0 引言
隨著經濟的發(fā)展和社會的進步，人們對能源提出了越來越高的要求，尋找新能源已成為當前人類面臨的迫切課題。由于太陽能|0">太陽能發(fā)電具有火電、水電、核電所無法比擬的清潔性、安全性、資源的廣泛性和充足性，太陽能被認為是二十一世紀最重要的能源。太陽能的存儲是太陽能產品發(fā)展的關鍵，目前主要采用各種電池，但是電池的充電時間長、壽命短以及不環(huán)保一直是太陽能產品發(fā)展的瓶頸，而超級電容器|0">電容器作為一種充電快、壽命長、綠色環(huán)保型儲能元件，它給太陽能產品的發(fā)展帶來了新的活力。本文詳細介紹了一種超級電容器太陽能草坪燈的設計及實現(xiàn)方法。該草坪燈很好的結合了太陽能和超級電容器的優(yōu)勢，它無需安裝其他電源，就可以主動發(fā)光，還能夠根據(jù)環(huán)境光線的強弱自動控制燈的開關，而且安裝方便、不用布線、工作穩(wěn)定可靠、免維護、環(huán)保無污染、使用壽命長，可廣泛應用于廣場綠地、小區(qū)草坪等場所。
1 設計選擇
1.1光源的選擇
由于LED技術目前已經實現(xiàn)了關鍵性突破，同時性能價格比也有較大地提高?，F(xiàn)在的LED壽命已可達到100 000h以上，而且工作電壓低，非常適合應用于太陽能草坪燈上。另外，LED由低壓直流供電，其光源控制成本低，可以調節(jié)明暗，并可頻繁開關，而且不會對LED的性能產生不良影響。因此，從可靠性、性價比、色溫和發(fā)光效率等幾個方面綜合考慮，設計時可選擇額定電壓為3.3 V、工作電流為6 mA的超亮LED作為光源。由于草坪燈不但要有裝飾作用，還要有一定的照明功能，故可選擇8個LED使用。
1.2太陽能電池的選擇
太陽能電池是依據(jù)半導體PN結的光伏效應原理把太陽光能轉化為電能的半導體器件，是超級電容器太陽能草坪燈的核心器件。太陽能電池性能的好壞直接決定著能量的轉換效率及輸出電壓的穩(wěn)定性，同時也直接決定了超級電容器太陽能草坪燈的性能。因此，設計時應采用性價比比較好的單晶硅太陽能電池。
由于地球上各個地區(qū)的太陽年總輻射量與平均峰值日照時數(shù)不同，太陽能草坪燈的設計和燈的使用地理位置是有關系的，太陽能電池組件額定輸出功率和燈具的輸入功率之間的關系大約是2～4：1，具體比例要根據(jù)燈的每天工作時間以及對連續(xù)陰雨天的照明要求決定。本系統(tǒng)的太陽能電池的功率為3.3V×0.006×8=0.1584 W，假設每天工作12個小時，太陽能電池功的效率為40％，每天有效工作時間為5小時，則可選用3 W／6 V的太陽能電池。
1.3超級電容的選擇
由于太陽能電池的輸入能量極不穩(wěn)定，同時草坪燈只是在周圍光線較弱時才發(fā)光，因而必需配置蓄電系統(tǒng)才能有效工作?，F(xiàn)階段普遍采用鉛酸蓄電池、Ni-Cd蓄電池或Ni-H蓄電池，但采用蓄電池作為蓄電系統(tǒng)有許多缺陷：首先可充電型蓄電池的充電次數(shù)有限(小于1000次)，使用壽命較短；其次，由于其化學結構的影響，它不能進行大電流充電；第三，蓄電池需要有防過充、防過放以及溫度補償?shù)瓤刂齐娐?，而且控制電路比較復雜；第四，可充電型蓄電池主要利用化學反應來進行充放電，電池中的廢物會對環(huán)境產生污染，不屬于環(huán)保產品。
因此，本產品中選用超級電容做為儲能元件。該電容具有法拉級的超大電容量，超強的荷電保持能力，且漏電流非常小，8小時電壓下降率小于5％；無須特別的充電電路和控制放電電路，充電迅速，而且可以在僅高于其漏電流(典型值約為1 mA)的狀態(tài)下充電，因此，即使在陰天，太陽能電池也能對超級電容器充電；與蓄電池相比，其過充、過放都不對其壽命構成負面影響，可靠性高、使用壽命長(充放電循環(huán)壽命在10萬次以上)；此外還具有優(yōu)良的溫度性能，可在-40℃～75℃的環(huán)境溫度中正常使用；無污染，是一種綠色電源；可焊接，而且不存在象蓄電池那樣接觸不牢固等問題。
