超级电容器太阳能草坪灯的设计与实现

最新更新时间:2014-08-30来源: 互联网关键字:电容器  太阳能  草坪灯 手机看文章 扫描二维码
随时随地手机看文章
  随着经济的发展和社会的进步,人们对能源提出了越来越高的要求,寻找新能源已成为当前人类面临的迫切课题。由于太阳能发电具有火电、水电、核电所无法比拟的清洁性、安全性、资源的广泛性和充足性,太阳能被认为是二十一世纪最重要的能源。太阳能的存储是太阳能产品发展的关键,目前主要采用各种电池,但是电池的充电时间长、寿命短以及不环保一直是太阳能产品发展的瓶颈,而超级电容器作为一种充电快、寿命长、绿色环保型储能元件,它给太阳能产品的发展带来了新的活力。本文详细介绍了一种超级电容器太阳能草坪灯的设计及实现方法。该草坪灯很好的结合了太阳能和超级电容器的优势,它无需安装其他电源,就可以主动发光,还能够根据环境光线的强弱自动控制灯的开关,而且安装方便、不用布线、工作稳定可靠、免维护、环保无污染、使用寿命长,可广泛应用于广场绿地、小区草坪等场所。

   1 设计选择 

  1.1光源的选择 

  由于LED技术目前已经实现了关键性突破,同时性能价格比也有较大地提高。现在的LED寿命已可达到100 000h以上,而且工作电压低,非常适合应用于太阳能草坪灯上。另外,LED由低压直流供电,其光源控制成本低,可以调节明暗,并可频繁开关,而且不会对LED的性能产生不良影响。因此,从可靠性、性价比、色温和发光效率等几个方面综合考虑,设计时可选择额定电压为3.3 V、工作电流为6 mA的超亮LED作为光源。由于草坪灯不但要有装饰作用,还要有一定的照明功能,故可选择8个LED使用。 

  1.2太阳能电池的选择 

  太阳能电池是依据半导体PN结的光伏效应原理把太阳光能转化为电能的半导体器件,是超级电容器太阳能草坪灯的核心器件。太阳能电池性能的好坏直接决定着能量的转换效率及输出电压的稳定性,同时也直接决定了超级电容器太阳能草坪灯的性能。因此,设计时应采用性价比比较好的单晶硅太阳能电池。 

  由于地球上各个地区的太阳年总辐射量与平均峰值日照时数不同,太阳能草坪灯的设计和灯的使用地理位置是有关系的,太阳能电池组件额定输出功率和灯具的输入功率之间的关系大约是2~4:1,具体比例要根据灯的每天工作时间以及对连续阴雨天的照明要求决定。本系统的太阳能电池的功率为3.3V×0.006×8=0.1584 W,假设每天工作12个小时,太阳能电池功的效率为40%,每天有效工作时间为5小时,则可选用3 W/6 V的太阳能电池。 

  1.3超级电容的选择 

  由于太阳能电池的输入能量极不稳定,同时草坪灯只是在周围光线较弱时才发光,因而必需配置蓄电系统才能有效工作。现阶段普遍采用铅酸蓄电池、Ni-Cd蓄电池或Ni-H蓄电池,但采用蓄电池作为蓄电系统有许多缺陷:首先可充电型蓄电池的充电次数有限(小于1000次),使用寿命较短;其次,由于其化学结构的影响,它不能进行大电流充电;第三,蓄电池需要有防过充、防过放以及温度补偿等控制电路,而且控制电路比较复杂;第四,可充电型蓄电池主要利用化学反应来进行充放电,电池中的废物会对环境产生污染,不属于环保产品。 

  因此,本产品中选用超级电容做为储能元件。该电容具有法拉级的超大电容量,超强的荷电保持能力,且漏电流非常小,8小时电压下降率小于5%;无须特别的充电电路和控制放电电路,充电迅速,而且可以在仅高于其漏电流(典型值约为1 mA)的状态下充电,因此,即使在阴天,太阳能电池也能对超级电容器充电;与蓄电池相比,其过充、过放都不对其寿命构成负面影响,可靠性高、使用寿命长(充放电循环寿命在10万次以上);此外还具有优良的温度性能,可在-40℃~75℃的环境温度中正常使用;无污染,是一种绿色电源;可焊接,而且不存在象蓄电池那样接触不牢固等问题。 

