TW201308817A - 適用於多種電力來源的智慧型電能儲存系統 - Google Patents

Abstract

一種適用於多種電力來源的智慧型電能儲存系統，其包含一第一儲能裝置用以暫時儲存再生電能；一第二儲能裝置，其具有一額定電壓且用以儲存經過電壓轉換的再生電能；一比較器電性連接第一儲能裝置；一參考電壓設定於比較器且不小於該第二儲能裝置的額定電壓；一電壓轉換模組電性連接比較器及第二儲能裝置；其中再生電能之電壓與參考電壓經比較器比較後，再經電壓轉換模組予以升高電壓或降低電壓，然後再充入第二儲能裝置。如此電能儲存系統可適用於不同的電力來源，尤其是微小電力來源也能獲得有效的儲存；再者電能儲存系統具可移動性，且第二儲能裝置可為各式充蓄電池，故本發明具有使用簡便與寬廣的適用性。

Description

適用於多種電力來源的智慧型電能儲存系統

本發明係關於一種電能儲存的技術領域，特別是利用二階段儲能手段搭配升降壓手段，使得各種再生電能均能充入預設之充蓄電池的智慧型電能儲存系統。

由於石化能源日漸減少，各種再生(綠色)能源便成為重要的替代能源。再生能源包含太陽能、熱能、風力能、生質能、潮汐能及振動能等，其通常需要轉換成電能才能提供更廣泛的應用。然而由於各種再生能源的來源經常處在不穩定的狀態，故會造成使用效率不佳及蓄電不易的狀況。

再者，有些微小型的發電裝置，例如小面積染料敏化太陽能電池，其所產生的電能較小，難以直接使用，故通常將其捨棄；若要將微小型發電裝置所產生的電能加以儲存，也常會因為不易充入儲能裝置或是因所得到的電能小、導致使用效益差，而捨棄該微小電能的再利用。

台灣專利M336630揭示一種具有壓電元件的壓力轉換成電能之再生能源裝置，其利用壓電元件產生交流電流並整流成直流電儲存於儲能元件；其儲能元件的電壓再經過突波昇壓裝置及快速二極體，將能量傳送至儲電裝置以完成壓力轉換成電能的再生能源轉換。

台灣專利I318033揭示一種高效率儲能與驅動裝置，該儲能與驅動裝置係供應不連續脈衝電源以對一蓄電單元予以充電儲能，或對一負載予以驅動；該儲能與驅動裝置包含一切換開關、一能量裝置、一超電容及一切換控制裝置，利用切換控制裝置之切換信號來改變該切換開關的切換狀態，以控制能量裝置對超電容的充電與放電狀態進行控制，並對蓄電單元或負載予以充電儲能或驅動。藉此可降低風力、水力及太陽能等在能量轉換過程中的電能損失，避免天候因素造成能量利用效率降低，以及在較小的系統體積與成本的考量下可提供大電流來提升充電儲能效率與驅動負載。

台灣專利I268035揭示一種儲能電路系統，其包括一儲能元件；一升壓電路，用於儲存一輸入電壓於儲能元件，該升壓電路係使用於根據來自該儲能元件之回授電壓的變化切換頻率來調節該輸入電壓；一比較電路，用於藉比較一參考電壓與該儲能元件中之電壓以偵測該儲能元件中之電壓是否到達一供應負載之預設值並產生一控制信號；以及一充電電路，用於當該儲能元件中之電壓到達該預設值時，供應功率至負載以回應該控制信號。

台灣專利200827549揭示一種小型風力超電容儲能系統，特別是小風力狀況下，利用超級電容器的低內阻儲能特性，將小風力形成的小電能蓄積累加成大能量，進而驅動LED燈或小電力機械設備。

台灣專利591847揭示一種具多功能模式之再生能源變流裝置，其包含有一監控單元、一升壓單元、一變流單元及一外加的雙向充電單元；其中升壓單元連接至再生能源裝置的直流電壓輸出端，藉以將再生能源裝置所輸出的直流電壓經升壓單元提升為高壓直流電形式，然後再將高壓直流電輸入至變流單元及雙向充電單元。由於監控單元連接負載、變流單元及雙向充電單元，故可依不同負載選擇不同功能模式，令變流單元滿足獨立負載或電網連結負載等不同負載之應用，具有高適用性。

