TWI418969B - 自驅動型熱電電耗偵測裝置及方法 - Google Patents

Description

自驅動型熱電電耗偵測裝置及方法

本發明是有關於一種電耗偵測裝置及其電耗偵測方法，且特別是有關於一種可自供電之電耗偵測裝置及其電耗偵測方法。

電網的最小單位可從家庭算起，至每一棟大樓或每一社區，最後連結到全國的大電網上。隨著氣溫的變化，早晨與黃昏都有不同的需求與供應，因此，發電廠必須要產出備用電量，以保持電力不虞匱乏。

然而，備用電量往往高於實際需求的16%-20%，導致發電廠的負擔增大。此外，雖然有些發電方式(例如：水力抽蓄發電)可將部分過剩的電量進行回收，但是回收效率不佳且回收的電量十分有限，浪費的電量仍然相當高。

本發明係有關於一種自行供電之電耗偵測裝置及其電耗偵測方法，藉由取得耗電元件的電耗值，進行耗電供應管制，使發電廠產出對應之電量，降低發電廠的備用電力需求。

根據本發明之第一方面，提出一種電耗偵測裝置。電耗偵測裝置設於一耗電元件上。電耗偵測裝置包括一熱電感測元件、一單晶片處理器及一無線發射模組。熱電感測元件受到耗電元件運轉時所產生的表面溫差之驅動而輸出一電壓訊號。單晶片處理器用以依據電壓訊號取得耗電元件之一電耗值並據以輸出一電耗訊號，其中電耗訊號含有耗電元件之電耗值之訊息。無線發射模組用以藉由一電量發射電耗訊號。

根據本發明之第二方面，提出一種電耗偵測方法。電耗偵測方法包括以下步驟。偵測一耗電元件的運轉電量，其中一熱電感測元件受到耗電元件運轉時所產生的表面溫差之驅動而輸出一電壓訊號及一電量；依據電壓訊號取得耗電元件之一電耗值並據以輸出一電耗訊號，其中電耗訊號含有耗電元件之電耗值之訊息；以及，藉由電量，以一無線發射模組發射電耗訊號。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

請參照第1圖，其繪示依照本發明較佳實施例之電耗偵測系統之示意圖。電耗偵測系統100包括多個電耗偵測裝置102及電耗管理裝置104。該些電耗偵測裝置102分別設於不同之耗電元件106上。此處之耗電元件106例如是依靠電力網路之供電而工作的電子裝置，例如：電腦、家電、冷氣機、電冰箱、列表機或影印機等等。

一般而言，耗電元件106在工作時都會產生熱而導致溫度上升，耗電元件106之溫度因此高於外界之溫度，耗電元件106與外界之間的溫降方向係朝向外界。

在本實施例中，每個電耗偵測裝置102可偵測對應之耗電元件106所導致之溫差，並據以產生電耗訊號S1及電量E1(電量E1繪示於第2圖)。電耗訊號S1表示耗電元件106運轉狀態時之消耗功率，電耗偵測裝置102使用自產生的電量E1發射電耗訊號S1至電耗管理裝置104。

電耗管理裝置104例如是與區域電網連接之伺服器，其包括通訊模組110及電耗資料收集器112。電耗管理裝置104在接收到該些電耗偵測裝置102所發射之該些電耗訊號S1後，電耗資料收集器112總計該些電耗訊號S1所表示的該些電耗值(該區域電網的耗電量)以取得一總電耗值，通訊模組110據以傳送一需求電量訊號S2至電源管理系統伺服器120，其中需求電量訊號S2含有上述總電耗值之訊息。上述電源管理系統伺服器120例如係一主伺服器，其可匯整所有區域電網的數個電耗管理裝置104所傳輸來的數個總電耗值，以統一進行電量監控。如此一來，藉由電耗偵測裝置102，發電廠可避免產生過多的備用電量，以減少能源的浪費。

另一實施態例中，電耗管理裝置104亦可傳送需求電量訊號S2至電力公司，再由電力公司控制發電廠產生對應之電量。

請參照第2圖，其繪示第1圖之電耗偵測裝置之功能方塊圖。電耗偵測裝置102包括熱電感測元件108、單晶片處理器122及無線發射模組116，單晶片處理器122電性連接熱電感測元件108與無線發射模組116。熱電感測元件108例如：熱電晶片(Thermoelectric chip)，當耗電元件106開始運轉時，所產生的熱量可造成表面溫差，此表面溫差可驅動熱電感測元件108發出電壓訊號V1及電量E1。單晶片處理器122使用電量E1作為能量且依據電壓訊號V1取得耗電元件106之電耗值並據以輸出電耗訊號S1，其中電耗訊號S1含有耗電元件106之電耗值。無線發射模組116使用電量E1作為發射訊號之能量而發射電耗訊號S1。

在另一實施例中，請參照第3圖，其繪示依照本發明另一實施例之電耗偵測裝置的功能方塊圖。電耗偵測裝置202更包括內部電力供應系統224，用以提供電量E1。進一步地說，電耗偵測裝置202之熱電感測元件108可僅作為感測器之用，單晶片處理器122及無線發射模組116所需的電量E1由內部電力供應系統224供應。內部電力供應系統224例如是電池。或者，於其它實施例中，電量E1可由一外部電力供應系統(未繪示)提供。

上述依據電壓訊號V1取得耗電元件106之電耗值的方式有多種實現方法。例如，比對一資料庫(未繪示)內的電耗值資料，以取正確之電耗值；或者，可依據校正公式或校正曲線計算出對應電耗訊號S1之電耗值。其中，資料庫、校正公式或校正曲線例如是儲存於電耗偵測裝置102之單晶片處理器122內部。

當耗電元件106於不同運轉狀態時，表面溫差會隨之變化，因此可造成熱電感測元件108發出不同的seeback電壓，此seeback電壓訊號與溫差成正比，如第4圖所示，其繪示第1圖之耗電元件之表面溫差與第2圖之熱電感測元件之輸出電壓的關係圖。

熱電感測元件108的結構簡單、無機械動件、使用壽命長且運作時無噪音。熱電感測元件108可應用厚膜製程完成，直接於導熱基板上進行成長所組成。厚模製程例如：電化學方法、離心力下固化法(Solidification)、液相成長法與Bridgman長晶法。熱電感測元件108可形成如奈米線之形式，以增加輸出功率密度。奈米線可由基材中直接成長形成，以降低接觸阻抗。呈奈米線形式之熱電感測元件108可直接貼附於耗電元件106之表面，直接回收耗電元件106之熱而進行發電。

請參照第5圖及第6圖，第5圖繪示第2圖之熱電感測元件裝設在耗電元件之示意圖，第6圖繪示第5圖之熱電感測元件與無線發射模組的電性連接示意圖。熱電感測元件108具有相對之第一面108a與第二面108b並包括半導體結構層108c、第一絕緣導熱板108f及第二絕緣導熱板108g。其中，半導體結構層108c係由P型半導體材料108d及N型半導體材料108e所組成的多組熱電偶(Thermocouple)組合而成，每一熱電偶皆可藉由溫差而形成電流。半導體結構層108c、P型半導體材料108d及N型半導體材料108e位於第一絕緣導熱板108f與第二絕緣導熱板108g之間，熱電感測元件108之第一面108a接觸耗電元件106，而熱電感測元件108之第二面108b朝向外界。

此外，電耗偵測裝置102更包括散熱片118，其設於熱電感測元件108之第二面108b上，藉由散熱片118可將熱Q對流至外界，以造成熱電感測元件108之第一面108a與第二面108b之間更顯著的溫差。當第一面108a與第二面108b的溫差愈大時，所產生的電壓亦愈大。於其它時失態樣中，電耗偵測裝置102亦可省略散熱片118。

如第6圖所示，當耗電元件106所產生的熱Q使第一面108a的溫度高於第二面108b的溫度時，產生電流C1，將熱電元件連接於無線發射模組116，如此一來，電流C1形成迴路而供電給無線發射模組116，使無線發射模組116順利發射電耗訊號S1。

此外，可藉由串聯或並聯熱電感測元件108來輸出不同的電流及電壓，以符合無線發射模組116的輸入需求。舉例來說，以並聯為例，請參照第7圖，其繪示本發明一實施態樣之多個熱電感測元件並聯之示意圖。熱電感測元件108之P型半導體材料108d與熱電感測元件108’之P型半導體材料108d’電性連接且熱電感測元件108之N型半導體材料108e與熱電感測元件108’之N型半導體材料108e’電性連接而構成一並聯結構，該並聯結構可輸出更大之電流。

又例如，以串聯為例，請參照第8圖，其繪示本發明另一實施態樣之多個熱電感測元件串聯之示意圖。熱電感測元件108之N型半導體材料108e與熱電感測元件108’之P型半導體材料108d’電性連接而構成一串聯結構，該串聯結構可輸出更大之電壓。

