超級電容在太陽能—蓄電池系統中的應用

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

超級電容在太陽能—蓄電池系統中的應用

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太陽能-蓄電池系統的一種方案。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。該系統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，通過調節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 數據采集系統，通過數據采集卡實時監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

通過調節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只串聯時，充電量滿足 C.△V=I.△t ,而2只串聯再3組并聯時，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只串聯方式充電。在較低光照下，特別在低于2000Lx光照下，完全串聯方式已得不到充電電流，此時串并混聯表現出優勢。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 超級電容模組內部串并聯切換

太陽能電池板給超級電容充電時，根據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只串聯的狀態。

在圖3中，可實現6只超級電容的串并聯切換，一種接法是6只串聯，即所有雙向開關撥向b端。另一種接法是每2只串聯，3組再并聯，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，蓄電池出現極化現象（電流越大極化越嚴重），電解水加劇產生大量氣泡，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、轉換效率高、連接配置靈活等特性，通過多只超級電容串并聯切換，可實現在較弱光照環境下，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。實現對蓄電池的脈沖充電，改善蓄電池的充電質量，有效延長蓄電池的循環使用壽命。

[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[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.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本科生。