1、引言

近年来，由于常规能源的有限性和分布不均匀性，不能满足经济可持续发展的需要，所以人类将目光集中在了可再生能源上。而太阳能作为一种清洁的可再生能源，日益被独立供电系统所看重。

由于太阳能受日照和天气的影响，如何将太阳能存储起来以备阴雨天和晚上的使用是本文着重解决的问题。本文权衡了各种储能器件，比较其发展前景和优势特点，选择超级电容作为储能装置。

2、超级电容简述

超级电容器是一种高能量密度的无源储能元件，主要是通过电极／电解质界面形成双电层中离子的吸附和脱附，来实现能量的储存与释放。即利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量，大多数超级电容器可以做到法拉级，容值范围可达1～5000F，并且在使用时，可以通过串联或者并联以提高耐压和容量。

超级电容的最大充放电性能是由活性物质表面的离子取向和电荷转移速度决定的。其主要特点表现在：功率密度高、循环寿命长、工作温度范围宽、免维护、绿色环保。

超级电容器作为能量储存器件具有与可充电电池不同的充放电特性。在充放电时，电池具有较稳定的输出电压，而超级电容器的输出电压随电能容量减少而下降。必须通过DC／DC转换才能变成恒电压输出。超级电容器的存储能量与其输出电压的关系为：。所以通过测量的电压很容易计算超级电容器的存储能量。

与传统蓄电池相比，超级电容对于充／放电电流没有严格的限制，能更好的适应太阳能电池发电能力波动范围较大的特点。

3、系统的硬件部分

本设计以超级电容组作为储能设备，以C8051F320为控制芯片，并合理设计其充放电电路，以保证整个系统的稳定性。

3.1独立供电系统的总体结构

独立供电系统由太阳能电池板、超级电容和控制器组成。控制器通过对太阳能电池板的电压及电流的采集，实现太阳能电池最大功率点跟踪，最大效率的存储太阳能，并对超级电容和系统的安全进行管理；超级电容组作为储能设备，通过DC／DC电源芯片输出稳定的直流电压并为控制器本身供电。系统结构如图1。

设计主要为12V的直流负载供电，电流传感器选用MAX472，场效应管Q1、Q2、Q3选用IRF540，并由驱动芯片TC4427EPA驱动，稳压器U1、U2选用LM2576，DC／DC变换器选用MAX668。

3.2超级电容组的充放电设计

设计总体思路是：利用C8051F320的捕捉／比较模块产生PWM调节充电电流以实现最大功率跟踪，以最大效率对超级电容组充电；通过控制MCU的I／O口线，实现放电装置的通断，以保证系统非正常情况下供电。

设计中，满足用电量的需求，由公式2，可得超级电容组的电容量。基于对系统造价（超级电容值大小与价格有关）的考虑，特设置场效应管Q1、Q2来管理负载和控制器的通断。超级电容组的电压和电流分别通过分压电阻、电流传感器送至单片机，并与单片机内部预设电压Uref1、Uref2作比较，在Q1、Q2作用下完成对负载和控制器的通断。但单片机工作电压不足以驱动场效应管，故需加驱动芯片，而TC4427EPA峰值输出电流可达1.5A，输入电源电压工作范围-4.5V至18V，满足设计要求。

超级电容组的电压在充放电过程中呈不稳定的状态，随充电而升高，随放电而减小。设计采用稳压器U1、U2对超级电容电压进行升降压稳压后对负载和控制器供电。考虑最大限度的使用超级电容所储存的电能，设计希望稳压芯片的输入最小电压尽可能的小，因此设计选用LM2576稳压芯片（输入电压范围为1.23～37V）。设计参数：超级电容组24V、175F，＝1.6V，＝1.5V，单晶硅太阳能电池2W、18V。

4、系统的软件设计

系统采用太阳能作为发电器件，由光伏电池的P-V输出特性可知，随着端电压由0逐渐增大，输出功率呈现先升高后降低的态势，因此，为最大效率的存储太阳能，如何实时调整光伏电池的工作点，使其始终工作在最大功率所对应的电压值附近，即实现最大功率跟踪（MPPT）是系统解决的主要问题。

实现最大功率跟踪的方法很多，系统选用扰动观察法。原理是每隔一定的时间增加或者减少光伏阵列输出电压，并观测之后其输出功率变化方向，来决定下一步的控制信号。即先给出一个扰动输出电压信号（Upv＋ΔU），再测量其功率变化，与扰动之前的功率值相比，若功率值增加，则表示扰动方向正确，可继续向同一（＋ΔU）方向扰动；若扰动后的功率值小于扰动前，则往反（-△U）方向扰动，直至太阳能电池输出功率趋于最大，即。

本文通过比较太阳能电池板当前输出功率和前一次输出功率，按照扰动观察法调整得到最大功率点，对超级电容充电，在放电过程中，设置场效应管Q3管理负载的通断，设置场效应管Q2管理对控制器的供电。系统的流程如图2。

5、设计结论及分析

本着新能源超级电容在新领域的应用研究，本设计采用C8051F320控制器完成了在太阳能最大功率点时的信号采集，最大效率的完成了超级电容的充电，并设置电压门限，保证了系统持续稳定供电。特别是超级电容作为新生储能元件，以其优势特点，更广的应用领域的开发将使其具有更好的应用前景。