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TWI385905B - 太陽能電池模擬裝置 - Google Patents

太陽能電池模擬裝置 Download PDF

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TWI385905B
TWI385905B TW97116992A TW97116992A TWI385905B TW I385905 B TWI385905 B TW I385905B TW 97116992 A TW97116992 A TW 97116992A TW 97116992 A TW97116992 A TW 97116992A TW I385905 B TWI385905 B TW I385905B
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voltage
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solar cell
current
power converter
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TW97116992A
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hong chan Chang
Cheng Chuan Chen
Li Chien Huang
Yu Hsing Lin
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Univ Nat Taiwan Science Tech
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/56—Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers

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  • Control Of Electrical Variables (AREA)

Description

太陽能電池模擬裝置
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太陽能電池的模擬器。
對於能源需求量在與日俱增的情況下，使用所謂的再生能源(Renewable energy)的成為現今的能源發展上面一個非常重要的課題。這些再生能源是指理論上可以取之不盡的天然能源，例如太陽能、風能、稅利能、潮汐能或是生質能等。其中，關於太陽能的利用更是近幾年來關於能源開發的研究上，相當重要且受歡迎的一環。
由於太陽能電池的電壓電流(V-I)特性曲線與一般常見的市售電源供應器並不相同。以下請參照圖1，圖1繪示太陽能電池的等效電路圖。而這個太陽能電池的等效電路的特性方程式則如下式(1)所示：
其中的I0 代表二極體D的逆向飽和電流，ISC 為光轉換電流量，RS 代表接觸電阻及引線的效應，RP 代表漏電電流的效應，以上的變數均取決於所使用的材料以及製作技術。而q則為單位電荷量=1.6*10-19 庫倫(c)，k為波茲曼常數=1.38*10-23 焦耳(J)/°K，T則為環境溫度(以絕對溫度°K為單位)，RL 為負載阻抗，V、I為太陽能電池的輸出電壓及輸出電流。
另外，根據歐姆定律得知，V=RL *I，再參照式(1)可清楚知道，當負載阻抗RL 發生改變時，輸出電壓V及輸出電流I也會同時隨之改變，其輸出電壓V與輸出電流I的關係圖則如圖2繪示的太陽能電池的輸出電壓V與輸出電流I關係圖所呈現的非線性關係。
因此，在進行太陽能電池的相關研究時，無法用一般的電源供應器來協助研究。但若是直接使用多種不同規格的太陽能電池來做研究，則會使得所需要的實驗設備較為複雜，而增加了研究的成本。
據此，本發明提供一種太陽能電池模擬裝置，以模擬太陽能電池的特性，提供太陽能電池裝置的開發平台。
本發明提出一種太陽能電池模擬裝置，包括計算器、電源轉換器以及訊號回授器。計算器接收照度參數以及溫度參數，並依據其所接收的照度參數以及溫度參數來建立太陽能電池模型。此外，計算器還接收回授電壓以及回授電流，並依據這個接收到的回授電壓以及回授電流對應上述所建的太陽能電池模型，來計算出太陽能電池模擬裝置的工作點。並且藉此產生轉換控制訊號。
此外，電源轉換器耦接至計算器，並接收一個基準電壓，依據轉換控制訊號轉換基準電壓來產生輸出電壓，並提供此輸出電壓至負載。訊號回授器的一端與電源轉換器與負載共同耦接，而其另一端則耦接至計算器。訊號回授器接收流至負載的輸出電流與輸出電壓，並藉以分別產生 上述的回授電壓及回授電流。
本發明因採用計算器來計算出太陽能電池模擬裝置所要模擬的太陽能電池模型。因此，可以不需要使用多組不同的太陽能電池，及其他如光源及散熱裝置等，開發相對應用的裝置，也可以針對不同的太陽能電池進行研究。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
