TWI408527B - 太陽能發電裝置及其取樣方法 - Google Patents

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Description

太陽能發電裝置及其取樣方法
本發明是有關於一種太陽能發電裝置，且特別是有關於一種以機械式元件來動態調整取樣電路的取樣範圍之太陽能板發電裝置及其取樣方法。
現今社會在能源需求與日俱增以及環境污染日益嚴重的情況下，較無污染及理論上可取之不盡的再生能源(Renewable energy)成為現今能源發展的一個重要課題。這些再生能源例如是太陽能、風能、潮汐能或是生質能等。其中，太陽能電池及其發電系統可直接將太陽能轉換為電能，更是近幾年在能源開發的研究上相當重要且受歡迎的一環。
圖1為一種太陽能發電裝置100的示意圖。太陽能板110可將所接收的太陽光L轉換為電能，並利用電源轉換模組120將電能轉換為穩定電源，藉以供電給負載130(於此例中，負載130可以是蓄電池，藉以儲存電能)。另一方面，太陽能板110發電時的輸出功率會受到日照強度、負載、溫度等因素影響，致使太陽能板110所輸出的電源無法時時刻刻維持在最大的電源輸出功率，降低了發電效率，如圖2所示，圖2為太陽能板110於不同時間點的電源輸出功率及輸出電壓V1的示意圖。因此，許多廠商便藉由取樣電路140取得輸出電源的相關參數(例如輸出電壓V1或輸出電流等)，以利用微控制器150中的最大電源功率追蹤法(maximum power point tracking，MPPT)產生脈波寬度調變(pulse width modulation,PWM)訊號，並驅使電源轉換模組120將輸出電源調整至最大電源輸出功率MPP上。
由於輸出電壓V1的數值變動範圍隨著太陽能發電裝置100所擺放的環境因素(例如日照強度的變化)而定，因此在選擇後端處理電路的相關規格時，便需注意例如變壓器(converter)等元件的最大電壓忍受程度，或是取樣電路140的取樣範圍選擇。若將取樣範圍選擇過寬，則會導致取樣電路140的成本提升及資源利用率的浪費；但若將取樣電路140的取樣範圍選擇過窄時，則會降低太陽能發電的效率，嚴重者甚至需要重新設計後端處理電路的相關規格。
本發明提供一種太陽能發電裝置，其可動態調整取樣電路的取樣範圍，藉以免去設計時對於取樣電路的規格選擇，提升取樣精確程度，並可減少因環境因素而導致的故障機率。
另一方面，本發明提供一種太陽能發電裝置的取樣方法，其可動態調整對於輸出電源的取樣範圍，藉以提升取樣精確度，並可減少因環境因素而導致的故障機率。
本發明提出一種太陽能發電裝置，其包括有一太陽能板、一分壓模組、一取樣單元、一處理單元及一步進馬達。分壓模組耦接至太陽能板，其可對太陽能板的輸出電源進行分壓，藉以輸出分壓電壓。取樣單元則耦接至分壓模組，其可對分壓電壓進行取樣，藉以產生分壓信號。處理單元則耦接至取樣單元，其接收所述分壓信號藉以判斷輸出電源的最大輸出功率，並且利用所述最大輸出功率來計算並輸出步進馬達的角度轉動信號。步進馬達則可接收所述角度轉動信號，藉以調整分壓模組的分壓阻抗比率，從而使分壓電壓始終位於取樣單元的取樣範圍內。
在本發明之一實施例中，上述之分壓模組包括有取樣電阻及可變電阻。取樣電阻耦接至取樣單元。可變電阻的一端耦接至取樣電阻的一端，而可變電阻的另一端則耦接至輸出電源的第一端。可變電阻的控制端耦接至步進馬達，而取樣電阻的另一端則耦接至輸出電源的第二端。藉此，步進馬達便會依據角度轉動信號來調整可變電阻的電阻值。
在本發明之一實施例中，上述之可變電阻可為一旋鈕式可變電阻。
在本發明之一實施例中，上述之處理單元則包括有最大功率追蹤單元及步進馬達控制單元。最大功率追蹤單元可接收並依據所述之分壓信號，藉以判斷出上述輸出電源的最大輸出功率。耦接至最大功率追蹤單元的步進馬達控制單元則可依據最大輸出功率以及旋鈕式可變電阻之轉動角度及阻抗變化的關係，藉以計算並且輸出該角度轉動信號。
