超级电容在太阳能_蓄电池系统中的应用.pdf

－ ４３ －随着人类社会对能源需求量的增大，能源危机提上日程， 因为太阳能资源具有储量巨大、 可再生的特点， 一直为人们重视。 目前铅酸蓄电池在太阳光伏能源系统中被普遍使用，不合理的充电方式会大大降低蓄电池的使用容超级电容在太阳能—蓄电池系统中的应用魏善义 徐恩胜 韦先声 苗洪利中国海洋大学信息科学与工程学院，青岛 ２６６１００摘 要本文设计了将超级电容应用于传统太阳能 －蓄电池系统的一种方案。太阳能电池交替给两组超级电容模组充电，同时， 此两组超级电容模组交替给蓄电池充电。在单个超级电容模组内部， 由６只单体超级电容组成， 可以切换为６ 串和２ 串３并形式。 实现对蓄电池脉冲充电， 符合蓄电池最佳电流接收曲线。 有利于提高充电效率和延长蓄电池使用寿命。关键词超级电容；太阳能电池；蓄电池；脉冲充电量，缩短使用寿命 ［１］ ，因此，设计一种更好的接收太阳能和保护蓄电池的方案是光伏发电的必然趋势。 本文从超级电容着手， 设计了一种适合太阳能——蓄电池方案的传能储能系统。 该系统可以更好地在光线较弱情况下吸收太阳能，并通过脉冲充电方式延长蓄电池寿命。１ 实验方法实验采用额定２０Ｗ单晶硅太阳能电池板１ 块，１２Ｖ／１２Ａｈ 铅酸蓄电池 １ 块，１００Ｆ／２．７Ｖ 超级电容两组（每组 ６ 只）共 １ ２ 只，５００Ｗ卤素灯１只， 通过调节光源与太阳能电池板之间距离来模拟太阳光照。实验器件及仪 器 连 接 见 图 １ 。测 量 采 用 自 行 编 制 的ＬａｂＶＩＥＷ数据采集系统， 通过数据采集卡实时监测并记录充放电过程中超级电容和蓄电池两端的电流、电压变化，并能累计充放电量 。图 １ 实验连接图２ 实验结果与分析２．１ 太阳能电池输出与光照关系通过调节５００Ｗ卤素灯与太阳能电池板距离，测得在不同光照强度下，电池板的开路输出电压、短路电流，见表 １ 。单只电容从 ２．０８Ｖ 到 ２．７５Ｖ 视为充满，Ｃ＝１００Ｆ，△ Ｖ＝０．６７Ｖ。６ 只串联时，充电量满足 Ｃ ﹒△Ｖ＝Ｉ﹒△ｔ ，而 ２ 只串联再３ 组并联时，充电量满足 ３Ｃ ﹒△ Ｖ＝Ｉ ﹒△ ｔ ［２］ 。表 １ 中的理论充满时间是将充电电流视为恒流。实际充电过程中，随着超级电容荷电状态的增加，充电电流会减小，这使得实际充电时间大于理论充电时间。由于实际充电时间存在很大的不确定性，此处理论充电时间可以近似替代实际充电时间。充满时间与光照的关系曲线见图 ２ 。从图 ２ 曲线可以看到， 光照在 ５５００Ｌｘ以上（开路电压 １７．５０Ｖ 以上）时 ２ 串 ３ 并连接的充电方式并不快，因此宜采用 ６ 只串联方 式 充 电 。在 较 低 光 照 下 ，特 别 在 低 于２０００Ｌｘ光照下， 完全串联方式已得不到充电电流， 此时串并混联表现出优势。 综上， 当检测到超级电容充电电压高于 １７．５０Ｖ 时候， 超级电容模组采用６只串联方式充电， 当检测到超级电容充电电压低于 １７．５０Ｖ 时候， 超级电容模组切换为 ２ 串 ３ 并方式充电。２．２ 超级电容模组内部串并联切换太阳能电池板给超级电容充电时，根据太阳能电池充电电压的不同，超级电容模组采取不同的充电方式。而超级电容给 １２Ｖ 蓄电池充电时，始终保持 ６ 只串联的状态。在图 ３ 中，可实现 ６ 只超级电容的串并联切换，一种接法是 ６ 只串联，即所有双向开关拨向 ｂ 端。另一种接法是每 ２ 只串联，表 １ 太阳能电池输出及超级电容充电与光照关系基金项目：国家大学生创新性实验计划资助项目图 ２ 超级电容充电时间与光照的关系图 ３ 六只超级电容连接下转第 ５５ 页ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－８９７２．