  本太阳能草坪灯产品选用锦州凯美能源有限公司生产的6个2.5 V/150 F超级电容器组成的5.0V/225 F电容器模块,其单只电容器产品的ESR(DC)只有20mΩ,直径25 mm,高为48 mm。5 V/225 F超级电容器充电时间为(在充电电流为450mA的情况下): 

  

  式中: 
  C-电容器额定容量; 
  △U-电容器工作电压变化; 
  I-电容器充电电流; 
  t-电容器充电时间。 
  
  超级电容器放电时间为: 

  
  
  式中: 
  ESR为电容器的直流内阻。5 V/225 F超级电容器可从5 V放电到0.6 V。 

  2系统控制电路的设计 

  2.1 充电电路 

  本系统中的充电电路由防过压和防反充电路构成,图1所示为其充电电路,图中的ZD1为5.6V稳压二极管,当电池电压高于5.6 V时,Q2导通,硅电池全部电流通过电阻Q2消耗掉,当硅电池电压降到5.6 V以下时,Q2截至,硅电池给超级电容充电,并同时保护超级电容。 

  防止反充电控制电路可以保证在太阳能电池输入电压低于超级电容电压时,超级电容不会反向对太阳能电池充电,以免造成不必要的能量损耗。反充电控制可由图1中的二极管D1来完成,这个二极管选用肖特基二极管,因为肖特基二极管的导通压降比普通二极管低。 

  2.2驱动LED稳压电路 

  由于所选用的LED灯的额定电压为3.3 V,而超级电容器的电压为5.0 V,并且超级电容器在放电过程中电压会不断降低,因此需要有稳压电路来驱动LED。 

  本文选用CMOS工艺制造且静态电流极低的VFM开关型DC/DC升压稳压器,该芯片内部包括VFM控制电路、LX开关驱动晶体管、基准电压单元、振荡器、误差比较放大器、电压采样电阻、LX开关保护电路等。芯片外部只需要一个电感、一个输出电容和一个肖特基二极管就可以提供稳定的低噪声输出电压。该稳压器具有8μA的极低输入电流、低纹波、低噪声特性,效率可达到80%,并具有0.6 V的极低启动电压,输出电压精度可达±2.5%。该部分电路如图2所示。 

  其中331C外围的电感和二极管会影响转换效率,此外,电容和电感也会影响输出波纹。因此。设计时应选择合适的电感、电容和肖特基二极管以获得较高的转换效率和较低的波纹和噪声。根据331C的数据手册,本设计选择47μH且小于0.5 Ω的电感和47μF的低ESR的钽电容。用于整流的二极管对DC-DC的效率影响很大,虽然普通的二极管也能够使DC-DC电路工作正常,但是会降低DC-DC转换器5%~10%的效率,所以D3采用正向导通电压较低、反应时间较短的肖特基二极管lN5817。 
  2.3光控电路 

  超级电容器太阳能草坪灯需要光控开关电路来控制LED的开关。以便在周围环境光线变暗时点亮LED,并当光线变亮时关闭LED。有些光控开关电路采用光敏电阻来开关LED,也可以直接采用太阳能电池做光敏开关,因为太阳能电池特性比光敏电阻好。这部分电路如图3所示。 

  图3中,U1为带施密特触发器的六反相器74HC14,其中的多谐振荡器由第二个反相器与R5和C1构成。这样,在白天光线变亮时,太阳能电池电压升高,74HC14的1脚为高电平,74HC14的2脚为低电平,8脚同样输出低电平,三极管Q1截至,LED关断。而当光线变暗时,太阳能电池电压降低到一定程度时,HC14的1脚为低电平,HC14的2脚为高电平,多谐振荡器开始振荡,并经过Y4输出高、低电平,Q2时而导通时而截至,此时只要调节R6和C1的值,以把闪光频率调节到人眼不能分辨即可,这样做的最大好处是可以延长草坪灯工作时间。经实际测试,该电路可以每天连续工作10小时以上,完全可以达到用户的使用需求。