在本發明之一實施例中，上述之太陽能發電裝置更包括有一協調單元，其耦接至該可變電阻與該步進馬達之間，協調單元可依據步進馬達的轉動來調整可變電阻的電阻值。在本發明之一實施例中，上述之協調單元可為一齒輪组，藉以將步進馬達與旋紐式可變電阻的轉動角度進行比例修正。
在本發明之一實施例中，上述之取樣單元可以用類比數位轉換器為其實現方式。
在本發明之一實施例中，上述之步進馬達可以更包括一無線通訊接收器，藉以經由無線通訊路徑來接收角度轉動信號。
從另一角度來看，本發明提出一種太陽能發電裝置的取樣方法，適用於具備有太陽能板的太陽能發電裝置中。此方法包括下列步驟：設定一分壓模組，此分壓模組可對太陽能板的輸出電源進行分壓，藉以輸出一分壓電壓。接著，對分壓電壓進行取樣以產生分壓信號，並且所述分壓電壓位於取樣單元的取樣範圍內。並且，依據所述分壓信號來判斷輸出電源的最大輸出功率，藉以利用所述最大輸出功率來計算且輸出一角度轉動信號。以及，設定一步進馬達，使其可接收角度轉動信號以調整分壓模組的分壓阻抗比率，藉以將分壓電壓調整位於取樣單元的取樣範圍內。
基於上述，由於取樣單元具備取樣範圍的限制，因此本發明實施例中的太陽能發電裝置便依據最大功率追蹤單元並配合機械式元件(例如步進馬達、機械式可變電阻)來動態調整分壓模組的阻抗比率，使取樣單元所接收的分壓電壓皆位於其取樣範圍內，藉以達到動態調整取樣電路的取樣範圍之功效，提升取樣精確程度及增加對於環境因素的耐受度，從而減少其故障機率。另一方面，本實施例可將微處理器放置於較為陰涼處，並藉由無線通訊技術來傳遞角度轉動信號，以便於降低微處理器的損壞機率。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
現將詳細參考本發明之示範性實施例，在附圖中說明所述示範性實施例之實例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件/符號代表相同或類似部分。
請參照圖3，圖3是根據本發明一實施例所述之太陽能發電裝置300的部分示意圖。圖3繪示有太陽能發電裝置300的太陽能板110、分壓模組320、取樣單元330、微控制器150以及步進馬達340。分壓模組320耦接至太陽能板110、取樣單元330及步進馬達340。此外，取樣單元330及步進馬達340亦耦接至微處理器150。協調單元350則耦接至分壓模組320的可變電阻VR及步進馬達340之間。
其中，於本實施例中，分壓模組320、取樣單元330及步進馬達340可組成取樣電路310，因此圖1之電源轉換模組120及負載130等元件並非本發明實施例所述之重點，在此並不多加贅述。應用本實施例者亦可將分壓模組320、步進馬達340及協調單元350等元件彈性地調整至其他電路中，並不一定位於取樣電路310內，因此並不限制本發明實施例。
於此，本發明實施例的重點在於，由於取樣單元330的取樣範圍會因為其規格、成本等因素而有其限制，並且太陽能發電裝置300在不同環境下的輸出電源範圍皆不相同，因此本實施例的取樣電路320可動態調整取樣電路310之取樣範圍的功效，藉以準確地取得輸出電源變動狀況。此外，本發明實施例採用機械式元件(例如機械式可變電阻VR及步進馬達340)來精確調整取樣電路310的取樣範圍，並且機械式元件受到環境因素(例如：環境溫度、溼度等)的影響較小，藉此，應用本實施例者便可省去選擇取樣單元330規格的煩惱，並可減少因環境因素而導致的故障機率。
