TWI617110B - 集中式直流電消耗功率總量管制省電方法 - Google Patents
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Abstract
一種集中式直流電消耗功率總量管制省電系統，係將市電來源區分為交流回路與直流回路，該交流回路提供高耗能的電視、電冰箱、洗衣機、冷氣機等電器設備，直流回路則供應低耗能的燈具、電扇、筆記型電腦、平板電腦、行動電話、數位相機等電器設備；直流回路設置有一個大功率的電源供應器，將市電通過該電源供應器轉換為直流電，並集中供應所有低耗能的電器設備，且無需經由整流/變壓器而直接連接該電器設備提供電能。
Description
本發明屬於節能領域，特別指一種以集中式直流電源供應器，供應直流電器設備，透過供電總消耗功率或是個別消耗功率的調整達到省電目的。
現行的供電照明、電器設備或是3C產品，均提供個別專用電源供應器(內置整流/變壓器)，其功用是將110/220V的市電，轉換為其適用的電壓，並以直流電提供給所需的電器設備使用。這些習知電器設備，製造商因為製造成本考量，大多提供符合該電器設備最低要求功率的電源供應器，而不考慮其轉換效率，只要會亮或能夠使用就好。
因此，習知電器設備的電源供應器在交、直流電源轉換過程中，會產生10~60%的轉換損耗，這些損耗主要被轉換成熱能。以60瓦的電源供應器為例，假設其電源轉換效率為60%，這意味著有24瓦的電力被轉換成熱能，在空間中發熱，除了造成電能無謂的損耗外，也製造熱能增加空調的負擔，結果又要更多的空調系統才能將熱能帶走，因此能源被嚴重的重複浪費。
以習用的照明設備供電控制系統而言，其對每一照明單元均需提供一專用電源供應器，除產生前述的耗能問
題外，如果要對燈具進行亮度調整，必須在每一照明單元的電源供應器安裝調光單元，才能達到單一照明單元調光的目的。如果要對一個以上的照明單元同時進行調光，還必須對每一照明單元搭配調光單元，逐一配置調光控制線路，才能達到群組調光的目的。且習用調光方式是以消耗電力來減低照明單元亮度的方式，如此，照度雖減少，但是電力消耗總功率並未隨之減少，所以無法達到節省用電的目的。
如第4A圖所示，其照明設備包括有三個燈具8，三個燈具8的功率分別為40W、50W、60W，因是採用交流電(AC)供電裝置81，只要開啟便會損耗所有電力，即40+50+60=150W。
如第4B圖所示，其照明設備改後述LED燈具7，其具有整流/變壓器71，可裝置在LED燈具7中或另外設置，但與第4A圖的傳統燈具8相同，只要三個LED燈具7同時開啟就會損耗所有電力150W。
因此，該習用的照明設備供電技術總結有下列缺點：1.每一照明單元提供一專用電源供應器，電源供應器功率小，功率因素(PF,PowerFactor)低、電源轉換效率差，增加用電成本；2.每一照明單元提供一專用電源供應器，重複的電源轉換消耗，增加使用成本；3.必須對每一個照明單元設置調光單元才能達到調光目的，重複的調光單元，增加購置成本；4.利用電阻消耗電力來減低照明單元亮度的方式，照度雖減少，但是電力消耗總功率並未隨之減少，增加用電成本。
1‧‧‧市電系統
11‧‧‧配電盤
2‧‧‧交流回路
3‧‧‧直流回路
4‧‧‧電器設備
41‧‧‧電視
42‧‧‧電冰箱
43‧‧‧洗衣機
44‧‧‧冷氣機
5‧‧‧電器設備
51‧‧‧平板電腦
52‧‧‧行動電話
53‧‧‧數位相機
54‧‧‧限電裝置
6‧‧‧電源供應器
61‧‧‧整流/變壓單元
62‧‧‧電源控制輸出單元
7‧‧‧LED燈具
71‧‧‧整流/變壓器
8‧‧‧燈具
81‧‧‧供電裝置
9‧‧‧綠色能源設備
91‧‧‧風力裝置
92‧‧‧太陽能裝置
第1圖為本發明集中式直流電消耗功率總量管制省電系統的配置圖；第2圖為該集中式直流電消耗功率總量管制省電系統的工作流程圖；第3A~3D圖為該集中式直流電消耗功率總量管制省電系統應用於LED燈具上的操作示意圖；以及第4A~4B圖為習用燈具的電源系統操作示意圖。
請參閱第1圖所示，為本發明所提供之一種集中式直流電消耗功率總量管制省電系統，係將市電系統1傳輸的電源經過住戶配電盤11時，區分為交流回路2與直流回路3，該交流回路2提供高耗能的電視41、電冰箱42、洗衣機43、冷氣機44等電器設備4，該直流回路3則通過一個大功率的電源供應器66，集中供應所有低耗能的LED燈具、電扇、筆記型電腦、平板電腦51、行動電話52、數位相機53等電器設備5。該電源供應器6輸出常用電壓，無需經由整流/變壓器而直接連接該電器設備5提供電能。該電源供應器6包括有整流/變壓單元61以及電源控制輸出單元62，該整流/變壓單元61將市電系統1的交流電轉換為直流電，將直流電經由該電源控制輸出單元62傳輸到該電器設備5並限定總輸出功率。