   3 结束语 

  本超级电容器太阳能草坪的设计采用了超级电容和集成的DC-DC芯片,因而整个电路设计简单,可靠性高,属于绿色环保产品。目前,此设计已经成功应用于实际产品之中。

关键字:电容器  太阳能  草坪灯 编辑:探路者 引用地址:超级电容器太阳能草坪灯的设计与实现

上一篇:基于超级电容器储能的直流DVR装置设计与实现
下一篇:一种长寿高效Boost超级电容掉电保持后备电源

推荐阅读最新更新时间:2023-10-12 22:44

IBM电源管理芯片降太阳能面板成本
IBM公司今天宣布,它们已经开发出一种融合传感器和无线射频通信能力的计算机电源管理芯片CMOS-7HV,以用于更好地管理“智能”建筑物,运输系统和智能电网。 该项技术还可以用于小型电子设备,例如智能手机和电池,它可以降低小型电子设备制造商的生产成本多达20%,将之前多个芯片才能协同完成的工作融合成一个单一的电源管理芯片。 但IBM表示,该芯片对替代性能源行业的影响才可能是最为深远的,该技术可以减少现实世界的干扰,提高效率,让太阳能电池板的成本下降57%,预计这种芯片将在2011年年中向各大客户出货。
[电源管理]
单相电机的电容器计算 单相电机的电流计算
  单相电机的电容器是一种辅助启动装置,能够改变电路的相位差,从而使电机能够启动。在选择电容器时,应根据电机的额定功率、额定电压和额定频率来计算。具体方法如下:   计算起动电流   首先需要计算电机的起动电流,通常可以通过电机的额定功率和电压计算得出。对于一般的单相异步电动机,其起动电流大约是额定电流的6~8倍。   计算相位角   根据电路的特性,电容器的容值可以影响电路的相位角,从而影响电机的启动。因此,需要计算出电路的相位角,以便选择合适的电容器。一般来说,电容器的容值越大,电路的相位角就越小。   计算电容器容值   根据电机的额定功率和电压,以及电路的相位角,可以计算出所需的电容器容值。计算公式为:   C
[嵌入式]
世界通信大会新秀——太阳能手机正式亮相
      在西班牙巴塞罗那举行的世界移动通信大会上,由韩国三星公司等研发的太阳能手机正式亮相。   三星公司推出的名为“蓝色地球”的太阳能手机备受瞩目。据展台服务人员介绍,手机背面有一块小型太阳能电池板,在阳光下充电10小时至14小时,可支持通话4小时。同时,这款手机也可通过普通电源充电。   三星公司将“蓝色地球”定位为中高端手机,预计将于2009年下半年率先在欧洲市场推出。   另外,韩国手机制造商LG公司也在展会上展示了其研发的太阳能手机。
[电源管理]
太阳能多晶硅价格止跌回升,硅外延片蕴酿涨价
根据EnergyTrend的调查发现,现货市场的 多晶硅 价格已经止跌回升,虽然回升的幅度不大,但已无低于$50/kg的价格出现,相关厂商表示,目前$50/kg的价格将是近期的底限。另一方面, 硅外延片 价格也出现微妙的变化,目前 单晶硅 外延片的需求热络,现货交易价格已出现不跌反涨的局面,而在多晶硅外延片部分,相关厂商规划在七月调涨现货价格,调涨幅度在5%上下。 EnergyTrend表示,已经有厂商针对下游客户提出新的报价,但目前客户的接受度仍然偏低。由于多晶硅厂将价格底限定在$50/kg,加上下游客户目前仍不接受价格调涨,EnergyTrend认为短期内硅外延片厂将处于腹背受敌的状况,七月的营收与获利将面临挑战
[半导体设计/制造]
<font color='red'>太阳能</font>多晶硅价格止跌回升,硅外延片蕴酿涨价
网友DIY:小功率太阳能充电控制器设计