進一步而言，請參照圖3及圖4，圖4是根據本發明一實施例所述之太陽能發電裝置300的取樣方法流程圖。於步驟S410中，分壓模組320接收輸出電源P，並將太陽能板110的輸出電源P進行分壓，從而輸出分壓電壓VDIV 至取樣單元330。詳言之，本實施例的分壓模組320包括有可變電阻VR及取樣電阻R1，可變電阻VR的一端耦接至取樣電阻R1的一端，可變電阻VR的另一端則耦接至太陽能板110的輸出電源端NP+，取樣電阻R1的另一端則耦接至太陽能板的輸出電源端NP-。可變電阻VR的控制端則藉由協調單元350而耦接至步進馬達340。藉此，分壓模組320可依據可變電阻VR及取樣電阻R1的阻抗比率來產生輸出分壓電壓VDIV 。於其他實施例中，分壓模組320亦可將可變電阻VR及取樣電阻R1的耦接關係相互置換，本發明並不限制於此。
於步驟S420中，取樣單元330便對分壓電壓VDIV 進行取樣，藉以輸出分壓信號SDIV 。於本實施例中，取樣單元330可以利用電壓式類比數位轉換器作為其實現方式。並且，此電壓式類比數位轉換器具有其取樣範圍，當分壓電壓VDIV 的電壓值大於或小於此取樣範圍時，分壓信號SDIV 便無法忠實反映其真實數據，而當分壓電壓VDIV 位於取樣單元330的取樣範圍內時，微控制器150便可接收到最佳的輸出電源資訊。
於本實施例中，微控制器150具備有最大功率追蹤單元370及步進馬達控制單元380。最大功率追蹤單元370及步進馬達控制單元380的功能可以軟體形式並利用微控制器150來操作實現，此外，最大功率追蹤單元370及步進馬達控制單元380亦可以選擇相對應的實體晶片來達成其功效，因此本實施例並不限制於此。因此，在步驟S430時，微控制器150接收分壓信號SDIV ，並利用分壓模組320中的阻抗比率來還原出輸出電源P的原始輸出電壓，藉以利用最大功率追蹤單元370的最大功率追蹤法(maximum power point tracking，MPPT)來判斷並取得輸出電源P的相關參數(例如最大輸出功率、輸出電壓的變動範圍等)。
之後，進入步驟S440，微控制器150的步進馬達控制單元380依據這些輸出電源P的相關參數，並配合可變電阻VR的相關控制參數及步進馬達的相關控制技術來計算並輸出角度轉動信號SC (於本實施例的角度轉動信號SC 可以是一種脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation,PWM)信號)。並且，於步驟S450中，步進馬達340接收並依據角度轉動信號SC 來隨之調整可變電阻VR的電阻值，以動態調整分壓模組320的阻抗比率。藉此，太陽能發電裝置300可利用動態調整分壓模組320的阻抗比率，將分壓電壓VDIV 控制在取樣單元330的取樣範圍內。
有鑒於此，微控制器150可利用角度轉動信號SC 來控制步進馬達340以動態調整可變電阻VR的電阻值，並且微控制器150內可儲存有取樣電阻R1的電阻值，微控制器150便利用可變電阻VR及取樣電阻R1的電阻值來取得分壓模組320的阻抗比率。
另一方面，符合本實施例精神的可變電阻VR應為機械式可變電阻，例如旋鈕式可變電阻、滑動式可變電阻等，藉以受控於步進馬達340。本實施例以旋鈕式可變電阻作為其實現方式，因此微控制器150可利用旋鈕式可變電阻的轉動角度及阻抗變化的對應關係(此對應關係可為一線性關係，但不限制於此)來計算出步進馬達340所需轉動的角度及方向，藉以輸出角度轉動信號SC 來驅動步進馬達340進行轉動，達到調整可變電阻VR之電阻值的目的。
此外，由於可變電阻VR及步進馬達340不一定相互匹配，因此可利用協調單元350以依據步進馬達340的轉動來調整可變電阻VR的電阻值。於本實施例中，協調單元350以齒輪组作為其實現方式。旋鈕式可變電阻VR具有刻度設計(例如以5度角為一刻度)，因此便可利用齒輪组將步進馬達340及旋鈕式可變電阻的轉動角度進行比例上的修正。例如，在步進馬達340轉動了特定角度時，旋鈕式可變電阻便可藉由協調單元350而增加或減少對應的刻度，藉以調整其電阻值。而於其他實施例中，亦可利用步進馬達340及不同的協調單元350來調整滑動式或其他機械式可變電阻VR的電阻值，從而達到本發明實施例的功效，並不限制於此。
