TWI661652B

TWI661652B - 可變換供電架構的太陽能發電系統

Info

Publication number: TWI661652B
Application number: TW106136759A
Authority: TW
Inventors: Kuei Hsiang Chao; 趙貴祥; Cheng Wei Peng; 彭程偉
Original assignee: National Chin-Yi University Of Technology; 國立勤益科技大學
Priority date: 2017-10-25
Filing date: 2017-10-25
Publication date: 2019-06-01
Also published as: TW201917985A

Abstract

本發明提供一種可變換供電架構的太陽能發電系統，其包含太陽光電模組、主電路模組、控制模組、蓄電池及開關模組。主電路模組電性連接太陽光電模組且包含第一電路單元，控制模組電性連接主電路模組且選擇性的使第一電路單元操作於最大功率追蹤模式或充放電控制模式。蓄電池電性連接主電路模組，開關模組包含第一切換開關，第一切換開關一端電性連接第一電路單元且另一端選擇性連接太陽光電模組或蓄電池。藉此，透過開關模組的切換及主電路模組的配置，可達到使可變換供電架構的太陽能發電系統於不同的供電架構中切換的目的。

Description

可變換供電架構的太陽能發電系統

本發明是有關於一種發電系統，且尤其是有關一種應用太陽能而可變換供電架構的太陽能發電系統。

電力在現今的社會中十分重要，現有的發電方式多為火力發電及核能發電，然前者易產生環境污染，後者則具有輻射及核廢料處理問題，是以科學家及研究人員不斷的發展綠色能源，例如風力發電及太陽能發電等，以替代前述發電方式。

太陽能發電是利用太陽光電模組照光後產生直流電的特性來發電，透過在光照射處設置多個太陽光電模組，可以吸收太陽光而達到發電效果。

由於太陽光電模組產生的電流為直流電，無法直接併入市電中的交流電網使用，因此需要經由一直流-交流轉換器，將直流電轉為交流電後才可連接交流電網供電。另外，考量太陽能發電系統的應用面，需要因應不同的日照強度或夜間來改變供電架構，因此通常會再配合蓄電池充放電系統及升壓系統來達到改變供電架構的目的。然而，每個系統都有各自獨立的電路，因此導致整體電路龐大複雜，且具有成本提升及維修不易的問題。

有鑑於此，如何有效的在可變換多種不同供電架構的情況下簡化太陽能發電系統的電路，遂成相關業者努力的目標。

本發明提供一種可變換供電架構的太陽能發電系統，其透過開關及開關的配置，而可切換多種供電架構。

依據本發明之一實施方式，提供一種可變換供電架構的太陽能發電系統，其電性連接一交流電網且包含一太陽光電模組、一主電路模組、一蓄電池及一開關模組。主電路模組電性連接太陽光電模組且包含一第一電路單元、一第二電路單元、一第三電路單元及一電容單元，電容單元電性連接交流電網。蓄電池一端電性連接主電路模組，開關模組電性連接主電路模組以改變第一電路單元、第二電路單元、第三電路單元或電容單元之間的電性連接狀態，且開關模組包含一第一切換開關、一第二切換開關及一第三切換開關。第一切換開關一端電性連接第一電路單元且另一端選擇性連接太陽光電模組或蓄電池的另一端，第二切換開關一端電性連接第二電路單元且另一端選擇性的電性連接電容單元或第三電路單元，第三切換開關一端電性連接第三電路單元且另一端選擇性的電性連接第二電路單元或蓄電池的另一端，其中第一切換開關、第二切換開關或第三切換開關依需求選擇作動使供電架構變換。

藉此，透過開關模組的切換及主電路模組的配置，可達到使可變換供電架構的太陽能發電系統於不同的供電架構中切換的目的，而具有電路簡單及應用多元的優點。

依據前述之可變換供電架構的太陽能發電系統，其中第一電路單元可包含一第一電晶體、一第二電晶體及一第一電感，第二電晶體一端串聯第一電晶體，第一電感一端電性連接第二電晶體的上述端且另一端電性連接第一切換開關。或第二電路單元可包含一第三電晶體、一第四電晶體及一第二電感，第四電晶體一端串聯第三電晶體，第二電感一端電性連接第四電晶體的上述端且另一端電性連接第二切換開關。或第三電路單元可包含一第五電晶體、一第六電晶體及一第三電感，第五電晶體一端電性連接第三切換開關，第六電晶體一端串聯第五電晶體的另一端，第三電感一端電性連接第六電晶體的上述端且另一端電性連接電容單元且供第二切換開關選擇性電性連接。

