TW201519456A - 適應性太陽能集電裝置 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種適應性太陽能集電裝置，其包括太陽能接收單元、電壓轉換器以及充電功率控制器。電壓轉換器具有輸入端以及輸出端。電壓轉換器之輸入端耦接太陽能接收單元，電壓轉換器透過輸入端接收太陽能接收單元之電力。充電功率控制器耦接電壓轉換器之輸出端，感測電壓轉換器之輸出端之供應電壓，並產生充電電壓以及充電電流以對至少一電力儲存單元充電。充電功率控制器依據來自電壓轉換器之輸出端之供應電壓作為前饋控制(feed-forward control)，而調整充電電壓以及充電電流。

Description

適應性太陽能集電裝置

本發明有關於一種太陽能裝置，且特別是一種適應性太陽能集電裝置。

現存於地球上的能源是逐年短缺，例如：煤炭、石油、乙醇、核能、水力、地熱能、風能、可再生的生質能。上述的所有能源都面臨著不同的缺點和在成本上的因素，如安全性、量產性與綠能的考量。因為電力的使用和人口逐漸增加，使得難以有一個乾淨、可靠成本低廉的能源可供人們日常使用。目前有兩個可以符合前面要求的能源候選，即核融合與太陽能。核融合很好但是因為技術屏障而無法商業化。而太陽能恰好是可滿足能源上的決定性作用的候選者。儘管太陽能集電方式是一種可行的電力來源，太陽能集電仍存在一些有待突破的問題以使其成為有力的電力來源。有待解決的問題如太陽能電池(solar cell)的效率、光能和電能轉換以及集電的效率。具有新的量子點技術的三五族(III-V)化合物太陽能電池具有令人驚訝的70%的光電轉換效率，然而，因其高昂的製造成本而使其僅用於少數特殊的應用。現用的商用型太陽能電池是以矽為基底且光電轉換效率達到21%。即使還有其他種類的太陽能電池，例如有機聚合物、二六族(II-VI)化合物，但是可靠度、耐用度與成本仍然是使其尚無法作為良好的太陽能電池的候選者。目前的太陽能電池的製造商投資越來越多金錢在以矽為基底的太陽能電池的集光的改良、入射光的再利用、多路徑吸收 等技術。截至目前為止，對於收集到的太陽能電力轉換至(或儲存至)電力形式或儲存為可用的電力，仍沒有良好的光電轉換的設計。大多數的設計需要交高強度的入射太陽光以集電和轉換，例如：需要30至50K勒克斯(Lux)。

針對現有方案及其缺失敘述如下。現有的太陽能集電方案總是需要強光來觸發集電的動作，而不能使用於低入射光強度的情況。原因是負載線的問題，重載的負載線汲取甚大於太陽能板所能供應的電流。如此，造成太陽能的供應電流的耗盡與電壓轉換器的輸出電壓的支持程度。電力轉換所造成的集電損失仍然存在，不論入射的光線有多強。現存的集電方式需要一個最大功率追蹤系統，其使用複雜的回授設計是達到最大功率追蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)的效果。

請參照圖1，圖1是傳統的太陽能電池的輸出電流(Iout)與電壓(V)的關係曲線圖，現存的最大功率追蹤方式是找到功率輸出的最大功率點P，如圖1所示。現存的最大功率追蹤方式相當耗費功率且在不準確的追蹤結果的情況下響應速度慢。而且，在低照度的入射光下，供應電流衰減的非常快，使得最大功率追蹤的方式難以正確的追蹤最大功率，容易造成集電失敗。

本發明實施例提供一種適應性太陽能集電裝置，以前饋控制對電力儲存單元充電時的充電電流與充電電壓。

本發明實施例提供一種適應性太陽能集電裝置，其包括太陽能接收單元、電壓轉換器以及充電功率控制器。電壓轉換器具有輸入端以及輸出端。電壓轉換器之輸入端耦接太陽能接收單元，電壓轉換器透過輸入端接收太陽能接收單元之電力。充電功率控制器耦接電壓轉換器之輸出端，感測電壓轉換器之輸出端之供應電壓，並產生充電電壓以及充電電流以對至少一電力儲存單元充電。充電功率控制器依據來自電壓轉換器之輸出端之供應電壓作 為前饋控制(feed-forward control)，而調整充電電壓以及充電電流。

