TWI478630B - 照明燈具電力控制裝置、系統和其操作方法 - Google Patents

照明燈具電力控制裝置、系統和其操作方法 Download PDF

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Description

照明燈具電力控制裝置、系統和其操作方法
本發明是有關於一種電力控制技術，且特別是有關於一種照明燈具電力控制技術。
太陽能路燈已經商業化使用。它主要是從太陽以光的方式接收太陽來的能量。藉由太陽能板將太陽的光子轉換成電能。一電池系統用於儲存電能，使能在陰暗的情況(如夜間、或陰天)下，點亮路燈使用。
傳統市售太陽能路燈所設定的目標是在連續下雨三天情況下，仍能提供所需照明。但是在一般正常普遍狀況下，現今市售的產品皆無法保證在接連下雨三天後，仍能維持所需照明。事實上，舖設這些市售太陽能路燈的道路上，夜晚卻經常都暗淡無光的。
本發明中所進行的研究揭開了導致此問題的根本原因；接著在本專利內容中，發表研發出克服這個問題的系統設計。
至少有一個本專利所提出的實施案例描述了一個發明裝置，這個裝置建構在從電能供應端到照明燈具間之電流通路上；而當燈具點亮而消耗電能時，它將電能由電能供應端導至燈具。經過此裝置之調節使燈具之電力消耗與電 能供應端可用能量形成一定函數關係；它隨著電能供應端可用能量減少來反向調控輸出之功率。在此狀況下，從電能供應端所提供能量之下降對比於燈具實際發光總流明數的降低量來看，這個裝置會使發光總流明數的降低比提供能量的減少還要少。這個發明是由電能供應端進到燈具之間的電阻和二極體構成的被動式聯結電路來達到。在案例中，電能供應可以是電池，電池的儲存能量來自於一個或多個太陽能板。而此被動式聯結電路還可以設置於太陽能板至電池間來控制電力傳送。
本簡介僅以一個簡化的形式來介紹本專利的概念，進一步說明將在後方”詳細說明章節”中闡述。本簡介並非要確認跟標題有關事項的關鍵功能或基本功能，也不是用於闡述以確定專利主題的申請範圍。
此處所敘述原理與照明燈具供電技術有關，其中包括一個由電阻與二極體所構成之被動式聯結電路。另照明燈具還包括一系統控制單位(如一控制器)，此控制器可允許當提供相同太陽能板與電池商品規格下，即使面對較長連續雨天時，仍可增長照明燈具之照明時效。
本發明照明燈具可在電池所有儲存能量範圍下運作。當電池儲存能量下降時，系統功率消耗會減低，但系統光效卻會增加，使得照明亮度仍能符合需求。換句話說，此特有系統可以在電池電容量逐漸消耗時，連續的(或逐步的)提高光效。
當太陽將足夠的光子照射在太陽能板上，即在太陽下(這裡指晴天)，太陽能照明燈具利用太陽能板將電池充能。但在較少或非來自太陽的光子注入太陽能板的”陰暗狀態”仍是存在的。舉例來說，陰暗狀態在夜晚是一定成立的，但也存在於黎明、黃昏或是陰沉的天空(這裡之後的敘述皆以”暗夜或陰暗天”或雨天統述之)，如天空多雲覆蓋，有薄霧、有煙、雨、霧、或任何其他阻礙，使得太陽光無法有效到達太陽能板。
陰暗天發生的頻率變化取決於天氣的型態，季節與分佈在地球的區域。為了方便解釋這點，太陽能路燈假設在缺乏一段時間的太陽照射(如接連的陰暗天)，仍應能持續工作數個夜晚。現今，許多市售的太陽能照明燈具承諾可提供三個接連的陰暗天。但是，以本專利發明者所進行的研究(將詳細列述於後方)發現，現存市售太陽能路燈在正常與一般面臨的使用情境下，並不能堅持在接連的三個陰暗天情況下，仍能提供連續三個晚上的照明。
太陽能照明系統包括四個子系統；1)太陽能板，可接收太陽發出的光子，並轉換一部分光子能量(光能)成為電能。2)一個電池組可接收及儲存從太陽能板送出之電能。3)一組照明燈具，可消耗電池電能來發光。4)控制系統，可控制燈具照明的開與關，並保護電池不會產生過充或過放的情況發生。根據所述之原理，當照明燈具結合本專利發明之被動式聯結電路，這控制系統不僅可表現出上述的功能，還可以在亮燈時控制電能消耗的多寡。
當根據實施案例所述的發明原理來置換照明燈具與控 制器，太陽能照明系統在電池電容量飽和的狀況下，能夠在接連的三個陰暗天情況下，在照明初始的連續三個夜晚，都提供(比市售品規格)更好的照明亮度。三天之後，照明系統仍可以在接下來的三天，保持超過(市售產品規格)需求的亮度提供。而在這六天中，電池可完全不需要任何額外的(太陽)能源輸入(也就是接連的六個陰暗天)。且在實施案例中，相較於市售商品系統，仍可以較低的成本達到前述要求。
當系統進行優化，考量系統成本需低於市售太陽能路燈商品限制，本發明中太陽能照明系統之實施案例顯示，在超過接連的九個陰暗天後仍可提供照明，並保持在所需照明要求以上。此實施案例可以在電池充飽後開始三天，提供較市售商品更好的亮度。接下來，在另外六個接連的陰暗天，每隔一天仍可提供超過前一天90%的亮度，而不會在陰暗情況下使道路暗無天日。更好的是，此系統在第十天只要4小時有效陽光照射後，就可再提供超過額外3個接連的陰暗天照明。
