TW201705644A - 混合式太陽能發電系統 - Google Patents

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朱晟瑋
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Abstract

一種混合式太陽能發電系統包括至少一太陽能板、至少一第一開關、整流控制單元、至少一充電電池、直流對交流逆變器、至少一第二開關、直流對直流充電單元及系統控制單元；其中該系統控制單元可控制該第一開關與該第二開關形成一市電併網路徑及一第一獨立供電路徑，該太陽能板經由該市電併網路徑可供電至一市電電網，且該太陽能板經由該第一獨立供電路徑可供電至一交流負載。

Description

混合式太陽能發電系統
本發明係關於一種混合式太陽能發電系統，特別是一種利用複數開關達成市電併網路徑(Grid-tied path)及獨立供電路徑(Standalone path)的太陽能發電系統，該太陽能發電系統具有至少一太陽能板及至少一充電電池，該充電電池藉由至少一開關切換連接至該市電併網路徑或該獨立供電路徑。
習知技術如中華民國公告第591847號專利案(其國外專利案為公告號CN1521915之中國專利案以及專利號US6914418之美國專利案)，所公開的技術是：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(10)、一升壓單元(20)、一變流單元(30)及一外加的雙向充電單元(40)，其中升壓單元(20)連接至再生能源裝置的直流電壓輸出端，將直流電壓轉換為直流高壓後輸入至變流單元(30)及雙向充電單元(40)，由於監控單元(10)連接負載、變流單元(30)及雙向充電單元(40)，故可選擇不同功能模式，令變流單元(30)滿足獨立負載或電網連結負載等不同負載應用。
惟習知技術在對蓄電池(50)充電時，太陽能板產生 的電能必須經過升壓單元(20)及雙向充電單元(40)才能對蓄電池(50)充電，所以能源轉換的損失較多。再者，當太陽能板未發電時，蓄電池(50)的電能必須經過雙向充電單元(40)才能供電至監控單元(10)，所以蓄電池(50)的電量消耗較快且能源轉換的損失較多。此外，當負載應用是獨立負載時，蓄電池(50)的電能必須經過雙向充電單元(40)及變流單元(30)才能供電至獨立負載，所以蓄電池(50)的電量消耗較快且能源轉換的損失較多。基於上述問題，習知技術仍有改良的需求，才能提高太陽能板發電及蓄電池(50)電量的利用率。
本發明之目的在於，提供一種混合式太陽能發電系統包括至少一太陽能板、至少一第一開關、整流控制單元、至少一充電電池、直流對交流逆變器、至少一第二開關、直流對直流充電單元及系統控制單元；其中該系統控制單元可控制該第一開關與該第二開關形成一市電併網路徑及一第一獨立供電路徑，該太陽能板經由該市電併網路徑可供電至一市電電網，且該太陽能板經由該第一獨立供電路徑可供電至一交流負載。
本發明之另一目的在於，提供一種混合式太陽能發電系統包括至少一太陽能板、至少一第一開關、整流控制單元、至少一充電電池、直流對交流逆變器、至少一第二開關、直流對直流充電單元、系統控制單元、輔助電源單元及至少一第三開關；其中該輔助電源單元可轉換電能並供電至該系統控制單元， 該第三開關可切換該充電電池與該輔助電源單元的連接，該系統控制單元可控制該第一開關與該第二開關形成一市電併網路徑、一第一獨立供電路徑及一第二獨立供電路徑。
本發明增益之功效(一)在於，當太陽能板發電時，太陽能板可藉由直流對直流充電單元直接對充電電池充電，因此，該充電電池在充電時，能源轉換的損失較少。
本發明增益之功效(二)在於，當太陽能板未發電時，充電電池可藉由輔助電源單元直接轉換電能並供電至系統控制單元，供電電流不會經過直流對直流充電單元，因此，該充電電池在供電給系統控制單元時，電量消耗較慢且能源轉換的損失較少。
