TW201306435A - 太陽能發電裝置及太陽能發電系統 - Google Patents

Abstract

一種太陽能發電裝置包括複數太陽能電池模組、複數轉換單元以及一最大功率追蹤模組。複數轉換單元分別與該等太陽能電池模組對應設置且電性連接。最大功率追蹤模組係依據各太陽能電池模組輸出之一電壓與一電流控制對應的轉換單元，以分別使該等太陽能電池模組具有最大的輸出功率，進而使太陽能發電裝置具有最大的輸出功率。本發明亦揭露一種太陽能發電系統。本發明之太陽能發電裝置及太陽能發電系統具有較高的輸出功率及發電效率。

Description

太陽能發電裝置及太陽能發電系統

本發明係關於一種發電裝置及發電系統，特別關於一種太陽能發電裝置及太陽能發電系統。

由於石油的供應漸趨吃緊使其價格也居高不下，以及核能發電的安全疑慮未除，故世界各國正積極尋求替代能源。在替代能源中，太陽能因為在發電過程中不會產生污染，因此，是一種乾淨且取之不盡的綠色能源。

在目前太陽能發電的應用上，可分為獨立型發電和市電並聯型發電兩種。前者可應用於偏遠山區或離島等無法使用市電的地區，而後者則可應用於商業區和住宅區，並將太陽能發電系統與建築物做結合，以將太陽能發電轉換成交流電而併入市電使用。

太陽能電池的特性會隨著操作在不同的電壓下會有不同的電流輸出，而只有在一最佳操作電壓之下，太陽能電池才會有最大功率輸出。另外，請參照圖1A及圖1B所示，其分別為太陽能電池在不同照度及不同溫度之特性曲線示意圖。隨著光照度和環境溫度的變化，太陽能電池的特性曲線和最佳操作點會有所改變，如圖1A和圖1B所示。所以，為了解決太陽能電池與後方負載阻抗匹配的問題，目前技術是將太陽能電池與一直流/直流轉換器(DC/DC Converter)連接，經由轉換器再輸出給後端直流負載或電池使用，或是再藉由一直流/交流逆變器(DC/AC Inverter)轉換成交流電，以供應交流負載或與市電並聯。其中，配合太陽能最大功率追蹤(Maximum Power Point Tracking,MPPT)技術可將太陽能電池維持操作在最大功率點，使太陽能電池具有較高的發電效率。

然而，請參照圖1C所示，其為習知一種太陽能發電裝置1的示意圖。在實際的太陽能發電應用上，會因應負載的操作電壓以及功率的需求，而將太陽能電池串聯及或並聯成一組太陽能電池模組11，再將輸出的電力輸入一直流轉直流的轉換器12，並藉由最大功率追蹤控制器13(MPPT控制器)的作用使太陽能發電裝置1的輸出功率為最大。此種架構稱為集中式太陽能發電系統(Centralized Photovoltaic Power System)架構，而在其應用上必須確保太陽能電池模組11中之每一片太陽能電池的特性必須相同。若其中摻雜了劣化的太陽能電池，則會影響到整體的功率輸出。例如太陽能電池在長時間使用下老化的程度不一致，或是太陽能電池受到部分遮蔽效應(Partial Shading Effect)的影響，而導致每片太陽能電池的光照面積不同，甚至是太陽能電池發生故障，嚴重時將會導致整體的太陽能電池模組11之功率無法輸出。如圖1D所示，因其中之一太陽能電池111故障，將使整個串聯的太陽能電池無法輸出。即使太陽能電池模組11之輸出有最大功率追蹤技術進行調變，在太陽能電池不匹配的的情況下也無法發揮其效用。

因此，如何提供一種太陽能發電裝置及太陽能發電系統，可比習知技術具有較高的輸出功率及發電效率，已成為重要課題之一。

有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種可比習知技術具有較高的輸出功率及發電效率之太陽能發電裝置及太陽能發電系統。

