00一种基于超级电容的太阳能装饰灯的设计与实现
使用超级电容的太阳能路灯系统的仿真研究
照 明工 程 学 报
ＺＨＡ０ＭＩ ＮＧ Ｇ ＯＮＧＣＨＥＮＧ ＸＵＥＢＡ０
Ｊ ｎ． ｕ
２ ０ ０１
第 ２ 卷 １
第 ３期
Ｖｏ． Ｎｏ ３ １２ｌ ．
ห้องสมุดไป่ตู้
周 昶 马 磊 吴 春 泽 林 燕 丹 孙 耀 杰
（ 旦大 学 信 息 学 院 光 源与 照 明 工 程 系 ，上 海 复 ２ ０３ ） ０ ４ ３
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灯 系统 主要 由光伏 电池 极板 、储 能装 置 、光 源灯 具
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超级电容充电装置的研究与设计
超级电容充电装置的研究与设计超级电容充电装置的研究与设计引言超级电容器，又称超级电容（supercapacitor），是一种能量存储装置，其具有高功率密度、储能效率高和长寿命等优点。
在现代科技的发展中，超级电容器正逐渐成为替代传统电池的重要能量存储元件。
为了使超级电容器在实际使用中具有更好的性能，研究与设计超级电容充电装置变得尤为重要。
一、超级电容器的特点超级电容器是一种特殊的电容器，具有以下几个显著特点： 1. 高功率密度：超级电容器的特殊结构和电化学体系使其能够在短时间内释放出大量的电能，具有很高的功率密度。
2. 长寿命：与传统电池相比，超级电容器具有更长的循环寿命。
这是因为超级电容器的储能原理是通过离子在电解质中的迁移，而非传统电池的化学反应。
3. 快速充放电：超级电容器的充放电速度非常快，通常只需要几秒钟到几分钟就能完成，能够应对短时间大功率需求。
二、超级电容充电装置的研究1. 充电电路超级电容充电装置的核心是充电电路，其设计必须满足充电过程中的电流和电压要求。
通常，充电电路采用开关电源与直流稳压电源相结合的方式，以确保超级电容器在充电过程中能够保持稳定。
2. 充电模式常见的超级电容充电模式有恒压充电和恒流充电。
恒压充电是通过将电容器连接到一个固定电压源来实现充电，而恒流充电则是通过控制充电电流来实现的。
不同的充电模式对超级电容的充电速度和充电效果有影响，因此选择适合的充电模式非常重要。
三、超级电容充电装置的设计1. 充电电压选择超级电容器的电压范围通常在2.5V到5.5V之间，因此在设计充电装置时，需要选择一个适宜的充电电压。
充电电压过高，可能会导致电容器电解质的损坏；充电电压过低，则会增加充电时间。
2. 充电电流控制为了保护超级电容器和延长其使用寿命，控制充电电流非常重要。
通常，充电电流控制在超级电容器额定电流的80%左右，以防止电流过大对超级电容器的损害。
3. 充电时间超级电容器的充电时间与充电电流和电容器的电容量有关。
法拉电容太阳能储能
法拉电容，也称为超级电容器，是一种储能元件，具有高功率密度、快速充放电能力以及长寿命等特点。
在太阳能储能系统中，法拉电容可以发挥以下作用：
1. 瞬时功率补偿：由于太阳能发电系统的输出功率受到光照强度的影响，会存在不稳定性。
法拉电容可以迅速吸收太阳能电池在光照充足时产生的多余能量，并在光照减弱或需求高峰时迅速释放存储的能量，提供瞬间功率支持。
2. 循环寿命长：相比于传统的二次电池如铅酸电池、锂电池等，法拉电容的充放电循环次数可达数十万次以上，极大地延长了储能设备的使用寿命，特别适合频繁充放电的场景。
3. 提高系统效率：利用法拉电容的大电流充放电特性，可以优化能源管理系统，减少转换过程中的能量损失，提高整个太阳能储能系统的运行效率。
4. 负载平滑：在太阳能供电的小型系统（例如太阳能草坪灯）中，法拉电容能有效平滑因环境变化导致的电源波动，确保供电稳定。
然而，法拉电容的单位质量或体积的能量密度通常低于锂离子电池等储能技术，即同等重量或体积下，其储存的能量总量相对较少。
因此，在实际应用中，法拉电容常常与其它类型的储能设备结合使用，以互补优势，实现更优的储能和供能效果。
超级电容技术应用于高校光伏路灯的探索
上海节能SHANGHAI ENERGY CONSERVATION 超级电容技术应用于高校光伏路灯的探索朱卫东'孙仲良21.东华大学；2.华东理工大学摘要：太阳能光伏发电技术应用于路灯照明作为节能环保之举一直为业内所关注。
整个项目涉及光源的选择，不同光源的灯具、器材以及施工要求不尽相同。
其中，储能技术的选择、储能系统设备的优劣直接影响路灯的使用寿命，照明效果对可再生能源的利用效率与环保直接相关。
以上海某高校在太阳能光伏路灯的实践应用中采用超级电容作为储能元件的应用实例，阐述整个路灯照明系统利用超级电容技术（器具）在微光产能状态下利用涓流储存等特性解决了连续阴雨天的极端恶劣天气情况下，传统太阳能路灯无法正常工作的问题。
超级电容作为储能元件与光伏微光产能技术结合可以给光伏路灯在长期阴雨天的状况下正常工作提供保障，可实现路灯的绿色照明、高效节能、低碳环保和长年的安全运行提供保障。