依據前述之可變換供電架構的太陽能發電系統，其中主電路模組可更包含一穩壓電容，穩壓電容一端電性連接第一電晶體且另一端電性連接第二電晶體及太陽光電模組。另外，前述之可變換供電架構的太陽能發電系統可更包含一穩壓電容電性連接至一直流微電網。

依據本發明之另一實施方式，提供一種可變換供電架構的太陽能發電系統，其包含一太陽光電模組、一主電路模組、一控制模組、一蓄電池及一開關模組。主電路模組電性連接太陽光電模組且包含一第一電路單元，控制模組電性連接主電路模組且選擇性的使第一電路單元操作於一最大功率追蹤模式或一充放電控制模式。蓄電池一端電性連接主電路模組，開關模組電性連接主電路模組且包含一第一切換開關，第一切換開關一端電性連接第一電路單元，第一切換開關另一端選擇性連接太陽光電模組或蓄電池的另一端。其中第一切換開關切換第一電路單元電性連接太陽光電模組時，控制模組使第一電路單元操作於最大功率追蹤模式；第一切換開關切換第一電路單元電性連接蓄電池時，控制模組使第一電路單元操作於充放電控制模式。

依據前述之可變換供電架構的太陽能發電系統，其中開關模組可更包含一第二切換開關及一第三切換開關，主電路模組更包含一第二電路單元、一第三電路單元及一電容單元。第二電路單元電性連接第二切換開關之一端及第一電路單元，第三電路單元透過第三切換開關選擇性的電性連接第二電路單元，電容單元一端連接第三電路單元且另一端受第二切換開關選擇性電性連接，而第三切換開關切換使第二電路單元電性連接第三電路單元，及第二切換開關切換使電容單元電性連接第二電路單元時，控制模組使第二電路單元、第三電路單元及電容單元操作於一單相變頻模式。或第三切換開關可一端電性連接第三電路單元而另一端選擇性的電性連接第二電路單元或蓄電池。

依據前述之可變換供電架構的太陽能發電系統，其中第一電路單元可包含一第一電晶體串聯一第二電晶體，第二電路單元可包含一第三電晶體串聯一第四電晶體，第三電路單元可包含一第五電晶體串聯一第六電晶體，且第一電晶體及第三電晶體彼此電性連接，第二電晶體、第四電晶體及第六電晶體彼此電性連接，而第三電晶體及第五電晶體受第三切換開關選擇性電性連接。

100‧‧‧可變換供電架構的太陽能發電系統

200‧‧‧太陽光電模組

300‧‧‧主電路模組

310‧‧‧第一電路單元

311‧‧‧第一電晶體

312‧‧‧第二電晶體

313‧‧‧第一電感

320‧‧‧第二電路單元

321‧‧‧第三電晶體

322‧‧‧第四電晶體

323‧‧‧第二電感

330‧‧‧第三電路單元

331‧‧‧第五電晶體

332‧‧‧第六電晶體

333‧‧‧第三電感

340‧‧‧電容單元

400‧‧‧蓄電池

410、420‧‧‧端

500‧‧‧開關模組

510‧‧‧第一切換開關

520‧‧‧第二切換開關

530‧‧‧第三切換開關

600‧‧‧交流電網

700‧‧‧穩壓電容

A11、A12、A13、A14、A15‧‧‧端

A21、A22、A23、A24、A25‧‧‧端

A31、A32、A33、A34、A35‧‧‧端

C1‧‧‧最大功率追蹤電路

C2‧‧‧可升降壓充電控制電路

C3‧‧‧單相變頻電路

C4‧‧‧充放電控制電路

第1圖繪示依照本發明之一種可變換供電架構的太陽能發電系統的架構方塊圖；第2A圖繪示第1圖之可變換供電架構的太陽能發電系統的一電路連接示意圖；第2B圖繪示第2A圖之可變換供電架構的太陽能發電系統的等效電路示意圖；第3A圖繪示第1圖之可變換供電架構的太陽能發電系統的另一電路連接示意圖；第3B圖繪示第3A圖之可變換供電架構的太陽能發電系統的等效電路示意圖；第4A圖繪示第1圖之可變換供電架構的太陽能發電系統的再一電路連接示意圖；第4B圖繪示第4A圖之可變換供電架構的太陽能發電系統的等效電路示意圖。

以下將參照圖式說明本發明之實施例。為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，閱讀者應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施例中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示；並且重複之元件將可能使用相同的編號表示。

請參閱第1圖，其中第1圖繪示依照本發明之一種可變換供電架構的太陽能發電系統100的架構方塊圖。可變換供電架構的太陽能發電系統100電性連接一交流電網600且包含一太陽光電模組200、一主電路模組300、一蓄電池400及一開關模組500。

主電路模組300電性連接太陽光電模組200且包含一第一電路單元310、一第二電路單元320、一第三電路單元330及一電容單元340，電容單元340電性連接交流電網600。蓄電池400一端420(見第2圖)電性連接主電路模組300，開關模組500電性連接主電路模組300以改變第一電路單元310、第二電路單元320、第三電路單元330或電容單元340之間的電性連接狀態，且開關模組500包含一第一切換開關510、一第二切換開關520及一第三切換開關530。第一切換開關510一端電性連接第一電路單元310且另一端選擇性連接太陽光電模組200或蓄電池400的另一端410(見第2圖)，第二切換開關520一端電性連接第二電路單元320且另一端選擇性的電性連接電容單元340或第三電路單元330，第三切換開關530一端電性連接第三電路單元330且另一端選擇性的電性連接第二電路單元320或蓄電池400的另一端410，其中第一切換開關510、第二切換開關520或第三切換開關530依需求選擇作動使供電架構變換。

藉此，透過開關模組500的切換改變主電路模組300的電性連接狀態，而能使可變換供電架構的太陽能發電系統100的供電架構變換。後面將更詳細的說明可變換供電架構的太陽能發電系統100的細節與作動方式。

請參閱第2A圖及第2B圖，其中第2A圖繪示第1圖之可變換供電架構的太陽能發電系統100的一電路連接示意圖，第2B圖繪示第2A圖之可變換供電架構的太陽能發電系統100的等效電路示意圖。太陽光電模組200可吸收太陽光並將太陽光轉換為電流，其可以是是單晶矽太陽光電模組板、多晶矽太陽光電模組板或薄膜太陽光電模組板，其為習知技術且非本發明重點，在此不贅述。

主電路模組300可包含一電路板(未繪示)，而第一電路單元310、第二電路單元320及第三電路單元330是設置於電路板上。第一電路單元310包含一第一電晶體311、一第二電晶體312及一第一電感313，第二電晶體312的一端A12串聯第一電晶體311，而第一電感313的一端A14電性連接第二電晶體312的前述端A12，且另一端A15電性連接第一切換開關510。

第二電路單元320及第三電路單元330的組成和第一電路單元310類似，第二電路單元320包含一第三電晶體321、一第四電晶體322及一第二電感323，第四電晶體322的一端A22串聯第三電晶體321，而第二電感323的一端A24電性連接第四電晶體322的前述端A22，且另一端A25電性連接第二切換開關520。第三電路單元330包含一第五電晶體331、一第六電晶體332及一第三電感333，第五電晶體331的一端A31電性連接第三切換開關530，第六電晶體332的一端A32串聯第五電晶體331的另一端(未標示)，而第三電感333的一端A34電性連接第六電晶體332的前述端A32，且另一端A35電性連接電容單元340且供第二切換開關520選擇性電性連接。

更詳細的說，第一電晶體311的一端A11、第三電晶體321的一端A21彼此電性連接，第五電晶體331的一端A31電性連接第三切換開關530並受第三切換開關530選擇性與第三電晶體321的前述端A21電性連接，第二電晶體312的另一端A13、第四電晶體322的另一端A23及第六電晶體332的另一端A33彼此電性連接，且與太陽光電模組200串接。而第一電晶體311、第二電晶體312、第三電晶體321、第四電晶體322、第五電晶體331及第六電晶體332皆為金氧半場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)，但在其他實施例中，亦可以是閘極絕緣雙極性接面電晶體(Insulated gate bipolar transistor,IGBT)，不以此為限。

另外，可變換供電架構的太陽能發電系統100 可更包含一控制模組(未繪示)電性連接主電路模組300，其可以控制第一電晶體311、第二電晶體312、第三電晶體321、第四電晶體322、第五電晶體331及第六電晶體332的各別、或依序開關而改變電流的導電狀態。控制模組可以是數位號控制器(Digital signal controller,DSC)、微控制器(MCU)或數位訊號處理器(Digital signal processer,DSP)，不以此為限。

又，於本實施例中，可變換供電架構的太陽能發電系統100可更包含一穩壓電容700，其一端電性連接第一電晶體311且另一端電性連接第二電晶體312的前述端A13及太陽光電模組200，而可提供穩壓功能，但不以其存在為必要。而於另一實施例中，穩壓電容700的兩端可電性連接至一直流微電網，而將太陽光電模組200產生的直流電合併直流微電網供電。

