TWI401860B - Staggered solar power management method - Google Patents

Description

交錯式太陽能供電管理方法

本發明係關於一種太陽能電力管理方法，尤指一種綜合考慮太陽能電池供電狀態、負載耗能、蓄電池電力等多種因素而提供一種智慧型的太陽能電力管理方法。

一般以太陽能電池(solar cell)進行光電轉換時，會面臨到能源轉換效率低、易受日照強度影響發電量等缺點，因此針對前述缺點提出相對應的改善之道。例如可追蹤日光照射角度，自動將太陽能電池時時刻刻維持在接收最大日照強度，以期能產生最大發電量。

此種最大功率追蹤法除了系統成本高，且必須選用合適的設置場地，當日照強度轉弱時，太陽能電源轉換系統無法提升電力應用的效率，這是因為當太陽能電池將光能轉換為電能而欲進行供電時，由於負載大小係為固定而無法調整，為了要使負載獲得穩定的供電，必須停止取用太陽電能而改為取用其它充足的後備能源來維護負載系統的正常運作。

習知的太陽電能應用方式，若非直接將太陽能電池所產出的電力直接供應至負載，便是先將電力儲存至一蓄電池，待需要時才取出儲存的電力使用，應用方式非常單調且缺乏靈活運作，產出的電力可說是無法獲得有效分配，導致太陽能源應用效率低落。事實上，太陽電能並非只有在產出電能時才可利用，在產出電能相對位於中、低階段時亦可有效使用，惟目前針對中、低階段的電能大多是選擇忽視而未加以運用，無疑構成能源浪費。

針對目前缺乏太陽能電池之使用缺乏有效率的管理及造成能源浪費，本發明之主要目的係提供一種交錯式太陽能供電管理方法，係根據所產出之太陽能大小而決定供應予負載使用或直接儲存。

為達成前述目的，係令本發明交錯式太陽能供電管理方法包含有：建立電力分級級距，係針對一太陽能電池發電量及一蓄電池之蓄電量分別定義出不同級距，其中，太陽能電池發電量係定義有極弱、不足、中等及充足四種級距，蓄電池之蓄電量係定義有少量、中等及充足三種級距；偵測及判斷太陽能電池發電量是否高於負載所需的額定電量；若太陽能電池發電量高於負載所需的額定電量，係執行一交錯式供電程序，以同時供電予負載及利用剩餘電力對蓄電池進行充電；若太陽能電池發電量未高於負載所需的額定電量，係再判斷太陽能電池發電量是否為不足；若太陽能電池發電量為不足，係再判斷太陽能電池發電量是否足以供應負載所需額定電量，若判斷結果為是，係將所有太陽能電池發電量供應至負載；若判斷結果為否，將所有太陽能電池發電量對蓄電池進行充電；若判斷太陽能電池發電量為極弱，係再偵測蓄電池電量及判斷蓄電池電量是否可提供負載所需額定電量，其中，若蓄電池蓄電量可提供負載所需額定電量，由蓄電池利用脈衝寬度調變供電方式提供電能予負載。

本發明藉由太陽能電池之發電量及蓄電池之蓄電量分別劃分成數個不同的級距，經偵測及判斷目前發電量、蓄電量之級距狀態後，可決定應由何種電能供應予負載，使負載維持正常的運作，另一方面，過剩之太陽能電能或是太陽能電能產能較小時，亦可將電能儲存在蓄電池中，係可提高太陽能電池發電量的利用效率，避免能源浪費。

請參考圖1所示，本發明係可使用於一太陽能系統，該太陽能系統包含有：一市電電源10，作為一備份電源使用，當太陽能電力或儲存電力不足時，提供一穩定電力予負載；一太陽能電池(solar cell)20，負責將接收到的光能轉換為直流電壓；一切換電路30，連接該市電電源10及太陽能電池20，該切換電路30根據控制信號選擇供電來源以及供電對象；一充放電控制電路40，其內部包含有一蓄電池42，該充放電控制電路40係連接該切換電路30，當太陽能電池20供應電力予負載後若還有剩餘，充放電控制電路40可將額外電能儲存在蓄電池42中，並在充電過程中提供保護作用，防止過度充電及過度放電，其中該蓄電池42可為鋰電池；一負載50，係連接該切換電路30及該充放電控制電路40，在本實施例中，該負載50為發光二極體(LED)；一微控制器60，係偵測前述各元件之電壓信號，包含太陽能電池20轉換出之直流電壓以及蓄電池42中儲存的電量，於取得所需之電壓信號後，係控制該切換電路30及充放電控制電路40應進行何種工作模式。

請參考圖2所示，本發明交錯式太陽能電力管理方法係包含有下述步驟：建立電力分級級距(201)，係針對太陽能電池20之發電量(W)、蓄電池42之蓄電量(AH)分別定義出不同級距，如下所列：太陽能電池20之發電量(W)係定義有{極弱、不足、中等、充足}，分別表示為{NS、SS、SM、SL}，級距的劃分可相對參考負載50所需的額定電量，在本實施例中係以12W、15W及18W三個臨界點而劃分成前述四種級距；蓄電池42之蓄電量(AH)係定義有{少量、中等、充足}，分別表示為{BS、BM、BL}。

偵測及判斷太陽能電池發電量是否高於負載所需的額定電量(202)，本實施例中係設定當太陽能電池發電量大於15W時，即電量為中等或充足時即高於負載50所需的電量；若太陽能電池發電量高於負載所需的額定電量，係執行一交錯式供電程序(300)而同時供電予負載50及利用剩餘電力對蓄電池42充電，請參考圖3所示，為交錯式供電程序(300)之步驟流程圖：決定工作週期(301)，由於太陽能電池20所產生的電量並非是一恆常不變的定值，因此需先制定一固定週期，將太陽能電池發電量(W)依據工作週期劃分為數個區段，本實施例中係設定每150Hz的時間長度為一個工作週期；判斷各工作週期之電量及劃分為複數等分(302)，由於每一個工作週期內的總電量不見得與其它工作週期之電量相同，係判斷各工作週期內的總電量大小，並將其劃分為100個等分；輸出負載所需的額定電量(303)，即於各工作週期中取用適當比例的電量而提供給負載50，以滿足負載50工作所需；以剩餘電量對蓄電池加以充電(304)，即在同一工作週期中，提供給負載50後所剩餘的能量即利用該充放電控制電路40對蓄電池42進行充電，在充電過程中，係使用脈衝寬度調變(PWM)技術來進行充電，充電電壓及電流係由充放電控制電路40進行監控，避免過大電壓、電流對蓄電池42造成損壞；請參考圖4，舉例而言，若太陽能電池發電量(W)在三個連續工作週期D1、D2、D3之電量大小關係為W1>W2>W3，則在此三個工作週期內提供給負載及用來充電之電量比例分配可能為(負載50%：充電50%)、(負載55%：充電45%)、(負載60%：充電40%)；偵測及判斷太陽能電池發電量(305)，係再次判斷太陽能電池發電量是否依然高於負載所需的額定電量，若仍高於負載所需的額定電量則可持續執行交錯式供電程序(300)，反之則結束交錯式供電程序(300)。

請再回到圖2所示，若步驟(202)之判斷結果係太陽能電池發電量未高於負載額定電量，係再進一步判斷太陽能電池發電量是否為“不足”(203)，在本實施例中若為”不足”的狀態，即代表發電量介於12~15W之間。

若判斷太陽能電池發電量為“不足”的狀態，係再進一步判斷太陽能電池發電量是否足以供應負載所需額定電量(204)，若判斷結果為是，係關閉該充放電控制電路40，並將所有太陽能電池發電量供應至負載(205)，若判斷結果為否，將所有太陽能電池發電量對蓄電池42進行充電(206)，並以市電電源10供電予負載50(207)。

若步驟(203)之判斷結果顯示為否，即代表太陽能電池發電量處於“極弱”的狀態，本實施例中為發電量低於12W便算是極弱，此時係再進一步偵測蓄電池電量(208)。

經偵測得知蓄電池42目前的電量後，係再判斷蓄電池電量是否可提供負載所需額定電量(209)，在本實施例中，若蓄電池之電量處於“中等”或“充足”的狀態，即表示可提供負載所需額定電量，此時由蓄電池利用脈衝寬度調變(PWM)供電方式提供電能予負載(210)。

若經由步驟(209)判斷為否，即代表蓄電池電量無法提供負載所需額定電量時，係切換由市電電源10供電予負載(211)，使負載42可以穩定工作。

當太陽能電池之發電量處於“極弱”的級距，且步驟(209)判斷結果為否時，本發明可再進一步判斷可否對蓄電池充電(212)，考慮能否充電的因素可包含有多種，例如太陽能電池20之發電量是否過小、蓄電池42之溫度是否過高等，若判斷皆符合充電條件，則仍可利用微弱的太陽能電池發電量對蓄電池進行充電(213)；反之若不符合充電條件，則是返回步驟(202)。

