航标太阳能电源系统应用超级电容实验电路

航标太阳能电源系统应用超级电容实验电路海军蚌埠士官学校彭天堂1航标太阳能电池供电系统

太阳能板产生的能量则白白浪费。

目前 .标灯的供电方式较多采用“阳能电池+航太

如舸将这部分微弱电流充人蓄电池以提高太阳能电池效率，直是太阳能光伏发电研究的重要课题。一2超级电容 ( )功能 1

蓄电池”模式，小功率电源系统，属能量存储普遍采用铅酸蓄电池。 航标 (包括灯塔和大型灯桩 )阳能供电系统的不太供电对象是航标灯及其遥控遥测系统。航标灯的光源， 过去是白炽灯泡，在一般都用 L D光源；控遥、现 E遥？贝 0

超级电容器 (u ecp ct s,近几年国内外迅 S p ra ai r)是 o速发展起来的一种新型储能元件，既具备传统电容那样的充放电功能。也具备化学电池储存电荷的能力。( )性能 2超级电容器，与传统电容器相比：

系统，主要是 G S G P+ MS或“斗”位通信系统。这些北定设备的耗电量都不大 (般每天不超过 6 W— )但尽一 0 h,管所配备的太阳能电池和蓄电池的容量普遍偏大，还经常出现供电不足现象。分析原因，笔者认为主要是太阳能电源系统充电

具备法拉级别的超大电容量，储存电荷能力比普通电容器大。能量密度和功率密度比电解电容器高；

效率太低所致。由于受日照强度 (夜、昼云层 )以及环境温度等影响，阳能光伏发电的能量输入不稳定，而太从导致太阳能光伏发电的能量输出也不稳定。尤其是阴天及早晚等光线不强条件下，太阳能电池在仅能输出微弱电流，几乎不能对大多数蓄电池充电。而航标太阳能供电系统的放电控制器大多设计比较简单，只有蓄电池的过充电保护和放电保护 .很少考虑太阳能电池板输出电能的变化。以大多数航标太阳能供电系统，所 只有阳光充足的几个小时可对蓄电池充电，其它时间压贮能启动装置或胶片启动装置，第二套启动装置是蓄电池。但是，配备胶片启动装置的应急发电机测试时，较难一次启动成功。为了避免国内外检查出现被动局面，类船舶再多配一组启动蓄电池，这当胶

片启动装置启动应急发电机失败时，额外配备的蓄电池能够启动应急发电机，以获得 P C S O认可 (视为满足公约要求 )。例如，某轮应急发电机启动装置配备有胶片启动装置和二组启动蓄电池 (中一组是额外配备的 )其。测试该轮应急发电机，片启动装置启动不成功，胶一组蓄

阻抗非常小，放电速度快，充效率高； 工作温度范围较宽： 用寿命长。使 超级电容器。与蓄电池相比【 l】: 比功率高， 电没有最低门限电压，充

电次数可高达几十万次 .充 污染环境。不 因此可以说，级电容器是一种高效、超实用、保环长期只测试某一组。 额外配备一组应急发电机启动电池的船舶，轮机主管人员仍然应熟悉液压储能启动装置或胶片启动装置的启动方法，以保证某一组蓄电池无法启动应急发电机时，能使用液压储能启动装置或胶片启动装置启动来满足检查要求。4结束语

G S MD S设备、火和失火报警系统、急发电机探应启动等应急蓄电池的这些缺陷。产生原因都可归结于船员的“知道”不。船员的“知道”原因可能有：不，

电池启动正常，另一组蓄电池无法启动，但该轮应急发电机启动方式无法满足公约要求。 检查发现，轮额外配备的蓄电池组是免维护型 .该 使用寿命已超过五年，电池已老化失效。船上人员未能发现有一组蓄电池失效的原因 .也

员原有知识不足，有关公约熟悉不够，加船对应强考证培训和考试培训。

员不熟悉部分设备和部分操作。公司 Q MS船 S 的新船员上岗前应熟悉设备程序部分执行不良；部分船员在船继续培训不足。 分岸基人员管船思路未更新，未能给船员提部供有效指导、培训。

