欒 爽，田小建

（吉林大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012）

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的便攜式電子設(shè)備問(wèn)世，成為人們工作、生活和娛樂(lè)中不可缺少的設(shè)備，但是，當(dāng)這些電子設(shè)備的電池電量用完之后，就需要使用充電器對(duì)其進(jìn)行充電，然而頻繁的插拔充電器不但不方便，而且容易損壞設(shè)備。這些便攜式電子設(shè)備一般都采用電池作為儲(chǔ)能單元，但電池的使用壽命有限，所以這些電子設(shè)備往往需要不定期地更換電池。在提倡低碳生活的今天，如果這些設(shè)備能夠采用超級(jí)電容來(lái)儲(chǔ)能供電，既綠色環(huán)保，又?jǐn)y帶輕便，這樣不僅可以方便人們的生活，而且還可以節(jié)約大量的資源。

1 太陽(yáng)能續(xù)流供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

在本設(shè)計(jì)中，太陽(yáng)能續(xù)流供電系統(tǒng)由六個(gè)部分組成：太陽(yáng)能電池板、充電穩(wěn)壓電路、超級(jí)電容、升壓電路、控制電路、LED，其工作原理如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)能續(xù)流供電原理框圖Fig.1 Block diagram of solar energy stream power supply principle

充電穩(wěn)壓電路主要實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池板對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電，同時(shí)控制電容兩端的電壓，防止過(guò)充以保護(hù)超級(jí)電容。

升壓電路的作用是給整個(gè)后續(xù)電路提供一個(gè)穩(wěn)定的電壓，用于驅(qū)動(dòng)負(fù)載LED，控制電路正常工作。

控制電路通過(guò)比較超級(jí)電容電壓與設(shè)定的基準(zhǔn)電壓，從而判斷超級(jí)電容是處于充電狀態(tài)還是放電狀態(tài)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

1.2 太陽(yáng)能電池板

1.2.1 太陽(yáng)能電池等效電路

太陽(yáng)能電池板相當(dāng)于具有與受光面平行的極薄PN結(jié)的大面積等效二極管，因此可以假設(shè)太陽(yáng)能電池板為一個(gè)二極管與太陽(yáng)光電流發(fā)生源并聯(lián)的等效電路。但由于材料本身具有一定的電阻率，基區(qū)和頂層都不可避免地要引入附加電阻，流經(jīng)負(fù)載的電流經(jīng)過(guò)它們時(shí)必然引起損耗。在等效電路中可將它們的總效果用一個(gè)串聯(lián)電阻Rs和并聯(lián)電阻Rsh以及PN結(jié)電容Cj來(lái)表示，形成一個(gè)較為接近實(shí)際的簡(jiǎn)化等效電路，如圖2所示[3]。

圖2 太陽(yáng)能電池二極管等效電路Fig.2 The solar cell diode equivalent circuit

在恒定光照下，對(duì)于一個(gè)處于工作狀態(tài)的太陽(yáng)能電池，其光電流IL不隨工作狀態(tài)而變化，在等效電路中可將其看作是恒流源，光電流一部分流經(jīng)負(fù)載，在負(fù)載兩端建立端電壓V，反過(guò)來(lái)它又正偏于PN結(jié)，引起一股與光電流方向相反的暗電流Id。通常情況下，Cj對(duì)I的影響很小，可忽略，則單元太陽(yáng)能電池的 I－V方程為[3]：

式中：IL為光作用下產(chǎn)生的電流，IO為二極管未被光照射時(shí)的反向飽和電流；V為負(fù)載端電壓；k為波耳茲曼常數(shù)；Rs為串聯(lián)電阻；Tc為太陽(yáng)能電池溫度；A為二極管理想因子；q為電子電荷；理想光伏電池Rsh的很大，可近似為無(wú)窮大，因此在一般性的分析中，這一項(xiàng)通常可以忽略。則方程簡(jiǎn)化為[3]：

這樣就得到了太陽(yáng)能電池的單指數(shù)模型。太陽(yáng)能電池模型通常要求供應(yīng)商提供幾個(gè)重要技術(shù)參數(shù)，忽略一些次要因素的影響，針對(duì)不同的硅太陽(yáng)能電池，只需廠家提供標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下太陽(yáng)能電池板最大功率點(diǎn)的電流和電壓、太陽(yáng)能電池短路電流和開(kāi)路電壓，就能在一定的精度下模擬太陽(yáng)能板的特性。

1.2.2 太陽(yáng)能電池的容量

若負(fù)載消耗功率用WR表示，每天工作時(shí)間用h1表示，太陽(yáng)能電池的功率用Ws表示，太陽(yáng)能電池的效率用η表示，每天日照工作時(shí)間用h2表示，則有：

根據(jù)式（3）可計(jì)算所需太陽(yáng)能電池板的功率為：

為滿足裝置的儲(chǔ)能要求，太陽(yáng)能電池板的功率要在滿足等于WS的前提下盡量大一些。

1.3 超級(jí)電容的等效電路

超級(jí)電容的等效電路如圖3所示，由理想電容元件并聯(lián)絕緣電阻Rep，串聯(lián)電阻Res組成。Rep反應(yīng)超級(jí)電容總的漏電情況，稱為漏電電阻，Res主要由電極物質(zhì)內(nèi)阻、溶液電阻和接觸電阻組成，稱為等效串聯(lián)內(nèi)阻。