本太陽能草坪燈產品選用錦州凱美能源有限公司生產的6個2.5 V／150 F超級電容器組成的5.0V／225 F電容器模塊，其單只電容器產品的ESR(DC)只有20mΩ，直徑25 mm，高為48 mm。5 V／225 F超級電容器充電時間為(在充電電流為450mA的情況下)：
式中：
C-電容器額定容量；
△U-電容器工作電壓變化；
I-電容器充電電流；
t-電容器充電時間。
超級電容器放電時間為：
式中：
ESR為電容器的直流內阻。5 V／225 F超級電容器可從5 V放電到0.6 V。
2系統(tǒng)控制電路的設計
2.1 充電電路
本系統(tǒng)中的充電電路由防過壓和防反充電路構成，圖1所示為其充電電路，圖中的ZD1為5.6V穩(wěn)壓二極管，當電池電壓高于5.6 V時，Q2導通，硅電池全部電流通過電阻Q2消耗掉，當硅電池電壓降到5.6 V以下時，Q2截至，硅電池給超級電容充電，并同時保護超級電容。
2.2驅動LED穩(wěn)壓電路
由于所選用的LED燈的額定電壓為3.3 V，而超級電容器的電壓為5.0 V，并且超級電容器在放電過程中電壓會不斷降低，因此需要有穩(wěn)壓電路來驅動LED。
本文選用CMOS工藝制造且靜態(tài)電流極低的VFM開關型DC／DC升壓穩(wěn)壓器，該芯片內部包括VFM控制電路、LX開關驅動晶體管、基準電壓單元、振蕩器、誤差比較放大器、電壓采樣電阻、LX開關保護電路等。芯片外部只需要一個電感、一個輸出電容和一個肖特基二極管就可以提供穩(wěn)定的低噪聲輸出電壓。該穩(wěn)壓器具有8μA的極低輸入電流、低紋波、低噪聲特性，效率可達到80％，并具有0.6 V的極低啟動電壓，輸出電壓精度可達±2.5％。該部分電路如圖2所示。
其中331C外圍的電感和二極管會影響轉換效率，此外，電容和電感也會影響輸出波紋。因此。設計時應選擇合適的電感、電容和肖特基二極管以獲得較高的轉換效率和較低的波紋和噪聲。根據(jù)331C的數(shù)據(jù)手冊，本設計選擇47μH且小于0.5 Ω的電感和47μF的低ESR的鉭電容。用于整流的二極管對DC-DC的效率影響很大，雖然普通的二極管也能夠使DC-DC電路工作正常，但是會降低DC-DC轉換器5％～10％的效率，所以D3采用正向導通電壓較低、反應時間較短的肖特基二極管lN5817。
2.3光控電路
超級電容器太陽能草坪燈需要光控開關電路來控制LED的開關。以便在周圍環(huán)境光線變暗時點亮LED，并當光線變亮時關閉LED。有些光控開關電路采用光敏電阻來開關LED，也可以直接采用太陽能電池做光敏開關，因為太陽能電池特性比光敏電阻好。這部分電路如圖3所示。
圖3中，U1為帶施密特觸發(fā)器的六反相器74HC14，其中的多諧振蕩器由第二個反相器與R5和C1構成。這樣，在白天光線變亮時，太陽能電池電壓升高，74HC14的1腳為高電平，74HC14的2腳為低電平，8腳同樣輸出低電平，三極管Q1截至，LED關斷。而當光線變暗時，太陽能電池電壓降低到一定程度時，HC14的1腳為低電平，HC14的2腳為高電平，多諧振蕩器開始振蕩，并經過Y4輸出高、低電平，Q2時而導通時而截至，此時只要調節(jié)R6和C1的值，以把閃光頻率調節(jié)到人眼不能分辨即可，這樣做的最大好處是可以延長草坪燈工作時間。經實際測試，該電路可以每天連續(xù)工作10小時以上，完全可以達到用戶的使用需求。
3 結束語
本超級電容器太陽能草坪的設計采用了超級電容和集成的DC-DC芯片，因而整個電路設計簡單，可靠性高，屬于綠色環(huán)保產品。目前，此設計已經成功應用于實際產品之中。
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