本發明增益之功效(三)在於，整流控制單元的能源轉換損失小於直流對直流充電單元的能源轉換損失，當負載應用是一交流負載時，充電電池經過整流控制單元及直流對交流逆變器即可供電至該交流負載，供電電流不會經過直流對直流充電單元，因此，該充電電池在供電給該交流負載時，電量消耗較慢且能源轉換的損失較少。
10‧‧‧太陽能板
20‧‧‧第一開關
21‧‧‧第一接點
22‧‧‧第二接點
23‧‧‧第三接點
30‧‧‧整流控制單元
31‧‧‧MPPT控制器
32‧‧‧整流電路
35‧‧‧母線電壓端
36‧‧‧電容
40‧‧‧充電電池
50‧‧‧直流對交流逆變器
60‧‧‧第二開關
64‧‧‧第四接點
65‧‧‧第五接點
66‧‧‧第六接點
70‧‧‧直流對直流充電單元
80‧‧‧系統控制單元
81‧‧‧輔助電源單元
83‧‧‧USB連接埠
84‧‧‧單向二極體
85‧‧‧通訊單元
88‧‧‧第三開關
PU‧‧‧市電併網路徑
P1‧‧‧第一獨立供電路徑
P2‧‧‧第二獨立供電路徑
UG‧‧‧市電電網
AL‧‧‧交流負載
圖1係本發明較佳實施例之功能方塊圖。
圖2係本發明較佳實施例之市電併網路徑圖。
圖3係本發明較佳實施例之第一獨立供電路徑圖。
圖4係本發明較佳實施例之第二獨立供電路徑圖。
圖5係本發明第二實施例之功能方塊圖。
圖6係本發明第二實施例之市電併網路徑圖。
圖7係本發明第二實施例之第一獨立供電路徑圖。
圖8係本發明第二實施例之第二獨立供電路徑圖。
為能進一步瞭解本發明之特徵、技術手段以及所達成之具體功能、目的，茲列舉較具體之實施例，繼以圖式圖號詳細說明如後。
請參閱圖1至圖3所示，在較佳實施例中，本發明系統包括至少一太陽能板10、至少一第一開關20、整流控制單元30、至少一充電電池40、直流對交流逆變器50、至少一第二開關60、直流對直流充電單元70及系統控制單元80；第一開關20電性連接於太陽能板10，整流控制單元30電性連接於第一開關20，充電電池40電性連接於第一開關20，直流對交流逆變器50電性連接於整流控制單元30，第二開關60電性連接於直流對交流逆變器50，直流對直流充電單元70並聯於太陽能板10，直流對直流充電單元70可對充電電池40充電，系統控制單元80可控制第一開關20、整流控制單元30、直流對交流逆變器50、第二開關60及直流對直流充電單元70；其中系統控制單元80可控制第一開關20與第二開關60形成一市電併網路徑PU及一第一獨立供電路徑P1，太陽能板10經由市電併網路徑PU可供電至一市電電網(Utility Grid)UG，且太陽能板10經由第一獨立供電路徑P1可供電至一交流負載AL。
列舉說明第一開關20與第二開關60的實施方式如后：第一開關20具有第一接點21、第二接點22及第三接點23，第一接點21電性連接於太陽能板10，第二接點22電性連接於整流控制單元30，第三接點23電性連接於充電電池40；第二開關60具有第四接點64、第五接點65及第六接點66，第四接點64電性連接於直流對交流逆變器50，第五接點65可連接至市電電網UG，第六接點66可連接至交流負載AL。
列舉說明市電併網路徑PU及第一獨立供電路徑P1的實施方式如后：市電併網路徑PU是從太陽能板10開始，經由第一接點21、第一接點21導通第二接點22、整流控制單元30、直流對交流逆變器50、第四接點64、以及第四接點64導通第五接點65；第一獨立供電路徑P1是從太陽能板10開始，經由直流對直流充電單元70、充電電池40、第三接點23、第三接點23導通第二接點22、整流控制單元30、直流對交流逆變器50、第四接點64、以及第四接點64導通第六接點66。
