超级电容在太阳能路灯设计中的应用

　　由于该电路为升压电路，G最小值为1，可得K取值必须小于0.25。在系统设计时根据蓄电池参数，由式（6）算出，能对蓄电池充电的升压电路最小输入电压为：

　　式（7）中，Voc为蓄电池最低充电电压。

　　若直接采用光伏电池对蓄电池充电，则当光照较弱时，为了追踪最大功率，在存在其他干扰因素的同时其输出电压会不稳定，导致光伏电池在充电时难以保持在Vzmin上，最后导致系统在该光照范围内不能对蓄电池正常充电。如图6中两曲线分别为晴、阴两种情况下100W光伏电池可产生的最大功率曲线；阴天的时候，光伏电池在最大功率跟踪情况下，输出功率在较低功率B、C区间内抖动，造成对蓄电池充电不可控。本文通过采用超级电容，把这部分不稳定的输出能量蓄积起来，再到满足一定的电压条件时，通过升压电路把超级电容中的能量释放到蓄电池。这种采用超级电容的方式可以提高在弱太阳光照下的发电效率。

　　3 充电控制策略及超级电容参数

　　3.1 充电控制策略

　　图7为蓄电池充电控制策略。该策略在低光照情况下采用超级电容电压的滞环比较控制策略，以超级电容两端电压作为反馈采样信号。若超级电容两端电压低于设定下限值Voff，则停止向蓄电池充电，光伏控制器采用最大功率跟踪对超级电容充电；当超级电容电压充到足够大为Von时（Von>Voff），以蓄电池的三段式10小时充电法向蓄电池充电；若此时持续低光照，则当超级电容电压重新下降到下限值Voff时，再次停止向蓄电池充电，如此循环；在足够光照情况下，当超级电容的电压超过Von时，系统对蓄电池以三段式10小时充电法充电，同时超级电容电压也会继续上升，这时控制器保持超级电容的电压值不超过新的上限值Vmax。

　　3.2 充电参数计算

　　独立式光伏系统在设计时，需要考虑该系统应用场所的日照条件、电气设备等。然后根据负载所消耗能量决定光伏电池容量和蓄电池容量。

　　在独立式太阳能路灯系统中，光伏电池的容量选择如下式（8）：

　　蓄电池的容量选择如下式（9）：

　　式（8）（9）中I为负载所需电流，T为负载每日工作小时数。Ta为平均日照时间。t为连续雨天数，Ksafe为安全系数，Ksoc为蓄电池容许放电深度，η为变换器效率。按三段式10小时充电法，在恒流充电阶段，充电电流icharge为0.1Cbattery。则恒流充电阶段，充电功率为：

　　按光伏电池容量可得其满功率工作时输出功率为：

　　由上，采用超级电容电压滞环比较控制法，超级电容向蓄电池充电一次最短时间为td，根据能量守恒有：

　　在本系统中光伏控制器和采用boost电路。由式（7）可得根据光伏电池的弱光下最大功率点工作电压计算Von上限。根据蓄电池浮充电压及超级电容的漏电流确定Voff。最后可得超级电容的容量：

　　4 仿真实验

　　仿真实验示例采用60WLED路灯，按以下参数设计：路灯连续工作时间为8小时，平均日照时间为4小时，安全系数为0.76，光伏控制器效率为0.85，连续雨天数为4日，蓄电池允许放电深度为0.5，充电控制器效率为0.85。若选用48V蓄电池，根据式（9）计算得蓄电池容量为：157Ah。光伏电池发电容量为：188W。选用开路电压为17V的光伏电池。由前面的推导选择Von=40V，Voff=30V。由式（13）计算，为保证每蓄电池充电一次持续时间至少为60s，超级电容值需大于0.127F。