魏善義 徐恩勝 韋先聲 苗洪利

中國海洋大學信息科學與工程學院，青島 266100

超級電容在太陽能—蓄電池系統(tǒng)中的應用

魏善義 徐恩勝 韋先聲 苗洪利

中國海洋大學信息科學與工程學院，青島 266100

本文設計了將超級電容應用于傳統(tǒng)太陽能-蓄電池系統(tǒng)的一種方案。太陽能電池交替給兩組超級電容模組充電,同時，此兩組超級電容模組交替給蓄電池充電。在單個超級電容模組內(nèi)部，由6只單體超級電容組成，可以切換為6串和2串3并形式。實現(xiàn)對蓄電池脈沖充電，符合蓄電池最佳電流接收曲線。有利于提高充電效率和延長蓄電池使用壽命。

超級電容；太陽能電池；蓄電池；脈沖充電

隨著人類社會對能源需求量的增大，能源危機提上日程，因為太陽能資源具有儲量巨大、可再生的特點，一直為人們重視。目前鉛酸蓄電池在太陽光伏能源系統(tǒng)中被普遍使用，不合理的充電方式會大大降低蓄電池的使用容量，縮短使用壽命[1]，因此，設計一種更好的接收太陽能和保護蓄電池的方案是光伏發(fā)電的必然趨勢。本文從超級電容著手，設計了一種適合太陽能——蓄電池方案的傳能儲能系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以更好地在光線較弱情況下吸收太陽能，并通過脈沖充電方式延長蓄電池壽命。

1 實驗方法

實驗采用額定20W單晶硅太陽能電池板1塊，12V/12Ah鉛酸蓄電池1塊，100F/2.7V超級電容兩組（每組6只）共12只，500W鹵素燈1只，通過調(diào)節(jié)光源與太陽能電池板之間距離來模擬太陽光照。實驗器件及儀器連接見圖1。測量采用自行編制的LabVIEW 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)采集卡實時監(jiān)測并記錄充放電過程中超級電容和蓄電池兩端的電流、電壓變化，并能累計充放電量。

圖1 實驗連接圖

2 實驗結果與分析

2.1 太陽能電池輸出與光照關系

通過調(diào)節(jié)500W鹵素燈與太陽能電池板距離，測得在不同光照強度下，電池板的開路輸出電壓、短路電流，見表1。

表1 太陽能電池輸出及超級電容充電與光照關系

單只電容從2.08V到2.75V視為充滿，C=100F，△V=0.67V。6只串聯(lián)時，充電量滿足 C.△V=I.△t ,而2只串聯(lián)再3組并聯(lián)時，充電量滿足3C.△V=I.△t[2]。表1中的理論充滿時間是將充電電流視為恒流。實際充電過程中，隨著超級電容荷電狀態(tài)的增加，充電電流會減小，這使得實際充電時間大于理論充電時間。由于實際充電時間存在很大的不確定性，此處理論充電時間可以近似替代實際充電時間。充滿時間與光照的關系曲線見圖2。

從圖2曲線可以看到，光照在5500Lx以上（開路電壓17.50V以上）時2串3并連接的充電方式并不快，因此宜采用6只串聯(lián)方式充電。在較低光照下，特別在低于2000Lx光照下，完全串聯(lián)方式已得不到充電電流，此時串并混聯(lián)表現(xiàn)出優(yōu)勢。綜上，當檢測到超級電容充電電壓高于17.50V時候，超級電容模組采用6只串聯(lián)方式充電，當檢測到超級電容充電電壓低于17.50V時候，超級電容模組切換為2串3并方式充電。

圖2 超級電容充電時間與光照的關系

圖3 六只超級電容連接

2.2 超級電容模組內(nèi)部串并聯(lián)切換

太陽能電池板給超級電容充電時，根據(jù)太陽能電池充電電壓的不同，超級電容模組采取不同的充電方式。而超級電容給12V蓄電池充電時,始終保持6只串聯(lián)的狀態(tài)。

在圖3中，可實現(xiàn)6只超級電容的串并聯(lián)切換，一種接法是6只串聯(lián)，即所有雙向開關撥向b端。另一種接法是每2只串聯(lián)，3組再并聯(lián)，即所有雙向開關撥向a端。

圖4 超級電容為蓄電池間歇脈沖充電

2.3 超級電容脈沖充電

超級電容對蓄電池多次循環(huán)充電的電壓、電流變化關系如圖4所示。

從圖4中可以看出，每次充電時電容起始電壓固定U0=16.50V，充電過程中，超級電容的電壓在下降。通過多次充電，可以看到充電循環(huán)結束時的終止電壓在不斷上升。即完成了對蓄電池的充電。

已經(jīng)有大量的試驗研究，提出了蓄電池最佳充電接受曲線[3]，如果充電電流按最佳充電曲線變化，就可以大大縮短充電時間，提高充電效率[4]。當電流大于該曲線時，蓄電池出現(xiàn)極化現(xiàn)象（電流越大極化越嚴重），電解水加劇產(chǎn)生大量氣泡，不但不能提高充電速度，還會造成極板不同程度的損壞[5]。

本實驗中，每一循環(huán)的放電電流曲線符合蓄電池最佳電流接收曲線。可以有效保證充電的效率，延長蓄電池使用壽命。

3 結論

在太陽能—蓄電池系統(tǒng)中，采用超級電容模組作為太陽能電池板和蓄電池之間的能量傳遞器件。利用超級電容的充放電迅速、轉(zhuǎn)換效率高、連接配置靈活等特性，通過多只超級電容串并聯(lián)切換，可實現(xiàn)在較弱光照環(huán)境下，有效吸收太陽能量，提高太陽能利用效率。并且，使蓄電池的充電電流更加符合其最佳吸收曲線。實現(xiàn)對蓄電池的脈沖充電，改善蓄電池的充電質(zhì)量，有效延長蓄電池的循環(huán)使用壽命。

[1]廖金華,李建黎.鉛酸蓄電池充電技術綜述[J].蓄電池.2010,47(3):132～139

[2]唐西勝,齊智平.基于超級電容器儲能的獨立光伏系統(tǒng)[J].太陽能學報.2006,27(11):

1097～1102

[3]李俄收,王遠,吳文民.鉛酸蓄電池充電技術的研究[J].蓄電池.2010,47(5):253～258

[4]王艷茹,李文坡,陳杰.脈沖充電提高鉛蓄電池充電效率的研究[J].電池工業(yè).2010,15(4)222～225

[5]唐西勝,武鑫,齊智平.超級電容器蓄電池混合儲能獨立光伏系統(tǒng)研究[J].太陽能學報.2007,28(2):178～182

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.18.008

國家大學生創(chuàng)新性實驗計劃資助項目

魏善義（1 9 8 9生）,男,中國海洋大學海洋技術專業(yè)本科生。