請參閱圖4所示，在較佳實施例中，系統控制單元80進一步可控制第一開關20與第二開關60形成一第二獨立供電路徑P2，充電電池40經由第二獨立供電路徑P2可供電至交流負載AL；其中第二獨立供電路徑P2是從充電電池40開始，經由第三接點23、第三接點23導通第二接點22、整流控制單元30、直流對交 流逆變器50、第四接點64、以及第四接點64導通第六接點66。
請參閱圖1至圖4所示，在較佳實施例中，系統控制單元80可選自一數位訊號處理器(Digital Signal Processor；DSP)或一微處理器(Microcontroller Unit；MCU)，整流控制單元30具有一MPPT(Maximum Power Point Tracking)控制器31及一整流電路32；其中MPPT控制器31電性連接於第二接點22，整流電路32電性連接於直流對交流逆變器50；整流控制單元30與直流對交流逆變器50中間具有一母線電壓(Vbus)端35，母線電壓(Vbus)端電性連接一電容36。
列舉說明系統控制單元80的供電方式如后：太陽能板10與充電電池40並聯一輔助電源單元(Aux.Power)81，充電電池40與輔助電源單元81中間具有至少一單向二極體84，使充電電池40與輔助電源單元81可單向導通；當太陽能板10發電時，輔助電源單元81可轉換太陽能板10產生的部份電能，並供電至系統控制單元80；當太陽能板10未發電時，輔助電源單元81可轉換充電電池40的部份電能，並供電至系統控制單元80。
列舉說明輔助電源單元81的另一實施方式如后：輔助電源單元81進一步可電性連接至少一USB(Universal Serial Bus)連接埠83，系統控制單元80與USB連接埠83中間具有一通訊單元85，藉此USB連接埠83可提供一外接裝置(圖未出示)充電。
請參閱圖5至圖8所示，在第二實施例中，本發明系統包括至少一太陽能板10、至少一第一開關20、整流控制單元 30、至少一充電電池40、直流對交流逆變器50、至少一第二開關60、直流對直流充電單元70、系統控制單元80、輔助電源單元81及至少一第三開關88；第一開關20電性連接於太陽能板10，整流控制單元30電性連接於第一開關20，充電電池40電性連接於第一開關20，直流對交流逆變器50電性連接於整流控制單元30，第二開關60電性連接於直流對交流逆變器50，直流對直流充電單元70並聯於太陽能板10，直流對直流充電單元70可對充電電池40充電，系統控制單元70可控制第一開關20、整流控制單元30、直流對交流逆變器50、第二開關60及直流對直流充電單元70；輔助電源單元81並聯於太陽能板10與充電電池40；第三開關88設置於充電電池40與輔助電源單元81中間；其中輔助電源單元81可轉換電能並供電至系統控制單元80，第三開關88可切換充電電池40與輔助電源單元81的連接，系統控制單元80可控制第一開關20與第二開關60形成一市電併網路徑PU、一第一獨立供電路徑P1及一第二獨立供電路徑P2。
列舉說明第一開關20與第二開關60的實施方式如后：第一開關20具有第一接點21、第二接點22及第三接點23，第一接點21電性連接於太陽能板10，第二接點22電性連接於整流控制單元30，第三接點23電性連接於充電電池40；第二開關60具有第四接點64、第五接點65及第六接點66，第四接點64電性連接於直流對交流逆變器50，第五接點65可連接至一市電電網UG，第六接點66可連接至一交流負載AL。
列舉說明市電併網路徑PU、第一獨立供電路徑P1及第二獨立供電路徑P2的實施方式如后：市電併網路徑PU是從太陽能板10開始，經由第一接點21、第一接點21導通第二接點22、整流控制單元30、直流對交流逆變器50、第四接點64、以及第四接點64導通第五接點65；第一獨立供電路徑P1是從太陽能板10開始，經由直流對直流充電單元70、充電電池40、第三接點23、第三接點23導通第二接點22、整流控制單元30、直流對交流逆變器50、第四接點64、以及第四接點64導通第六接點66；第二獨立供電路徑P2是從充電電池40開始，經由第三接點23、第三接點23導通第二接點22、整流控制單元30、直流對交流逆變器50、第四接點64、以及第四接點64導通第六接點66。