以下將針對本發明的太陽能電池模擬裝置提出多個實施例來加以說明，並佐以圖示，以期本領域據通常知識者更能了解，並得據以實施。
請先參照圖3，圖3繪示本發明的太陽能電池模擬裝置的一實施例示意圖。太陽能電池模擬裝置300包括計算器310、電源轉換器320以及訊號回授器330。其中，電源轉換器320耦接計算器310，並與訊號回授器330相耦接。太陽能電池模擬裝置300耦接到負載340，並用來提供負載340電源。
在太陽能電池模擬裝置300的整體作動方面。為了增加太陽能電池模擬裝置300的反應速度，減低計算器310的計算複雜度，首先簡化上述先前技術中的說明的式(1)。將其中的造成漏電電流的電阻RP 視為無限大，並改寫式(1)如下所示的式(2)：
此外，假設負載340的等效阻抗為RL ，配合歐姆定律V=RL *I代入式(2)中，可以整理得到式(3)如下所示：
而計算器310接收照度參數LUMIN以及溫度參數TEMPIN。其中溫度參數TEMPIN對應到式(3)中的環境溫度T，而照度參數LUMIN則用來對應設定式(3)中的ISC 。另外，計算器310還接收由訊號回授器330所回傳的回授訊號，分別為由訊號回授器330中的電流回授電路332所回傳的回授電流IFB，以及為由訊號回授器330中的電壓回授電路331所回傳的回授電壓VFB。其中，式(3)中的RL 就是等同於回授電壓VFB除以回授電流IFB。
計算器310在獲得了上述的相關數據之後(其中的k、q都為常數)，再加上逆向飽和電流I0 的設定，便可以計算出式(3)中的I，也就是太陽能電池模擬裝置300所要模擬的太陽能電池所在的工作點輸出電流IOP 。特別說明的，逆向飽和電流I0 是依據所要模擬的太陽能電池來設定的，也就是說，不同的太陽能電池會有不同的逆向飽和電流I0 。
而計算器310所求出工作點輸出電流IOP ，也就是代表這個太陽能電池模擬裝置300所希望產生的輸出電流IO等於工作點輸出電流IOP 。對應到負載340的等效阻抗為RL ，太陽能電池模擬裝置300所希望產生的輸出電壓VO則應該為IOP *RL 。換言之，就是電源轉換器320應該產生出的輸出電壓VO等於IOP *RL 。
為了使電源轉換器320產生上述的輸出電壓VO，計算器310產生對應的轉換控制訊號CCS來控制電源轉換器320。電源轉換器320可以是直流轉直流電源轉換器或是交流轉直流電源轉換器，也因此，控制這個電源轉換器320的轉換控制訊號CCS是一個週期性的脈衝寬度調變(pulse width modulation,PWM)訊號。電源轉換器320則依據這個轉換控制訊號CCS再加上其所接收的基準電壓VDC，便可以轉換產生出所需要的輸出電壓VO。
以下將針對電源轉換器320以及訊號回授器330中的電壓回授電路331以及電流回授電路332以及計算器310分別提出實施方式來加以說明，使本領域具通常知識者更能了解太陽能電池模擬裝置300的實施方式。
請同時參照圖3以及圖4。其中的圖4繪示圖3之電源轉換器320的一實施方式。在本實施方式中，電源轉換器320為直流轉直流電源轉換器(DC to DC power converter)中的一種降壓型電源轉換器(buck power converter)。電源轉換器320由電感L1、電容C1、電晶體T1以及二極體D1耦接而成。其中的電晶體T1受控於轉換控制訊號CCS而禁/致能基準電壓VDC傳送至電感L1的路徑。當電晶體T1被致能而導通時，電感L1連接基準電壓VDC並開始儲能，電感L1並在電晶體T1被禁能時將所儲的電能轉換至電容C1中。
在此請特別注意，由於轉換控制訊號CCS為一個週期性的脈衝寬度調變訊號，也因此，其正脈衝寬度的大小恰 可以用來調整電晶體T1的導通時間。因此，在上述的實施例中，計算器310只要控制這個轉換控制訊號CCS，就可以有效達成使電源轉換器320產生所需要的輸出電壓VO的功能。
值得一提的是，上述的電源轉換器320的實施方式是一個產生低於基準電壓VDC的電壓之降壓型電源轉換器。若是太陽能電池模擬裝置300所要提供負載340的為一個高於基準電壓VDC的電壓時，電源轉換器320則必須改用升壓型電源轉換器(booster power converter)。
然而，不論是升壓型電源轉換器或是降壓型電源轉換器，都是用來產生直流電壓的電源轉換器。若是負載340為一個需要使用交流電源的電子裝置(如電視機或電風扇等家電產品)，則可在電源轉換器320之後再加上一級直流轉交流電源轉換器(DC to AC power converter)。
另外值得一提的是，電源轉換器320除了將直流電壓轉換為直流電壓的電源轉換器外，也可以是另一種的交流轉直流電源轉換器。
接著請同時參照圖3以及圖5，其中的圖5繪示圖3之電流回授電路332的一實施方式。電流回授電路332包括霍爾感測單元510以及放大器單元520。其中霍爾感測單元510偵測出負載340上的輸出電流IO。這種利用霍爾感測單元510來偵測電流的方式為本領域具通常知識都輕易知道的技術，在此處不詳述其原理。