至少根據實施案例實驗結果可敘述此太陽能路燈設計是非常可行的；並可提供良好的效能。因此，本專利所述之實施案例足以提供具有好的成本效益與非常好效能，並可運用在許多應用上的太陽能路燈。
本研究
本發明提出一個研究議題；當處於一些非常真實，普遍，與顯而易見之情境下，顯示現存市售太陽能路燈商品在接連的三個陰暗天條件下，不足以提供三個晚上的照 明。此研究探討自然環境與市售太陽能照明的設計參數；並檢驗太陽能路燈在一些顯而易觸及的情形下，所可能遇到的實際運作。此研究顯現出為什麼現存市售產品在三個接連的陰暗天之真實狀況下，不能夠提供完整三天照明的主要原因。
太陽能路燈使用太陽能板在日光照射下將電池充電。隨之在晚上，電池提供電能以點亮燈具。因此下列將白天日照、黑夜所需照明時間等自然環境資訊參數，套入一般使用的太陽能板、電池與控制器特性進行評估。
因應四季變化，在適合安裝太陽能路燈的地區，平均有效日照時間在3到4.5小時。這些地區平均所需照明時間(晚上黑夜)約8到14個小時。同時，因季節變化，更短的有效日照時間會伴隨更長的照明時數需求。因此，此單獨運作的系統，典型上來說，應以4小時有效太陽日照以充電，並以能提供約12小時照明為標準(還包括24小時控制器的連續運作)。
在市售產品系統上，太陽能板轉換的電能經常是儲存在12V電池。而這所謂的12V電池可操作的正常工作條件範圍，最大電壓(Vx)在13.6V附近，最小電壓(Vn)在10.5V左右。不正常的操作(過充：工作電壓大於Vx與過放：工作電壓小於Vn)，都會損害電池壽命，造成不必要的浪費。因此電池過度充電與過度放電都是不該發生的，也不建議使用。因此市售控制裝置系統的設計需持續監控電池端電壓，以確保在電壓達到Vx時，關閉太陽能充電狀態，而在電壓達到Vn時，關閉燈具的照明。
電池儲能的電容量(Bx)是以”安培小時(Ahr)”來定量(如Bx=150安培小時)，這儲存電容量可定義為：電池從最高電壓流動到最低電壓之間，對應時間(hrs)所輸出電流(Amp)的累積(積分)。但需注意對每個電池來說，每”安培小時”的數值皆表示一個不同的儲存能量值；當電池電流輸出時，此儲存能量的”安培小時”值會依照電池端電壓的變化而改變。更進一步說，不同的電池在每一個”安培小時”值下，即使有相同端電壓值，但是所儲存之能量卻會稍為不同，主要是因為每個電池在電能與化學能轉換時的內阻是不同的。即使相同的電池，在相同的能量損耗(瓦小時)下，在不同端電壓時，也會有些微不同之”安培小時”差異。總結來說，不同電池在相同端電壓時，能量的消耗也不會有完全相同的”安培小時”值。
現在我們定義許多設計參數。每日系統耗能(包括照明、系統控制運作、和無效能者)設定為D。最小每日系統耗能稱為Dn，最大每日系統耗能稱為Dx。從太陽能板每日輸出，儲存到電池的電能定義為S。有效日照平均值為4小時，這裡定義為Sa，最大值定義為Sx和最小值定義為0。電池儲存能量(電容量)定義為B，最小值定義為Bn，此最小值則指發生在電池端電壓最小值Vn時，儲存在電池的最小能量(即Bn=0)，最大值Bx則是指當電池端電壓V在最高值Vx時電池的儲存能量。此處Bx即一般所謂的電池飽和電容量。從商業上來說，Bx以”安培小時”來表示。因此這裏往後所談的能量單位(B、S、D)，除非特別說明，皆以電池儲能的安培小時統一敘述之。
目前，在四個太陽能子系統(包括太陽能板、電池、照明燈具與控制系統)中，太陽能板價格是最貴，且是影響太陽能系統成本最大的。因此市售太陽能照明系統設計，便導向於盡量使用小的太陽能板，使大家對於太陽能系統的價格能負擔得起。現今市售太陽能照明系統之Sa，皆使用在1.15Dx>Sa>1.1Dx範圍。換句話說，太陽能板尺寸需大到當接受一天有效日照後，所儲存在電池的電能(Sa)，應可提供超過一天最大系統能耗(Dx)的110%；但也肯定會少於最大系統能耗(Dx)的115%。
到今天，電池價格仍是影響太陽能系統成本的第二重要因素。大部分的市售太陽能照明設計者，可提供電池之(電能充飽)飽和電容量(Bx)，約在4Dx>Bx>3.3Dx間。也就是說，一個充飽的電池可在每天最大系統能耗下，提供照明3.3到4天。一些市售太陽能照明的設計者，更增加電池飽和電容量，使達到7Dx。
市售產品設計者在設計控制子系統和照明(燈具)子系統時，會保持照明消耗功率維持在一定常數”P”(也就是電池供給燈具運作之輸出功率)，或至少與端電壓運作無關。但這裏再聲明，端電壓是直接與電池儲存能量B形成一函數關係。因此每日系統耗能(瓦小時)”D”可以表示成D=(P x T)+O，這裡”T”指的是每日平均照明時間(如前所述定為12小時)，”O”則指除了照明外，因控制系統(被控制器所消耗)運作24小時所需之耗能。
下列敘述為幾個現今市售太陽能之關鍵設計因子整理：
(I)每日系統能耗(包括整晚的照明與24小時控制器運作)可定義為：Dx>D=(P x T)+O瓦小時，P,T,and O已在前方定義，P幾乎可定義為一固定之瓦數。