列舉說明本發明系統利用市電併網路徑PU供電至市電電網UG的實施方式如后：系統控制單元80可偵測太陽能板10的發電電壓，當太陽能板10的發電電壓高於一設定值，系統控制單元80將發送一第一訊號給第一開關20，使第一接點21導通第二接點22；且當一母線電壓(Vbus)值高於一市電電壓值，系統控制單元80將發送一第二訊號給第二開關60，使第四接點64導通第五接點65，此時，本發明系統可利用市電併網路徑PU供電至市電電網UG。
列舉說明本發明系統利用市電併網路徑PU供電至充電電池40的實施方式如后：系統控制單元80可偵測充電電池40是否存在及太陽能板10的發電狀態，若充電電池40存在且太陽能板 10的發電狀態足以提供充電電池40充電，則系統控制單元80啟動直流對直流充電單元70對充電電池40充電。
列舉說明本發明系統利用第一獨立供電路徑P1供電至交流負載AL的實施方式如后：系統控制單元80可偵測太陽能板10的發電電壓及系統輸出是否存在市電電壓，當太陽能板10的發電電壓高於一設定值且系統輸出無市電電壓存在，系統控制單元80將發送一第三訊號給第一開關20，使第三接點23導通第二接點22；系統控制單元80可偵測充電電池40是否存在，若充電電池40存在，則系統控制單元80啟動直流對直流充電單元70對充電電池40充電，且系統控制單元80將發送一第四訊號給第二開關60，使第四接點64導通第六接點66，此時，本發明系統可利用第一獨立供電路徑P1供電至交流負載AL。
列舉說明第三開關88的實施方式如后：第三開關88可以是一手動開關，第三開關88可選自翹板開關、按壓開關、搖頭開關、指撥開關或觸控開關；當使用者操作第三開關88至開啟狀態，輔助電源單元81可轉換充電電池40的部份電能，並供電至系統控制單元80；當使用者操作第三開關88至關閉狀態，輔助電源單元81可轉換太陽能板10產生的部份電能，並供電至系統控制單元80。
列舉說明本發明系統利用第二獨立供電路徑P2供電至交流負載AL的實施方式如后：系統控制單元80可偵測太陽能板10的發電電壓，當太陽能板10未發電，系統控制單元80控制直流 對直流充電單元70停止對充電電池40充電，系統控制單元80將發送一第三訊號給第一開關20，使第三接點23導通第二接點22，且系統控制單元80將發送一第四訊號給第二開關60，使第四接點64導通第六接點66，此時，本發明系統可利用第二獨立供電路徑P2供電至交流負載AL。
列舉說明輔助電源單元81的另一實施方式如后：輔助電源單元81進一步可電性連接至少一USB連接埠83，系統控制單元80與USB連接埠83中間具有一通訊單元85，藉此USB連接埠83可提供一外接裝置(圖未出示)充電。
10‧‧‧太陽能板
20‧‧‧第一開關
21‧‧‧第一接點
22‧‧‧第二接點
23‧‧‧第三接點
30‧‧‧整流控制單元
31‧‧‧MPPT控制器
32‧‧‧整流電路
35‧‧‧母線電壓端
36‧‧‧電容
40‧‧‧充電電池
50‧‧‧直流對交流逆變器
60‧‧‧第二開關
64‧‧‧第四接點
65‧‧‧第五接點
66‧‧‧第六接點
70‧‧‧直流對直流充電單元
80‧‧‧系統控制單元
81‧‧‧輔助電源單元
83‧‧‧USB連接埠
84‧‧‧單向二極體
85‧‧‧通訊單元
PU‧‧‧市電併網路徑
UG‧‧‧市電電網
AL‧‧‧交流負載

Claims (16)

