超级电容在太阳能—蓄电池系统中的应用

魏善义 徐恩胜 韦先声 苗洪利

中国海洋大学信息科学与工程学院，青岛 266100

超级电容在太阳能—蓄电池系统中的应用

魏善义 徐恩胜 韦先声 苗洪利

中国海洋大学信息科学与工程学院，青岛 266100

本文设计了将超级电容应用于传统太阳能-蓄电池系统的一种方案。太阳能电池交替给两组超级电容模组充电,同时，此两组超级电容模组交替给蓄电池充电。在单个超级电容模组内部，由6只单体超级电容组成，可以切换为6串和2串3并形式。实现对蓄电池脉冲充电，符合蓄电池最佳电流接收曲线。有利于提高充电效率和延长蓄电池使用寿命。

超级电容；太阳能电池；蓄电池；脉冲充电

随着人类社会对能源需求量的增大，能源危机提上日程，因为太阳能资源具有储量巨大、可再生的特点，一直为人们重视。目前铅酸蓄电池在太阳光伏能源系统中被普遍使用，不合理的充电方式会大大降低蓄电池的使用容量，缩短使用寿命[1]，因此，设计一种更好的接收太阳能和保护蓄电池的方案是光伏发电的必然趋势。本文从超级电容着手，设计了一种适合太阳能——蓄电池方案的传能储能系统。该系统可以更好地在光线较弱情况下吸收太阳能，并通过脉冲充电方式延长蓄电池寿命。

1 实验方法

实验采用额定20W单晶硅太阳能电池板1块，12V/12Ah铅酸蓄电池1块，100F/2.7V超级电容两组（每组6只）共12只，500W卤素灯1只，通过调节光源与太阳能电池板之间距离来模拟太阳光照。实验器件及仪器连接见图1。测量采用自行编制的LabVIEW 数据采集系统，通过数据采集卡实时监测并记录充放电过程中超级电容和蓄电池两端的电流、电压变化，并能累计充放电量。

图1 实验连接图

2 实验结果与分析

2.1 太阳能电池输出与光照关系

通过调节500W卤素灯与太阳能电池板距离，测得在不同光照强度下，电池板的开路输出电压、短路电流，见表1。

表1 太阳能电池输出及超级电容充电与光照关系

单只电容从2.08V到2.75V视为充满，C=100F，△V=0.67V。6只串联时，充电量满足 C.△V=I.△t ,而2只串联再3组并联时，充电量满足3C.△V=I.△t[2]。表1中的理论充满时间是将充电电流视为恒流。实际充电过程中，随着超级电容荷电状态的增加，充电电流会减小，这使得实际充电时间大于理论充电时间。由于实际充电时间存在很大的不确定性，此处理论充电时间可以近似替代实际充电时间。充满时间与光照的关系曲线见图2。

从图2曲线可以看到，光照在5500Lx以上（开路电压17.50V以上）时2串3并连接的充电方式并不快，因此宜采用6只串联方式充电。在较低光照下，特别在低于2000Lx光照下，完全串联方式已得不到充电电流，此时串并混联表现出优势。综上，当检测到超级电容充电电压高于17.50V时候，超级电容模组采用6只串联方式充电，当检测到超级电容充电电压低于17.50V时候，超级电容模组切换为2串3并方式充电。

图2 超级电容充电时间与光照的关系

图3 六只超级电容连接

2.2 超级电容模组内部串并联切换

太阳能电池板给超级电容充电时，根据太阳能电池充电电压的不同，超级电容模组采取不同的充电方式。而超级电容给12V蓄电池充电时,始终保持6只串联的状态。

在图3中，可实现6只超级电容的串并联切换，一种接法是6只串联，即所有双向开关拨向b端。另一种接法是每2只串联，3组再并联，即所有双向开关拨向a端。

图4 超级电容为蓄电池间歇脉冲充电

2.3 超级电容脉冲充电

超级电容对蓄电池多次循环充电的电压、电流变化关系如图4所示。

从图4中可以看出，每次充电时电容起始电压固定U0=16.50V，充电过程中，超级电容的电压在下降。通过多次充电，可以看到充电循环结束时的终止电压在不断上升。即完成了对蓄电池的充电。

已经有大量的试验研究，提出了蓄电池最佳充电接受曲线[3]，如果充电电流按最佳充电曲线变化，就可以大大缩短充电时间，提高充电效率[4]。当电流大于该曲线时，蓄电池出现极化现象（电流越大极化越严重），电解水加剧产生大量气泡，不但不能提高充电速度，还会造成极板不同程度的损坏[5]。

本实验中，每一循环的放电电流曲线符合蓄电池最佳电流接收曲线。可以有效保证充电的效率，延长蓄电池使用寿命。

3 结论

在太阳能—蓄电池系统中，采用超级电容模组作为太阳能电池板和蓄电池之间的能量传递器件。利用超级电容的充放电迅速、转换效率高、连接配置灵活等特性，通过多只超级电容串并联切换，可实现在较弱光照环境下，有效吸收太阳能量，提高太阳能利用效率。并且，使蓄电池的充电电流更加符合其最佳吸收曲线。实现对蓄电池的脉冲充电，改善蓄电池的充电质量，有效延长蓄电池的循环使用寿命。

[1]廖金华,李建黎.铅酸蓄电池充电技术综述[J].蓄电池.2010,47(3):132～139

[2]唐西胜,齐智平.基于超级电容器储能的独立光伏系统[J].太阳能学报.2006,27(11):

1097～1102

[3]李俄收,王远,吴文民.铅酸蓄电池充电技术的研究[J].蓄电池.2010,47(5):253～258

[4]王艳茹,李文坡,陈杰.脉冲充电提高铅蓄电池充电效率的研究[J].电池工业.2010,15(4)222～225

[5]唐西胜,武鑫,齐智平.超级电容器蓄电池混合储能独立光伏系统研究[J].太阳能学报.2007,28(2):178～182

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.18.008

国家大学生创新性实验计划资助项目

魏善义（1 9 8 9生）,男,中国海洋大学海洋技术专业本科生。