為達上述目的，依據本發明之一種太陽能發電裝置包括複數太陽能電池模組、複數轉換單元以及一最大功率追蹤模組。複數轉換單元分別與該等太陽能電池模組對應設置且電性連接。最大功率追蹤模組係依據各太陽能電池模組輸出之一電壓與一電流控制對應的轉換單元，以分別使該等太陽能電池模組具有最大的輸出功率，進而使太陽能發電裝置具有最大的輸出功率。

在一實施例中，該等太陽能電池模組分別具有複數太陽能電池元件，該等太陽能電池元件係串聯及或並聯。

在一實施例中，該等轉換單元分別具有一驅動元件及一開關元件，驅動元件依據一控制訊號控制開關元件。

在一實施例中，最大功率追蹤模組具有一乘法單元，乘法單元依據各太陽能電池模組輸出之電壓與電流分別輸出一功率訊號。

在一實施例中，最大功率追蹤模組更具有一最大功率追蹤單元，最大功率追蹤單元依據功率訊號輸出一最大功率參考訊號。

在一實施例中，最大功率追蹤模組更具有一穩壓單元，穩壓單元具有穩壓控制機制，並依據電壓及最大功率參考訊號分別輸出控制訊號。

在一實施例中，穩壓單元係輸出控制訊號，並分別控制該等轉換單元，以分別使該等太陽能電池模組的輸出功率為最大。

在一實施例中，最大功率追蹤單元係依據一二次式極值法分別追蹤該等太陽能電池模組之最大功率。

在一實施例中，太陽能發電裝置係為星狀分散式太陽能發電架構。

在一實施例中，最大功率追蹤模組係依序或同時依據各太陽能電池模組輸出之電壓與電流控制對應的轉換單元。

為達上述目的，依據本發明之一種太陽能發電系統具有複數個太陽能發電裝置，並包括一網路以及一監測控制模組。該等最大功率追蹤模組係藉由網路電性連接。監測控制模組係藉由網路與該等最大功率追蹤模組電性連接。

在一實施例中，監測控制模組整合及監控該等太陽能發電裝置的輸出。

承上所述，因依據本發明之太陽能發電裝置及太陽能發電系統包括複數太陽能電池模組、複數轉換單元以及一最大功率追蹤模組。其中，轉換單元分別與該等太陽能電池模組對應設置且電性連接，而最大功率追蹤模組係依據各太陽能電池模組輸出之一電壓與一電流控制對應的轉換單元，以分別使該等太陽能電池模組具有最大的輸出功率，進而使太陽能發電裝置及太陽能發電系統具有最大的輸出功率。藉此，與習知技術相較，本發明星狀之分散式太陽能發電架構的太陽能發電裝置及太陽能發電系統具有較高的輸出功率及發電效率。

以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種太陽能發電裝置及太陽能發電系統，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。

請參照圖2所示，其為本發明較佳實施例之一種太陽能發電裝置2的示意圖。本發明之太陽能發電裝置2輸出的電力可儲存至蓄電池及或供應給直流負載使用，或者輸出的電力可輸入一直流/交流逆變器(DC/AC inverter)，經逆變器轉換成交流電後，併入交流電網(Grid)後供應給交流負載使用。於此，並不加以限制其應用狀況。

太陽能發電裝置2包括複數太陽能電池模組21、複數轉換單元22以及一最大功率追蹤模組23。圖2中係以6個太陽能電池模組21及6個轉換單元22為例，當然並不以此為限。在其它的實施態樣中，太陽能發電裝置可具有其它數量的太陽能電池模組及轉換單元。

