| HCC超級電容在智能小區太陽能路燈上的應用 |
| 2011-12-22 中國冷鏈物流網（www.m.kk7885.com） |
3.1 蓄電池組容量的選擇
在太陽能路燈系統中，蓄電池是儲能設備，其容量大小直接關系到照明時間的長短，對蓄電池組選擇的依據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，取6 天； F 為蓄電池組放電效率的修正系數，通常取1. 05; Q 為日用電量，單位為W·h，本系統取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為系統工作電壓，取12 V。
根據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，擁有大至數千法的電容量，其性能介于傳統充電電池和普通電容器之間，可以在很短的時間內充滿電，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，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，這種不穩定的充電電流影響了蓄電池壽命，無形中會提高系統成本，造成更多的環境污染。所以系統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，控制系統把太陽電池輸出的不穩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，延長了系統的供電時間。
4 太陽能控制器的設計
太陽能路燈系統作為一種小型光伏系統，其控制器自身損耗電流應小于額定工作電流的1%，系統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，再加上發光二極管構成的充放電狀態指示電路，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的發電效率下降。因此設計控制系統時需預設弱光段的閾值，以實現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，最后導致系統在該光照范圍內不能對蓄電池正常充電。系統通過采用超級電容，把陰天時太陽電池的不穩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電效率。
圖2 充電升壓電路
LED 的控制電路比較簡單，直流驅動即可，且其壽命可達10 萬h。但是，驅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 光衰現象嚴重，且壽命減少。故必須合理設計其驅動電路，如圖3 所示為用BUCK電路實現的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，接地電阻經測試為8 Ω，符合要求。
太陽能路燈照明系統的配置本智能小區的一盞太陽能路燈的系統基本配置如表2 所示：
6 結束語
智能小區太陽能路燈系統投入運行后，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，系統能夠更好地存儲能量，其儲能可以連續供照明燈具使用7 天。系統的設計始終遵循智能建筑“節能和環保”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，智能小區的太陽能路燈系統也是對超級電容器應用的一個嘗試。
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