  1. 一種混合式太陽能發電系統，包括：至少一太陽能板；至少一第一開關，電性連接於該太陽能板；一整流控制單元，電性連接於該第一開關；至少一充電電池，電性連接於該第一開關；一直流對交流逆變器，電性連接於該整流控制單元；至少一第二開關，電性連接於該直流對交流逆變器；一直流對直流充電單元，並聯於該太陽能板，該直流對直流充電單元可對該充電電池充電；一系統控制單元，該系統控制單元可控制該第一開關、該整流控制單元、該直流對交流逆變器、該第二開關及該直流對直流充電單元；其中該系統控制單元可控制該第一開關與該第二開關形成一市電併網路徑及一第一獨立供電路徑，該太陽能板經由該市電併網路徑可供電至一市電電網，且該太陽能板經由該第一獨立供電路徑可供電至一交流負載。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述混合式太陽能發電系統，其中該第一開關具有一第一接點、一第二接點及一第三接點，該第一接點電性連接於該太陽能板，該第二接點電性連接於該整流控制單元，該第三接點電性連接於該充電電池；該第二開關具有一第四接點、一第五接點及一 第六接點，該第四接點電性連接於該直流對交流逆變器，該第五接點可連接至該市電電網，該第六接點可連接至該交流負載。
  3. 根據申請專利範圍第2項所述混合式太陽能發電系統，其中該市電併網路徑是從該太陽能板開始，經由該第一接點、該第一接點導通該第二接點、該整流控制單元、該直流對交流逆變器、該第四接點、以及該第四接點導通該第五接點；該第一獨立供電路徑是從該太陽能板開始，經由該直流對直流充電單元、該充電電池、該第三接點、該第三接點導通該第二接點、該整流控制單元、該直流對交流逆變器、該第四接點、以及該第四接點導通該第六接點。
  4. 根據申請專利範圍第2項所述混合式太陽能發電系統，其中該系統控制單元可控制該第一開關與該第二開關形成一第二獨立供電路徑，該充電電池經由該第二獨立供電路徑可供電至該交流負載；該第二獨立供電路徑是從該充電電池開始，經由該第三接點、該第三接點導通該第二接點、該整流控制單元、該直流對交流逆變器、該第四接點、以及該第四接點導通該第六接點。
  5. 根據申請專利範圍第2項所述混合式太陽能發電系統，其中該系統控制單元可選自一數位訊號處理器(Digital Signal Processor；DSP)或一微處理器(Microcontroller Unit；MCU)，該整流控制單元具有一MPPT(Maximum Power Point Tracking)控制器及一整流電路，該MPPT控制器電性連接於該第二接點，該整流電路電性連接於該直流對交流逆變器；該整流控制單元與該直流對交流逆變器中間具有一母線電壓(Vbus)端，該母線電壓(Vbus)端電性連接一電容。
  6. 根據申請專利範圍第1項所述混合式太陽能發電系統，其中該太陽能板與該充電電池並聯一輔助電源單元，該充電電池與該輔助電源單元中間具有至少一單向二極體，使該充電電池與該輔助電源單元可單向導通；當該太陽能板發電時，該輔助電源單元可轉換該太陽能板產生的部份電能，並供電至該系統控制單元；當該太陽能板未發電時，該輔助電源單元可轉換該充電電池的部份電能，並供電至該系統控制單元。
  7. 根據申請專利範圍第6項所述混合式太陽能發電系統，其中該輔助電源單元可電性連接至少一USB連接埠，該系統控制單元與該USB連接埠中間具有一通訊單元，藉此該USB連接埠可提供一外接裝置充電。
  8. 一種混合式太陽能發電系統，包括：至少一太陽能板；至少一第一開關，電性連接於該太陽能板；一整流控制單元，電性連接於該第一開關； 至少一充電電池，電性連接於該第一開關；一直流對交流逆變器，電性連接於該整流控制單元；至少一第二開關，電性連接於該直流對交流逆變器；一直流對直流充電單元，並聯於該太陽能板，該直流對直流充電單元可對該充電電池充電；一系統控制單元，該系統控制單元可控制該第一開關、該整流控制單元、該直流對交流逆變器、該第二開關及該直流對直流充電單元；一輔助電源單元，並聯於該太陽能板與該充電電池；至少一第三開關，設置於該充電電池與該輔助電源單元中間；其中該輔助電源單元可轉換電能並供電至該系統控制單元，該第三開關可切換該充電電池與該輔助電源單元的連接，該系統控制單元可控制該第一開關與該第二開關形成一市電併網路徑、一第一獨立供電路徑及一第二獨立供電路徑。