太陽能電池模組21可分別具有複數太陽能電池元件(圖2未顯示)，而複數太陽能電池元件可因應需求而串聯及或並聯連接，以組成一個太陽能電池模組21。

轉換單元22分別與該等太陽能電池模組21對應設置且電性連接。換言之，一個太陽能電池模組21係與一個轉換單元22對應設置且電性連接。

最大功率追蹤模組23係依據各太陽能電池模組21輸出之一電壓與一電流控制對應的轉換單元22，以分別使該等太陽能電池模組21具有最大的輸出功率，進而使太陽能發電裝置2具有最大的輸出功率。於此，最大功率追蹤模組23係依序或同時依據各太陽能電池模組21輸出之電壓與電流控制對應的轉換單元22。詳而言之，最大功率追蹤模組23是依照順序，一個一個地，或者同時地依據太陽能電池模組21輸出之電壓與電流控制與其連接之轉換單元22，使各個太陽能電池模組21分別具有最大的功率輸出，進而使太陽能發電裝置2具有最大的輸出功率，於此，並不加以限定。其中，最大功率追蹤模組23與各轉換單元22之間係可藉由有線或無線的方式電性連接，於此，亦不加以限定。特別一提的是，本發明之太陽能發電裝置2與習知之集中式架構不同，其稱為星狀的分散式太陽能發電架構(Distributed Photovoltaic Power Architecture)。

以下，請參照相關圖示，以舉例說明本發明之太陽能發電裝置。

請參照圖3A所示，其為本發明較佳實施例之一種太陽能發電裝置3的示意圖。其中，太陽能發電裝置3與前述之太陽能發電裝置2具有相同架構，亦具有相同的元件及其功能。只是在本實施例中，太陽能發電裝置3包括二個太陽能電池模組31a、31b、二個轉換單元32a、32b以及一個最大功率追蹤模組33，並輸出電力給一負載R。當然，太陽能發電裝置3輸出的電力也可輸入蓄電池，或一直流/交流逆變器，並經逆變器轉換成交流電後，併入交流電網，以供應給交流負載使用。

太陽能電池模組31a、31b分別具有複數太陽能電池元件(圖未顯示)，而複數太陽能電池元件之間可串聯及或並聯連接，以組成一個太陽能電池模組31a、31b。另外，轉換單元32a、32b分別與太陽能電池模組31a、31b對應設置且電性連接。此外，最大功率追蹤模組33係依據各太陽能電池模組31a、31b輸出之電壓與電流控制對應的轉換單元32a、32b，以分別使太陽能電池模組31a、31b具有最大的輸出功率，進而使太陽能發電裝置3具有最大的功率輸出。其中，最大功率追蹤模組33係依序或同時依據各太陽能電池模組31a、31b輸出之電壓與電流控制對應的轉換單元32a、32b，且最大功率追蹤模組33與太陽能電池模組31a、31b及其分別對應的轉換單元32a、32b之間的作動係相同的。

請參照圖3B所示，其為圖3A之太陽能發電裝置3的虛線內之電路示意圖。為了說明，圖3A只顯示一個太陽能電池模組31a、一個轉換單元32a、最大功率追蹤模組33及負載R。使用者當可依照以下的說明了解最大功率追蹤模組33控制太陽能電池模組31b及其對應的轉換單元32b的詳細內容。另外，圖3B之負載R係以一電阻為例。此外，圖3B中係藉由一電流感測器S(例如比流器)感測太陽能電池模組31a輸出之電流I。

轉換單元32a具有一驅動元件321及一開關元件。驅動元件321係依據一控制訊號CS控制開關元件。於此，轉換單元32a係以一同步整流式降壓型直流對直流電源轉換器(Buck DC-DC Converter)為例，然並不以此為限。當然，轉換單元32a也可為升壓型直流對直流電源轉換器(Boost DC-DC Converter)，或為升降壓型直流對直流電源轉換器(Buck-Boost DC-DC Converter)。另外，在本實施例中，係以驅動元件321分別控制二個開關元件Q1、Q2為例。其中，開關元件Q1係控制輸入轉換單元32a之電源的導通與否，而開關元件Q2主要是配合輸入轉換單元32a之電源的導通情況進行整流工作。