交流電轉直流電的該電源供應器6負責將市電系統1傳輸的電源，經由該整流/變壓單元61轉換為直流電以供
應該電器設備5使用，其中預先定義交流電轉直流電源供應器6額定功率為WMAX，其實際輸出功率W根據額定功率WMAX由該電源控制輸出單元62可進行調變，該電源控制輸出單元62以改變電壓值或電流值供電方式，改變該電源供應器6的實際輸出功率W。
按照需求所配置的一個或多個電器設備5，且一個或多個電器設備5總消耗功率WLOAD可以小於或等於或大於該電源供應器6額定功率WMAX，若一個或多個電器設備5總消耗功率WLOAD大於額定功率WMAX，則該電源控制輸出單元62僅供應額定功率電力，即最大供電功率總量，不因負載超過額定功率而停止供電。
另該電器設備5內建或另外設置有限電裝置54，以避免該電源供應器6輸出過高功率而損壞該電器設備5，該限電裝置54可以傳遞可調整的電阻值或電壓值或任意電子訊號代表限功率值WLIMIT給電源控制輸出單元62，該電源控制輸出單元62根據此訊號，以改變該電源供應器6的電壓值或電流值供電，改變實際輸出功率W。
該電器設備5可依照節能或功率改變(如LED燈具調光需要)調整限電裝置54，改變供電功率總量，限電裝置54根據電器設備5設定傳遞限功率值WLIMIT給電源控制輸出單元62；電源控制輸出單元62依照限電裝置54之限功率值WLIMIT控制訊號，以電流調變法、電壓調變法或PWM調變法改變電源供應器6的電壓值或電流值供電，使實際輸出功率W等於限功率值WLIMIT。一個或多個電器設備5因實際功率W調整達到電力消耗改變或功率改變的目的。
如第2圖所示，該集中式直流電消耗功率總量管制省電系統的實際方法如下：2-1預先定義交流電轉直流電的電源供應器6額定功率；2-2根據電源供應器6最大功率設置一電源控制輸出單元62用來限定總輸出功率，可以調整實際消耗功率；2-3按照需求配置一個或多個電器設備5負載單元，且該電器設備5總消耗功率可以小於、等於或大於交流電轉直流電源供應器6額定功率；2-4若一個或多個電器設備5總消耗功率大於額定功率，則電源控制輸出單元62僅供應額定功率電力；2-5設置一限電裝置54，該限電裝置54可以供給電器設備5調整限電功率值，並傳遞代表限電功率值訊號給電源控制輸出單元62；2-6電器設備5依照節能或功率改變(如LED燈具調光需要)調整限電裝置54，改變供電功率總量；2-7限電裝置54根據電器設備5設定傳遞限功率值給電源控制輸出單元62；2-8電源控制輸出單元62依照限電裝置54限功率值，改變實際消耗功率總量；2-9電器設備5因實際消耗功率調整達到電力消耗減少或功率調整(LED燈具調光)的目的，然後完成工作。
本發明主要用於低耗能直流電電器設備5，如前述第4B圖，其具有LED燈具7，LED燈具7係以直流電供電，因此，每個LED燈具7都需要一個電源供應器6將市電系統1的交流電轉換為直流電，供應LED燈具7發光所需電力。以一具實際消耗功率8W的LED燈具7為例，在考慮電源轉
換損耗的前提下廠商會提供超過8W的電源供應器6，以確保可以提供足夠的電力。以40個8W的LED燈具7計算際消耗功率為320W，廠商可能提供四十個10W的電源供應器6。此時，如第3A~3D圖所示，如果以一個320W的高效率可調消耗功率電源供應器6取代傳統四十個10W電源供應器6，除了可以減少電源轉換的損耗以外，還可以進行消耗功率總量管制措施，以調整電源供應器6總消耗功率來達到省電的目的。
假設實際照度只要80%就可以達到照明的需求，便可以調整電源供應器6供應256W功率電力，LED燈具7於供電功率低於設計所需功率時，僅會亮度降低仍然可以被正常驅動，LED燈具7僅消耗80%電力便可達到省電20%的目的。另外因為驅動功率降低20%，還可以降低LED燈具7所產生的熱能，可延長LED燈具7使用壽命。
詳細說明如第3A圖，當我們提供與先前技術相同的150W電力，只是經由該電源供應器6轉換成直流電(DC)，其同樣配置三個LED燈具7，分別消耗功率為40W、50W、60W，若該三個LED燈具7同時開啟，即會消耗所有電力150W。