綜上所述，本發明實施例提供一種適應性太陽能集電裝置，以前饋控制對電力儲存單元充電時的充電電流與充電電壓，其可以在低太陽光的照度或低入射光的情況下進行電能儲存與轉換。

為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅係用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。

1‧‧‧適應性太陽能集電裝置

10‧‧‧太陽能接收單元

11‧‧‧電壓轉換器

12‧‧‧充電功率控制器

13‧‧‧電力儲存單元

131‧‧‧溫度感測器

P1‧‧‧輸入端

P2‧‧‧輸出端

Vin‧‧‧輸入電壓

Iin‧‧‧輸入電流

Vo、Vin’‧‧‧供應電壓

Io、Iin’‧‧‧供應電流

Vo’‧‧‧充電電壓

Io’‧‧‧充電電流

P‧‧‧最大功率點

Iout‧‧‧輸出電流

AA‧‧‧最大功率周邊區域

121‧‧‧負載線控制單元

122‧‧‧供應電壓感測電路

123‧‧‧電流感測電路

1211‧‧‧電流控制器

1212‧‧‧電壓控制器

GND‧‧‧接地

MN2‧‧‧功率開關

MN1‧‧‧電晶體

R1‧‧‧電阻

SI‧‧‧電流感測信號

CT‧‧‧充電控制信號

SA‧‧‧第一階段信號

SB‧‧‧第二階段信號

TS‧‧‧溫度感測信號

圖1是傳統的太陽能電池的輸出電流與電壓的關係曲線圖。

圖2是本發明實施例提供的適應性太陽能集電裝置的電路方塊圖。

圖3是本發明實施例提供的適應性太陽能集電裝置對太陽能電池的負載線的曲線圖。

圖4是本發明實施例提供的充電功率控制器的電路圖。

圖5是本發明實例提供的適應性太陽能集電裝置對電力儲存單元充電時的電壓與電流的曲線圖。

〔適應性太陽能集電裝置之實施例〕

請參照圖2，圖2是本發明實施例提供的適應性太陽能集電裝置的電路方塊圖。適應性太陽能集電裝置1包括太陽能接收單元10、電壓轉換器11以及充電功率控制器12。太陽能接收單元10通常是具有多個太陽能電池(solar cell)的太陽能板。適應性太陽能集電裝置1將太陽能接收單元10的電力傳遞至至少一電力儲存單元13。在圖2中僅繪製一個電力儲存單元13，然而，電力儲存單元13也可以是複數個。

電壓轉換器11可以是升壓(boost)轉換器或降壓(buck)轉換器。電壓轉換器11具有輸入端P1以及輸出端P2。電壓轉換器11之輸入端P1耦接太陽能接收單元10，電壓轉換器11透過輸入端P1接收太陽能接收單元10之電力。太陽能接收單元10提供輸入電壓Vin與輸入電流Iin至電壓轉換器11。充電功率控制器12耦接電壓轉換器之輸出端P2，感測電壓轉換器11之輸出端P2之供應電壓Vo(在充電功率控制器12的輸入端為Vin’)，並產生充電電壓Vo’以及充電電流Io’以對至少一電力儲存單元13充電。充電功率控制器12依據來自電壓轉換器11之輸出端P2之供應電壓Vo作為前饋控制(feed-forward control)，而調整充電電流Io’。此前饋控制可自我調適太陽能板能量的採集轉而儲存於可充電的儲存器(電力儲存單元13)內。無論可採集太陽能板能量的多寡只要所採集的能量大於電壓轉換器11和充電功率控制器12所耗的能量。