台灣專利201014106揭示一種自然資源之儲能再生系統及其方法，其主要包含有電能生成裝置、穩壓裝置、輸出控制單元及具有空壓機及儲氣槽之空壓裝置，該電能生成裝置係可將光、風力或水力等自然資源轉換生成電能，並經由穩壓裝置將轉換生成之電能以穩定的電壓輸出，再以該輸出控制單元控制分配輸出電能，而於連接用電負載設備時，可將電能直接分配輸出至用電負載設備使用。

台灣專利201041271揭示一種太陽能儲能系統，其包括太陽能板、切換單元、蓄電池組、偵測單元以及控制器。所述太陽能板用於將太陽能轉換為電能。所述切換單元用於切換蓄電池組中蓄電池之充電方式。所述蓄電池組用於存儲電能。所述偵測單元用於偵測太陽能板之充電電壓以及蓄電池組之開路電壓。所述控制器用於根據偵測單元所偵測到之結果，並控制所述切換單元使之切換為所對應之充電連接線路，而對蓄電池組進行相對應充電方式之充電。

中國專利200910312812.9揭示一種太陽能儲能系統及其充電方法，其包括太陽能板、電壓電流轉換器、電池儲能裝置和控制裝置。電壓電流轉換器用於將太陽能板的輸出電壓轉換為電池儲能裝置的充電電壓。控制裝置包括偵測單元、處理單元和執行單元。偵測單元獲取太陽能板的輸出電壓、電壓電流轉換器的輸出電壓以及電池儲能裝置的實際電壓。處理單元用於從偵測單元獲取太陽能板的輸出電壓及電池儲能裝置的實際電壓並將太陽能板的輸出電壓與一第一預定電壓、及電池儲能裝置的實際電壓與一第二預定電壓分別進行比較以獲取比較結果，其中第一預定電壓大於第二預定電壓。執行單元與電壓電流轉換器相連，執行單元用於根據該比較結果調整電壓電流轉換器的輸出電壓以改變電池儲能裝置的充電電壓

一般而言，當充電電壓略大於儲能裝置的額定電壓時，可以讓電力順利地充入儲能裝置，且不會損壞儲能裝置；但若充電電壓過大於儲能裝置的額定電壓時，雖然也可以將電力充入儲能裝置內，但往往會因為過大的電壓加諸在儲能裝置，而造成儲能裝置容易產生材料質變或受損而不堪使用。另一方面，若充入電力的電壓小於儲能裝置的額定電壓時，則充入電力不能對儲能裝置進行充電。

不同的再生能源所產生的電壓與電流不盡相同，因此要儲存再生電能便會面臨再生電能的電壓過大於儲能裝置之額定電壓，或再生電能的電壓小於儲能裝置之額定電壓的情形，且二者皆不利於電能的儲存。然而上述的各件台灣專利前案，皆未教示再生能源所產生之電力電壓不同時，儲能裝置如何接受充電，因此要實際使用上述專利充電技術，多半僅選用一種再生能源作為電力的產生源，而不會混用不同形式的再生能源；即便是台灣專利201014106揭示可以使用不同再生能源，但其也僅是教示利用穩壓裝置來處理再生電力，並無教示如何進行不同電壓時的充電方法。

又前述的中國專利為太陽能儲電系統及方法，其雖利用電壓比較結果來控制電壓電流轉換器的輸出電壓，但其僅是針對太陽能發電所產生之電壓進行調整，對於其他形式的再生能源，特別是產生小電壓的再生能源，並無說明如何運用該技術手段進行儲能。

本發明的目的係在提供一種適用於多種電力來源的智慧型電能儲存系統，其具有能夠使各種再生能源所產生之電力，先行暫時儲存於一暫存裝置，且電能自暫存裝置輸出後可搭配電壓比較及升降壓調整後形成適當的充電電壓，隨後再使調整後的再生電能充入預設之儲能裝置。