在南非等地,对太阳能电池的需求比较旺盛。下面为大家介绍下我设计的一款小功率太阳能充电器。 基于硅光电池板的功率为20V 1A.充电电池为磷酸铁锂2串。控制器要有充电控制,电池放电保护,5V放电输出和保护。 在此基础上我的选择是TSM108I+IRU3037的组合,实现充放电。 因为电池板的MPPT点基本都是在电压的75%时出现,所以在成本限制的情况下,使用固态MPPT点追踪。将TSM108的启动电压提升至15V,因为这款芯片是CC,CV芯片,主要用在车充的锂电池充电的方案中,所以电流不加以限制,用来最大限度的为电池充电,这时因为芯片的启动电压由原来的8V被提升至15V,所以在电池板功率很低的情况依然可以将电压钳位在15V进行充
[电源管理]
网友DIY:小功率<font color='red'>太阳能</font>充电控制器设计
交流电容器的检测方法
电容器在电工技术中应用十分广泛,例如,用于提高感性负载功率因数的移相电容器,用于单相异步电动机的启动电容器,用于交流接触器无声远行中的降压电容器等等。电容器既是最常用的电器元件。也是容易损坏的电器元件,在没有特殊仪表仪器的情况下检测电容器的好坏,可用以几种方法: 1、万用表检测法 对于O.01 F以上的固定电容器。可用万用表的R 1k挡直接测试电容器有无充电过程以及有无内部短路或漏电,并可根据指针向右摆动的幅度大小估计出电容的容量。测试操作时,先用两表笔任意触碰电容的两引脚,然后调换表笔再触碰一次,如果电容是好的,万用表指针会向右摆动一下,随即向左迅速返回无穷大位置。电容量越大,指针摆动幅度越大。如果反复调
[测试测量]
太空超级太阳能发电站的设计
本文仅就新能源中的 太阳能发电 技术的动向做一个预测。其一,关键光伏器件的价格将进一步降低,从上世纪50 年代初的1 500 美元/W 降至1美元/W 左右(现行价格为4 美元/W);其二,是将太空技术、微波技术和光伏技术结合;其三,是我国将加大新能源发展的力度,在GDP增长的城市规划中会单列一块,即“新能源在GDP 增长中的贡献”,且逐步解决分布式供电网问题。   1 太阳能发电与微波输电计划   1.1 宇宙太阳能发电   太阳表面的温度约为2伊107益,它所释放的能量为1伊1024 kW。其中,地球有可能利用的能量为1.8伊1014 kW,若以地球表面来平均,则可利用的能量达183 W/m2(日照总量为1 40
[电源管理]
太空超级<font color='red'>太阳能</font>发电站的设计
LG研发出电子书太阳能面板 晒5小时能跑1天
    日前,据国外媒体报道,LG显示公司已经开发出一种用于电子书阅读器的太阳能面板。这种面板的宽度和长度都是10厘米,已经与索尼的Reader电子书阅读器结合在了一起,以便证明这个概念。         这种面板和电子书阅读器的可工作的原型产品将在本星期在首尔举行的国际信息显示会议上展出。这种太阳能面板的厚度不到1厘米,重量只有20克,因此不会显著增加电子书阅读器的重量。     电子书阅读器已经能够提供很长的电池使用寿命,因为其电子纸显示屏仅在打开的时候才使用电源。因此,增加太阳能面板意味着永远不用在担心为这种设备充电。     LG显示公司称,把这种太阳能面板暴露在阳光下四至五个小时就足以提供让电子书阅读器
[电源管理]
小广播
最新电源管理文章
换一换 更多 相关热搜器件
电子工程世界版权所有 京B2-20211791 京ICP备10001474号-1 电信业务审批[2006]字第258号函 京公网安备 11010802033920号 Copyright © 2005-2024 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved