TWI397343B - 應用太陽能充電與晝光量測技術之無線傳輸模組 - Google Patents

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TWI397343B TW097145038A TW97145038A TWI397343B TW I397343 B TWI397343 B TW I397343B TW 097145038 A TW097145038 A TW 097145038A TW 97145038 A TW97145038 A TW 97145038A TW I397343 B TWI397343 B TW I397343B
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Ching Ran Lee
Li Ling Lee
Ching Tsa Pan
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Description

應用太陽能充電與晝光量測技術之無線傳輸模組
本發明係有關一種智慧型獨立電源控制器，尤指一種應用太陽能電池的特性同時做為光感測器與電源的控制技術，並將其應用於具無線傳輸能力之光感測模組，得知目前的太陽能電池的最大功率輸出點為何，即可以得到目前的日照強度，如此不但可以利用太陽能電池提供電源更可做為感測元件之應用。
按，台灣地區日照充足，如果能有效利用晝光，將可節省大量照明用電。目前以家庭及工廠的晝光利用較為普遍，但是照明用電較大的辦公大樓對晝光利用則相對顯著不足。因此結合晝光照明與照明管理控制系統，利用光感測裝置量測當時之日照強度，並搭配可調整式電子安定器自動調整輸出照度，不但可以維持照明品質，提供適當的照度，減少不必要的用電以及電費支出，達到節能減碳的目的。
光感測模組為晝光照明控制必要之元件，目前光感測器電路的裝設位置會隨著應用場合的不同而有不同的擺設，但是因為電源電路受到建築與裝潢設計的影響而有所限制。因此利用無線傳輸技術將量測得到的資料傳送給控制端，可以不受空間的限制，但是無線傳輸模組電源的配置卻限制了其應用範圍，因此各種類型的電池便成了無線傳輸模組電源的唯一選擇，但是電池的壽命、體積、重量以 及污染都是應用上相當困擾的問題。本發明可解決上述問題，利用太陽能板作為無線傳輸模組之電力，並可回報晝光數值至一控制端。
基於解決以上所述習知技藝的缺失，本發明為一種應用太陽能充電與晝光量測技術之無線傳輸模組，主要目的為提出一種應用太陽能電池的特性同時做為光感測器與電源的控制技術，並將其應用於具無線傳輸能力之光感測模組。由於太陽能電池的最大輸出功率點會隨著日照強度的變化而更動，因此為了使得太陽能電池能得到最佳利用，需要控制電能轉換器之輸出電流大小使太陽能電池運作於最大功率點，太陽能電池之最大功率輸出點在不同日照強度下可以近似為一條直線，此種控制方式稱之為直線近似法。因此只要得知目前的太陽能電池的最大功率輸出點為何，即可以得到目前的日照強度，如此不但可以利用太陽能電池提供電源更可做為感測元件之應用。
為達上述目的，本發明為一種應用太陽能充電與晝光量測技術之無線傳輸模組，其係包括有：一太陽能電池，用以接受光線來產生電能，並輸出該電能；一微控制單元，與該太陽能電池耦接，並可偵測其輸出電能的電壓與電流值，並輸出該些數值；一無線傳輸模組，與該微控制單元耦接，利用太陽能電池所輸出電能做為其電源，且傳送微控制單元所輸出之該 些數值，並由一控制端所接收。
為進一步對本發明有更深入的說明，乃藉由以下圖示、圖號說明及發明詳細說明，冀能對 貴審查委員於審查工作有所助益。
茲配合下列之圖式說明本發明之詳細結構，及其連結關係，以利於 貴審委做一瞭解。