(II)太陽能板大小(在每一天有效日照下，所能提供電池充電的電能(瓦小時)”S”)可訂為1.15Dx>Sa>1.1Dx(瓦小時)，Sa則相同於前方定義。
(III)電池(用來將太陽能板輸出之電能儲存後以提供給系統運作之電能)可設計飽合電容量(Bx)之能量範圍在7Dx>Bx>3.3Dx。
當考量每日耗能”D”小於最大每日耗能”Dx”，及電池儲能範圍為7Dx>Bx>3.3Dx，依此情形下進行太陽能照明系統設計，理應保用期超過三年是恰當的，但事實上並非如此，以下將詳加說明。
事實上，每天從太陽輸入的能量，扣除供給系統每日能量消耗後，剩下來可供應給電池增加儲存能量已經很少了。在正常的系統運作下，以最少的接連晴天，利用上述剩餘電能，將電池從B=0充到B=Bx所需時間，訂為”最大儲能(Bx)/最大剩餘電能(S-D)”。若最小Bx相當於3.3Dx時，則最大剩餘電能(S-D)則相當於1.15Dx-Dn，所以最少所需太陽照射天數則可表示為3.3Dx/(1.15Dx-Dn)，此值約等於3.3Dx/(1.15Dx-Dx)，這個值為22天。正常情形，現今市售商品來說，當電池電能耗盡時，此電池系統要全部回復到飽和電容量，將需要22到50個接連晴天。在這些晴天中若又有任何一個陰暗天，將需要額外的至少六天才能讓電池回到飽和狀態。此處應用 統計法(使用俄羅斯輪盤法)，來模擬在黎明時任何操作系統的剩餘電池儲能，按照最樂觀的設計允許條件下，模擬結果表明，B>(3D-Sx)將是一個罕見的情況。在黎明時，依照絕大部分操作的情境，B<(3D-Sx)為最安全的表達方式。也就是說，下列的情境分析適合於絕大部分系統操作狀況(是為一般的和時常遇到的情況)。
即使假設市售產品提供最大電池電容量(Bx=7Dx)，仍然會因為在運作時，綜合許多實際狀況累積下來，讓整個系統的電池剩餘能量(B)會小於(3D-M*Sx)，其中M=1或M=2(M為自然數)。此時系統所遇到的情境會變成當次一天是豔陽高照的晴天，但接下來為接連的三天或三天以上陰暗天時，系統勢必無法提供接下來的三個陰暗天的夜間照明。
當M=1時，使B=(3D-Sx)<(3D-1.15Dx)<(3-1.15)*D。也就是說，電池剩餘能量在黎明時(關燈與將以太陽光子充電之間)是少於1.85天的系統運作能量需求。接著，太陽能板則僅能在接下來的晴朗天氣供給電池B=(3D-Sx+Sa)的電能。因為Sx>Sa，所以，當接下來是接連三天陰暗天時，B是絕對小於3D。也就是系統能量絕對無法提供到第三個夜晚的完整電力。
當M=2時，表示在黎明之際，電池剩餘能量少於0.7天系統所需操作能量。以此論之，在接連三個雨天情況下是絕不可能在第三個夜晚提供照明。
當電池在黎明或黎明之前儲存能量已耗盡時，燈可以在第一天的晚上及部分的第二天夜晚提供照明，但是第三 個夜晚將是黯淡無光的。
最壞的情況是，當電池在黎明或黎明之前儲存能量已耗盡，接著又出現超過三個接連的雨天(完全無日出)。此時，將完全不可能再提供夜晚照明。
上面所述的情境，皆是非常一般且正常會遇見的情況。因此依照上述情境所做的分析結果，以現有市售的固定功耗太陽能路燈系統，使用目前所設計之太陽能板規格，即使使用最大飽和電容量的市售電池，均無法承諾所謂的”連續可使用三天之夜間照明”。這就是因為在電池儲存能量在耗盡或即將耗盡之際，太陽能照明系統在經過每日平均有效日照後，僅能提供約一天(而非三天)的夜間照明。
為更加清楚的描述上述的研究與會造這些問題的根由，讓我們取一個市售樣品做一個情境最惡劣的例子。我們採購一市售太陽能路燈(130瓦太陽能板、兩個110安陪小時電池)。此燈可提供1600 lm照明輸出，大約固定28瓦的照明消耗功率，和控制系統平均6瓦的消耗功率。經由130瓦太陽能板充電給電池每日四小時有效日照，則大約提供43.3安培小時能量。路燈的每天能量消耗(12小時照明和24小時控制裝置運作)則約消耗40安培小時。因此每天可以從太陽能板多出來可以儲存之能量僅約3.3安培小時。也表示需要超過連續12個有效日照所提供能量，才足夠平衡一個夜晚的路燈照明需求(12 x 3.3 Ahr=39.6 Ahr)。電池從耗盡恢復到飽合狀態需要66.7(=220/3.3)天接連的有效日照。兩年前此類規格的路燈設置在中國中部某 空曠之處，每日可接受超過4小時平均有效日照，大概僅能從一開始的飽和電能狀況下運作少於20天，就會碰到電池耗盡的情況。然後此路燈就只能在每個有效日照的當天提供當天晚上的照明。而從這個時間點起，絕不可能履行維持接連的三個晚上照明。當然，此燈也會在超過兩年後，遇到電池電能耗盡問題。
要符合接連提供三天夜間照明的承諾，一種方法就是增大太陽能板的尺寸大小，使能增加至三倍的充電功率。如此一來，每天以此太陽能輸入，即使電池在黎明時儲存能量耗盡，能有接連一天有效日照，就可以達到三天夜間照明需求。但是此產品將面對高成本，因此大部分的人負擔不起的窘況。
研究結論
