| HCC超級電容在智能小區(qū)太陽能路燈上的應用 |
| 2011-12-22 中國冷鏈物流網(wǎng)（www.jsslwood.com） |
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(guān)系到照明時間的長短，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(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，可以在很短的時間內(nèi)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(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(jù)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(gòu)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(guān)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(gòu)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(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(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(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(qū)動即可，且其壽命可達10 萬h。但是，驅(qū)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(xiàn)象嚴重，且壽命減少。故必須合理設計其驅(qū)動電路，如圖3 所示為用BUCK電路實現(xiàn)的LED 恒流控制電路。
圖3 LED 的恒流控制電路
5 防雷接地的設計
LED 路燈的工作電壓為12 V，屬于安全電壓，不做電氣保護接地。但LED 路燈金屬燈桿應做防雷接地，接地電阻經(jīng)測試為8 Ω，符合要求。
太陽能路燈照明系統(tǒng)的配置本智能小區(qū)的一盞太陽能路燈的系統(tǒng)基本配置如表2 所示：
6 結(jié)束語
智能小區(qū)太陽能路燈系統(tǒng)投入運行后，10 W的新型LED 光源足夠用來照明，超級電容的應用能夠保證給蓄電池合理充電，提高了充電效率，延長儲能元器件的壽命，特別是陽光不太充足的時候，系統(tǒng)能夠更好地存儲能量，其儲能可以連續(xù)供照明燈具使用7 天。系統(tǒng)的設計始終遵循智能建筑“節(jié)能和環(huán)保”的理念，應用了太陽能、長壽命的LED 光源和超級電容。如果再增加25 只超級電容器，則電容儲能可以供給路燈一天的照明，隨著超級電容容量的擴大和價格的降低，將其用做儲能元件是可行的，智能小區(qū)的太陽能路燈系統(tǒng)也是對超級電容器應用的一個嘗試。
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