TWI455331B - 光電儲能裝置及其控制方法 - Google Patents

Description

光電儲能裝置及其控制方法

本發明是有關於一種再生能源技術，特別是一種結合太陽能板、波形產生器與電荷泵之高效率光電儲能裝置及其控制方法。

近年來，由於科技的進步，電子產品已經成為人們日常生活中的一部份。例如，家用醫療產品、電視遙控器、無線鍵盤、無線滑鼠、手機、隨身聽、個人數位助理及其它可攜式電子產品等。但是上述的產品圴是以電池作為電源，不但價格高昂，且會對環境造成污染。

當然，市面上也已經有能夠利用太陽能等再生能源的光電儲能系統，但是習知技藝之光電儲能系統為了要達到最大的輸出功率，必須同時檢測其內部之電壓與電流，故其內部之電部複雜且需要消耗較高的功率，導致習知技藝之光電儲能裝置之效率一直無法提升。正因為如此，習知技藝之光電儲能裝置，無法應用於能量密度較小的室內光電能應用。因此，如何開發出一種高效率的光電儲能裝置，不但能夠調制光電儲能裝置之電路之輸出阻抗，使其能夠達到最大輸出功率，並且也能應用於能量密度較小的室內光電能應用，即為本發明所欲解決之問題。

有鑑於上述習知技藝之問題，本發明之目的就是在提供一種光電儲能裝置及其控制方法，能夠調制光電儲能裝置之電路之輸出阻抗，使其能夠達到最大輸出功率，並且也能應用於能量密度較小的室內光電能應用。

根據本發明之目的，提出一種光電儲能裝置，其包含：光能轉換模組，係將光能轉換成電能；波形產生器，係接收光能轉換模組之輸入電壓，並產生脈波；以及電荷泵，係接收光能轉換模組之輸入電壓及脈波，並提升輸入電壓，再將能量儲存於外部之超級電容。

根據本發明之目的，再提出一種光電儲能控制方法，係包含下列步驟：藉由光能轉換模組將光能轉換成電能；利用波形產生器接收光能轉換模組之輸入電壓，並產生脈波，並以脈波驅動電荷泵；以及由電荷泵接收光能轉換模組之輸入電壓及脈波，並提升輸入電壓，再將能量儲存於外部之超級電容。

其中，波形產生器更包含調制模組，調制模組調整脈波之週期，使光能轉換模組之等效輸出阻抗等於光能轉換模組之最大效率輸出阻抗，使得光能轉換模組能達到最大輸出功率。

其中，調制模組包含至少一光敏電阻（Photo Sensitive Resistor），此至少一光敏電阻根據照射在光能轉換模組上之光線之光照度，改變其電阻值，以調整脈波之週期。

其中，該脈波係為週期性鋸齒波。

其中，光能轉換模組為太陽能板。

承上所述，依本發明之光電儲能裝置及其控制方法，其可具有一或多個下述優點：

(1) 此光電儲能裝置及其控制方法可以根據照射在光能轉換模組上之光線之光照度，改變光敏電阻之電阻值，以調整脈波之週期，使光能轉換模組之輸出阻抗滿足最優化曲線，使光能轉換模組達到最大輸出功率，以提高電路的效率。

(2) 此光電儲能裝置及其控制方法本身消耗電能在30μW以下因此可以使用於能量密度較小的領域，例如，室內光電能的應用。

(3) 此光電儲能裝置及其控制方法利用週期性鋸齒驅動電荷泵，因此可簡化光電儲能裝置之電路，使產品製作成本降低。

(4) 此光電儲能裝置及其控制方法可以替代電源及充電器，因此可以使用在大部份的電子產品上，不但環保，且價格也較低廉。

以下將參照相關圖式，說明依本發明之光電儲能裝置及其控制方法之實施例，為使便於理解，下述實施例中之相同元件係以相同之符號標示來說明。

請參閱第1圖，係為本發明之光電儲能裝置之方塊圖。如圖所示，本發明之光電儲能裝置1包含光能轉換模組11、波形產生器12及電荷泵13。光能轉換模組11將光源10提供之光能轉換為電能111，並輸入至波形產生器12及電荷泵13內。波形產生器12藉由電能111，並經由調制模組121及內部其它電路而產生脈波122，此脈波122為三角波。脈波122用來驅動電荷泵13，控制電荷泵13內之功率開關作動。而電荷泵13接收脈波122，以執行一充電程序131，充電程序131為提升輸入電壓並將能量儲存於其外部電容中。因此，電荷泵13同時能夠有倍壓與儲存能量等效果。