從上述研究，發明者發現，市售太陽能路燈要保持可使用超過三個接連的陰暗日承諾，有三個關鍵：(1)系統需要一個足夠大的電池容量(Bx>3Dx)，(2)系統應有足夠大的太陽能板，提供電能Sa>3Dx，和(3)每日能量消耗微不足道之控制裝置，如此Dx可被大幅降低。但是在市售產品上，從子系統(特別是太陽能板與電池)成本來看，當使用上述(1)與(2)兩個組成因子之設計(甚至加上第三個組成因子(3))時，所產生的系統，雖然最終可符合亮度需求，但成本卻不能承受，或是產品價格雖可被市場接受，卻不能提供足夠亮度。
發明
發明者進一步的發明了新穎的發光二極體燈設計，它 的設計是以整合發光二極體(晶片)和電阻組成之被動式聯結電路以及相關的控制裝置，用以克服上述市售太陽能燈的問題。在使用與市售太陽能燈相同的太陽能板和電池情形下，即使遇上長期連續的陰暗日，仍能提供額外的與更持久的夜間照明。本發明的步驟如下所述：
I.利用被動式聯結電路調整發光二極體燈具I-V特性曲線：經由反覆實驗，發明者發現可以用發光二極體與電阻構成之被動式聯結電路，調整發光二極體照明燈具的I-V(電流-電壓)特性曲線，並找到當照明燈具與被動式聯結電路搭配適當時，可獲得理論上選擇(“所想要”)的I-V特性曲線。換句話說，首先須發明一個可調整發光二極體照明燈具的I-V特性曲線的發光二極體與電阻所構成的被動式聯結電路。
II.藉由理論分析確認所想要的I-V特性曲線：
II.A確認I-V曲線可在整個電池電容量範圍下運作：藉由理論的分析，發明者確認出發光二極體照明燈具的適當I-V特性，使能在整個電池電容量範圍下運作(亦即在一個“12V電池”其運作的範圍是10.5V~13.5V)。這表示這些發光二極體照明燈具將可依照電池輸出端電壓，改變其功率消耗(P(v))。
II.B在電池儲存電能消耗過程中，確認I-V曲線可改善照明光效：發明者從上述經過進一步的分析與選擇後，可獲得到許多I-V曲線，其可在電池輸出端電壓降低時，相應的改 善照明光效。
II.C確認I-V曲線可防止電池過充與過放：因為這些發光二極體照明燈具將可依照電池輸出端電壓，改變其功率消耗(P(v))，發明者更進一步的確認這些照明燈具的I-V曲線，使電池在飽和電容量(B=Bx)之際，能將每日所充入電能全部消耗掉(D(Vx)>Sx)，因此，可避免電池過充，造成電池損壞或壽命縮短。
發明者更加確認這些照明燈具的I-V曲線，使電池在接近儲存能量耗盡之際，能將電能消耗降至小於每日太陽能板充電能量的1/5，愈接近電池儲存能量耗盡，照明功率消耗越低。當接近Vn時，D(v)是非常低的；如此一來D(v~Vn)<0.1 Sa。也就是在電池儲存能量耗盡時(P(Vn)<1瓦)。因此，可避免電池過放，造成電池損壞或壽命縮短。
III.整合所有上述發明去設計發光二極體照明燈具：發明者接著利用此電阻與二極體構成之被動式聯結電路調整一盞照明燈的I-V特性曲線，使能符合所設定的I-V曲線。此外，許多燈具原型被製備，用以驗證這盞燈確實能夠在電池所有電能儲存範圍內運作。這些系統也能夠改善照明光效，當在電池儲存能量消耗過程中，仍能提供所需亮度以上的照明。換句話說此獨有的照明系統設計，可以在電池儲存電能逐漸消耗過程中，連續的(或逐步的)增加光效，並且可使用電池所有電能儲存範圍。此外，這些燈具原型亦證明可避免電池過充或過放的能力。
IV.能量消耗微不足道的控制器設計：由於上述發光二極體燈具可提供避免電池過充或過放 的功能，因此，就能夠去除傳統控制器所需的電池過充或過放保護功能(此類控制器功能會明顯消耗能量)。因此，上述燈具設計，便可以讓我們將控制器的功能設計，僅限於控制電池(從太陽能板取得電能)充放電的開關，與電池放電給發光二極體燈具點亮時之開關。因此我們設計使用兩個latch-relays的控制器，執行所述兩個開關功能。其所消耗的能量微不足道(每日<0.001Amp.hr)，而使照明所能使用的能量變得更多。
V.系統優化：在被動式聯結電路的電阻並非發光裝置；它們僅消耗能量而不發光。因此本發明設計聯結電路時，需盡量避免不必要的電阻。如此一來，此照明系統設計的能源使用方式將使照明時間更持久。此外，發明者利用統計因子仿真，找出可供使用的參數空間設計範圍。此結果有效的導引我們優化各子系統之相容性；並可同時找出最低系統成本與最好功效的運作方式。
本發明實施的結果
另一方面，這裏將敘述如何重新設計控制器與照明系統的原理。如結果所顯示，當電池剩餘能量漸少時，此系統可愈增加照明系統的光效。照明燈具仍可在整個電池電容量工作範圍，提供超過需求的亮度。如此在相同的電池與太陽能板子系統下，此照明系統於連續的陰暗天，仍能夠提供額外的照明能量。換句話說，實施案例結果告訴我們，當照明功率消耗降低時所連帶光效的增加，使得功率消耗的降低快於亮度的降低。因此，即使以現存市售相同 的太陽能板與電池，來自太陽能板一天重新充電能量，可提供超過三天被降低功率的消耗。
