān)燈時(shí)間后由系統(tǒng)自動(dòng)控制，但是隨著季節(jié)的變化需要不斷調(diào)整設(shè)定時(shí)間，否則就會(huì)出現(xiàn)天黑不亮燈，天亮不熄燈的情況，造成能源浪費(fèi)。光照控制是系統(tǒng)通過檢測光照度來開、關(guān)照明燈具，如光照度低于10 lx時(shí)開燈，高于10 lx 時(shí)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(guān)采用光照控制方式。

　　光照控制方式的工作時(shí)間和本地的緯度及當(dāng)天的太陽赤緯角有關(guān)，而且日出前半小時(shí)和日落前半小時(shí)，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?xí)r工作時(shí)間最長為12 h，夏至?xí)r工作時(shí)間最短為9h。可以看出，光照太陽能路燈工作時(shí)間變化不是太大，可以認(rèn)為是均衡性負(fù)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(yīng)有一定的傾角，即太陽電池板傾角。因?yàn)樘柟獾恼丈浣嵌入S時(shí)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(gè)系統(tǒng)來說至關(guān)重要，在太陽能路燈系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，要根據(jù)負(fù)載情況、當(dāng)?shù)貧夂驙顩r和經(jīng)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(fù)載近似為均衡性負(fù)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(shè)計(jì)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(dá)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(fù)載的需要。

　　以滄州市區(qū)過去10 ～ 20 年的氣象資料數(shù)據(jù)為依據(jù)，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(shí)所接收到的太陽輻照量，結(jié)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?yàn)橄募拘A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(chǔ)上適當(dāng)增加5° ～ 10°，效果會(huì)更好，而且有利于積雪滑落，減小維護(hù)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(shè)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(shí)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(chǔ)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(jià)格便宜的儲(chǔ)能器件還是鉛酸蓄電池，雖然超級電容優(yōu)點(diǎn)很多，可是其儲(chǔ)能量對于太陽能路燈系統(tǒng)來說，應(yīng)付連續(xù)的陰雨天還是不容易實(shí)現(xiàn)的。不過超級電容器可以輔助蓄電池更好地進(jìn)行工作，超級電容和蓄電池組成儲(chǔ)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(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　圖1 太陽能路燈系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

　　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(chǔ)能設(shè)備，其容量大小直接關(guān)系到照明時(shí)間的長短，對蓄電池組選擇的依據(jù)主要是額定電壓和額定容量。蓄電池容量的計(jì)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(shù)，取6 天； F 為蓄電池組放電效率的修正系數(shù)，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(jù)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(fù)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(shí)際使用中連續(xù)7 個(gè)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(chǔ)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(shù)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(shí)間內(nèi)充滿電，同時(shí)又如其他充電電池一般可儲(chǔ)存大量電能。放電時(shí)利用移動(dòng)導(dǎo)體間的電子（ 而不依靠化學(xué)反應(yīng)） 釋放電流，從而為燈具提供電源。但是目前來說其價(jià)格太高，大容量供電不易實(shí)現(xiàn)，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(huì)提高系統(tǒng)成本，造成更多的環(huán)境污染。所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(qiáng)時(shí)，控制系統(tǒng)把太陽電池輸出的不穩(wěn)定的電能存儲(chǔ)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(shí)超級電容的儲(chǔ)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(shí)間。

　　超級電容充電時(shí)間可以用下面公式計(jì)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(shí)間。

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

　　可以看出其充電時(shí)間是很短的，便于系統(tǒng)快速充電。

　　超級電容的放電時(shí)間由公式：

　　得到：

　　如果放電截止電壓為3. 5V，則放電時(shí)間為：

　　由式（2） 可以看出，超級電容器的儲(chǔ)能對負(fù)載放電可以達(dá)到1. 6 h，延長了系統(tǒng)的供電時(shí)間。

　　4 太陽能控制器的設(shè)計(jì)

　　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(yīng)小于額定工作電流的1%，系統(tǒng)控制器電路的設(shè)計(jì)都選擇了低功耗元器件，采用的是由集成運(yùn)放構(gòu)成的電壓比較器作為控制電路，這種電路簡單可靠、維護(hù)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(guān)鍵是針對蓄電池的充放電特性設(shè)計(jì)一個(gè)比較好的電壓回差，同時(shí)元器件的選擇要可靠，再加上發(fā)光二極管構(gòu)成的充放電狀態(tài)指示電路，便成了一個(gè)具有實(shí)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(chǔ)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(fù)載。

　　光伏控制器在設(shè)計(jì)時(shí)通常采用升壓電路，產(chǎn)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(shí)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(dāng)光照不足時(shí)，若要使蓄電池能夠繼續(xù)充電，該控制電路會(huì)導(dǎo)致光伏電池的工作點(diǎn)脫離最大功率輸出點(diǎn)，會(huì)使得光伏路燈系統(tǒng)的發(fā)電效率下降。因此設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)需預(yù)設(shè)弱光段的閾值，以實(shí)現(xiàn)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(dāng)光照較弱且存在其他干擾因素時(shí)其輸出電壓會(huì)不穩(wěn)定，導(dǎo)致光伏電池在充電時(shí)難以保持在充電最小電壓上，最后導(dǎo)致系統(tǒng)在該光照范圍內(nèi)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(shí)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(shí)，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(qiáng)時(shí)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(qū)動(dòng)即可，且其壽命可達(dá)10 萬h。但是，驅(qū)動(dòng)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(xiàn)象嚴(yán)重，且壽命減少。故必須合理設(shè)計(jì)其驅(qū)動(dòng)電路，如圖3 所示為用BUCK電路實(shí)現(xiàn)的LED 恒流控制電路。