如第2A圖所示，當第一切換開關510切換使第一電路單元310電性連接太陽光電模組200，第二切換開關520切換使第二電路單元320電性連接第三電路單元330，及第三切換開關530切換第三電路單元330電性連接蓄電池400的前述端410時，可變換供電架構的太陽能發電系統100可工作於如第2B圖所示之第一種供電架構。

如第2B圖所示，第一電路單元310形成一最大功率追蹤電路C1，而可被控制模組操控於一最大功率追蹤模式，追蹤太陽光電模組200的最大功率；第二電路單元320及第三電路單元330則合成一可升降壓充電控制電路C2，而被控制模組操控於一可升降壓充電控制模式用以提供蓄電池400充放電。

是以，此時太陽光電模組200透過主電路模組300對蓄電池400充電，而可特別適合於日照不足或黃昏時執行蓄電功能。而當穩壓電容700更電性連接於直流微電網時，亦可以選擇直接合併直流微電網供電。

請參閱第3A圖及第3B圖，第3A圖繪示第1圖之可變換供電架構的太陽能發電系統100的另一電路連接示意圖，第3B圖繪示第3A圖之可變換供電架構的太陽能發電系統100的等效電路示意圖。如第3A圖所示，當第一切換開關510切換使第一電路單元310電性連接太陽光電模組200，第二切換開關520切換使第二電路單元320電性連接電容單元340，及第三切換開關530切換第三電路單元330電性連接第三電晶體321的前述端A21時，可變換供電架構的太陽能發電系統100可工作於如第3B圖所示之第二種供電架構。

如第3B圖所示，第一電路單元310形成一最大功率追蹤電路C1，而可被控制模組操控於最大功率追蹤模式，追蹤太陽光電模組200的最大功率；第二電路單元320及第三電路單元330則合成一單相變頻電路C3，而被控制模組操控於一單相變頻模式用以將直流電轉為單相交流電。在此要特別說明的是，於第3B圖中，為求簡化圖式，電容單元340以一個電容表示，其組成實際上相當於第3A圖中的電容單元340。

是以，此時太陽光電模組200產生的直流電可先經過單相變頻變為交流電後，再與交流電網600合併供電，而可特別適合於日照充裕且電池充飽的狀態下進行供電功能。

請參閱第4A圖及第4B圖，其中第4A圖繪示第1圖之可變換供電架構的太陽能發電系統100的再一電路連接示意圖，第4B圖繪示第4A圖之可變換供電架構的太陽能發電系統100的等效電路示意圖。如第4A圖所示，當第一切換開關510切換使第一電路單元310電性連接蓄電池400的前述端410，第二切換開關520切換使第二電路單元320電性連接電容單元340，及第三切換開關530切換第三電路單元330電性連接第三電晶體321的前述端A21時，可變換供電架構的太陽能發電系統100可工作於如第4B圖所示之第三種供電架構。

如第4B圖所示，第一電路單元310形成一充放電控制電路C4，而可被控制模組操控於升壓模式或降壓模式，將蓄電池400的電予以升壓後供電或將交流電整流後電壓降低對蓄電池400充電；第二電路單元320及第三電路單元330則合成一單相變頻電路C3，而被控制模組操控於單相變頻模式將充放電控制電路C4升壓後的直流電轉為單相交流電或將交流電網600之交流電整流成直流電。在此要特別說明的是，於第4B圖中，為求簡化圖式，電容單元340以一個電容表示，其組成實際上相當於第3A圖中的電容單元340。

是以，此時可使蓄電池400先經過充放電控制電路C4進行升壓，然後再經單相變頻電路C3換成交流電後，與交流電網600合併供電，亦可經由充放電控制電路C4之降壓模式由交流電網600對蓄電池400充電。