因此，當照明子系統符合實施案例所述，依照電池剩餘電容量來調整燈具功率消耗。因為電池剩餘電容量可被相對的電池端電壓(V)所決定，本發明則可設計照明功率為一端電壓之函數，P=P(V)。因此，燈具可被設計當端電壓較低時，消耗較少的功率。當電池能量在低儲存狀態時，所需的Dx是足夠低的，如此現今市售系統中使用的太陽能板大小，在可減至夠低的Dx下，能夠提供足夠的Sa，符合Sa>3Dx需求。
為了保證可提供所需亮度，照明子系統可被設計，達到當電池儲存能量下降時光效會提升。換句話說，越少的電池剩餘能量，則燈具之功率消耗越少，而且燈具仍能由光效增加而提供給所需之照明亮度。這是由於能量消耗速率比亮度減少速率為快。
因為此設計的照明子系統可以改變功率消耗，所以此設計可更進一步在電池位於飽和電容量之際(B=Bx)，將照明燈具功率消耗定在一天可充電的最大能量(D(Vx)>Sx)。如此一來，就可以如實施案例中所展現的，避免電池過充的問題。本發明亦可以設計當電池剩餘能量低時，燈具功率消耗的能量僅有每日太陽能板可充電最大能量的四分之一以下。當電池愈接近耗盡的狀況，燈具照明消耗能量愈小。當電池剩餘能量幾近耗盡時，燈具功率的消耗也幾近0，避免電池過放的狀況。
因此，如上照明子系統的實施案例所述，可達到兩個 功能上的好處：(1)太陽能板經過一天日照充電所儲存在電池之能量，可提供三天夜晚的照明而不需額外的能量輸入。(2)不需要利用主動裝置設計的控制器，就可以避免電池過充或過放。實施案例可顯示控制器所需的主要功能，僅在控制電池充放電的開與關即可，而開與關所消耗的能量，相對每日照明系統來說，幾乎是為不足道的。
正如實施例所示，當換裝本發明之發光二極體照明單位和其相關的控制裝置後，此市售系統將可在電池充飽，不再充電的狀況下，在前三個晚上提供更好的照明亮度；然後接連的三天仍可提供所需的照明亮度。更好的是，此發明的照明系統成本是低於目前市售系統。
當系統效能被優化，且系統成本被限制在低於市售太陽能路燈時，此發明設計系統將能夠支持超過九個連續雨天。甚而有之，此發明可在初始的三天提供更好的亮度。在照明系統仍連續正常使用下，接下來的接連六天，每晚所提供的照明亮度仍可保持在前一晚照明亮度的0.9以上。此外，若在第十天可得到一天4小時有效日照充電，此發明系統又可提供額外三個晚上的照明。
敘述實施例的一般理論後，這裏從圖一至圖五加以討論實施例。
圖一顯示一個太陽能照明系統100則包括子系統：電池110，太陽能板120，照明燈具130與一個控制器140。太陽光照射在太陽能板120上。此太陽能板120可以為一個或數個連接在一起的數個太陽能板。甚至太陽能板可以使用現今存在或未來再改良之產品。如同敘述過的，即使 用現存之太陽能板，亦能夠增加它的使用效能。太陽能板120依照不同種類轉換光電效率，至少可轉換一部分入射太陽光為電力。
如圖中當太陽能板120和電池110組合時，一個能量收集控制電路121配置在從太陽能板120到電池110的電力路徑中。如此一來，從太陽能板120產生的電流則導過能量收集的控制電路121到電池110，使電池充電，在日照的情況下增加電池儲存能量。電池110可以為任何一種電池，本發明中所述之原理可以在傳統太陽能照明系統中，使用與傳統系統中相同的電池，來達到發明中所提及效能的增加。事實上，此處原理所述可以推廣至裝置110為任何一種電能供應端，如利用電網供電之電源供應器。如此一來，此將不再如燈具照明系統中所要求的，需要包括太陽能板或能量收集控制電路121。因此，照明系統也不需要任何實質上的電池。事實上，電池110可以被”電能(力)來源”所取代。電池110此處後方敘述僅視做為一個電能供應端的案例做說明。
當電池110和照明燈具130依圖示之組合時，一個能量消耗控制電路122可選擇性的配置在從電池110到燈具130的電力路徑上。如此一來，能量消耗控制電路122則可在晚上照明燈具消耗電力時，將電流從電池110導至燈具130。在實施案例裏，燈具130的照明發光，可利用一個或複數個發光二極體和/或是發光二極體街燈架設在街道、人行道或空地上。
在照明使用時，藉由能量收集控制電路121，配置在 太陽能板120與電池110電路之間，控制系統140可選擇性地以控制導通電力。控制器140則可以用非常簡單的設計來展現開關功能。依此而論，每日控制系統的消耗則可以如前方所述，只需要非常少的能量消耗。依靠電能供應端，如某些地區(如在電網供電狀況下)，此選擇性的控制電路將不再需要。
當能量消耗控制電路122控制從電池110(更廣泛的延伸，或從”電力供應來源”)到照明燈具130間電力供應，所組成之太陽能照明系統100。此太陽能照明系統100可經由能量收集控制電路122，使燈具之電力消耗與電能供應端可用能量形成一定函數關係；它隨著電能供應端可用能量減少來反向調控輸出之功率。
如前所述，由於電池終端電壓V為電池剩餘能量函數，因此本發明可利用電池終端電壓來達到。在一般電能供應來源的情況，此效果亦可由於電力來源所提供的能量，而相對應其相關參數來達到。亦如前所述，當功率消耗降低時，可因為功率消耗較低時而增加的光效，使發光總流明數的降低比提供能量的減少還要少。