关键词：路灯；节能；光伏发电；超级电容；可再生能；微光DOI:10.13770/j.c n ki.iss n2095-705x.2020.05.007Exploration of Super Capacitor Technology Applied to Photovoltaic Street Lamps in Colleges and UniversitiesZHU Weidong1,SUN Zhongliang21.Donghua University2.East China University of Science and TechnologyAbstract:The application of solar photovoltaic power generation technology in street lighting as an energy saving and environmental protection move has always been the focus of the industry.The entire project involves the selection of light mps of different light sources,equipment and construction requirements.Among them,the choice of energy storage technology,the quality of energy storage system equipment directly affects the service life of street lamps,and the use of renewable energy by lighting effects is directly related to environmental protection.This article uses an example of a university in Shanghai to use super capacitors as energy storage elements in the practical application of solar photovoltaic street lamps.The problem of traditional solar street lights not working under the extreme bad weather conditions in continuous rainy days.The combination of supercapacitors as energy storage elements and photovoltaic low-light capacity technology can guarantee the normal opera2020年第05期SHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能No.052020tion of photovoltaic street lights in long-term rainy days.It can guarantee the green lighting of street lamps,high efficiency and energy saving,low carbon environmental protection and long-term safe operation.Key words:Street Light;Energy Saving;Photovoltaic Power Generation;Super Capacitor;Renewable Energy; Low Light0前言太阳能是地球上最直接最普遍也是最清洁的能源，并且太阳能在路灯照明系统方面的应用已经逐渐形成规模，但是传统太阳能路灯在实际应用中通常存在受光伏板配置局限，导致阴雨天无法正常使用。
毕业设论文太阳能交通灯设计说明
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20年月日
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四川科技职业学院毕业设计(论文)任务书
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题目来源
实习实践（）理论研究（）
一、基本任务与要求
第二章太阳能交通灯总体设计