在此說明符合本發明之精神的另一實施例。如圖5所示，圖5是根據本發明另一實施例所述之太陽能發電裝置500的部分示意圖。本實施例與圖3之實施例相似，因此相同動作方式與說明不再贅述。其不同之處在於，步進馬達340具有無線通訊接收器510，而太陽能發電裝置500的微控制器150可驅動無線控制介面520以利用無線通訊路徑來傳遞角度轉動信號SC 。
藉此，由於太陽能發電裝置500的太陽能板110經常放置於日照強烈的位置，其環境溫度較高，因此若以微控制器150配合電子式可變電阻來調整其取樣範圍的狀況下，便會無法準確地調整至所需的取樣範圍，甚至容易提升微控制器150因溫度過高而損毀的機率。而本實施例的步進馬達510、協調單元350及機械式可變電阻VR對於環境的耐受度較高，其受到環境因素的影響較小，因此可將機械式元件設置於較接近太陽能板110的位置，將微控制器150設置於較遠離太陽能板110，並利用無線通訊技術來傳遞角度轉動信號SC ，即可達成本發明實施例的功效。
綜上所述，由於取樣單元具有取樣範圍的限制，因此本發明實施例的太陽能發電裝置300便依據微控制器150中的最大功率追蹤功能來動態調整分壓模組320的阻抗比率，藉以使取樣單元330所接收的分壓電壓皆位於取樣範圍內，從而達到動態調整取樣電路330的取樣範圍之功效，並可免去在電路設計時對於取樣電路330的規格選擇。
另一方面，與以往用電子方式來調整可變電阻相比而言，本發明實施例利用機械方式(亦即以步進馬達340與機械式可變電阻VR)來動態調整分壓模組320的阻抗比率，其可減少因環境溫度過熱而導致的故障機率，並可將微處理器150放置於較為陰涼處，並藉由無線通訊技術來傳遞角度轉動信號，藉以降低微處理器150的損壞機率。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100、300、500．．．太陽能發電裝置
110．．．太陽能板
120．．．電源轉換模組
130．．．負載
140、310．．．取樣電路
150．．．微控制器
V1．．．輸出電壓
L‧‧‧太陽光
320‧‧‧分壓模組
330‧‧‧取樣單元
340‧‧‧步進馬達
350‧‧‧協調單元
370‧‧‧最大功率追蹤單元
380‧‧‧步進馬達控制單元
510‧‧‧無線通訊接收器
520‧‧‧無線控制介面
250‧‧‧無線通訊介面
VR‧‧‧旋鈕式可變電阻
R1‧‧‧取樣電阻
VDIV ‧‧‧分壓電壓
SDIV ‧‧‧分壓信號
SC ‧‧‧角度轉動信號
NP+、NP-‧‧‧太陽能板的輸出電源端
P‧‧‧輸出電源
S410~S450‧‧‧步驟
圖1為一種太陽能發電裝置的示意圖。
圖2為太陽能板於不同時間點的電源輸出功率及輸出電壓的示意圖。
圖3是根據本發明一實施例所述之太陽能發電裝置的部分示意圖。
圖4是根據本發明一實施例所述之太陽能發電裝置的取樣方法流程圖。
圖5是根據本發明另一實施例所述之太陽能發電裝置的部分示意圖。
300．．．太陽能發電裝置
110．．．太陽能板
150．．．微控制器
310．．．取樣電路
320．．．分壓模組
330．．．取樣單元
340．．．步進馬達
350．．．協調單元
370．．．最大功率追蹤單元
380．．．步進馬達控制單元
VR．．．旋鈕式可變電阻
R1．．．取樣電阻
VDIV ．．．分壓電壓
SDIV ．．．分壓信號
SC ．．．角度轉動信號
NP+、NP-．．．太陽能板的輸出電源端
P．．．輸出電源

Claims (13)

