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超级电容在太阳能路灯设计中的应用

导读: 太阳能路灯系统在道路照明中有很高的价值。使用超级电容的太阳能LED路灯系统属于复合能源系统,该系统中的电能传输需要在线控制以保证系统的正常运行。图1为超级电容的太阳能LED路灯的系统结构。

  1 引言

 

  太阳能路灯系统在道路照明中有很高的价值。使用超级电容的太阳能LED路灯系统属于复合能源系统,该系统中的电能传输需要在线控制以保证系统的正常运行。图1为超级电容的太阳能LED路灯的系统结构。控制器作为核心部件管理着各个部件之间的能量传输。为保证蓄电池充放电可靠、高效,同时满足照明需求,控制器需要对系统中的电能进行管理。在弱太阳光照的情况下,由于光伏电池产生的能量不稳定,不能有效的对蓄电池充电。

  若选择合适的控制方式,使光伏电池产生的能量先蓄积在超级电容里,到适当的时候再将存储的能量通过脉冲或恒流的方式向蓄电池充电,可以有效的提高系统的太阳能利用率。所以合适有效的控制策略是该控制器的关键技术。

  本文在独立式光伏路灯系统简单计算方法的基础上,以提高在弱太阳光光照情况下发电效率为目标,提出一种采用了超级电容的独立光伏系统设计方法。本文通过对使用超级电容的太阳能LED路灯系统各部分组件进行建模,在有充放电控制器控制的情况下,使用计算机仿真对比在各种太阳光照情况下系统的发电情况,其验证结果向使用超级电容的太阳能LED路灯的配置设计提供理论依据。

 

  2 系统分析与设计

 

  使用超级电容的太阳能LED路灯系统由光伏电池阵列、光伏控制器、超级电容、充电控制器、蓄电池、电流变换器、LED负载组成,连接结构如图1所示。超级电容跨接在直流母线和地线之间,用于保持直流母线的电压,并缓冲光伏电池提供的过大能量,在适当的时候放电以满足蓄电池的充电需要和负载的供电需要。

 

  

 

  2.1 光伏电池特性分析

  光伏电池等效电路模型如图2所示。

 

  

 

  图2中Iph为光生电流,IVD为流过二极管的电流,VD为Rsh的端电压,Rsh和Rs为等效的并联电阻和串联电阻,V、Is分别为光伏电池元的输出电压和电流。根据此等效模型可得到光伏电池的数学模型,并根据数学模型得到光伏电池特性曲线,如下图3所示。

 

  

 

  图3a为光伏电池在不同光照下的电流-电压(I-V)曲线,图3b为光伏电池在不同光照下功率-电压(P-V)曲线。如图3.b所示,在一定的光照情况和节点温度下,光伏电池有唯一的发电最大功率点,因此需要光伏控制器进行最大功率跟踪(MPPT)控制以获得最大发电效率。

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