太阳能交通灯的设计是由用户（主要是交通部门）来决定的，交通灯部门确定在某一区，某一路口，某一环境下安装和使用太阳能交通灯，会根据这一地区、所选的环境和该路口的车流量的大小和时间分布确定的。因为当我们选用不同大小的交通灯（这里指交通灯的LED灯）和交通灯的转换时间是根据这个路口的车流量来确定的，而不同大小的LED交通灯又决定了所选用太阳能电池板的大小。
本系统采用太阳能供电，采用单片机自动控制交通信号灯及时间显示，介绍了太阳能供电系统；设计了自动控制交通信号灯的硬件电路，并给出了相应的软件和流程图。
关键词：太阳能电池板；蓄电池；充放电控制；单片机；交通信号灯
第一章
1.1太阳能交通灯设计的目的和意义
交通灯是为了加强道路交通管理，减少交通事故的发生，提高道路使用效率，改善交通状况的一种重要工具。适用于十字、丁字等交叉路口，由道路交通信号控制机控制，指导车辆和行人安全有序地通行。常规的交通灯是由安装电线和铺设电缆即用市电作为动力来源的，这样不仅安装繁琐，耗时耗力，而且浪费能源，不稳定性和可靠性都是很差的，且不能适合中国可持续发展战略。而太阳能交通灯是一种利用太阳能作为能源的交通灯，太阳能是地球上最直接最普遍也是最清洁的能源，随着世界能源危机的加剧，各国都在寻求解决能源危机的办法，一条道路是寻求新能源和可再生能源的利用；另一条是寻求大量的节能技术，降低能源的消耗，提高能源的利用效率。太阳能交通灯即可用于城镇公园、道路、草坪的照明，又可用于人口分布密度较小，交通不便经济不发达、缺乏常规燃料，难以用常规能源供电的地区。太阳能交通灯系统由太阳能电池组件部分（包括支架）、LED灯头、控制箱（内有控制器、蓄电池）和灯杆几部分构成，控制箱箱体以不锈钢为材质，美观耐用；控制箱内放置免维护铅酸蓄电池（本系统选用阀控密封式铅酸蓄电池，由于其维护很少，故又被称为“免维护电池”，有利于系统维护费用的降低；充放电控制器在设计上兼顾了功能齐备，具备光控、时控、过充保护、过放保护和反接保护等，与成本控制，实现很高的性价比。）和充放电控制器。同时，LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，所以发光效率高，一般人都认为，节能灯可节能4/5是伟大的创举，但LED比节能灯还要节能1/4，这是一个历史上更伟大的改革。太阳能LED交通灯集成了太阳能与LED优点。
超级电容参考设计
超级电容参考设计针对高分辨率照相手机的LED闪光灯超级电容参考设计发布商:Advanced Analogic Technologies 2008年11月19日手机正在变成终极集大成便携式消费电子平台。
它的性能包括：捕捉高质量图像、Wi-Fi网络访问、清脆的音频、更长的通话时间、以及更长的电池寿命。
不过，一个主要的设计挑战也正在浮现出来。
为了适应高度复杂的移动应用，手机电池仍然需要费很大的力气才能提供足够的峰值功率，这就推动了可为高性能操作提供所需功率的电路的需求，这种电路可以在不过载电池的前提下在短时间内储存大电流。
对高级照相手机制造商来说，最重要的挑战就是提供高亮度相机闪光灯所需的大峰值电流。
随着照相手机的分辨率增长到三百万像素及以上，产生高质量图像所需的光通量也已急剧提高。
为了匹配数码相机的照片质量，必须以高达2A的电流驱动LED闪光灯，或将氙气闪光管充电到330V以上。
手机的其他应用（包括RF功放、GPS导航、互联网访问、音乐和视频）也有可能超过电池电流的供应能力。
设计挑战照相手机在中度到低度光照条件下需要一个高亮度闪光灯来产生曝光充分的图片。
设计师可以选择LED或氙气闪光管，但它们两者都有相应的挑战。
大电流LED闪光灯需要4倍于电池提供的功率，才能产生高分辨率图像所需的光亮度。
为了克服功率限制问题，一些照相手机已经采用更长的闪光曝光时间来补偿光通量的不足，而这会导致图片的模糊。
氙气闪光管可提供很好的光照度，但它的闪光曝光时间很短，因此不能用于视频捕捉/电影模式功能。
它所需的电解储存电容对纤薄型设计来说体积太大、工作电压很高，两次闪光之间需要较长时间才能充满电，不能用于手机中其他需要峰值功率的应用。
解决为每个LED闪光灯提供1～2A驱动电流问题的方法之一是，用一个电容来储存电流，并在不分流主电池的情况下快速供电。
不过，如果采用传统电容要储存大电流，不是需要一个体积非常大的大容量电容，就是需要多个并联起来的中等容量电容。
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2005⑥能源工程 -οϖ -收稿日期:2005-08-03
作者简介:詹宜巨(1955-),男,中山大学工学院教授,博士生导师。
一种基于超级电容的太阳能装饰灯的设计与实现詹宜巨1,王永华2,周 卫3(1.中山大学工学院,广东广州510275;2.广东工业大学自动化学院,广东广州510090;
3.广东科学院自动化工程研制中心,广东广州510070)