控制訊號CS可控制開關元件Q1、Q2之責任週期(Duty Cycle)，亦即控制開關元件Q1、Q2的導通時間，以改變轉換單元32a之輸出電壓與輸入電壓(即太陽能電池模組31a的輸出電壓)的降壓比，進而可改變太陽能電池模組31a之輸出電壓V與電流I(即改變其輸出功率)。換言之，控制訊號CS可控制轉換單元32a，使得太陽能電池模組31a可隨時依據環境改變而改變其責任周期，以獲得最大的輸出功率。其中，控制訊號CS係為脈寬調變(Pulse Width Modulation,PWM)訊號。

另外，如圖3B所示，轉換單元32a更可具有一儲能電感L、二電容C1、C2及一二極體D。當開關元件Q1被導通時，太陽能電池模組31a輸出的電流I流經開關元件Q1，再流經儲能電感L並加以儲能，接著亦輸出至負載R。當開關元件Q1被切換而斷路時，太陽能電池模組31a停止輸出電流I，儲能電感L釋放出內部之儲存電能，使電流流至負載R以繼續驅動負載R，且電流可經開關元件Q2流回至儲能電感L。另外，藉由儲能電感L的充電與放電過程，降低輸出至負載R之電壓。

最大功率追蹤模組33具有一乘法單元331，乘法單元331係依據太陽能電池模組31a輸出之電壓V與電流I輸出一功率訊號PS。換言之，乘法單元331係將太陽能電池模組31a輸出之電壓V與電流I相乘，以得到太陽能電池模組31a輸出之功率。

另外，最大功率追蹤模組33更具有一最大功率追蹤單元332，最大功率追蹤單元332係依據功率訊號PS輸出一最大功率參考訊號RS，而最大功率參考訊號RS亦為脈寬調變訊號。在本實施例中，最大功率追蹤單元332係依據一二次式極值法(Quadratic Maximization Method)追蹤太陽能電池模組31a的最大功率。於此，最大功率追蹤單元332係依據不同責任周期的控制訊號CS計算太陽能電池模組31a輸出功率的變化，並配合二次式極值法來追蹤太陽能電池模組31a之最大功率點。二次式極值法是將太陽能電池之特性曲線近似一條二次式曲線，藉由輸入三組不同責任周期的控制訊號CS及量測太陽能電池模組31a之輸出功率，並且以一二次曲線函數來計算出太陽能電池模組31a之最大功率點。而二次式極值法追蹤太陽能電池模組31a之最大功率可參照中華民國發明專利公開號第201100995號之「太陽能電池最大功率追蹤系統與追蹤方法」，於此不再贅述。

特別一提的是，本實施例之最大功率追蹤模組33之最大功率追蹤單元332係依據二次式極值法追蹤太陽能電池模組31a的最大功率。然而，在其它的實施例中，最大功率追蹤單元332可依據不同的追蹤技術，追蹤太陽能電池模組31a的最大功率。於此，並不加以限定太陽能電池裝置的3的最大功率追蹤技術。

此外，最大功率追蹤模組33更可具有一穩壓單元333，穩壓單元333係具有穩壓控制機制，並可依據電壓V及最大功率參考訊號RS輸出控制訊號CS。換言之，穩壓單元333係接收太陽能電池模組31a輸出之電壓V及最大功率追蹤單元332輸出之最大功率參考訊號RS，並輸出控制訊號CS至太陽能電池模組31a對應之轉換單元32a。而控制訊號CS係輸入轉換單元32a的驅動元件321，以驅動開關元件Q1、Q2。

在本實施例中，穩壓單元333係以包含比例-積分-微分電壓調整器(PID Voltage Regulator)為例。不過，在其它的實施例中，穩壓單元333也可使用其他的穩壓控制機制，並可使轉換單元32a輸入電源的電壓保持任意定值之邏輯控制器，如模糊邏輯控制器或類神經控制器等。其中，比例-積分-微分電壓調整器將最大功率參考訊號RS與太陽能電池模組31a輸出之電壓V相減得到一誤差值，然後依據所使用的穩壓控制邏輯修正控制訊號CS之責任週期。因此，穩壓單元333輸出控制訊號CS，並控制轉換單元32a，以使該等太陽能電池模組31a的輸出功率為最大。承上，最大功率追蹤模組33係依據太陽能電池模組31a輸出之電壓與電流控制對應的轉換單元32a，以使太陽能電池模組31a具有最大的輸出功率。