較佳但非限定地，熱電感測元件108在溫差5℃下輸出每平方公分至少20毫瓦特(mW/cm² )的能量，其中該面積為熱電感測元件108中接觸耗電元件的表面，以本實施例來講，即熱電感測元件108的第一面108a的面積。藉由挑選不同種類或性能的熱電感測元件108可達成預期功率之輸出。例如：當熱電感測元件108之熱電轉換係數愈大或熱電感測元件108之厚度愈薄時，熱電感測元件108的輸出功率愈大，較佳但非限定地，熱電感測元件108之厚度約介於0.35毫米(mm)至0.75 mm之間；或者，亦可透過上述串聯/並聯多個熱電感測元件108的方式來增加熱電感測元件108的輸出功率。

請同時參照第9圖及第1至2圖，第9圖繪示依照本發明較佳實施例之電耗偵測方法流程圖。

於步驟S102中，偵測耗電元件106的運轉電量。其中熱電感測元件108受到耗電元件106運轉時所產生的表面溫差之驅動而輸出電壓訊號V1及電量E1。

然後，於步驟S104中，單晶片處理器122依據電壓訊號V1取得耗電元件106之電耗值並據以輸出電耗訊號S1，其中電耗訊號S1含有耗電元件106之電耗值之訊息。

然後，於步驟S106中，無線發射模組116藉由電量E1持續地發射電耗訊號S1。

由於溫差持續地發生，熱電感測元件108持續地輸出電量E1及電耗訊號S1至無線發射模組116，無線發射模組116藉由持續供應的電量W1，持續地發射電耗訊號S1(步驟S106)。然而，當電耗管理裝置104未收到電耗訊號S1時，表示耗電元件106處在不工作(不耗電)狀態。進一步地說，當耗電元件106不工作時便不會熱，因此，步驟S104中的熱電感測元件108及電耗偵測裝置102處於休眠狀態。由於不需額外供給待機電力給電耗偵測裝置，因此可降低電耗偵測裝置102的電力供應。

然後，於步驟S108中，電耗管理裝置104之電耗資料收集器112總加接收到之數個電耗訊號S1所表示之數個電耗值，以取得一總電耗值。

然後，於步驟S110中，電耗管理裝置104之通訊模組110傳送一需求電量訊號S2至電力公司或電源管理系統伺服器120。其中，需求電量訊號S2含有該總電耗值之訊息。

之後，電源管理系統伺服器120在接收由數個電耗管理裝置104所傳送之數個需求電量訊號S2後，統一進行電量監控。其中，該些電耗管理裝置104可連接(或通訊)於單個或分別連接於數個區域電網，而電源管理系統伺服器120可連接於電力公司之內部或外部。

本發明上述實施例所揭露之電耗偵測裝置、電耗管理裝置、電耗偵測系統及其電耗偵測方法，藉由取得耗電元件的電耗值，使發電廠產出對應之電量，以降低發電廠的負擔。此外，由於電耗偵測裝置之用電可自我提供，在此情況下不需使用到外部電源。

綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明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，當可作各種之更動與潤飾。因此，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．．．電耗偵測系統

102、202．．．電耗偵測裝置

104．．．電耗管理裝置

106．．．耗電元件

108、108'．．．熱電感測元件

108a．．．第一面

108b．．．第二面

108c．．．半導體結構層

108d、108d'．．．P型半導體材料

108e、108e'．．．N型半導體材料

108f．．．第一絕緣導熱板

108g．．．第二絕緣導熱板

110．．．通訊模組

112．．．電耗資料收集器

116．．．無線發射模組

118．．．散熱片

120．．．電源管理系統伺服器

122．．．單晶片處理器

224．．．內部電力供應系統

C1．．．電流

E1．．．電量

V1．．．電壓訊號

S1．．．電耗訊號

S2．．．需求電量訊號

Q．．．熱

第1圖繪示依照本發明較佳實施例之電耗偵測系統之示意圖。

第2圖繪示第1圖之電耗偵測裝置之功能方塊圖。

第3圖繪示依照本發明另一實施例之電耗偵測裝置的功能方塊圖。

第4圖繪示第1圖之耗電元件之表面溫差與第2圖之熱電感測元件之輸出電壓的關係圖。

第5圖繪示第2圖之熱電感測元件裝設在耗電元件之示意圖。

第6圖繪示第5圖之熱電感測元件與無線發射模組的電性連接示意圖。

第7圖繪示本發明一實施態樣之多個熱電感測元件並聯之示意圖。

第8圖繪示本發明另一實施態樣之多個熱電感測元件串聯之示意圖。

第9圖繪示依照本發明較佳實施例之電耗偵測方法流程圖。

100．．．電耗偵測系統

102．．．電耗偵測裝置

104．．．電耗管理裝置

106．．．耗電元件

110．．．通訊模組

112．．．電耗資料收集器

120．．．電源管理系統伺服器

S1．．．電耗訊號

S2．．．需求電量訊號

Claims (18)

