超级电容在太阳能路灯设计中的应用
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，不能大功率电感贴片电感器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工字电感器、光伏控制器、超级电容、充电感生产厂家电控制器、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－电感器生产厂家电压（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直插电感最大功率跟踪（MPPT）控制以获得最大发电效率。
2.2 光伏控制器的分析
光伏控制器在设计时通常采用boost升压电路，以产生比光伏电池板两端更高的电压，以利于向蓄电池充电；但当光照不足时，若要使蓄电池能够继续充电，该控制电路会导致光伏电池的工作点脱离最大功率输出点，但这样又会使得光伏路灯系统的发电效率下降。因此设计控制系统时需预设弱光段的阈值，以实现在弱光下能通过超级电容缓冲来保证蓄电池正常充电的目的。
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