同樣地，最大功率追蹤模組33亦依據太陽能電池模組31b輸出之一電壓與一電流控制對應的轉換單元32b，以使太陽能電池模組31b具有最大的輸出功率的控制方式可參照上述，於此不再贅述。

因此，本發明之最大功率追蹤模組33可依據各太陽能電池模組31a、31b輸出之電壓與電流控制對應的轉換單元32a、32b，以分別使太陽能電池模組31a、31b具有最大的輸出功率，進而使太陽能發電裝置3具有最大的功率輸出。

另外，太陽能發電裝置3實際的輸出功率量測結果請分別參照圖3C及圖3D所示。其中，圖3C為採用習知集中式架構之太陽能發電裝置之功率與時間關係示意圖，而圖3D為圖3A中，採用本發明之星狀之分散式太陽能發電架構之太陽能發電裝置的功率與時間關係示意圖。本實施例之太陽能電池模組31a可輸出的最大功率為85W，而太陽能電池模組31b可輸出的最大功率為50W。

由圖3C可發現，採用習知集中式架構之太陽能發電裝置輸出的功率為111W。另外，如圖3D所示，採用本發明之星狀的分散式太陽能發電架構之太陽能發電裝置3之太陽能發電模組31a的輸出功率為85W，而太陽能發電模組31b的輸出功率為50W，合計輸出為135W。因此，採用本發明之星狀的分散式太陽能發電架構之太陽能發電裝置3具有較高的輸出功率，且其發電效率亦提升了21.6%「=(135-111)÷111×100%」。

另外，請參照圖4所示，其為本發明較佳實施例之一種太陽能發電系統4的示意圖。本發明之太陽能發電系統4亦為星狀的分散式太陽能發電架構。其中，太陽能發電系統4具有複數個如圖2所示之太陽能發電裝置2。另外，太陽能發電系統4更可包括一網路41以及一監測控制模組42。

如上述所示，最大功率追蹤模組23係依序或同時依據各太陽能電池模組21輸出之電壓與電流控制對應的轉換單元22，以分別使該等太陽能電池模組21具有最大的輸出功率，進而使太陽能發電裝置2具有最大的輸出功率，於此不再贅述。

另外，該等最大功率追蹤模組23係藉由網路41彼此電性連接。而網路41可為有線網路或為無線網路。於此，並不加以限制。此外，監測控制模組42亦藉由網路41與該等最大功率追蹤模組23電性連接。其中，監測控制模組42可為一電腦，並可整合及監控該等太陽能發電裝置2的輸出。換言之，監測控制模組42可整合及監控各太陽能發電裝置2的輸出功率，使太陽能發電系統4供應負載所需的電力。

綜上所述，因依據本發明之太陽能發電裝置及太陽能發電系統包括複數太陽能電池模組、複數轉換單元以及一最大功率追蹤模組。其中，轉換單元分別與該等太陽能電池模組對應設置且電性連接，而最大功率追蹤模組係依據各太陽能電池模組輸出之一電壓與一電流控制對應的轉換單元，以分別使該等太陽能電池模組具有最大的輸出功率，進而使太陽能發電裝置及太陽能發電系統具有最大的輸出功率。藉此，與習知技術相較，本發明星狀之分散式太陽能發電架構的太陽能發電裝置及太陽能發電系統具有較高的輸出功率及發電效率。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1、2、3．．．太陽能發電裝置