1. 一種電耗偵測裝置，設於一耗電元件上，該電耗偵測裝置包括：一熱電感測元件，受到該耗電元件運轉時所產生的表面溫差之驅動而輸出一電壓訊號；一單晶片處理器，用以依據該電壓訊號取得該耗電元件之一電耗值並據以輸出一電耗訊號，其中該電耗訊號含有該耗電元件之該電耗值之訊息；以及一無線發射模組，用以藉由一電量發射該電耗訊號。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電耗偵測裝置，其中該熱電感測元件具有相對之一第一面與一第二面，該第一面與該第二面之一者係接觸該耗電元件。
3. 如申請專利範圍第2項所述之電耗偵測裝置，其中該熱電感測元件具有一P型半導體材料及一N型半導體材料，該P型半導體材料及該N型半導體材料電性連接於該無線發射模組。
4. 如申請專利範圍第2項所述之電耗偵測裝置，更包括：一散熱片，設於該第一面與該第二面之另一者。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電耗偵測裝置，更包括複數個熱電感測元件，該些熱電感測元件係並聯。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電耗偵測裝置，更包括複數個熱電感測元件，該些熱電感測元件係串聯。
7. 如申請專利範圍第1項所述之電耗偵測裝置，其中該電量係由一外部電力供應系統提供。
8. 如申請專利範圍第1項所述之電耗偵測裝置，更包括：一內部電力供應系統，用以提供該電量。
9. 如申請專利範圍第1項所述之電耗偵測裝置，其中該熱電感測元件受到該耗電元件運轉時所產生的表面溫差之驅動而輸出該電量。
10. 如申請專利範圍第1項所述之電耗偵測裝置，更包括一電耗管理裝置，該電耗管理裝置用以接收該電耗訊號，該電耗管理裝置包括一通訊模組及一電耗資料收集器，該電耗管理裝置接收到複數個該電耗訊號後，該電耗資料收集器總計該些電耗訊號所表示之複數個該電耗值，以取得一總電耗值，該通訊模組用以傳送一需求電量訊號，該需求電量訊號含有該總電耗值之訊息。
11. 如申請專利範圍第10項所述之電耗偵測裝置，更包括一電源管理系統伺服器，該電源管理系統伺服器係匯整複數個該電耗管理裝置所傳來之複數個該需求電量訊號，以統一進行電量監控。
12. 一種電耗偵測方法，包括：偵測一耗電元件的運轉電量，其中一熱電感測元件受到該耗電元件運轉時所產生的表面溫差之驅動而輸出一電壓訊號；依據該電壓訊號取得該耗電元件之一電耗值並據以輸出一電耗訊號，其中該電耗訊號含有該耗電元件之該電耗值之訊息；以及藉由一電量，以一無線發射模組發射該電耗訊號。
13. 如申請專利範圍第12項所述之電耗偵測方法，更包括：一外部電力供應系統提供該電量。
14. 如申請專利範圍第12項所述之電耗偵測方法，更包括：一內部電力供應系統提供該電量。
15. 如申請專利範圍第12項所述之電耗偵測方法，其中於偵測該耗電元件的運轉電量之該步驟中，該熱電感測元件受到該耗電元件運轉時所產生的表面溫差之驅動而輸出該電量。
16. 如申請專利範圍第12項所述之電耗偵測方法，更包括：總加接收到之複數個該電耗訊號所表示之該些電耗值，以取得一總電耗值；以及傳送一需求電量訊號，該需求電量訊號含有該總電耗值之訊息。
17. 如申請專利範圍第16項所述之電耗偵測方法，其中一電耗管理裝置用以接收該些電耗訊號，該電耗管理裝置包括一通訊模組及一電耗資料收集器，該電耗管理裝置接收到該些電耗訊號後，該電耗資料收集器總計該些電耗訊號所表示之該些電耗值，以取得一總電耗值，該通訊模組用以傳送一需求電量訊號，該需求電量訊號含有該總電耗值之訊息。
18. 如申請專利範圍第17項所述之電耗偵測方法，更包括： 接收由複數個該電耗管理裝置所傳送之複數個該需求電量訊號，以統一進行電量監控。