超級電容在太陽能路燈設計中的應用

　　由于該電路為升壓電路，G最小值為1，可得K取值必須小于0.25。在系統設計時根據蓄電池參數，由式（6）算出，能對蓄電池充電的升壓電路最小輸入電壓為：

　　式（7）中，Voc為蓄電池最低充電電壓。

　　若直接采用光伏電池對蓄電池充電，則當光照較弱時，為了追蹤最大功率，在存在其他干擾因素的同時其輸出電壓會不穩定，導致光伏電池在充電時難以保持在Vzmin上，最后導致系統在該光照范圍內不能對蓄電池正常充電。如圖6中兩曲線分別為晴、陰兩種情況下100W光伏電池可產生的最大功率曲線；陰天的時候，光伏電池在最大功率跟蹤情況下，輸出功率在較低功率B、C區間內抖動，造成對蓄電池充電不可控。本文通過采用超級電容，把這部分不穩定的輸出能量蓄積起來，再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。這種采用超級電容的方式可以提高在弱太陽光照下的發電效率。

　　3 充電控制策略及超級電容參數

　　3.1 充電控制策略

　　圖7為蓄電池充電控制策略。該策略在低光照情況下采用超級電容電壓的滯環比較控制策略，以超級電容兩端電壓作為反饋采樣信號。若超級電容兩端電壓低于設定下限值Voff，則停止向蓄電池充電，光伏控制器采用最大功率跟蹤對超級電容充電；當超級電容電壓充到足夠大為Von時（Von>Voff），以蓄電池的三段式10小時充電法向蓄電池充電；若此時持續低光照，則當超級電容電壓重新下降到下限值Voff時，再次停止向蓄電池充電，如此循環；在足夠光照情況下，當超級電容的電壓超過Von時，系統對蓄電池以三段式10小時充電法充電，同時超級電容電壓也會繼續上升，這時控制器保持超級電容的電壓值不超過新的上限值Vmax。

　　3.2 充電參數計算

　　獨立式光伏系統在設計時，需要考慮該系統應用場所的日照條件、電氣設備等。然后根據負載所消耗能量決定光伏電池容量和蓄電池容量。

　　在獨立式太陽能路燈系統中，光伏電池的容量選擇如下式（8）：

　　蓄電池的容量選擇如下式（9）：

　　式（8）（9）中I為負載所需電流，T為負載每日工作小時數。Ta為平均日照時間。t為連續雨天數，Ksafe為安全系數，Ksoc為蓄電池容許放電深度，η為變換器效率。按三段式10小時充電法，在恒流充電階段，充電電流icharge為0.1Cbattery。則恒流充電階段，充電功率為：

　　按光伏電池容量可得其滿功率工作時輸出功率為：

　　由上，采用超級電容電壓滯環比較控制法，超級電容向蓄電池充電一次最短時間為td，根據能量守恒有：

　　在本系統中光伏控制器和采用boost電路。由式（7）可得根據光伏電池的弱光下最大功率點工作電壓計算Von上限。根據蓄電池浮充電壓及超級電容的漏電流確定Voff。最后可得超級電容的容量：

　　4 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（9）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。