11、21、31a、31b．．．太陽能電池模組

111．．．太陽能電池

12．．．轉換器

13．．．最大功率追蹤控制器

22、32a、32b．．．轉換單元

23、33．．．最大功率追蹤模組

321．．．驅動元件

331．．．乘法單元

332．．．最大功率追蹤單元

333．．．穩壓單元

4．．．太陽能發電系統

41．．．網路

42．．．監測控制模組

C1、C2．．．電容

CS．．．控制訊號

D．．．二極體

I．．．電流

L．．．儲能電感

PS．．．功率訊號

Q1、Q2．．．開關元件

R．．．負載

RS．．．最大功率參考訊號

S．．．電流感測器

V．．．電壓

圖1A及圖1B分別為太陽能電池在不同照度及不同溫度之特性曲線示意圖；

圖1C為習知一種太陽能發電裝置的示意圖；

圖1D為習知一種太陽能發電裝置之故障示意圖；

圖2為本發明較佳實施例之一種太陽能發電裝置的示意圖；

圖3A為本發明較佳實施例之另一種太陽能發電裝置的示意圖；

圖3B為圖3A之太陽能發電裝置的虛線內之電路示意圖；

圖3C為採用習知集中式架構之太陽能發電裝置的功率與時間關係示意圖；

圖3D為採用本發明之星狀之分散式太陽能發電架構之太陽能發電裝置的功率與時間關係示意圖；以及

圖4為本發明較佳實施例之一種太陽能發電系統的示意圖。

2．．．太陽能發電裝置

21．．．太陽能電池模組

22．．．轉換單元

23．．．最大功率追蹤模組

Claims (12)

1. 一種太陽能發電裝置，包括：複數太陽能電池模組；複數轉換單元，分別與該等太陽能電池模組對應設置且電性連接；以及一最大功率追蹤模組，係依據各該太陽能電池模組輸出之一電壓與一電流控制對應的轉換單元，以分別使該等太陽能電池模組具有最大的輸出功率，進而使該太陽能發電裝置具有最大的輸出功率。
2. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能發電裝置，其中該等太陽能電池模組分別具有複數太陽能電池元件，該等太陽能電池元件係串聯及或並聯。
3. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能發電裝置，其中該等轉換單元分別具有一驅動元件及一開關元件，該驅動元件依據一控制訊號控制該開關元件。
4. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能發電裝置，其中該最大功率追蹤模組具有一乘法單元，該乘法單元依據各該太陽能電池模組輸出之該電壓與該電流分別輸出一功率訊號。
5. 如申請專利範圍第4項所述之太陽能發電裝置，其中該最大功率追蹤模組更具有一最大功率追蹤單元，該最大功率追蹤單元依據該功率訊號輸出一最大功率參考訊號。
6. 如申請專利範圍第5項所述之太陽能發電裝置，其中該最大功率追蹤模組更具有一穩壓單元，該穩壓單元具有穩壓控制機制，並依據該電壓及該最大功率參考訊號分別輸出該控制訊號。
7. 如申請專利範圍第6項所述之太陽能發電裝置，其中該穩壓單元係輸出該控制訊號，並分別控制該等轉換單元，以分別使該等太陽能電池模組的輸出功率為最大。
8. 如申請專利範圍第5項所述之太陽能發電裝置，其中該最大功率追蹤單元係依據一二次式極值法分別追蹤該等太陽能電池模組之最大功率。
9. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能發電裝置，其中該太陽能發電裝置係為星狀分散式太陽能發電架構。
10. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能發電裝置，其中該最大功率追蹤模組係依序或同時依據各該太陽能電池模組輸出之該電壓與該電流控制對應的轉換單元。
11. 一種太陽能發電系統，具有複數個如申請專利範圍第1項至第10項任一項所述之太陽能發電裝置，並包括：一網路，該等最大功率追蹤模組係藉由該網路電性連接；以及一監測控制模組，係藉由該網路與該等最大功率追蹤模組電性連接。
12. 如申請專利範圍第11項所述之太陽能發電系統，其中該監測控制模組整合及監控該等太陽能發電裝置的輸出。