本發明實施例利用充電功率控制器12對太陽能板(太陽能電池)具有可對負載做適應行調整的集電能力。對於入射光線的不同的照射強度，每一個太陽能電池有其個別的輸出(集電)能力。如果集電負載沒有匹配至太陽能電池的電力產出，太陽能電池的輸出電壓可能會崩潰而掉至接近接地電位(GND)，或者載重載的汲電狀況下降低電壓值。為了克服此問題，本發明實施例提供前饋控制來調整光電轉換的輸出級(後級)。每一個升壓或降壓時脈週期中，由集得的光電伏(photo-voltaic)轉換至後級的電壓值是可自動調整，以考慮到來自前一級的光電伏的輸出能力。如圖1所示，與最大功率追蹤方式不同的是，本發明實施例的電路並不追求由電壓轉換器11至儲存級(電力儲存單元13)的最大功率傳遞。本發明實施例使用適應性的一個週期一個周期的調整，以將電壓轉換器的輸出能力平順地傳遞至儲存級。如圖3所示，本發明實施例的適應性太陽能採集裝置1可以使工作點在最大功率點P附近的區域AA，即最大功率周邊區域AA。即使在輸出的負載線並非恰 好是太陽能電池的最大功率傳遞，然而其是在全電壓範圍(full-range)且接近於最大功率傳遞的情況下將電力由太陽能電池傳遞至電力儲存單元13。

電力儲存單元13通常是二次電池，例如鋰鎳電池或鋰鐵電池，但本發明並不因此限定。電力儲存單元13耦接充電功率控制器12，電力儲存單元13接收充電電壓Vo’以及充電電流Io’而被充電。電力儲存單元13更可包括一溫度感測器131，所述溫度感測器131感測電力儲存單元13之溫度，並提供一溫度感測信號TS至充電功率控制器12。溫度感測器131可以在電力儲存單元13的溫度過高時，以溫度感測信號TS指示充電功率控制器12停止對電力儲存單元13充電。藉此，避免電力儲存單元13的溫度過高而造成危險。

充電功率控制器12可依據供應電壓Vo調整適應性太陽能集電裝置1對電力儲存單元13充電時之負載線。詳細的控制方式請參照下面實施例的說明。

請參照圖4，圖4是本發明實施例提供的充電功率控制器的電路圖。圖4的充電功率控制器12包括供應電壓感測電路122、功率開關MN2、負載線控制單元121與電流感測電路123。在一實施例中，充電功率控制器12可以僅包括供應電壓感測電路122與功率開關MN2。供應電壓感測電路122感測供應電壓Vo，依據供應電壓Vo而產生充電控制信號CT。功率開關MN2(例如為P型電晶體)具有一第一端、一第二端以及一控制端，第一端耦接電壓轉換器11之輸出端P2以接收供應電壓Vo，第二端耦接電力儲存單元13(透過電流感測電路123)，控制端(例如為閘極)耦接供應電壓感測電路122，控制端接收充電控制信號CT以調整流過功率開關MN2之充電電流Io’。亦即，功率開關MN2受控於充電控制信號CT，以改變對電力儲存單元13的充電電壓Vo’或充電電流Io’。

在一實施例中，供應電壓感測電路122可以包括電晶體MN1 以及電阻R1。電阻R1之一端耦接功率開關MN2之控制端(例如為閘極)，電阻R1之另一端透過電晶體MN1耦接至一接地GND，所述電晶體MN1受控於供應電壓Vo。電阻R1之跨壓為充電控制信號CT。在圖4中，充電控制信號CT也可以是電阻R1與負載線控制單元121的連接端點的電位，即功率開關MN2的閘極的電位。值得一提的是，上述的功率開關MN2與電流感測電路123僅是示範性的實施例，本發明並不限定功率開關MN2與供應電壓感測電路122的實現方式。

在一實施例中，該充電功率控制器更包括圖4的電流感測電路123與負載線控制單元121。電流感測電路123感測電力儲存單元13之充電電流Io’而產生電流感測信號SI。負載線控制單元121接收電流感測信號SI。負載線控制單元121包括電流控制器1211。電流控制器1211耦接供應電壓感測電路122以及電流感測電路123，電流控制器1211調整充電控制信號CT，藉此調整流過功率開關MN2之充電電流Io’。更詳細地說，電流控制器1211可產生第一階段信號SA，並透過第一階段信號SA調整充電控制信號CT。例如：電流控制器1211產生的第一階段信號SA為功率電開關MN2的閘極的電位，此時電阻R1與功率開關MN2的閘極的連接端點的電位隨之調整(據此調整充電控制信號CT)。