請參閱第3B圖所示，當我們降低該電源供應器6的功率為100W，然後同樣開啟三個LED燈具7時，三個LED燈具7共消耗100W，但仍然能正常運作，只是亮度稍減，達成對LED燈具7省電與調光需求。
請參閱第3C圖所示，同樣地，當我們降低該電源供應器6的功率為50W，然後同樣開啟三個LED燈具7時，三個LED燈具7共消耗50W，但仍然能正常運作，只是亮度
稍減，達成對LED燈具7省電與調光需求。
請參閱第3D圖所示，如果使用可調整輸出功率的電源供應器6，便可依亮度需求自由調整輸出功率，使該LED燈具可以正常工作，當有調光需求時，再調整電源供應器6輸出功率以達成調光功效。
另外，常見的直流電又分成5V、12V、24V、36V及48V等等多種電壓。因此，本發明主要係供應24V及48V。舉例而言，太陽能即為24V，以目前的供電係統，當太陽能要使用時，需透過轉換器將直流電轉為交流電再傳輸給電器設備5，然後該電器設備5使用時則再轉換為直流電，此轉換過程會浪費許多不必要的能源，採取本發明可直接供應直流電，減少不必要的損耗。此外，本發明在實際應用時，會因線材線徑太小會產生壓降，所以不適合長距離使用，壓降公式V=I ＊ R(I=電流、R=長度/線徑)。換句話說，以線徑1mm的電線，在33m距離內，壓降小於10%，大於33m需微調高輸出電壓。線徑2mm的電線，在120m距離壓降小於10%，大於120m則需略為調高輸出電壓即可，即根據該電源供應器6與電器設備5之間的距離，調整輸出電壓，減少傳輸時的功率損耗。或者，調整該電源供應器6與電器設備5之間的距離，亦可減少傳輸時的功率損耗，以滿足不同場域的應用。
又，考慮電源供應器6的可靠度問題，該電源供應器6可使用多個並聯提高可用度，即使一個電源供應器6損壞仍可以供並聯操作，不會影響使用。而在連接風力裝置91、太陽能裝置92等綠色能源設備9時，因為該綠色能源設備9產生直流電，故可直接連接該該電源供應器6的電源控制輸出單元62，以減少對市電的依賴，或在市電中斷時仍可
供應直流電。該電源控制輸出單元62連接有電池，以在電源供應飽合時，將綠色能源設備9產生的電力進行儲存，以備不時之需。
上列詳細說明乃針對本發明之一可行實施例進行具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。
1‧‧‧市電系統
11‧‧‧配電盤
2‧‧‧交流回路
3‧‧‧直流回路
4‧‧‧電器設備
41‧‧‧電視
42‧‧‧電冰箱
43‧‧‧洗衣機
44‧‧‧冷氣機
5‧‧‧電器設備
51‧‧‧平板電腦
52‧‧‧行動電話
53‧‧‧數位相機
54‧‧‧限電裝置
6‧‧‧電源供應器
61‧‧‧整流/變壓單元
62‧‧‧電源控制輸出單元
Claims (6)
- 一種集中式直流電消耗功率總量管制省電方法，其步驟包括：a.將電源供給區分為交流回路與直流回路，交流回路提供高耗能的電視、電冰箱、洗衣機、冷氣機等電器設備，直流回路則供應低耗能的所有電器設備；b.該直流回路係將市電通過一個大功率的電源供應器轉換為直流電，以集中供應所有低耗能的電器設備；c.根據該電源供應器的功率調整，一電源控制輸出單元限制同時使用電器設備的總消耗功率達到省電的目的；其中，該低耗能的電器設備依照節能或功率改變調整一限電裝置，該限電裝置根據該電器設備設定傳遞限功率值給該電源控制輸出單元，該電源控制輸出單元依照該限電裝置限功率值，改變實際消耗功率總量，達到省電及電力消耗減少之需求。
- 如請求項1所述之集中式直流電消耗功率總量管制省電方法，其中，該直流回路同時並聯多個電源供應器，使任何一個電源供應器故障時，不會影響使用。
- 如請求項1所述之集中式直流電消耗功率總量管制省電方法，其中，該直流回路根據該電源供應器與電器設備之間的距離，調整輸出電壓或電流以符合電器設備運作與省電的需求。
- 如請求項1所述之集中式直流電消耗功率總量管制省電方法，其中，該直流回路可依需求調整該電源供應器與電器設備之間的距離，減少傳輸時的功率損耗。
- 如請求項1所述之集中式直流電消耗功率總量管制省電方法，其中，該電源供應器輸出電壓為10V~60V任一電壓。
- 如請求項1所述之集中式直流電消耗功率總量管制省電方法，其中，該電源供應器的電源輸出端連接有風力、太陽能等綠色能源設備，以減少對市電的依賴，或在市電中斷時仍可供應直流電。
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