本發明的另一目的係在提供一種適用於多種電力來源的智慧型電能儲存系統，其可以在不需要搭配市電或是既有電力元件的條件下，使電能儲存系統進行再生電能的充蓄。

具體而言，本發明之電能儲存系統包含一第一儲能裝置用以暫時儲存再生電能；一第二儲能裝置，其具有一額定電壓且用以儲存經過電壓轉換的再生電能；一比較器電性連接第一儲能裝置；一參考電壓設定於比較器且不小於該第二儲能裝置的額定電壓；一電壓轉換模組電性連接比較器及第二儲能裝置；其中再生電能之電壓與參考電壓經比較器比較後，再經電壓轉換模組予以升高電壓或降低電壓，以高於第二儲能裝置之額定電壓的形式充入第二儲能裝置。

以下即根據本發明的目的、功效及結構組態，舉出較佳實施例，並配合圖式詳細說明。

請參閱第1圖，圖中顯示再生電能10係可進入電能儲存系統20，進而被儲存於預定的裝置內。其中，再生電能10的產生包含一般太陽能發電、熱電轉電、風力發電、壓電轉電或小面積染料敏化太陽能電池等；電能儲存系統20可提供二階段儲能、電壓比較及自動升降壓等功能。

具體而言，電能儲存系統20具有一第一儲能裝置21，且一調整模組22電性連接第一儲能裝置21。再生電能10係經過調整模組22的濾波或整流濾波後，再充入第一儲能裝置21。所述之第一儲能裝置21可以是電容、可變電容、超級電容或充蓄電池，且再生電能10係暫存於第一儲能裝置21內。

一比較器23係電性連接一切換開關24，且該比較器23另外電性連接第一儲能裝置21。

一電壓轉換模組25電性連接切換開關24與一第二儲能裝置26；其中電壓轉換模組25包含一升壓轉換器252與一降壓轉換器254，且切換開關24可藉由通路的轉換而分別與升壓轉換器252或降壓轉換器254形成通路。

第二儲能裝置26可以是各形式的充蓄電池且具有一額定電壓。

又一參考電壓27係可設定於比較器23，且可調整其電壓值等於或大於對第二儲能裝置26的額定電壓；一般而言，參考電壓27可被調整設定成第二儲能裝置26之額定電壓的1.2倍至2.0倍，但不以此為限。

此外，電能儲存系統20可搭配一電力裝置30。電力裝置30係提供電力給比較器23，以使得該比較器23可以正常運作，而且可以讓參考電壓27得以被設定於比較器23。

以上為電能儲存系統20的組成架構及其說明，且該電能儲存系統20可以被應用在具有再生能源的環境。

此外電力裝置30可以包含能源轉換元件32電性連接電能暫存元件34。其中能源轉換元件32係可用以將再生能源轉換成電能，而電能暫存元件34則可用以儲存能源轉換元件32所轉換的電能。舉例而言，能源轉換元件32可以是太陽能板，而電能暫存元件34可以是電容；除此之外，電力裝置30也可以是一般的電池。

本發明所揭示之再生電能的來源可以是太陽能發電；具體而言，可以利用堆疊式太陽能發電架構來產生電能。

請參閱第2圖，堆疊式太陽能發電架構40係包含一第一太陽能板41與一第二太陽能板42，且一反射片43結合第一太陽能板41，一聚光片44結合第二太陽能板42；更有一導光板45位在反射片43與聚光片44之間，且導光板45、反射片43與聚光片44形成結合狀態。

請參閱第3圖，本發明所揭示之再生電能的來源可以是壓電轉電，其具體的架構包含至少一組壓電模組50。壓電模組50係由壓電元件51與橡膠軟墊52堆疊而成。

請參閱第4圖，本發明所揭示之再生電能的來源可以是熱電轉電。以LED路燈60為例，其可以在散熱片61上配置石墨片62、63與熱電晶片64的組合，如此LED 65所散發的熱量可以經熱電晶片64轉換成電能。

請參閱第5圖，本發明所揭示之再生電能的來源可以是小面積染料敏化太陽能電池架構70，其包含一光源71及至少一染料敏化太陽能電池72。該染料敏化太陽能電池72可受光源71照射而產生電能。