是船员不熟悉：

知道免维护型蓄电池的寿命 (般五年 )超不一，期使用致老化失效 (些品牌的免维护型电池外壳上某有三种颜色显示电池储电能力的状态指示器 )。

知道测试应急发电机启动蓄电池，每次都要不测试全部蓄电池组，不可只测试某一组 .而尤其是不可航标太阳能电源系统应用超级电容实验电路

——彭天堂

看来，解决问题，仅需要提升公司 Q MS文件要不 S的执行力，需要加强公司职能部门的监督力度。还

的能量存储装置。随着超级电容技术日趋成熟，其应用

般只有几个 mQ。而并联内阻凹

越来越广，望在小功率电子设备、能源以及其它领有新域部分地取代传统蓄电池。

反映超级电容漏电流的大

小，常很大，几百 Mn。通有

对于航标太阳能供电系统，超级电容的最大优点则是充电没有最低门限电压。例如，2 1 V蓄电池充电 .电源电压必需在 1 2V以上；而超级电容充电源电

设：单体超级电容的电容量 c,高电压一，低电 f最最压，所能存储的能量 E;图 2超级电容等效电路 超级电容组，以 m个串联、 n组并联，最低工作电压,

压理论上可以从 0V开始。3太阳能电池+超级电容+电池的实验电路蓄

最高工作电压一，则超级电容组的： 等效电容 C=( Wm) f C等效内阻 R=( n R磷 m/ )电压，= V一， =m ~ m V

鉴于航标太阳能供电系统光伏发电系统效率低下，以及超级电容充电没有最低门限电压，设想在原“阳能电池+电池”供电模式的基础上加装超级电太蓄容，成“阳能电池+级电容+电池”电模式 .形太超蓄供提高太阳能利用率。 为此，本文设计一种“阳能电池+级电容+电太超蓄

() 1() 2

电容器组可存储的电能 E. E C 2 .据= V/有 2E=C ( 一V n/, 2 2故 )

E=( m) (一 )一( n】 r [m d m 2/ )2=7m f(/, C =n m E

池”的太阳能供电实验电路，用身边的一套“阳能利太电池+电池”电的航标灯及其遥控遥测系统，加蓄供增

一 n/ 22 )( 3)

超级电容，分利用其充电不受电流大小、充电压高低制约的优点，过 D/ C转换器升压，图验证利用超通 CD试级电容可充分收集和利用弱光强太阳能，提高航标太阳能电源系统效率。图 1显示太阳能电池板产生的仅电能尽可能多地提升存储到蓄电池中去的路径，省略了无关电

路， X E T的“”端接 MO 8 S功率开关管 ( ) N1, D1防反充二极管。为31航标灯 .

由以上计算和式 ( )以看出： 3可 超级电容组的电压，与串联的超级电容单体个数有关。 超级电容组能存储的电能。与超级电容单体个数有关，电容的串并联方式无关。与 成超级电容组的单体超级电容数一定时，组存储电能的多少取决于电容组最高工作电压和最低工作电压。

白炽灯航标灯，率 2 W,功 O电压 1 2v,用闪光周采期 1/ 4占空比，装有日光开关，定每天平均发光 l t假 Ob时，其每日耗电量为 2 x/x 0 5则 0 l 1= 0W 。 4 h32太阳能电池板 .一

本设计，超级电容选用北京集星联合电子有限公司产品，U 4 0一 0 7一 R S 2 0 P 0 2 V 1 A型，只电容量 2 0 ,单 0F 4额定电压 27V,最大储能 24W . . h,最大直流内阻 0 8m最大漏电流 1工作温度一 0~+ 0℃, . Q, 3mA, 4 7质

块，作电压 l .5峰值功率 l W。工 6 V, 7 5 目前，单体超级电容储存能量还不够大且耐压也

33超级电容组 .