請參閱圖一、二所示，係為本發明具無線傳輸功能之太陽能感測模組傳送光源數值至一控制端之架構示意圖，其係包括有：一太陽能電池11，用以接受光線來產生電能，並輸出該電能；一微控制單元12，該微控制單元12的構成係包括有一控制器121及一控制電路122，並與該太陽能電池11耦接，並可偵測其輸出電能的電壓/電流量測值123，並輸出該些數值；一無線傳輸模組13，與該微控制單元12耦接，利用太陽能電池11所輸出電能做為其電源，且傳送微控制單元12所輸出之該些數值，並由一控制端2所接收，該控制端2係為一照明控制單元3，本實施可為一可調整式電子安定器，依照量測得到之照度，調整照明控制單元3即可調整燈具的亮度，可維持照明品質，提供適當的照度，減少不必要的用電以及電費支出，達到節能減碳的目的，且上述無線傳輸技術將量測得到的資料傳送給控制端，可以不受空間的限制，具有極佳的便利性。
在照明控制單元的應用環境中，光感測元件的使用均會在有光的環境，因此利用太陽能電池作為無線傳輸模組之 電源，不但可有效處理無線傳輸模組電源設計的問題，同時將太陽能電池作為光感測元件之應用，更可以減少電路元件之成本、縮小體積、降低耗能以及提升產品之競爭力。由於太陽能電池的最大輸出功率點會隨著日照強度的變化而更動，因此為了使得太陽能電池能得到最佳利用，需要控制電能轉換器之輸出電流大小使太陽能電池運作於最大功率點。太陽能電池之最大功率輸出點在不同日照強度下可以近似為一條直線，此種控制方式稱之為直線近似法。因此只要得知目前的太陽能電池的最大功率輸出點為何，即可以得到目前的日照強度，如此不但可以利用太陽能電池提供電源更可做為感測元件之應用。
基本上，一個太陽能電池的端電壓、電流特性可以下式表示之
上式中各變數意義如下：I ：太陽電池端電流
V ：太陽電池端電壓
I s ：太陽電池之短路電流，幾與日照量成正比
I o ：太陽電池的反向飽和電流
A ：太陽電池的理想因素(A=1~5)
K ：波茲曼常數(1.381*10-23 J/°K)
T ：太陽電池的溫度(以絕對溫度表示)
q ：1.6×10-19 庫侖
R s ：太陽電池等效串聯電阻
如果更精確的考慮溫度效應，(1)式中之短路電流I s 與反向飽和電流I o 可以下列二式分別表示之：
上二式中I so ：表示日照量1kw/m2 與溫度T r 時之短路電流
I s ：日照量為S與溫度為T 時之短路電流
K i ：表示太陽電池的短路電流溫度係數
I or ：表示太陽電池在參考溫度T r 時之反向飽和電流
I o ：表示太陽電池在溫度T 時之反向飽和電流
E gap ：表示為太陽電池中半導體材料之能隙(例如矽之E gap 1.1ev )
觀察(1)式可知若定義下式之電流
則(1)式與(4)關係可用如圖三之等效電路表示之 由(5)式可得
因此太陽模組之輸出功率為
將上式對I 微分並令其等於零，可得最大功率輸出時必需滿足之必要條件
上式中V *，I *分別為在最大功率點時新模組之輸出端電壓與端電流。因此最大輸出功率P *為
再由上二式化簡可得 因此只要事先建立太陽能光電模組的最大功率特性曲線，即可以反推得到當時的照度，近似直線與實際最大功率曲線之比較則如圖四所示。如此一來，不但可以使得太陽能光電模組能運作於最大功率輸出之工作點，更可以量測得到當時之光照度， 請參閱圖五所示，係為本發明具無線傳輸功能之太陽能感測模組之較為詳細功能方塊圖，其中構件為一電容與一電壓/電流測量值123之二輸出端並聯，且該電壓/電流測量值123一輸出端串接有一電感，該電感連接有一並聯的P 型金屬氧化層半導場效電晶體，該並聯的P型金屬氧化層半導場效電晶體再串接有一二極體，與圖二相對照後，其微控制單元12控制電路122係為利用脈波寬度調變方式(PWM)來控制一P型金屬氧化層半導場效電晶體(P-MOSFET)所構成，且微控制單元12更係包括有至少若干二極體、電感及電容。微控制單元12利用串列傳輸模組與無線傳輸模組13進行通訊，無線傳輸模組13為一ZigBee通訊傳輸協定，當然ZigBee僅為無線通訊協定的一種，為本發明之較佳實施例，當然熟習本項技術人仕，亦可利用紅外線(IR)、射頻(RF)或藍牙(Bluetooth)來做為無線傳輸模組，亦為本發明之保護範圍，將量測得到之照度利用ZigBee無線傳輸模組傳送給控制端。本發明可應用於照明控制，照明控制包括有燈泡或發光二極體，亦可應用於智慧型住宅，若日光充足時，利用外界光線以減少燈具亮度或數量，若日光不足時，才啟動市電來提供燈具使用。