在一實施例中，負載線控制單元121更包括電壓控制器1212。電壓控制器1212耦接供應電壓感測電路122以及電流感測電路123。當充電電流Io’未低於一臨界值時，電流控制器1211產生第一階段信號SA以調整充電控制信號CT，當充電電流Io’低於所述臨界值時，電壓控制器1212產生第二階段信號SB以調整充電控制信號CT。

電流感測電路123感測電力儲存單元13之充電電流Io’而產生的電流感測信號SI，以做為判斷充電電流Io’是否低於所述臨界值的依據。通常而言，電流感測電路123可以是分壓電路，將充 電電流Io’以電壓形式回授給負載線控制單元121的電流控制器1211與電壓控制器1212，但本發明並不因此限定。例如：當電流感測電路123將充電電流Io’以電壓形式回授給負載線控制單元121時，電流感測信號SI是一個隨著充電電流Io’改變的變量，電流控制器1211與電壓控制器1212可以判斷電流感測信號SI是否低於一個臨界值(此臨界值可能與充電電流Io’的臨界值不相同)。或者，電流感測電路123可以在當充電電流Io’低於臨界值時，觸發電流感測信號SI，此電流感測信號SI禁能(disable)電流控制器1211且致能(enable)電壓控制器1212。本領域具有通常知識者應可輕易了解電流控制器1211、電壓控制器1212與電流感測電路123的實現方式，不再贅述。

另外，為了使充電功率控制器12具有電路保護的功能，充電功率控制器12也可以包括過電壓保護電路、過電流保護電路、短路保護電路以及過溫保護電路的至少其中之一。藉此，充電功率控制器12可以具有過電壓保護、過電流保護、短路保護以及過溫保護的功效，不但可以監控電力儲存單元13的充電狀況，也可以即時地維持電力儲存單元13的安全性。本領域具有通常知識者應可輕易了解過電壓保護電路、過電流保護電路、短路保護電路以及過溫保護電路的實現方式，不再贅述。

請同時參照圖4與圖5，圖5是本發明實例提供的適應性太陽能集電裝置對電力儲存單元充電時的電壓與電流的曲線圖。在電力儲存單元13被充電時，電流控制器1211可以調整充電控制信號CT，充電控制信號CT調整流過功率開關MN2之充電電流Io’。如圖5所示，本發明實施例的適應性太陽能集電裝置對電力儲存單元13(電池)的充電電流Io’(以虛線表示)是可變的，電流控制器1211可以調整充電電流Io’的大小(圖5中的多條虛線代表不同的充的電流Io’)。同時，電力儲存單元13可以是至少一個，例如為多個。再者，電力儲存單元13通常是利用電化學反應 (electrochemical reaction)以儲存電力，在電力儲存單元13被充電至接近飽和時，充電電電流Io’會逐漸減小。因此，圖5中的電流控制器1211與電壓控制器1212可以分別控制充電電流Io’與充電電壓Vo’。當剛開始對電力儲存單元13充電時，電流控制器1211可以產生第一階段信號SA以調整充電控制信號CT，藉此充電電流Io’可以依據實際需要而被調整。當電力儲存單元13被充電至接近飽和時，充電電流Io’會逐漸下降，且電力儲存單元13的電壓會接近一個定值，例如：鋰鎳電池充飽電的電壓約為4.2伏特，或鋰鐵電池充飽電的電壓約為3.3伏特。當充電電流Io’下降到一個電流下限時，充電功率控制器12可以切換到以定電壓對電力儲存單元13充電。此時，電壓控制器1212產生第二階段信號SB以調整充電控制信號CT。詳細地說，在充電時，電流感測電路123持續感測充電電流Io’，當充電電流Io’下降到一個電流下限時，電流感測電路123產生的電流感測信號SI致使電流控制器停止輸出第一階段信號SA，且致使電壓控制器輸出第二階段信號SB以調整充電控制信號CT。