一

量6 0g 0,体积 6 5 0× 6×1 0 ( m) 6 m,循环寿命 5 0 0 0 0 0次，采用六串两并共 1 2只组成超级电容组，则其： 等效电容量 8 0 0 F, 等效耐压 1 .V, 6 2 等效串联电阻 3 l ml,本设计设定，=1 V,=3V,故电容器组可 一 2 V储能量 E=8 0×(2—3 )=5 0 0。 0 12 2/ 4 0 J 25 0 J相当于电能 l ( 40 0, 5W h 1 h=3 0 )亦 W 0J, 6

不高，常需要通过串、通并联方式扩大其容量和电压。 如所周知 .超级电容组可以等效为一个理想电容 C与较小阻值的电阻磷等效串联阻抗 ) (串联，与一再

个较大阻值的电阻 R口等效并联阻抗 )联 (图 2。 (并见 )串联电阻 R璐反映超级电容充放电效率，通常很小，一

岛

图 1超级电容蓄电池混合航标太阳能充电器《海技术》 21航 0 1年第 5期

即 1 W /2V=1 5A ,仅相当于一个铅酸蓄电池 5 h

1 . 2 h (电压 1 V、 2容量 4 5A ) 28 h的 .%。34同相迟滞型电压比较器 .

输入电压 1~2 输出电流能力 1转换效率大于 . 8 8 V, A,9%[。 0 9 1

若反馈电压为

, MA 6 9转换器的输出电压则 X6() 8

同相迟滞型电压比较器，于监控超级电容的电用

(图 1由下式确定：见 )U= o R+R ) 8 (7 8 尺8 2 .K R7 2 5 n,为 49 Q,为 5 K则为 1。 4V

压，并控制 P WM升压式 D/ C转换器工作或关闭。 CD 核心元件是运放 7 1 4,电路见图 3。图3同相滞迟电压比较器设：准电压唧，放输入电压 (基运即超级电容电

充电电压%可通过 R调节。例如，为 1 5V, . 2 本设计， X 6 MA 6 9芯片控制端“ Y CS N” S N/HD的开启电压 2关闭电压小于 03驱动电流 4 5 因 V、 .V、~ A。此，运放 7 l完全可以胜任。 43 .蓄电池 6

压), 运放反相输入电压，放同相端电压，运运放输出电压 (即控制 D— C转换器转换的电压 ) o运 CD U,放输出高电平‰,发电平上限触,

免维护铅酸蓄电池二块。电压 1 2V,单体容量4 h 5A ,其容量可达 4×1 5 2X2 8 W ,大于 1=1 0 h 0 5

,发电平下限触

则由图 3可知：哪

天的耗电量 7 0 ( 0 5 W h 6 W h×1 5天 )。() 4 37工作原理 .

当超级电容组电压达到 l 2V时。同相电压比较转换，出 l电压对蓄电池充电或供电航标灯。输 4V 当太阳能电池板产生的电压超过 1 4V且超级

=

‘+ R/ 2 __I R/

()器输出高电平 .启动 P 5 WM升压式 D/ C转换器开始 CD

当 u>,则运放输出电压‰是触发电平上限 p

‰,时此=

RIR/ 2丽/

‘ ‰

()转换器一直输出 1电压对蓄电池充电或供电航标 6 4V灯。此时 D/ C转换器相当于稳压器，蓄电池进行 CD对恒压充电。

电容组也处于高电压时。比较器输出高电平， CD D/C

当 U<,则运放输出电压‰

是触发电平下限 p,

此时。

当超级电容组电压下降到 3V时， 比较器输出低() 7

电平，闭 D/ C转换器停止其转换。关 CD这样，级电容、超电压比较器和 MA 6 9 C D X 6 D/ C升

『中，/式“”表示两个电阻并联的等效阻值，例如/Rl= 2(+ 2】/ 2 R1/R1 R ) R

压器等周而复始的工作 .回收太阳能电池板产生的低能级电能，提高航标太阳能电源系统效率。4对比试验

同相迟滞电压比较器的工作波形见图 4。由图可见 .级超

对比实验在两套“阳能电池+电池”电的航太蓄供标设备上进行，甲套保持原样。乙套加装本文上节设计的超级电容及其转换装置。 试验时间：0 0年 3月~ 0 0年 9月， 21 21约六个月。试验结果： (即