綜上所述，本發明之結構特徵及各實施例皆已詳細揭示，而可充分顯示出本發明案在目的及功效上均深富實施之進步性，極具產業之利用價值，且為目前市面上前所未見之運用，依專利法之精神所述，本發明案完全符合發明專利之要件。
唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以之限定本發明所實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬於本發明專利涵蓋之範圍內，謹請 貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。
1‧‧‧具無線傳輸功能之太陽能感測模組
11‧‧‧太陽能電池
12‧‧‧微控制單元
121‧‧‧控制器
122‧‧‧控制電路
123‧‧‧電壓/電流測量值
13‧‧‧無線傳輸模組
2‧‧‧控制端
3‧‧‧照明控制單元
圖一係為本發明具無線傳輸功能之太陽能感測模組傳送光源數值至一控制端之架構示意圖；圖二係為本發明具無線傳輸功能之太陽能感測模組的方塊示意圖；圖三係為本發明太陽能電池的等效電路圖；圖四係為本發明太陽能電池的最大功率特性曲線圖；圖五係為本發明具無線傳輸功能之太陽能感測模組之較為詳細功能方塊圖。
1‧‧‧具無線傳輸功能之太陽能感測模組
11‧‧‧太陽能電池
12‧‧‧微控制單元
121‧‧‧控制器
122‧‧‧控制電路
123‧‧‧電壓/電流測量值
13‧‧‧無線傳輸模組

Claims (7)

  1. 一種應用太陽能充電與晝光量測技術之無線傳輸模組，其係包括有：一太陽能電池，用以接受光線來產生電能，並輸出該電能；一微控制單元，與該太陽能電池耦接，並可偵測其輸出電能的電壓與電流值，並輸出該些數值；以及一無線傳輸模組，與該微控制單元耦接，利用太陽能電池所輸出電能做為其電源，且傳送微控制單元所輸出之該些數值，並由一控制端所接收。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之應用太陽能充電與晝光量測技術之無線傳輸模組，其中該控制端係為一照明控制單元，依照量測得到之照度，調整照明控制單元即可調整燈具的亮度。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之應用太陽能充電與晝光量測技術之無線傳輸模組，其中該照明控制單元更可為一可調整式電子安定器。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之應用太陽能充電與晝光量測技術之無線傳輸模組，其中該無線傳輸模組係為利用一Zigbee通訊傳輸協定、紅外線、射頻或藍牙之其中一者來進行無線傳輸。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之應用太陽能充電與晝光量測技術之無線傳輸模組，其中該微控制單元的構成係包括有一控制器及一控制電路。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之應用太陽能充電與晝光量 測技術之無線傳輸模組，其中該控制電路係為利用脈波寬度調變方式來控制一P型金屬氧化層半導場效電晶體所構成。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之應用太陽能充電與晝光量測技術之無線傳輸模組，其中該微控制單元其構成為一電容與一電壓/電流測量值之二輸出端並聯，且該電壓/電流測量值一輸出端串接有一電感，該電感連接有一並聯的P型金屬氧化層半導場效電晶體，該並聯的P型金屬氧化層半導場效電晶體再串接有一二極體。
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