綜上所述，本發明將太陽能電池之發電量及蓄電池之蓄電量分別劃分成數個不同的級距，以不同級距之組合方式而制定適當的工作模式，藉此，本發明可根據太陽能電池之發電量及蓄電池狀態提供適當的電力予負載，使負載維持正常的運作；另一方面，可將太陽能電池之剩餘的電能儲存在蓄電池中，並且根據太陽能電池發電量大小進行更有效的利用，如此可更進一步提高太陽能電池發電量的利用率。

10．．．市電電源

20．．．太陽能電池

30．．．切換電路

40．．．充放電控制電路

42．．．蓄電池

50．．．負載

60．．．微控制器

圖1：係執行本發明交錯式太陽能供電管理方法之系統方塊圖。

圖2：係本發明交錯式太陽能供電管理方法之流程圖。

圖3：係本發明交錯式供電程序之流程圖。

圖4：係本發明負載供電及蓄電池充電之電量比例分配示意圖。

Claims (7)

1. 一種交錯式太陽能供電管理方法，包含有：建立電力分級級距，係針對一太陽能電池發電量及一蓄電池之蓄電量分別定義出不同級距，其中，太陽能電池發電量係定義有極弱、不足、中等及充足四種級距，蓄電池之蓄電量係定義有少量、中等及充足三種級距；偵測及判斷太陽能電池發電量是否高於負載所需的額定電量；若太陽能電池發電量高於負載所需的額定電量，係執行一交錯式供電程序，以同時供電予負載及利用剩餘電力對蓄電池進行充電；若太陽能電池發電量未高於負載所需的額定電量，係再判斷太陽能電池發電量是否為不足；若太陽能電池發電量為不足，係再判斷太陽能電池發電量是否足以供應負載所需額定電量，若判斷結果為是，係將所有太陽能電池發電量供應至負載；若判斷結果為否，將所有太陽能電池發電量對蓄電池進行充電；若判斷太陽能電池發電量為極弱，係再偵測蓄電池電量及判斷蓄電池電量是否可提供負載所需額定電量，其中，若蓄電池蓄電量可提供負載所需額定電量，由蓄電池利用脈衝寬度調變供電方式提供電能予負載。
2. 如申請專利範圍第1項所述之交錯式太陽能供電管理方法，其中，若判斷太陽能電池發電量為極弱，且蓄電池蓄電量無法提供負載所需額定電量時，係由一市電電源供電予負載。
3. 如申請專利範圍第2項所述之交錯式太陽能供電管理方法，其中，若太陽能電池發電量為不足，且不足以供應負載所需額定電量時，係由該市電電源供電予負載。
4. 如申請專利範圍第1、2或3項所述之交錯式太陽能供電管理方法，該交錯式供電程序包含有：決定工作週期，係制定一固定週期，將太陽能電池發電量依據工作週期劃分為數個區段；判斷各工作週期內之電量及各工作週期內的電量劃分為複數等分；輸出負載所需的額定電量，於各工作週期中取出適當比例的電量而提供給負載；以剩餘電量對蓄電池加以充電，在同一工作週期中，將提供給負載後所剩餘的能量對蓄電池進行充電；偵測及判斷太陽能電池發電量，係再次判斷太陽能電池發電量是否依然高於負載所需的額定電量，若仍高於負載所需的額定電量則可持續執行交錯式供電程序，反之則結束交錯式供電程序。
5. 如申請專利範圍第4項所述之交錯式太陽能供電管理方法，若太陽能發電量為中等或充足，係判斷為高於負載所需的額定電量。
6. 如申請專利範圍第5項所述之交錯式太陽能供電管理方法，若蓄電池之蓄電量為中等或充足，係判斷該蓄電池可提供負載所需額定電量。
7. 如申請專利範圍第6項所述之交錯式太陽能供電管理方法，若太陽能電池發電量為極弱且蓄電池電量無法提供負載所需額定電量時，係進一步包含：判斷太陽能電池之發電可否對蓄電池充電，若判斷符合充電條件，則將太陽能電池發電量對蓄電池進行充電。