值得一提的是，脈波122可為任何形式，例如方波等，但是本發明之光電儲能裝置1係採用週期性鋸齒波作為輸入電荷泵13之脈波122。採用週期性鋸齒波的好處在於，可以大幅的簡化波形產生器12的電路結構。也就是說，在實際生產光電儲能裝置1時，可以使用較少的電子元件，因此可以減少光電儲能裝置1的生產成本，以提升產品的競爭力。

另外，由於採用週期性鋸齒波作為輸入電荷泵13之脈波122，可以減少波形產生器12電路的複雜度，並能夠減少能源的損耗，因此可以提升光電儲能裝置1的效率，並能夠以較低的電壓來驅動波形產生器12，使其可以應用在能量密度較小的領域，例如，室內光電能的應用。

此外，波形產生器12內之調制模組121包含至少一光敏電阻，此光敏電阻可以根據照射在光能轉換模組　11上之光線之光照度，改變其電阻值，以調制脈波122之週期，使光能轉換模組11能達到最大輸出功率，以提升光電儲能裝置1的效率。光能轉換模組11可為太陽能板，其係由光電材料所構成。一般而言，光電材料通常分為單晶光伏組件（Monocrystaline PV Module）及非晶光伏組件（Amorphous PV Module）等。

其中，太陽能板之電壓與電流輸出特性會隨著周圍環境與負載而產生變動。也就是說，太陽能板在每一個不同的溫度與光照度之操作環境下，均有著特定的工作曲線和最大功率操作點（Maximum Power Point，MPP）。為了要滿足此最大功率操作點，本發明採用了調制模組121來調整脈波122的週期。此調制模組121內包含至少一光敏電阻（Photo Sensitive Resistor），能夠隨著光照度的不同而改變其電阻值，進而改變波形產生器12輸出之脈波122的週期，使太陽能板的等效輸出阻抗滿足一最優化曲線，進而達到最大輸出功率，並有效地提升光電儲能裝置1的效率。

請參閱第2圖，係為本發明之光電儲能裝置之第一實施例之電路圖。如圖所示，光電儲能裝置2包含光能轉換模組20、週期性鋸齒波產生器21及電荷泵22。光能轉換模組20係作為電源，其包含有太陽能板SP1及SP2。週期性鋸齒波產生器21係輸出三角波，以控制電荷泵22之功率開關作動，其包含調制模組211、比較器Cmp、電阻R2、R3、電容C1及N型金氧半場效電晶體T1等。其中，調制模組211包含有電阻Rc、R1及光敏電阻Rph，可用於調制週期性鋸齒波產生器21輸出之鋸齒波之週期。電荷泵22係用於儲能及倍壓，其包含有二極體D1、D2、電容C2、C3、P型金氧半場效電晶體T2及N型金氧半場效電晶體T3等。

當太陽能板SP1接受到光照時，會將光能轉換為電能，並施加輸入電壓Vin於週期性鋸齒波產生器21，而隨著輸入電壓的提升，比較器Cmp之非反相輸入端V1的電壓也會提升，並同時對電容C1充電。而當V1大於參考電壓Vref時，比較器Cmp則輸出一正飽和電壓，此時V2為正，電晶體T1導通，使V2瞬間降為0，電壓V1下降至低於Vref，電容C1放電。此時，電晶體T1則會再度關閉，輸入電壓Vin會再次使V1的電壓提升，重覆上述的操作即可產生週期性鋸齒波。

請一併參閱第3圖，係為本發明之光電儲能裝置之第一實施例之脈波波形圖。如同上述，週期性鋸齒波產生器21可產生如第3圖所示之週期性鋸齒波，其中週期性鋸齒波之方程式如下：

V(t)=Vin*(t/τ)，τ=(R1/Rph)*C1 　　　(1)

其中，Vref為比較器Cmp之反相輸入端之參考電壓，週期性鋸齒波週期T=Ta+Tb，Ta>>Tb，Tb為比較器的延遲時間，Ton為週期性鋸齒波之高準位週期，Toff為週期性鋸齒波之低準位週期。

電荷泵22則有儲能及倍壓的功用，當輸入之週期性鋸齒波位於高準位週期Ton時，週期性鋸齒波之電壓大於電晶體T3之門檻電壓Vth，電晶體T3導通，二極體D1導通，此時電容C2兩端的電位差則為Vin（Vin-0）。同樣的，當輸入之週期性鋸齒波位於低準位週期Ton時，電晶體T2導通，二極體D2導通，由於電容本身的特性，電容C2會維持兩端電位差的恆定。因此，此時電容C2兩端的電位差為仍然為Vin（2Vin-Vin），故在超級電容C3端的電壓可達到2Vin，因此可以達到倍壓的效果。