摘 要:详细介绍了一种基于超级电容的太阳能装饰灯的设计。在控制电路中采用了集成芯片TL431和81012A33S3,使得整个电路变的简单可靠,效率高。关键词:太阳能;装饰灯;超级电容中图分类号:TM615 文献标识码:A 文章编号:1004-3950(2005)06-0041-03
ThedesignofasolarlightemittingtilebasedonultracapacitorZHANYi2ju1,WANGYong2hua2,ZHOUWei3(1.FacultyofEngineering,SunYat2senUniversity,GuangZhou510275,China;
2.FacultyofAutomation,GuangDongUniversityofTechnology,GuangZhou510090,China;3.AutomationEngineeringR&MCenter,GuangdongAcademyofSciences,GuangZhou510070,China)Abstract:Thispaperintroducesasolarlightemittingtilebasedonultracapacitor.Inthecontrolcircuit,authorsadoptintegratecircuitTL431and81012A33S3,thewholecircuitissimple,reliableandhighefficiency.Keywords:solarenergy;lightemittingtile;ultracapacitor
太阳能装饰灯是一种用太阳电池为电源的装饰灯,无需安装其他电源,主动发光,能够根据环境光线的强弱自动控制灯的开关,具有安装方便、不用布线、工作稳定可靠、免维护、环保无污染、使用寿命长等特点,可广泛应用于城市道路、小区道路、工业园区、绿化带、广场、步行街、健身休闲广场等场所或建筑物表面的照明及亮化装饰。本文详细介绍了一种太阳能装饰灯的设计及实现。该太阳能装饰灯由太阳电池、超级电容、控制电路、光源组成。1 装饰灯的设计1.1 太阳能装饰灯光源的选择LED有长寿命、节能、安全、绿色环保等显著优点。LED寿命可以达到10万h以上,工作电压低,非常适合应用于太阳能装饰灯上。另外,LED由低压直流供电,其光源控制成本低,可以调节亮度,频繁开关,不会对LED的性能产生不良影响。我们选择了额定电压为3V、工作电流为15mA的超亮LED作为光源,其颜色有绿、蓝、白、红以及橙色可选。由于装饰灯内有反光板,每个装饰灯只需2个LED亮度足够。由于LED工作电压离散性大,同一型号、同一批次的LED工作电压都有一定差别,在并联时需要均流。1.2 太阳电池的选择太阳电池是依据半导体PN结的光伏效应原理把太阳能转化为电能的半导体器件,我们采用的是性价比比较好的单晶硅晶片太阳电池板。太阳电池的选择具体要根据灯的每天工作时间要求决定。太阳电池功率的计算如下:
LED的功率为3V×0.015A×2=0.09W,假设每天工作12h。设太阳电池功率为W
t,
效率为
15%,每天有效工作时间为3h,则:Wt
×3h×15%=0.09×12h
Wt=2.4W
考虑到阴雨天,实际选用5W、6V太阳电池。1.3 超级电容的选择由于太阳电池的输入能量极不稳定,同时太阳能装饰灯当周围光线弱时才发光,必须配置蓄
新能源及工艺© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net-οω -ENERGYENGINEERING2005⑥
电系统才能有效工作。现阶段普遍采用铅酸蓄电池、Ni2Cd蓄电池或Ni2H蓄电池,但采用蓄电池作为蓄电系统有许多缺陷:首先可充电型蓄电池最好的充电次数有限(小于1000次),影响其使用寿命;其次由于其化学结构影响不能进行大电流充电;第三蓄电池需要有防过充、防过放、温度补偿等控制电路,使得控制电路复杂;第四可充电型蓄电池利用化学反应来进行充放电,电池中的废物将对环境产生污染,不属于环保产品。本文中,我们选用超级电容作为储能元件。超级电容具有体积小、容量大的特点,在很小的体积下可达到法拉级的电容量,功率比及能量比高;无须特别的充电电路和控制放电电路,充电迅速,免维护;电压记忆特性好;与蓄电池相比过充、过放都不对其寿命构成负面影响,可靠性高、使用寿命长并且低温特性好,反复充放电可达数十万次;它是一种绿色能源;并且超级电容器可焊接,因而不存在象蓄电池那样接触不牢固等问题。本文中,我们选用了韩国NESSCAP公司生产的Pseudocap超级电容,具有较高的功率比和能量比、低的ESR(等效串联电阻)和较低的价格。采用了6个2.3V/120F的Pseudocap电容,其ESR(DC)只有20mΩ,直径18mm,高为40mm。电容的连接采用两两串联然后再并联的方式。超级电容器为同时充放电。超级电容器充电时间计算如下:C×dv=I×t(2.1)式中:C为电容器额定容量,F;dv为电容器工作电压变化,V;I为电容器充电电流,A;t为电容器充电时间,s。