另外，在本實施方式中，放大器單元520包括差動放 大器521、比例放大器522以及一個作為電壓限制功能的稽納二極體(zener diode)ZD1。差動放大器521主要是用來將霍爾感測單元510感測到輸出電流IO，轉換成電壓形式。而比例放大器522則是用來調整這個電壓訊號的振幅準位。稽納二極體ZD1則是用來限制電流回授電路332所輸出的回授電流IFB的最大電壓值。通常，比例放大器522將上述差動放大器521的輸出電壓的平均值調整為稽納二極體ZD1所限制的最大電壓值的一半。
值的一提的是，電流回授電路332還可以包括一個類比數位轉換(analog to digital converter,ADC)單元530，來使輸出的回授電流IFB轉換成數位的形式。如此一來，電流回授電路332便可以直接提供數位訊號給利用數位電路來建構的計算器310進行運算。
接著請同時參照圖3以及圖6，其中的圖6繪示圖3之電壓回授電路331的一實施方式。本實施方式的電壓回授電路331包括電壓隨耦單元610以及比例放大器620。此外，電壓回授電路331還包括了作為電壓限制功能的稽納二極體ZD2。其中的電壓隨耦單元610用來作為一個類比的電壓緩衝器(voltage buffer)，來加強輸出電壓VO的推動能力，而比例放大器620則耦接至電壓隨耦單元610，用以調整其所產生的回授電壓VFB的電壓值。而稽納二極體ZD2則限制住回授電壓VFB的最大電壓值。
通常而言，比例放大器620會將回授電壓VFB的電壓平均值，調整為稽納二極體ZD2所限制住的最大電壓值 的一半。
與電流回授電路332的實施方式相同的，電壓回授電路331還可以包括一個類比數位轉換單元630，來使輸出電壓VFB轉換成數位形式的輸出電壓。如此一來，電壓回授電路331便可以直接提供數位訊號給利用數位電路來建構的計算器310進行運算。
此外，計算器310為一個具有計算能力理器，例如常見的個人電腦(personal computer,PC)、微處理單元(micro co-processor unit,MCU)或是數位訊號處理單元(digital signal processing unit,DSP)都可以作為實施計算器310的實施方式。而在太陽能電池模擬裝置300的實施利中，即是使用數位訊號處理單元，並配合軟體程式執行計算器310的功能。
以下則針對太陽能電池模擬裝置300所採用的計算器310中的軟體程式的動作流程以一流程圖方式加強說明。來更仔細說明計算器310的實施方式。
請參照圖7，圖7繪示計算器310的軟體程式的動作流程圖。首先，對太陽能電池模擬裝置300設定好照度參數與溫度參數(步驟S710)，然後，讀入回授電壓與回授電流(步驟S720)。利用讀到的回授電壓VFB以及回授電流IFB計算出負載的等效電阻RL =VFB/IFB(步驟S730)。再藉由上述實施例的說明中的式(3)計算出工作點輸出電流IOP (步驟S740)，並進而計算出工作點輸出電壓VOP (步驟S750)。最後，再依據所要產出的工作點輸出電壓VOP 來產 生對應的轉換控制訊號CCS，並輸出至電源轉換器(步驟S760)。
綜上所述，本發明利用計算器算出所需要模擬的太陽能電池的電壓電流特性，並針對所驅動的負載，產生對應的工作點輸出電壓以及工作點輸出電流。來提供作為進行太陽能裝置的相關研究的作業平台。進而使得太陽能裝置研究可以更方便、更準確且更具低成本優勢。
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，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，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。
300‧‧‧太陽能電池模擬裝置
310‧‧‧計算器
320‧‧‧電源轉換器
330‧‧‧訊號回授器
331‧‧‧電壓回授電路
332‧‧‧電流回授電路
340‧‧‧負載
510‧‧‧霍爾感測單元
520‧‧‧放大器單元
521‧‧‧差動放大器
522‧‧‧比例放大器
530、630‧‧‧類比數位轉換單元
610‧‧‧電壓隨耦單元
620‧‧‧比例放大器
S710~S760‧‧‧步驟
RP 、RS ‧‧‧電阻
RL ‧‧‧負載阻抗
L1‧‧‧電感
D1、ZD1、ZD2‧‧‧二極體
T1‧‧‧電晶體
C1‧‧‧電容
CCS‧‧‧轉換控制訊號
VDC‧‧‧基準電壓
VO、V、VOP ‧‧‧輸出電壓
I、IO、IOP ‧‧‧輸出電流
TEMPIN‧‧‧溫度參數
LUMIN‧‧‧照度參數
IFB‧‧‧回授電流
VFB‧‧‧回授電壓
圖1繪示太陽能電池的等效電路圖。
圖2繪示的太陽能電池的輸出電壓V與輸出電流I關係圖。
圖3繪示本發明的太陽能電池模擬裝置的一實施例示意圖。
圖4繪示圖3之電源轉換器320的一實施方式。
圖5繪示圖3之電流回授電路332的一實施方式。
圖6繪示圖3之電壓回授電路331的一實施方式。
圖7繪示計算器310的軟體程式的動作流程圖。
300‧‧‧太陽能電池模擬裝置
310‧‧‧計算器
320‧‧‧電源轉換器
330‧‧‧訊號回授器
331‧‧‧電壓回授電路
332‧‧‧電流回授電路
340‧‧‧負載
CCS‧‧‧轉換控制訊號
VDC‧‧‧基準電壓
VO‧‧‧輸出電壓
IO‧‧‧輸出電流
TEMPIN‧‧‧溫度參數
LUMIN‧‧‧照度參數
IFB‧‧‧回授電流
VFB‧‧‧回授電壓