电容电压由

)电到一 (充即

)间，期比较器输出低电平，/ C转 DCD换器停止工作：当而超级电容放电到止。 图4电压比较器工作波形超级电容电压超过一时，比较器输出高电平，到直图 3电路，准电压肿和运放输人电压 (超基即级电容电压 ) s文已定，通过计算选定、、, U前：R、 R、等的参数， 则运放 7 l 4的上触发电平：1 V, 2 下触发电平 . V。=33 P . 5删升压式 D/ C转换器 CD

乙套航标灯，个月的试验期间，标灯一直发六航光正常，电压保持 1 V左右，明蓄电池无亏电现象。 2说 甲套航标灯，约第 3大 6天左右，不能正常发光， 经检查系蓄电池亏电所致：蓄电池拿回实验室充电后装复，标灯恢复正常发光。航 试验结论：加入超级电容组、同相迟滞型电压比较

器和 D/ C转换器，够提高航标太阳能供电系统充 CD能电效率。

5结束语

功能，升超级电容组输出电压，蓄电池充电。提为 受控，由同相迟滞型电压比较器控制充电时机。 核心元件采用 MA 6 9芯片， X M公司产品 . X6 MA I航标太阳能电源系统应用超级电容实验电路——彭天堂

本设计和对比试验都证明。原“阳能电池+在太蓄电池”电模式基础上，供仅加装

1超级电容单体， 2个形成“阳能电池+级电容+电池”电模式，可以太超蓄供就

船用冷剂 H F s C C快淘汰和 H C大减排的我国对策 Fs江苏海事职业技术学院王金祥《特利尔议定书》蒙旨在保护臭氧层，注 O S对关 D(臭氧层有破坏作用的物质 )具体参数是 O P大气臭， D (氧层损耗潜能值 )。都议定书》制的重点；控但其 O P值为零， D不会破坏臭

氧层，故不在《特利尔议定书》蒙限制范围内。11 H F s过渡一汰一 . CC。淘快淘汰

《都议定书》京旨在防止全球气候变暖，注温室关效应，体参数是 G (球温室效应潜能值 )具 WP全。 O P值和 G D WP值。国际业界起初以 R1为指定 1值， R1的 O P值为 1 G即 l D, WP值为 1后来改为 O P; D以 Rl为指定值， R l的 O P为 1G 1即 l D, WP以 C O为

19 9 0年 6月《特利尔议定书》伦敦修正案，蒙HC C被列为过渡性物质。 Fs

19 9 2年 l月《 1蒙特利尔议定书》本哈根修正案，哥HC C被列为受控 ( Fs淘汰 )物质。性

19 9 9年 1《 2月蒙特利尔议定书》京修正案，出北提 HC C淘汰时间表，求发达国家 ( 2国家 )发展中 Fs要 A和国家 ( 5国家 ) 2 4 A于 0 0年全面停止生产和使用 HC C。 F s

指定值，即 C: G O的 WP值为 l ( 10年计 )以 0。例如R14: R1为指定值时， WP值为 02; C 2 3a以 1 G .6以 O为指定值时， WP值为 l 0。 G 0 31“ F s淘汰”“ C大减排”态势 HC C快和 HF s的

表 l 20是 0 7年 9月《特利尔议定书》 1蒙第 9次缔约方大会决定加速淘汰 HC C F s的最新时间表。表 l《特利尔议定书》次修正案限制 IC C期限对比蒙两 -F s I发达国家 ( 2 A )对比项目