故单个2.3V120F超级电容器充电时间为(在电容充电电流为100mA的情况下):t=(C×dv)/I=(120×2.3)/0.1=2760s(2.2)因为电容的连接采用两两串联然后再并联,所以在充电时需要的电流为300mA。超级电容器放电时间为:C×dv-I×C×R=I×t(2.3)式中:R为电容器直流内阻,Ω;由此:6个2.3V120F超级电容器从2.3V放到0.45V放电时间为:t=C×(dv/I-R)=120×6×[(2.3-0.45)/0.03-0.02](2.4)=44385.6s1.4 控制电路的设计1.4.1 充电稳压电路充电稳压电路,我们选用了美国德仪公司的精密电压基准ICTL431。TL431控制精度高,具有低动态阻抗、在额定工作温度范围内温度自动补偿和输出电压低纹波、低噪音和高效率的特点,
并且其应用十分简便,只需外加电阻即可调节输出电压,其可调节输出电压的调节范围为2.5～36V。TL431内部含有一个2.5V的基准电压,当在REF端引入输出反馈时,器件可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流,控制输出电压。在图1
所示的电路中,当R1和R2的阻值确定时,两者对Vout的分压引入反馈,若Vout
增大,反馈量增大,
TL431的分流也就增大,从而导致V
out
下降。
充电稳压电路为图1所示。在图中:
Vout=Vref×(1+R1/R2)+Iref×R1
(2.5)
其中:Iref最大为10mA,在图1情况下,一般为μA
级。选择不同的R1和R2的值可以得到从2.5～36V范围内的任意电压输出。由于超级电容选择的额定电压为2.3V,并且是2个串联在一起,根据上面公式,考虑到Vout与电容之间的二极管压降,确定电阻R1为22KΩ,
电阻R2为27MΩ。
图1 充电稳压电路1.4.2 防止反充电控制电路
防止反充电控制电路保证在太阳电池输入电压低于超级电容电压时候,超级电容不会反向对太阳电池充电,以免造成不必要的能量损耗。反充电控制由图1中二极管D1来完成,这个二极管选用肖特基二极管,因为肖特基二极管的导通压降比普通二极管低。1.4.3 驱动LED升压稳压电路由于选用的LED额定电压为3V,而超级电容电压串联后为4.6V,并且超级电容在放电过程中电压会不断降低,有段时间会低于3V,因此需要有升压稳压电路来驱动LED。
新能源及工艺© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net2005⑥能源工程 -οξ -我们选用了高效低噪声PFM开关型DC/DC升压稳压器81012A33S3,81012A33S3是一种电压型PFM控制模式的DC2DC转换电路,其外部电路只需要一个电感、一个输出电容和一个肖特基二极管就可以提供稳定的低噪声输出电压。特点为:负载驱动能力极强、0.9V的极低启动电压、输出电压精度达到±2.5%以及效率达到80%。升压稳压电路电路如图2所示。图2 驱动LED的升压稳压电路81012A33S3DC/DC升压稳压器利用电感对能量的存储,并通过与输入端电源共同的泄放作用,从而获得高于输入电压的输出电压。当晶体管Lx导通时,DC/DC升压转换器在电感中存贮能量;当Lx断开时,电感释放能量,此时输出能量等于电感能量和电源能量,因此输出能获得比输入电压高的输出电压。选择合适的电感、电容和二极管可以获得高转换效率、低波纹、低噪声。根据81012A33S3的数据手册,选择100μH、小于0.5Ω的电感和47μF、ESR低的钽电容。用于整流的二极管对DC-DC的效率影响很大,本文采用了正向导通电压低、有较高切换速度的肖特基二极管1N5817。1.4.4 光控开关电路太阳能装饰灯需要光控开关电路来控制LED,当周围环境的光线变暗时,点亮LED,当光线变亮时,关闭LED。有些光控开关电路采用光敏电阻来开关LED,本文中,我们采用太阳电池做光敏开关,是因为太阳电池特性比光敏电阻好。光控开关电路如图3所示,图中74HC14为带施密特触发器的反相器。和LED串联的2个电阻阻值相同,起到均流作用。
图3 光控开关电路当光线变暗时,太阳电池电压降低,当降低到一定
程度时,Q1截止,74HC14的1脚为高电平,74HC14
的4脚同样为高电平,Q2导通,LED发光。当光线变亮时,太阳电池电压升高,当升高到一定程度时,Q1导通,74HC14的1脚为低电平,
74HC14的4脚同样为低电平,Q2截止,
LED关断。
2 结 语本文详细叙述了一种太阳能装饰灯的设计,
由于采用了超级电容和集成的稳压电路芯片,使得整个电路设计简单,可靠性高,属于绿色环保能源产品。另外,如果在电路中给LED串上适当的限流电阻,则LED的发光时间将相应延长。
参考文献:
[1] 任国灿.太阳能节能灯设计[J].仪器仪表用户,2003,(3):13-15.[2] 金步平,陈哲艮.家用太阳能光电照明系统[J].照明工程学报,2001,(1):25-27.