上述各種供電架構的變換可透過人為切換、定時切換、或藉由日照量之偵測進行自動切等方式達成，然不以此為限。

由上述的實施方式可知，本發明具有下列優點。

一、透過上述開關模組的切換及主電路模組的配置，可使可變換供電架構的太陽能發電系統於需要不同之供電模式時進行架構之切換，而具有應用多元的優點。

二、透過開關模組的切換可以讓第一電路單元、第二電路單元、第三電路單元及電容單元有不同的電性連接方式，因此相同的電子元件可用於不同的電路，而使得電路配置更加簡單。

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。

Claims

一種可變換供電架構的太陽能發電系統，電性連接一交流電網，該可變換供電架構的太陽能發電系統包含：一太陽光電模組；一主電路模組，電性連接該太陽光電模組，且該主電路模組包含一第一電路單元、一第二電路單元、一第三電路單元及一電容單元，且該電容單元電性連接該交流電網；一蓄電池，一端電性連接該主電路模組；以及一開關模組，電性連接該主電路模組以改變該第一電路單元、該第二電路單元、該第三電路單元或該電容單元之間的電性連接狀態，該開關模組包含：一第一切換開關，一端電性連接該第一電路單元，該第一切換開關另一端選擇性連接該太陽光電模組或該蓄電池的另一端；一第二切換開關，一端電性連接該第二電路單元，該第二切換開關另一端選擇性的電性連接該電容單元或該第三電路單元；及一第三切換開關，一端電性連接該第三電路單元，該第三切換開關另一端選擇性的電性連接該第二電路單元或該蓄電池的該另一端；其中該第一切換開關、該第二切換開關或該第三切換開關依需求選擇作動使供電架構變換。
如申請專利範圍第1項所述之可變換供電架構的太陽能發電系統，其中該第一電路單元包含：一第一電晶體；一第二電晶體，一端串聯該第一電晶體；以及一第一電感，一端電性連接該第二電晶體的該端，該第一電感的另一端電性連接該第一切換開關。
如申請專利範圍第2項所述之可變換供電架構的太陽能發電系統，其中該第二電路單元包含：一第三電晶體；一第四電晶體，一端串聯該第三電晶體；以及一第二電感，一端電性連接該第四電晶體的該端，該第二電感的另一端電性連接該第二切換開關。
如申請專利範圍第3項所述之可變換供電架構的太陽能發電系統，其中該第三電路單元包含：一第五電晶體，一端電性連接該第三切換開關；一第六電晶體，一端串聯該第五電晶體的另一端；以及一第三電感，一端電性連接該第六電晶體的該端，該第三電感的另一端電性連接該電容單元且供該第二切換開關選擇性電性連接。
如申請專利範圍第4項所述之可變換供電架構的太陽能發電系統，其中該主電路模組更包含一穩壓電容，該穩壓電容一端電性連接該第一電晶體，且另一端電性連接該第二電晶體及該太陽光電模組。
如申請專利範圍第5項所述之可變換供電架構的太陽能發電系統，其中該穩壓電容電性連接至一直流微電網。
一種可變換供電架構的太陽能發電系統，包含：一太陽光電模組；一主電路模組，電性連接該太陽光電模組，且該主電路模組包含一第一電路單元；一控制模組，電性連接該主電路模組且選擇性的使該第一電路單元操作於一最大功率追蹤模式或一充放電控制模式；一蓄電池，一端電性連接該主電路模組；以及一開關模組，電性連接該主電路模組，且該開關模組包含：一第一切換開關，一端電性連接該第一電路單元，該第一切換開關另一端選擇性連接該太陽光電模組或該蓄電池的該另一端；其中該第一切換開關切換該第一電路單元電性連接該太陽光電模組時，該控制模組使該第一電路單元操作於該最大功率追蹤模式；該第一切換開關切換該第一電路單元電性連接該蓄電池時，該控制模組使該第一電路單元操作於該充放電控制模式。
如申請專利範圍第7項所述之可變換供電架構的太陽能發電系統，其中該開關模組更包含一第二切換開關及一第三切換開關，該主電路模組更包含：一第二電路單元，電性連接該第二切換開關之一端及該第一電路單元；一第三電路單元，透過該第三切換開關選擇性的電性連接該第二電路單元；以及一電容單元，一端連接該第三電路單元，該電容單元另一端受該第二切換開關選擇性電性連接；其中該第三切換開關切換使該第二電路單元電性連接第三電路單元，及該第二切換開關切換使該電容單元電性連接該第二電路單元時，該控制模組使該第二電路單元、該第三電路單元及該電容單元操作於一單相變頻模式。
如申請專利範圍第8項所述之可變換供電架構的太陽能發電系統，其中該第三切換開關一端電性連接該第三電路單元，且另一端選擇性的電性連接該第二電路單元或該蓄電池。
如申請專利範圍第9項所述之可變換供電架構的太陽能發電系統，其中該第一電路單元包含一第一電晶體串聯一第二電晶體，該第二電路單元包含一第三電晶體串聯一第四電晶體，該第三電路單元包含一第五電晶體串聯一第六電晶體，且該第一電晶體及該第三電晶體彼此電性連接，該第二電晶體、該第四電晶體及該第六電晶體彼此電性連接，而該第三電晶體及該第五電晶體受該第三切換開關選擇性電性連接。