一般再生電力根據其來源可以產生交流電能或直流電能，例如壓電轉電為交流電力，而太陽能發電、熱電轉電及染料敏化太陽能電池所產生的電力則為直流電；再者每一種再生電力的電壓及電流強度不盡相同，其彼此的相對比較值，在本發明的說明中將其區分成：(1)大電壓、大電流，如太陽能發電，其可產生29.4伏特(V)、5毫安培(mA)的電力；(2)大電壓、小電流，如壓電轉電，其可產生46伏特(V)、116.5微安培(μA)的電力；(3)小電壓、大電流，如熱電轉電，其可產生1.1伏特(V)、58.5毫安培(mA)的電力；(4)小電壓、小電流，如小面積染料敏化太陽能電池，其可產生1伏特(V)、3.3毫安培(mA)的電力。然而，上開所稱之大電壓、小電壓、大電流及小電流的數值，並非學理上的定義。

請參閱第6圖，本發明可適用於再生電能為直流電力或交流電力，其中直流電力來源可在調整模組22的濾波進行濾波而形成穩定的直流電流；而交流電力來源則經調整模組22的橋式整流及濾波電容進行整流及濾波以形成穩定的直流電流。

自調整模組22輸出之直流電流可暫存於第一儲能裝置21，藉此成為第一階段儲能。

電力裝置30係提供足夠的電壓作為參考電壓27，以及提供足夠的電力以驅動比較器23。其中參考電壓27的電壓值係參考第二儲能裝置26的額定電壓而加以調整。參考電壓27的電壓調整值可藉由稽納二極體272之穩壓與可變電阻274的匹配而達成。

是以，自第一儲能裝置21所輸出的再生電能之電壓與參考電壓27相比較，若再生電能電壓小於參考電壓27，則比較器23會輸出一低電位訊號使得切換開關24中的開關(NMOS Q1) 242形成斷路，而另一開關(PMOS Q2) 244則形成通路，使得第一儲能裝置21所輸出的再生電能得以進入電壓轉換模組25的升壓轉換器252以提高電壓，再以適當的電壓條件充入第二儲能裝置26。

若自第一儲能裝置21所輸出的再生電能之電壓與參考電壓27相比較，且再生電能電壓大於參考電壓27時，則比較器23輸出一高電位訊號使得切換開關24中的開關(NMOS Q1) 242形成通路，而另一開關(PMOS Q2) 244則形成斷路，使得第一儲能裝置21所輸出的再生電能得以進入電壓轉換模組25的降壓轉換器254以降低電壓，再以適當的電壓條件充入第二儲能裝置26，如此可形成第二階段儲能。

一般而言，自電壓轉換模組25輸出的電能電壓一般為第二儲能裝置26之額定電壓的1.2至2.0倍。

又一電量偵測器32電性連接第二儲能裝置26，其用以檢測第二儲能裝置26的充電量。

是以本發明所揭示電能儲存系統具有以下功能：

(1)使用二階段儲能設計，使得電能儲存系統可適用於不同的電力來源，尤其是微小電力來源，例如實施例中所揭示之小面積染料敏化太陽能電池(小電壓、小電流)，也能獲得有效的儲存及應用，進而可提升再生能源的再利用率；

(2)切換關關與比較器、參考電壓互相搭配形成智慧型切換裝置；藉由智慧型切換裝置的設計，可在偵測再生電力之電壓後，自動將電力來源引導至所需對應之升壓轉換器或降壓轉換器，使操作相當簡便；

(3)第二儲能裝置可以使用目前已知的各型式充蓄電池，且在充電時經由適當的調整參考電壓，隨後即可依前述說明方式進行充電，因此本發明具有寬廣的適用性；

(4)電能儲存系統可以是可移動式，因此具有再生能源發電條件的室內或室外皆可適用，而且電力裝置也可以是另一個利用再生電能的裝置，故本發明可以完全不使用市電資源，真正達到有效儲能與節能的效果。

以上乃本發明之較佳實施例以及設計圖式，惟較佳實施例以及設計圖式僅是舉例說明，並非用於限制本發明技藝之權利範圍，凡以均等之技藝手段、或為下述「申請專利範圍」內容所涵蓋之權利範圍而實施者，均不脫離本發明之範疇而為申請人之權利範圍。