21 0 0年，9 7年 9月 1 18 6日签订的《蒙特利尔议定书》规定的削减使用含有较多 O S对臭氧层有破坏作 D(用的物质 ) C C (氟碳化物制冷剂， R1的 F s氯以 2为代表 )指标已全面完成，速淘汰 H F s冷剂和加的加 CC制

发展中国家 (

5 A )

19 9 9修正案 2 0 0 7修正案 19 9 9修正案 2o 0 7修正案基准年 18 9 9年 21 0 5正 2 0— 0 0矩 09 21

大减排 HF s制冷剂的进程开始加速。加速淘汰 CH F s冷剂， C C制以下简称“ F s快淘汰”加大减排 HC C: H C制冷剂以下简称“ F s Fs H C大减排”

冻结年

19 9 6年2 0 0 4焦

21 0 6年

2l 0 3年2 5拄 01

削减 3% 52 0钲 01 2 0年 01

削减 l% O22 0 0矩

H F s即氢氯碳化物，以 R 2为代表，是非零 CC 2

肖减} 0 f削减 6% 5戈 0‘

削减 7% 521 0 5年

削减 3% 522 0 5钲

O P值制冷剂， D破坏臭氧层，蒙特利尔议定书》《逐步加大限制。而且，型 H F s G典 C C的 WP值 (全球温室效应潜能值) 9在 3至 20 0之间， 0温室效应明显，加速全会

21 0 5年22 0 0年

削减 9% 0

削减 9% 02 2— 0 0担 0023

削减 6 .% 752 3— 0 0经 0024

削减 9 .%可保留 05 95 .%淘汰期限 23 0 0年 22 0 0钷 2 0拖 4 0

可保留 25 .%23 0 0妊

球气候变暖，是《也京都议定书》限制的对象。所以《京都议定书》《特利尔议定书》在蒙的基础上提高了淘汰H F s的要求 C C

从表 1看出 .可发展中国家加速淘汰 HC C制冷 Fs剂，“有两个提前，一个计划，一个期限”:

HC F s即氢氟碳化物，以 R 3 a为代表 . WP值 14 G高，的可达 38 0甚至 1 0,室效应明显，《有 0 1 0温 7是京

消费量和生产量的基准线， 2 1从 0 5年的平均水平提前到 2 0 0 9与 2 1 0 0年的平均水平：

提高太阳能利用率，减少因蓄电池储能不足引发的航标灯工作不正常。 目前，超级电容价格较高，用“阳能电池+级采太超电容+电池”供电模式能充分发挥它们各自的优势：蓄 随着超级电容器技术的进一步发展，然容量提高、必价

2周强，王金全，等超级电容器：性能优越的储能器件 .气技术，电2 0 . o 6

3陈

义，刘祖

明，等 .谈蓄电池之优劣 .中国建设动态：阳光能纵

源 .0 0 2 1.

4闫晓金 .等.级电容器的电特性及在独立光伏系统中的应用 .华超北航天 _业学院学报 . 0 9 T 20 .

格降低，以超级电容替代航标太阳能供电系统的蓄电池和减少太阳能电池板，景光明。前 为减少维护费用，更重要的是减少铅酸蓄电池污染 .有必要进一步研究超级电容在航标太阳能供电系统的应用。作者：彭天堂.海军蚌埠士官学校参考文献1蔡国营 .王亚军，,超级电容器储能特性研究.电源世界，0 9等 20 .

5唐西胜， .立光伏系统中超级电容器蓄电池有源混合储能方案等独的研究 .电工电能新技术 .0 6年 . 20 6刘建斌 . .级电容器在光伏发电系统中的应用 .南工业大学学等超湖报 .0 9 20.

7冯虎亮 .级电容器供电的 L D航标灯和航空障碍灯 .外电子元超 E国器件 . 0 7 20.

8张20 0 9.

辉 .等 .种基于 D P的光伏发电 L D航标灯 .国照明电器，一 S E中

9 MAXI MAX6 8 MAX6 9 d t h e . 0 2 M. 6/ 6 aas et 2 o .

《海技术》 21航 0 1年

第 5期

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