Claims (10)

  1. 一種太陽能電池模擬裝置，用以提供一負載電源，包括：一計算器，接收一照度參數以及一溫度參數，依據該照度參數以及該溫度參數建立一太陽能電池模型，此外，該計算器接收一回授電壓以及一回授電流，並依據該回授電壓以及該回授電流對應該太陽能電池模型計算出該太陽能電池模擬裝置的工作點，並藉此產生一轉換控制訊號；一電源轉換器，耦接至該計算器，並接收一基準電壓，依據該轉換控制訊號轉換該基準電壓來產生一輸出電壓至該負載；以及一訊號回授器，其一端與該電源轉換器與該負載共同耦接，其另一端耦接至該計算器，該訊號回授器接收流至該負載的一輸出電流與該輸出電壓，以分別產生該回授電壓及該回授電流。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池模擬裝置，其中該電源轉換器包括一直流轉直流電源轉換器或是一交流轉直流電源轉換器。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之太陽能電池模擬裝置，其中該電源轉換器為該直流轉直流電源轉換器時，該電源轉換器包括為降壓型電源轉換器或升壓型電源轉換器。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池模擬裝置，其中該轉換控制訊號為一週期性的脈衝寬度調變訊號。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池模擬裝置，其中該訊號回授器包括：一電流回授電路，用以接收該輸出電流，產生該回授電流；以及一電壓回授電路，用以接收該輸出電壓，並調整該輸出電壓以產生該回授電壓。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之太陽能電池模擬裝置，其中該電流回授電路包括：一霍爾感測單元，耦接至該負載，用以偵測該輸出電流；以及一放大器單元，耦接至該霍爾感測單元，用以轉換該輸出電流為一對應電壓訊號，並調整該對應電壓產生該回授電流。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之太陽能電池模擬裝置，其中該電流回授電路更包括：一第一類比數位轉換單元，用以轉換該回授電流為數位訊號。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之太陽能電池模擬裝置，其中該電壓回授電路包括：一電壓隨耦單元，耦接至該負載，用以加強該輸出電壓的推動能力；以及一比例放大器單元，耦接至該電壓隨耦單元，用以調整該輸出電壓的電壓值以產生該回授電壓。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之太陽能電池模擬裝 置，其中該電壓回授電路更包括：一第二類比數位轉換單元，用以轉換該回授電壓為數位訊號。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池模擬裝置，其中該計算器包括一數位訊號處理單元、一微處理單元或個人電腦。
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