10．．．再生電能

20．．．電能儲存系統

21．．．第一儲能裝置

22．．．調整模組

23．．．比較器

24．．．切換開關

242．．．開關(NMOS Q1)

244．．．開關(PMOS Q2)

25．．．電壓轉換模組

252．．．升壓轉換器

254．．．降壓轉換器

26．．．第二儲能裝置

27．．．參考電壓

272．．．稽納二極體

274．．．可變電阻

30．．．電力裝置

32．．．能源轉換元件

34．．．電能暫存元件

40．．．堆疊式太陽能發電架構

41．．．第一太陽能板

42．．．第二太陽能板

43．．．反射板

44．．．聚光板

45．．．導光板

50．．．壓電模組

51．．．壓電元件

52．．．橡膠軟墊

60．．．LED路燈

61．．．散熱片

62．．．石墨片

63．．．石墨片

64．．．熱電晶片

65．．．LED

70．．．小面積染料敏化太陽能電池架構

71．．．光源

72．．．染料敏化太陽能電池

第1圖係本發明的構成方塊圖；

第2圖係本發明的堆疊式太陽能發電架構示意圖；

第3圖係本發明的壓電轉電架構示意圖；

第4圖係本發明的熱電轉電架構示意圖；

第5圖係本發明的小面積染料敏化太陽能電池架構示意圖；

第6圖係本發明的電路示意圖。

10．．．再生電能

20．．．電能儲存系統

21．．．第一儲能裝置

22．．．調整模組

23．．．比較器

24．．．切換開關

25．．．電壓轉換模組

252．．．升壓轉換器

254．．．降壓轉換器

26．．．第二儲能裝置

27．．．參考電壓

30．．．電力裝置

32．．．能源轉換元件

34．．．電能暫存元件

Claims (10)

1. 一種適用於多種電力來源的智慧型電能儲存系統，係用以儲存再生能源所產生之再生電能，其包含：一第一儲能裝置，係用以暫時儲存該再生電能；一第二儲能裝置，其具有一額定電壓且用以儲存經過電壓轉換的再生電能；一比較器，係電性連接該第一儲能裝置；一參考電壓，係設定於該比較器且不小於該第二儲能裝置的額定電壓；一電壓轉換模組，係電性連接該比較器及該第二儲能裝置；其中該再生電能之電壓與該參考電壓經由該比較器比較後，再經該電壓轉換模組升高電壓或降低電壓以便該再生電能得以充入該第二儲能裝置。
2. 如申請專利範圍第1項所述之適用於多種電力來源的智慧型電能儲存系統，更包含一切換開關，該切換開關電性連接該比較器及該電壓轉換模組，且再生電能經該切換開關後，進入該電壓轉換模組自動升高電壓或降低電壓。
3. 如申請專利範圍第1或第2項所述之適用於多種電力來源的智慧型電能儲存系統，其中該電壓轉換模組包含一升壓轉換器及一降壓轉換器。
4. 如申請專利範圍第1項所述之適用於多種電力來源的智慧型電能儲存系統，其中該第一儲能裝置可以選自電容、可變電容、超級電容或充蓄電池。
5. 如申請專利範圍第1項所述之適用於多種電力來源的智慧型電能儲存系統，其中該第二儲能裝置為充蓄電池。
6. 如申請專利範圍第1項所述之適用於多種電力來源的智慧型電能儲存系統，更包含一電力裝置，該電力裝置電性連接該比較器且提供電力與該參考電壓給比較器，使該比較器能正常運作。
7. 如申請專利範圍第6項所述之適用於多種電力來源的智慧型電能儲存系統，其中該電力裝置包含一能源轉換元件電性連接一電能暫存元件。
8. 如申請專利範圍第6項所述之適用於多種電力來源的智慧型電能儲存系統，其中該電力裝置為一電池。
9. 如申請專利範圍第1項所述之適用於多種電力來源的智慧型電能儲存系統，更包含一調整模組，該調整模組係電性連接該第一儲能裝置，且該調整模組對該再生電能作濾波或整流濾波後，再使調整後的該再生電力儲存於該第一儲能裝置。
10. 如申請專利範圍第1項所述之適用於多種電力來源的智慧型電能儲存系統，更包含一電量偵測器，該電量偵測器電性連接該第二儲能裝置。