在一些實施案例中，當終端電壓下降時(或所謂更一般性的電力來源所提供之可用電力或能源)，照明功率消耗的降低，可以藉由被動式聯結電路來達到。舉例，一個被動式聯結電路131可以被包括在照明燈具中，由發光二極體和(可能)加上電阻組成。一個相關特定設計列於圖5中。但是，本發明原理的闡述並不僅受限於此設計。舉例來說，一被動式聯結電路可藉由電壓下降來控制電流經過；如當 被動式聯結電路之輸入電壓較高時(相當於電池端電壓較高時)，會較在被動式聯結電路之輸入電壓較低時，有較多發光二極體在被動式聯結電路上可主動地發光。因此因為端電壓降低，而造成在被動式聯結電路之發光二極體的發光數量或強度變化。
這裏所述理論並不受限於由燈具130功率消耗和電池110端電壓間特殊之功能性關聯。但是，當照明功率消耗的降低，並不會導致發光強度根據相對應關係而等比例降低，此可稱之為本發明之最大優勢。
圖2所示為一簡略的圖像表示200，闡述一個發光二極體功率消耗與流明值(出光量)的關係。縱軸201是流明值，電力功率是在橫軸202。兩者的關係則僅以曲線210大約的顯示其中原理。圖中曲線形狀的精確性也許因發光二極體種類與照明燈具的設計而稍有不同，特別是他的散熱決定了發光二極體發光介面的溫度。此介面溫度能夠關鍵性的影響光強度輸出；因此散熱能力關鍵性的影響了輸入功率與發光二極體發光流明數之函數關係。
但是，每一個LED在接近或是低於LED臨界電壓時都有一個不活躍範圍，此電壓功率範圍使得LED發光極小而不足以應用。即使211部分範圍可提供非常高的光效，但仍無法提供高流明值。
每一LED在大於LED臨界電壓皆有一個線性範圍，可使得流明值以相對應輸入功率的改變而成線性變化。此範圍可保持光效幾乎是常數與夠多之發光流明值。
每一個發光二極體也有一個發光飽和範圍213，功率 之增加，卻無法提供如前段線性增加範圍所能增加之相對應流明值。換句話說，在飽和範圍213中，輸入電力下降，但發光流明數實際下降比例卻不像電力下降比例所相對應的多。此範圍則為大部分發光二極體工作之飽和發光範圍。因此，電力供應提供給燈具照明(從可能的值221到222)，如圖所見，當功率消耗較低時增加的光效，可因為功率消耗較少時，功率降低速率比造成對應之發光強度降低速率要更快。導致較相對應比例少之流明數下降(從數值231到232)，這是另一個在圖2中的重要參數。最小流明數需求如直線233所註明；和其相對應的功率則以直線223註明。直線223可能或在如212所定之範圍內。因此照明燈具可以被設計在超過212a的設定值之上工作，以提供超過所設定需求的流明值。事實上，功率範圍213的相對應電壓(約12.3到13.5V)，應符合大部分所設計的工作功率範圍(>212b)。對於本發明的設計，相對應的電池電壓範圍所設計的工作電壓範圍設定，應在11.5V到13.5V。換句話說，所設計的I-V特性曲線則在調整曲線形狀以符合此需求。
這裏沒有限制送至照明燈具功率與電池終端電壓之函數關係。然而，圖3繪出一圖型關係300，其中301則為階躍函數。圖4則圖繪出關係400，則為401的連續函數。確實的函數則可視做為階躍函數與連續函數的相加。
圖5繪出一個被動式聯結電路500可被使用如圖1之被動式聯結電路131。此被動式連結電路500包括複數個被動裝置，被動裝置包括發光二極體與電阻的組合。如圖 5，一個24顆發光二極體組裝的照明(LD1到LD24序列標號表示)，可以電路聯結成兩個群組，每個群組以並聯組合在電池終端的正極端與負極端之間。
發光二極體群組之一是由一系列四個發光二極體子群組串連而成。每個發光二極體子群組以不同個數之發光二極體並聯構成。舉例來說，一個發光二極體群組由四個子群組串接而成，其中第一個發光二極體子群組是由四個並聯的發光二極體，LD3到LD6，第二個發光二極體子群組係由三個並聯發光二極體構成，LD10到LD12，第三個子群組亦由三個發光二極體並聯構成，為LD16到LD18，第四個子群組亦由四個並聯發光二極體，LD21到LD24，所構成。另一組發光二極體群組亦由一組四個串聯發光二極體子群組所構成，每個子群組亦由不同個數發光二極體並聯所構成。舉例來說，此另一組發光二極體群組由四個子群組串聯構成，第一個子群組由兩個發光二極體並聯構成，LD1到LD2，第二個子群組由三個發光二極體，LD7到LD9，並聯構成，第三個子群組由三個發光二極體並聯構成，係LD13到LD15，和第四個發光二極體子群組係由兩個發光二極體並聯構成，分別為LD19到LD20。注意第一組子群組，LD3到LD6也同時並聯16個電阻，從R1到R16。而第四個發光二極體子群組則同樣並聯另16個電阻，從R17到R32。
此發光二極體被動式聯結電路可以視做為電壓決定的可變電阻，因此被動式聯結電路就可以在終端電壓不同時，承載四種不同的電流。越小的端電壓，則被動式聯結 電路需要越少量的功率消耗。
表1中列出上述被動式聯結電路組合後終端電壓範圍，從13.5V到10.5V之間所測量的功率消耗如下