２０１１．１８．００８－ ５５ －表 ３ ＰＮＮ 方法故障识别率统计表由此可见，采用基于径向基函数的概率神经网络可以有效地辨识训练过及未训练过的样本数据，精度达到故障诊断标准，具有较强的泛化能力。６ 结论本文对三余度光传飞控系统故障进行建模，在离线状态下采集故障数据建立训练样本集。 在诊断系统中，设计采用ＰＮＮ算法的概率神经网络建立故障知识库，并对系统故障进行诊断。 仿真结果表明，本文给出的ＰＮＮ网络应用于此诊断系统具有较准确的诊断能力，诊断结果令人满意。参考文献［１］随予行． 光传飞行控制系统余度技术的研究［硕士学位论文］． 南京航空航天大学．２００３，６０～６１［２］孙健，章卫国，宁东方． 基于神经网络的飞控系统故障诊断［Ｊ］．测控技术．２００８， ２７（５）：６５～６７［３］段慧达，王忠礼，周振雄，刘文斌．基于模糊输入的概率神经网络在变压器故障诊断中应用［Ｊ］．煤矿机械．２００７，２８（２），１９０～１９３［ ４ ］ 郑亚莉，王康． 基于概率神经网络的垃圾邮件分类［Ｊ］．计算机与现代化． ２００８， １４９（１）： ８～１０［５］段海滨， 于秀芬． 光传操纵系统及其余度技术实现［Ｊ］．航空电子技术．２００３，３４（３），１０～１５［ ６ ］ 杨伟． 容错飞行控制系统［ Ｍ ］ ． 西安：西北工业大学出版社．２００７［７］魏慕恒， 贾秋玲． 飞控系统传感器故障诊断的神经网络方法研究［Ｊ］． 计算机测量与控制．２０１０， １８（１）： １４～１６［ ８ ］ 张明廉， 飞行控制系统［ Ｍ ］ ． 北京：航空工业出版社．１９９４作者简介袁婷（１ ９ ８ ２ — ） ，女（汉族） ，江苏南京人，硕士研究生，主要研究方向为飞行控制。龚华军（１ ９ ６ ５ — ） ，男（汉族） ，浙江慈溪人，教授 ／ 博导，主要研究方向为飞行控制。参考文献［１］廖金华， 李建黎． 铅酸蓄电池充电技术综述［Ｊ］．蓄电池．２０１０，４７（３）：１３２～１３９［２］唐西胜， 齐智平． 基于超级电容器储能的独立光伏系统［Ｊ］．太阳能学报．２００６，２７（１１）：１０９７～１１０２［ ３ ］李俄收， 王远， 吴文民． 铅酸蓄电池充电技术的研究［Ｊ］．蓄电池．２０１０，４７（５）：２５３～２５８［ ４ ］王艳茹， 李文坡， 陈杰． 脉冲充电提高铅蓄电池充电效率的研究［Ｊ］．电池工业．２０１０，１５（４）２２２～２２５［ ５ ］唐西胜， 武鑫， 齐智平． 超级电容器蓄电池混合储能独立光伏系统研究［Ｊ］． 太阳能学报．２００７，２８（２）：１７８～１８２作者简介魏善义（１ ９ ８ ９ 生） ， 男， 中国海洋大学海洋技术专业本科生。３ 组再并联，即所有双向开关拨向 ａ 端。２．３ 超级电容脉冲充电超级电容对蓄电池多次循环充电的电压、电流变化关系如图 ４ 所示。图 ４ 超级电容为蓄电池间歇脉冲充电从图 ４ 中可以看出，每次充电时电容起始电压固定 Ｕ０＝１６．５０Ｖ，充电过程中，超级电容的电压在下降。通过多次充电，可以看到充电循环结束时的终止电压在不断上升。即完成了对蓄电池的充电。已经有大量的试验研究，提出了蓄电池最佳充电接受曲线 ［３］ ，如果充电电流按最佳充电曲线变化，就可以大大缩短充电时间，提高充电效率 ［４］ 。当电流大于该曲线时，蓄电 池 出 现 极 化 现 象（ 电 流 越 大 极 化 越 严重） ，电解水加剧产生大量气泡，不但不能提高充电速度，还会造成极板不同程度的损坏 ［ ５ ］ 。本实验中，每一循环的放电电流曲线符合蓄电池最佳电流接收曲线。 