超級電容在太陽能路燈設計中的應用

　1 引言

　　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。本文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。

　　2.1 光伏電池特性分析

　　光伏電池等效電路模型如圖2所示。

　　圖2中Iph為光生電流，IVD為流過二極管的電流，VD為Rsh的端電壓，Rsh和Rs為等效的并聯電阻和串聯電阻，V、Is分別為光伏電池元的輸出電壓和電流。根據此等效模型可得到光伏電池的數學模型，并根據數學模型得到光伏電池特性曲線，如下圖3所示。

　　圖3a為光伏電池在不同光照下的電流－電壓（I-V）曲線，圖3b為光伏電池在不同光照下功率－電壓（P-V）曲線。如圖3.b所示，在一定的光照情況和節點溫度下，光伏電池有唯一的發電最大功率點，因此需要光伏控制器進行最大功率跟蹤（MPPT）控制以獲得最大發電效率。