〔實施例的可能功效〕

綜上所述，本發明實施例所提供的一種適應性太陽能集電裝置，以前饋控制對電力儲存單元充電時的充電電流與充電電壓，其可以在低太陽光的照度或低入射光的情況下進行電能儲存與轉換。本發明實施例的適應性太陽能集電裝置可以將電壓轉換器的輸出能力平順地傳遞至儲存級，且其可在全電壓範圍(full-range)且接近於最大功率傳遞的情況下將電力由太陽能電池傳遞至儲存級。

以上所述僅為本發明之實施例，其並非用以侷限本發明之專利範圍。

1‧‧‧適應性太陽能集電裝置

10‧‧‧太陽能接收單元

11‧‧‧電壓轉換器

12‧‧‧充電功率控制器

13‧‧‧電力儲存單元

131‧‧‧溫度感測器

P1‧‧‧輸入端

P2‧‧‧輸出端

Vin‧‧‧輸入電壓

Iin‧‧‧輸入電流

Vo、Vin’‧‧‧供應電壓

Io、Iin’‧‧‧供應電流

Vo’‧‧‧充電電壓

Io’‧‧‧充電電流

121‧‧‧負載線控制單元

TS‧‧‧溫度感測信號

Claims (10)

1. 一種適應性太陽能集電裝置，包括：一太陽能接收單元；一電壓轉換器，具有一輸入端以及一輸出端，該電壓轉換器之該輸入端耦接該太陽能接收單元，該電壓轉換器透過該輸入端接收該太陽能接收單元之電力；一充電功率控制器，耦接該電壓轉換器之該輸出端，感測該電壓轉換器之該輸出端之一供應電壓，並產生一充電電壓以及一充電電流以對至少一電力儲存單元充電，其中該充電功率控制器依據來自該電壓轉換器之該輸出端之該供應電壓作為前饋控制，而調整該充電電壓以及該充電電流。
2. 根據請求項第1項之適應性太陽能集電裝置，其中該充電功率控制器依據該供應電壓調整該適應性太陽能集電裝置對該電力儲存單元充電時之負載線。
3. 根據請求項第1項之適應性太陽能集電裝置，其中該充電功率控制器包括：一供應電壓感測電路，感測該供應電壓，依據該供應電壓而產生一充電控制信號；以及一功率開關，該功率開關具有一第一端、一第二端以及一控制端，該第一端耦接該電壓轉換器之該輸出端以接收該供應電壓，該第二端耦接該電力儲存單元，該控制端耦接該供應電壓感測電路，該控制端接收該充電控制信號以調整流過該功率開關之該充電電流。
4. 根據請求項第1項之適應性太陽能集電裝置，其中該供應電壓感測電路包括一電晶體以及一電阻，該電阻之一端耦接該功率開關之該控制端，該電阻之另一端透過該電晶體耦接至一接地，該電晶體受控於該供應電壓，該電阻之跨壓為該充電控制信號。
5. 根據請求項第3項之適應性太陽能集電裝置，其中該充電功率 控制器更包括：一電流感測電路，感測該電力儲存單元之該充電電流而產生一電流感測信號；以及一負載線控制單元，包括一電流控制器，該電流控制器耦接該供應電壓感測電路以及該電流感測電路，該電流控制器調整該充電控制信號，藉此調整流過該功率開關之該充電電流。
6. 根據請求項第5項之適應性太陽能集電裝置，其中該負載線控制單元更包括一電壓控制器，該電壓控制器耦接該供應電壓感測電路以及該電流感測電路，其中當該充電電流未低於一臨界值時，該電流控制器產生一第一階段信號以調整該充電控制信號，當該充電電流低於該臨界值時，該電壓控制器產生一第二階段信號以調整該充電控制信號。
7. 根據請求項第1項之適應性太陽能集電裝置，其中該電力儲存單元更包括一溫度感測器，該溫度感測器感測該電力儲存單元之溫度，並提供一溫度感測信號至該充電功率控制器。
8. 根據請求項第1項之適應性太陽能集電裝置，其中該太陽能接收單元為太陽能板。
9. 根據請求項第1項之適應性太陽能集電裝置，其中該電力儲存單元為二次電池。
10. 根據請求項第1項之適應性太陽能集電裝置，其中該充電功率控制器包括過電壓保護電路、過電流保護電路、短路保護電路以及過溫保護電路的至少其中之一。