可以有效保证充电的效率， 延长蓄电池使用寿命。３ 结论在太阳能—蓄电池系统中，采用超级电容模组作为太阳能电池板和蓄电池之间的能量传递器件。利用超级电容的充放电迅速、转换效率高、连接配置灵活等特性，通过多只超级电容串并联切换，可实现在较弱光照环境下，有效吸收太阳能量，提高太阳能利用效率。 并且， 使蓄电池的充电电流更加符合其最佳吸收曲线。 实现对蓄电池的脉冲充电， 改善蓄电池的充电质量， 有效延长蓄电池的循环使用寿命。上接第 ４３ 页规划线位控制点坐标 （１９９０年天津直角坐标系）详见表 ２ 。２．４ 相交道路规划津文快速路 ： 外环线～环外快速环路段规划为城市快速路， 红线宽８０米， 规划横断面为６ｍ （人行道） —１１ｍ （辅道） —１．５ｍ （侧分隔带） —１９．５ｍ （机动车道） —４ｍ （中央分隔带）— １９．５ｍ（机动车道） — １．５ｍ（侧分隔带）—１１ｍ （辅道） —６ｍ （人行道） ；西主干路十三 ：红线宽４０米， 规划横断面为３．５ｍ （人行道） —３３ｍ （车行道） —３．５ｍ （人行道） ； 津晋高速公路 （京津塘高速公路三线） ： 红线控制宽１００米，规划为双向六车道， 路基宽３５ 米， 规划横断面为０．７５ｍ （路肩） —１５．２５ｍ （车行道） —３ｍ （分隔带） — １５．２５ｍ（车行道） — ０．７５ｍ（路肩） ；环外快速环路：规划为城市快速路， 红线宽８０米，规划横断面为 １６．２５ｍ（边沟及绿化） —０．７５ｍ（硬路肩） —１９ｍ（车行道） —８ｍ （中央分隔带） —１９ｍ（车行道） —０．７５ｍ （硬路肩）—１６．２５ｍ （边沟及绿化） ； 独流减河南路 ： 规划为支路， 红线宽１８米， 规划横断面为２．５－１３－２．５米 ； 规划次干路 ： 规划为次干路， 红线宽２４米，规划横断面为３－１８－３ 米。２．５ 铁路规划周芦铁路：为铁路货运南通道的组成部分，地方铁路， 规划在现状铁路北侧增加复线。 规划要求既有铁路中心线以北３７米、 以南３２米为铁路控制用地， 不得建设任何建筑物 ； 津保城际铁路 ： 天津至保定的城际客运专线， 规划为复线。规划要求铁路外侧轨中以外各５０米为铁路控制用地， 不得建设任何建筑物。２．６ 轨道交通规划根据《天津市城市总体规划（２ ０ ０ ５ ～２０２０） 》成果，地铁 ６ 号线向南延伸至团泊新城水库西区， 规划在团泊快速路路中预留轨道用地。２．７ 线路交叉规划团泊快速路与相交道路、 公路、 铁路资料见表 ３。３ 经济分析结论本项目经济内部收益率为 １１．７２％，大于社会折现率，经济净现值为：２７９８６ 万元，大于零， 投资回收期１５．０４年， 小于行业投资回收期２０年。 本项目敏感性分析中， 对客运量和工程投资上下１０％的幅度变化进行分析， 各项指标都能满足要求。 从国民经济的角度来说， 本项目经济效益良好， 并且具有一定的抗风险能力。 因此本项目经经济分析也是可行的。４ 结语在以上的规划背景下， 团泊新城的开发建设需要团泊快速工程的支持， 而团泊新桥作为团泊快速工程的一个重要组成部分， 本工程的修建势在必行。 简言之， 本项目的规划建设能够完善中心城区环外快速路网络， 沟通中心城区与团泊新城的交通发展， 提升中心城区外围新城土地价值， 促进沿线区域经济发展， 为城市建设提供充足的发展空间。 而且可以为团泊新城开发建设及旅游业发展提供先决条件。参考文献［１］天津市城市规划设计研究院． 天津团泊新城西区战略构想．２００６［２］天津市滨海市政建设发展有限公司． 设计任务委托书．２００７［３］天津市城市规划设计研究院． 天津市中心城区环外快速路系统规划． ２ ０ ０ ０上接第 ５６ 页