  9. 根據申請專利範圍第8項所述混合式太陽能發電系統，其中該第一開關具有一第一接點、一第二接點及一第三接點，該第一接點電性連接於該太陽能板，該第二接點電性連接於該整流控制單元，該第三接點電性連接於該充電電池；該第二開關具有一第四接點、一第五接點及一第六接點，該第四接點電性連接於該直流對交流逆變器，該第五接點可連接至一市電電網，該第六接點可連 接至一交流負載。
  10. 根據申請專利範圍第9項所述混合式太陽能發電系統，其中該市電併網路徑是從該太陽能板開始，經由該第一接點、該第一接點導通該第二接點、該整流控制單元、該直流對交流逆變器、該第四接點、以及該第四接點導通該第五接點；該第一獨立供電路徑是從該太陽能板開始，經由該直流對直流充電單元、該充電電池、該第三接點、該第三接點導通該第二接點、該整流控制單元、該直流對交流逆變器、該第四接點、以及該第四接點導通該第六接點；該第二獨立供電路徑是從該充電電池開始，經由該第三接點、該第三接點導通該第二接點、該整流控制單元、該直流對交流逆變器、該第四接點、以及該第四接點導通該第六接點。
  11. 根據申請專利範圍第10項所述混合式太陽能發電系統，其中該系統控制單元可偵測該太陽能板的發電電壓，當該太陽能板的發電電壓高於一設定值，該系統控制單元將發送一第一訊號給該第一開關，使該第一接點導通該第二接點；且當一母線電壓(Vbus)值高於一市電電壓值，該系統控制單元將發送一第二訊號給該第二開關，使該第四接點導通該第五接點，此時，該太陽能發電系統可供電至該市電電網。
  12. 根據申請專利範圍第10項所述混合式太陽能發電系統， 其中該系統控制單元可偵測該充電電池是否存在及該太陽能板的發電狀態，若該充電電池存在且該太陽能板的發電狀態足以提供該充電電池充電，則該系統控制單元啟動該直流對直流充電單元對該充電電池充電。
  13. 根據申請專利範圍第10項所述混合式太陽能發電系統，其中該系統控制單元可偵測該太陽能板的發電電壓及系統輸出是否存在市電電壓，當該太陽能板的發電電壓高於一設定值且系統輸出無市電電壓存在，該系統控制單元將發送一第三訊號給該第一開關，使該第三接點導通該第二接點；該系統控制單元可偵測該充電電池是否存在，若該充電電池存在，則該系統控制單元啟動該直流對直流充電單元對該充電電池充電，且該系統控制單元將發送一第四訊號給該第二開關，使該第四接點導通該第六接點，此時，該太陽能發電系統可供電至該交流負載。
  14. 根據申請專利範圍第8項所述混合式太陽能發電系統，其中該第三開關可以是一手動開關，該第三開關可選自翹板開關、按壓開關、搖頭開關、指撥開關或觸控開關；當該第三開關為開啟狀態，該輔助電源單元可轉換該充電電池的部份電能，並供電至該系統控制單元；當該第三開關為關閉狀態，該輔助電源單元可轉換該太陽能板產生的部份電能，並供電至該系統控制單元。
  15. 根據申請專利範圍第10項所述混合式太陽能發電系統，其中該系統控制單元可偵測該太陽能板的發電電壓，當該太陽能板未發電，該系統控制單元控制該直流對直流充電單元停止對該充電電池充電，該系統控制單元將發送一第三訊號給該第一開關，使該第三接點導通該第二接點，且該系統控制單元將發送一第四訊號給該第二開關，使該第四接點導通該第六接點，此時，該太陽能發電系統可供電至該交流負載。
  16. 根據申請專利範圍第8項所述混合式太陽能發電系統，其中該輔助電源單元可電性連接至少一USB連接埠，該系統控制單元與該USB連接埠中間具有一通訊單元，藉此該USB連接埠可提供一外接裝置充電。
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