如表1所列，功率消耗從端電壓13.5V的40.2瓦同步調的降低到11.5V的6.67瓦。(約差了六倍)。
當然，發光二極體被動式聯結電路組合後的發光強度可隨著載流改變。越小的載流則有越小的發光強度產生。 換句話說，發光二極體被動式聯結電路越小的功率消耗，則發光二極體電路所產生的發光強度越低。假設我們引用市售最小發光強度流明數要求，Lm>1500Lm；則我們設計使用三個發光二極體被動式聯結電路並聯組合成燈具來提供照明。每個組合的照明輸出要求需大於500Lm。
如表1所示，測得的發光強度，從功率消耗(從端電壓13.5V)40.2瓦所發出2331.6流明值，降低到(端電壓11.5V)6.67瓦所發出發光強度約580.7流明值。從整合在燈具上所用三個聯結電路並聯組合的總發光強度應可在13.5V，並提供6994.8流明值；以及在11.5V端電壓時仍能提供1740流明值(此符合照明強度需大於1500流明值要求)。
測量值所展示的結果，決定採用兩個110安培小時的電池組合，以提供220安培小時的電容量。電池端電壓10.5V到11.5V仍有約50安培小時；從10.5V到13.5V則約225安培小時。因此，從13.5V降至11.5V時，電池放電能量可達170Ahr以上，以220安培小時之電池飽和電容量來計算，其佔超過電池飽和電容量的77.27%=(220-50)/220。
放電時間也進行測量。由實驗所得到的測量值結果顯示，13.5V到11.5V之間，可提供超過75小時的放電時間。因此我們預期照明燈具可提供六個晚間(每晚12個小時照明)都超過所需照明強度。低於11.5V到10.5V之剩餘能量，仍可提供較照明強度需求低的照明超過38小時。
因此在沒有能量再輸入本發明系統情況下，總共測量的照明時間可提供超過九個晚上(每晚12個小時)。本發明 系統可以提供超過照明需求六個晚上照明，以及另外三個晚上低於照明需求的照明。甚至第十天如能提供一天晴天(四個小時的有效日照)，本照明系統所得到的電池能量，又可以提供至少三個夜晚的照明。
當計算單一個發光組合裝置(發光二極體聯結電路)光效時，如表所列；單一參數來看，可從端電壓13.5V時，每瓦提供58流明。到11.5V時，每瓦可提供87流明。至10.5V時，則可增加到每瓦99.2流明。
從發明的本身基礎特性來看，本發明亦可以其他特有的實施方式來實踐。所述的實施例可被考量僅與本發明相關，但不限制於本發明實施案例所述的應用範圍。因此本發明含括有效範圍，由後方附加的專利要件範圍來確認，而不僅限於前方之文章敘述。所有來自於專利要件本身的意思與相同意義的宣告皆含括在本專利宣告有效範圍內。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，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‧‧‧太陽能照明系統
110‧‧‧電池
120‧‧‧太陽能板
121‧‧‧能量收集控制電路
122‧‧‧能量消耗控制電路
130‧‧‧照明燈具
131‧‧‧被動式聯結電路
140‧‧‧控制器
200‧‧‧簡略的圖像表示
201‧‧‧縱軸
202‧‧‧橫軸
212a‧‧‧設定值
213‧‧‧範圍
221到222‧‧‧值
223‧‧‧直線
231到232‧‧‧值
233‧‧‧直線
300‧‧‧圖型關係
301‧‧‧階躍函數
400‧‧‧關係
401‧‧‧連續函數
500‧‧‧被動式聯結電路
210‧‧‧曲線
211‧‧‧範圍
212‧‧‧範圍
LD1到LD24‧‧‧發光二極體組裝
R1到R32‧‧‧電阻
為了描述本發明和其相關的優點和特點，用數個實施案例配合所對應之參考圖表加以說明。對於這些實施案例附圖之認知，僅用於案例本身，並不被用來限制本發明的申請範圍。實施案例將利用所附繪圖對本發明細節詳加解釋： 圖一為摘要性的繪出原理敘述所需之一個太陽能照明系統：圖二所繪之案例為發光二極體之特性對應案例；和圖三所繪為一圖形案例，在說明如何藉由一控制裝置，控制如何依據輸送至燈具的能量與電池剩餘能量之階躍函數(step function)，可降低傳送至燈具的能量。
圖四所繪為一圖形案例，在說明如何藉由一控制裝置，控制如何依據輸送至燈具的能量與電池剩餘能量之連續函數(continuous function)，可降低傳送至燈具的能量。
圖五所繪之圖例，為電阻與二極體組成的被動式聯結電路，當電池剩餘能量降低時，可被用來減低傳送給照明燈具的電力。
100‧‧‧太陽能照明系統
110‧‧‧電池
120‧‧‧太陽能板
121‧‧‧能量收集控制電路
122‧‧‧能量消耗控制電路
130‧‧‧照明燈具
131‧‧‧被動式聯結電路
140‧‧‧控制器

Claims (20)