圖3 超級(jí)電容等效電路模型Fig.3 Model the super capacitor equivalent circuit

1.3.1 等效串聯(lián)內(nèi)阻

等效串聯(lián)內(nèi)阻Res要求越小越好。內(nèi)阻越小，放電效率越高。如果內(nèi)阻過(guò)高，不僅導(dǎo)致放電效率下降而且大電流放電時(shí)會(huì)造成熱量累積，溫度升高，電極材料活性開(kāi)始衰弱，會(huì)使超級(jí)電容的壽命降低。一般要求內(nèi)阻在毫歐級(jí)以下，本文采用的超級(jí)電容Res為35 mΩ。

1.3.2 漏電流

漏電流是在充放電過(guò)程中，雙電層離子由于受到電極上異性電荷的靜電吸引力和電解液中溶液離子濃度梯度造成的本體遷移力的共同作用而產(chǎn)生的。溫度是一個(gè)影響漏電流的重要因素，溫度升高，漏電加劇。

漏電流與電容端電壓有關(guān)，對(duì)電容充電時(shí)，由于電荷的均化需要一定的時(shí)間，電極兩端產(chǎn)生電荷積累，形成電荷濃度差，使帶電粒子受到向溶液本體遷移的，當(dāng)電容端電壓升高時(shí)，電荷濃度差增大，帶電粒子有向溶液移動(dòng)的趨勢(shì)，漏電流增大。本文采用的超級(jí)電容最大漏電流約為40 μA。

1.3.3 自放電

充電停止后，當(dāng)外界沒(méi)有電磁場(chǎng)作用于電容器時(shí)，擴(kuò)散層中離子仍繼續(xù)向溶液本體遷移，同時(shí)緊密層離子脫離出來(lái)進(jìn)入擴(kuò)散層，并進(jìn)一步遷移到溶液本體,，這就形成了電容器的自放電。

超級(jí)電容與其它的儲(chǔ)能裝置一樣，在斷路的任何時(shí)候都會(huì)有能量的消耗，即使將其放電至最低電壓，開(kāi)路端的電壓值也會(huì)極緩慢的變化，我們考慮電容在充滿電荷后斷路靜置時(shí)開(kāi)路電壓值的變化，以分析其自放電的規(guī)律。

自放電是超級(jí)電容電壓保持能力重要影響因素，圖4給出了2.7 V10 F超級(jí)電容的自放電曲線。將2.7 V10 F超級(jí)電容充滿電后，即電容兩端電壓為2.7 V時(shí)，停止充電，并用萬(wàn)用表觀察超級(jí)電容兩端的電壓值，實(shí)驗(yàn)中，每隔1 min記錄一次電壓數(shù)據(jù)，其中橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位為小時(shí)，縱坐標(biāo)為超級(jí)電容上的電壓值，單位為V。

圖4 2.7 V10 F電容漏電電壓曲線圖Fig.4 Leakage voltage curve of 2.7 V10 F capacitor

從圖4中可以看出在自放電初期電容電壓下降較快，越往后越慢，超級(jí)電容在200 h時(shí)電壓保持在 2.1 V，可以看出200 h后自放電的現(xiàn)象就微乎其微了。

1.3.4 超級(jí)電容選取原則

若負(fù)載消耗功率用WR表示，每天工作時(shí)間用h1表示,則負(fù)載消耗電能為:

太陽(yáng)能電池板輸出的電壓用U表示，則太陽(yáng)能電池板能提供電量為:

超級(jí)電容單體工作電壓范圍為：Umin～Umax

設(shè)單體電容量為C，則有：

則

（8）式電容的最小容值，考慮到后續(xù)電路耗能問(wèn)題，實(shí)際應(yīng)用時(shí)電容要選擇大于C的超級(jí)電容。

1.4 太陽(yáng)能續(xù)流供電系統(tǒng)電路

太陽(yáng)能續(xù)流供電系統(tǒng)電路如圖5所示。其中，肖特基二極管D1用來(lái)防止在光線較弱時(shí)超級(jí)電容通過(guò)太陽(yáng)能電池放電，穩(wěn)壓管DZ用來(lái)限制電容量?jī)啥说淖罡唠妷?；CE8301是穩(wěn)壓模塊，由超級(jí)電容提供電壓輸入，穩(wěn)定輸出5 V電壓；OP747設(shè)計(jì)成遲滯比較器電路，電路的輸入電壓由超級(jí)電容提供，當(dāng)電壓上升到2.4 V時(shí)，輸出高電平，驅(qū)動(dòng)控制負(fù)載的三極管導(dǎo)通，點(diǎn)亮發(fā)光二極管，此時(shí)超級(jí)電容輸出電流為負(fù)載供電，電容兩端電壓逐漸下降，當(dāng)下降到1.4 V時(shí)，OP747輸出低電平，三極管截止，發(fā)光二極管燈滅，此時(shí)，太陽(yáng)能給超級(jí)電容充電，超級(jí)電容儲(chǔ)存能量，直至超級(jí)電容兩端電壓上升到2.4 V時(shí)，重復(fù)上述過(guò)程，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