  1. 一種太陽能發電裝置，包括：一太陽能板；一分壓模組，耦接至該太陽能板，用以對該太陽能板的一輸出電源進行分壓，以輸出一分壓電壓；一取樣單元，耦接至該分壓模組，用以接收並取樣該分壓電壓以產生一分壓信號；一微控制器，耦接至該取樣單元，用以接收並依據該分壓信號以判斷該輸出電源的一最大輸出功率，藉以利用該最大輸出功率計算並輸出一角度轉動信號；以及一步進馬達，用以接收該角度轉動信號以調整該分壓模組的分壓阻抗比率，從而調整該分壓電壓位於該取樣單元之一取樣範圍內。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能發電裝置，其中該分壓模組包括：一取樣電阻，耦接至該取樣單元；以及一可變電阻，該可變電阻的一端耦接至該取樣電阻的一端，該可變電阻的另一端耦接至該輸出電源的第一端，且該可變電阻的控制端耦接至該步進馬達，而該取樣電阻的另一端耦接至該輸出電源的第二端，其中，該步進馬達依據該角度轉動信號來調整該可變電阻的電阻值。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之太陽能發電裝置，其中該可變電阻為一旋鈕式可變電阻。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之太陽能發電裝置，其中該微控制器包括：一最大功率追蹤單元，用以接收並依據該分壓信號以判斷該輸出電源的該最大輸出功率；以及一步進馬達控制單元，耦接至該最大功率追蹤單元，用以依據該最大輸出功率及該旋鈕式可變電阻之轉動角度及阻抗變化的關係來計算並輸出該角度轉動信號。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之太陽能發電裝置，更包括：一協調單元，耦接至該可變電阻與該步進馬達之間，用以依據該步進馬達的轉動來調整該可變電阻的電阻值。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之太陽能發電裝置，其中該協調單元為一齒輪组，用以將該步進馬達與該旋紐式可變電阻的轉動角度進行比例修正。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能發電裝置，其中該取樣單元為一類比數位轉換器。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能發電裝置，其中該步進馬達包括一無線通訊接收器，用以經由一無線通訊路徑來接收該角度轉動信號。
  9. 一種太陽能發電裝置的取樣方法，包括：設定一分壓模組，該分壓模組對一太陽能板的一輸出電源進行分壓，以輸出一分壓電壓；取樣該分壓電壓以產生一分壓信號，其中該分壓電壓位於該取樣單元之一取樣範圍內； 依據該分壓信號以判斷該輸出電源的一最大輸出功率，並利用該最大輸出功率以計算且輸出一角度轉動信號；以及設定一步進馬達，使其接收該角度轉動信號以調整該分壓模組的分壓阻抗比率，藉以調整該分壓電壓位於該取樣範圍內。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之太陽能發電裝置的取樣方法，其中該分壓模組包括一取樣電阻及一可變電阻，且該步進馬達依據該角度轉動信號來調整該可變電阻的電阻值。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之太陽能發電裝置的取樣方法，其中該可變電阻為一旋鈕式可變電阻。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之太陽能發電裝置的取樣方法，其中計算該角度轉動信號的步驟包括：依據該最大輸出功率及該旋鈕式可變電阻之轉動角度及阻抗變化的關係來計算該角度轉動信號。
  13. 如申請專利範圍第9項所述之太陽能發電裝置的取樣方法，更包括：該步進馬達經由一無線通訊路徑接收該角度轉動信號。
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