  1. 一種照明燈具電力控制裝置，包括；一個控制能量消耗電路與電能供應端以及照明燈具架構在一起所形成，該控制能量消耗電路用以選擇性的調控從電能供應端到達燈具之電力，當控制能量消耗電路調控從電能供應端到達燈具之電力時，此時經過該裝置之調節使輸送電力與電能供應端可用能量形成一定函數關係，隨著電能供應端可用能量來反向調控輸送電力，在此狀況下，從電能供應端所提供能量之下降對比於燈具實際發光總流明數的降低量來看，這個裝置會使發光總流明數的降低比提供能量的減少還要少。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之照明燈具電力控制裝置，該裝置有一能量消耗控制電路用於調控輸送電力大小，該能量消耗控制電路包括在燈具中之複數個被動元件所形成。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之照明燈具電力控制裝置，其中該裝置包括依複數個被動元件所形成，該複數個被動元件包括複數個發光二極體。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之照明燈具電力控制裝置，其中該複數個被動元件包括複數個電阻。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之照明燈具電力控制裝置，其中該函數關係包括一階躍函數。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之照明燈具電力控制裝置，其中該函數關係包括一連續性函數。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之照明燈具電力控制 裝置，其中該電能供應端為一電池。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之照明燈具電力控制裝置，該函數關包括電池終端電壓為參數之函數。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之照明燈具電力控制裝置，其中該裝置還包括一能量收集控制電路，當能量收集控制電路與電能供應端以及電池建構在一起時，該裝置用以調控從電能供應端到電池間的電力。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之照明燈具電力控制裝置，其中該裝置還包括：電能供應端與能量收集控制電路結合為一的太陽能板。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之照明燈具電力控制裝置，其中該裝置還包括：與能量消耗控制系統結合的照明燈具。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之照明燈具電力控制裝置，其中該裝置之照明燈具為一個發光二極體照明燈具。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之照明燈具電力控制裝置，其中該照明燈具為一個架高的照明燈具。
  14. 一種照明燈具電力控制方法，包括：當照明燈具消耗電力時，將電力從電能供應端傳導到燈具；以及，依照在電能供應端可用能量為參數，對應輸送至照明燈具電力所形成之函數關係，反向調控輸送至燈具電力的大小，造成從電能供應端所提供能量之下降對比於燈具實際發光總流明數的應降低比例來看，發光總流明數的降低比提供能量的減少還要少。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之照明燈具電力控制 方法，其中該函數關包括電池終端電壓為參數之函數。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之照明燈具電力控制方法，其中該照明燈具為發光二極體照明燈具。
  17. 如申請專利範圍第14項所述之照明燈具電力控制方法，其中該照明燈具為一個架高的照明燈具。
  18. 如申請專利範圍第14項所述之照明燈具電力控制方法，其中該電能供應來源為一電池。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之照明燈具電力控制方法，更包括：當太陽能板產生電力時，將電力從太陽能板傳導到電池。
  20. 一個照明燈具電力控制系統，包括：一個電能供應端；一個燈具；和一個照明燈具電力控制裝置所形成，其中，該照明燈具電力控制裝置被安裝用以，當控制能量消耗電路與電能供應端以及照明燈具架構在一起，選擇性的調控從電能供應端到達燈具之電力，該照明燈具電力控制裝置可進一步的被用以，使輸送至燈具的電力與電能供應端可用能量形成一函數關係，隨著電能供應端可用能量來反向調控輸送電力，在此狀況下，從電能供應端所提供能量之下降對比於燈具實際發光總流明數的降低量來看，該照明燈具電力控制裝置會使發光總流明數的降低比提供能量的減少還要少。
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