圖5 太陽(yáng)能續(xù)流供電電路總圖Fig.5 General solar energy steam power supply circuit

2 太陽(yáng)能續(xù)流供電實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 太陽(yáng)能電池板的選擇

由于太陽(yáng)能電池板輸出能量受光照，溫度等因素影響，若太陽(yáng)能能量收集實(shí)驗(yàn)到戶外去做，由于戶外的環(huán)境條件不確定，會(huì)造成測(cè)量數(shù)據(jù)不真實(shí)，所以本文對(duì)太陽(yáng)能能量收集實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行測(cè)試。

太陽(yáng)光模擬光源選擇鹵鎢燈，因?yàn)槠渚哂休^寬且連續(xù)的光譜范圍，覆蓋紫外光至紅外光，是比較理想的模擬太陽(yáng)能光源。

負(fù)載電路部分消耗功率為W=5 V×4 mA=20 mW，每天工作時(shí)間為3 h，太陽(yáng)能電池的功率為WS，太陽(yáng)能電池的效率為 η=15%，每天日照時(shí)間為 10 h，根據(jù)式（9）可得，太陽(yáng)能電池的功率為：

本文選擇了一片10 cm×6 cm的單晶硅太陽(yáng)能光電板，在距鹵鎢燈42 cm，右偏 15°，光強(qiáng)：30000LUX，室溫 25℃情況下測(cè)得：

太陽(yáng)能電池板開(kāi)路電壓：5 V，短路電流：16 mA，最大輸出功率：60 mW。

2.2 超級(jí)電容的選擇

太陽(yáng)能電池板輸出的電壓為U=5 V，則太陽(yáng)能電池板能提供容量為:

超級(jí)電容單體工作電壓范圍為：0.9～2.7 V，其最小容量為 4 mA·h，則有：

這個(gè)是電容的最小電容，考慮到后續(xù)電路耗能問(wèn)題，選擇了10 F的超級(jí)電容。

2.3 續(xù)流實(shí)驗(yàn)

在距鹵鎢燈 42 cm，右偏 15°，光強(qiáng)：30000LUX，太陽(yáng)能：室溫25°情況下：太陽(yáng)能電池板給2.7 V10 F超級(jí)電容充電，大約21 min可以將超級(jí)電容充至2.4 V；太陽(yáng)能電池板繼續(xù)給超級(jí)電容供電，在光線弱時(shí)，太陽(yáng)能給超級(jí)電容充電電流小于負(fù)載LED和后續(xù)電路消耗電流，電容兩端電壓緩慢下降，可以點(diǎn)亮工作電流為4 mA的LED大約18 min；當(dāng)超級(jí)電容兩端電壓下降到1.4V時(shí)，控制電路自動(dòng)將負(fù)載斷開(kāi)。再經(jīng)過(guò)大約23 min又可將超級(jí)電容充至2.4 V，重復(fù)上述過(guò)程，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，第一次充電到第二次充電完成，大約需要60 min。

在沒(méi)有光照時(shí)，主要依靠超級(jí)電容存儲(chǔ)的能量為后續(xù)電路和負(fù)載供電，可以點(diǎn)亮工作電流為4 mA的LED大約5 min。

能耗分析及改進(jìn)：

太陽(yáng)能輸出功率大約為40 mW，穩(wěn)壓電路耗能5 mW，控制電路耗能8 mW，過(guò)充電路、超級(jí)電容共消耗了7 mW，其中，主要是過(guò)充電路在消耗能量，在充電過(guò)程中電流可到十幾毫安，而超級(jí)電容最大漏電電流為40 μA，所以在本系統(tǒng)中，忽略了超級(jí)電容的漏電流的影響，負(fù)載耗能20 mW。

若想提高穩(wěn)壓模塊效率可改進(jìn)成開(kāi)關(guān)電源來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓功能。

控制電路是用集成運(yùn)放實(shí)現(xiàn)的，耗能比分立元件大些，若控制電路用分立元件實(shí)現(xiàn)，可以減小能耗。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文利用太陽(yáng)能電池板將微弱的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，存儲(chǔ)在超級(jí)電容中，以供負(fù)載間歇使用，通過(guò)分析驗(yàn)證了續(xù)流系統(tǒng)的可行性。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)負(fù)載的需要選擇太陽(yáng)能電池板和超級(jí)電容，本系統(tǒng)主要應(yīng)用在間歇式供電場(chǎng)合，具有一定的通用性，稍作改進(jìn)就可以實(shí)際應(yīng)用在樓道燈、應(yīng)急燈、手機(jī)充電器等場(chǎng)合，實(shí)現(xiàn)了持續(xù)收集能量、間歇式供電的目標(biāo)。

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