值得一提的是，本發明在光電儲能裝置2中加入電荷泵22，不但能夠提升儲存於超級電容C3的電能，更能夠透過調節週期性鋸齒波的週期，來使太陽能板SP2達到最大輸出功率，因此效率優於習知技藝。另外，由於週期性鋸齒波產生器21電路複雜度較低，因此可以使用較少的電子元件來生產，除了成本較低外，也能夠以較低的電壓來驅動，因此非常適合使用於室外光能儲存等應用。

如同前述，太陽能板SP1及SP2在每一個不同的溫度與光照度之操作環境下，均有著特定的工作曲線和最大功率操作點。為了要滿足此最大功率操作點，本發明利用調制模組21中之光敏電阻Rph，來調制週期性鋸齒波之週期T，使太陽能板SP2之等效輸出阻抗與最佳效率之輸出阻抗一致。輸入電壓Vin在一週期內對電荷泵22的平均充電電流I_avg 約為：

I_avg =Vin*(C2/T)　　　　　 (2)

因此，輸入電壓V_in 的輸出阻抗R_out 約為：

R_out =T/C2　　　　　　　　 (3)

三角波週期T可表示為：

T=(Vref/Vin)*R1/Rph)*C1 (4)

因此，當照射在太陽能板SP1及SP2上之光線之光照度改變時，調整光敏電阻Rph即可使太陽能板SP2一直操作於一最優化曲線中，以提升其光電能轉換效率，使其輸出功率為最大。當然，本發明之光能轉換模組20可包含一個或一個以上之太陽能板，端視實際的需求而定，本發明並不以此為限。

請參閱第4圖，係為本發明之光電儲能裝置之第一實施例之太陽能板之特性曲線圖。如圖所示，當光照度改變時，太陽能板的輸出阻抗需要滿足圖中之最優化曲線41，為了達到這個目的，則必須調整輸入到電荷泵之三角波之週期。而習知技藝之光電儲存裝置則需要同時量測輸出電流及電壓，並計算最大功率輸出點，以調制電路之輸出阻抗來達到最大輸出功率。這種方式不但使光電儲存裝置之電路過於複雜，並且會消耗極大的功率，因此無法應用於能量密度較低的領域。而本發明採用簡單的光敏電阻，利用光敏電阻能夠隨著光照度的改變而調整其電阻的特性，就能夠達到與習知技藝完全相同的效果，因此電路之效率能夠提高。

請一併參閱第5A及5B圖，其係為本發明之光電儲能裝置之一實施例之特性曲線圖。如第5A圖所示，太陽能板之輸出電壓及電流之乘積最大的操作點即為最大功率點。此時，太陽能板之輸出功率最大，因此其效率也最高，如第5B圖所示。

請參閱第6圖，係為本發明之光電儲能裝置之應用範圍示意圖。如圖所示，本發明之光電儲能裝置與各種換流器搭配即可以取代一般電子產品的直流充電器或交流充電器。例如，作為數位相機、手機及捕蚊拍等產品之充電器。當然，本發明之光電儲能裝置也可以直接作為電源。例如，作為血壓計或電動刮鬍刀等產品之電源。因此，本發明有很高的實用性。

請參閱第7圖，係為本發明之光電儲能裝置之第一實施例之流程圖。

在步驟S71中，利用兩個獨立的太陽能板將光能轉換為電能，並分別輸入電能至週期性鋸齒波產生器及電荷泵。

在步驟S72中，由週期性鋸齒波產生器接收太陽能板之輸入電壓以產生週期性鋸齒波，並驅動電流泵。

在步驟S73中，藉由電荷泵接收光能轉換模組之輸入電壓及週期性鋸齒波，並提升輸入電壓，再將能量儲存於超級電容。

在步驟S74中，藉由調制模組根據照射在太陽能上之光線之光照度，改變調制模組內之光敏電阻之電阻值，以調制週期性鋸齒波之週期，使太陽能板之輸出阻抗滿足一最優化曲線，進而達到最大輸出功率。

儘管前述在說明本發明之光電儲能裝置的過程中，亦已同時說明本發明之光電儲能控制方法的概念，但為求清楚起見，以下仍另繪示流程圖詳細說明。

請參閱第8圖，係為本發明之光電儲能控制方法之流程圖。

在步驟S81中，藉由一光能轉換模組將光能轉換成電能。

在步驟S82中，利用波形產生器接收光能轉換模組之輸入電壓，並產生脈波，並以脈波驅動電荷泵。

在步驟S83中，由電荷泵接收光能轉換模組之輸入電壓及脈波，並執行充電程序，提升輸入電壓，再將能量儲存於外部之電容。

在步驟S84中，利用波形產生器根據照射在光能轉換模組上之光線之光照度，調整脈波之週期，使光能轉換模組達到最大輸出功率。

本發明之光電儲能控制方法的詳細說明以及實施方式已於前面敘述本發明之光電儲能裝置時描述過，在此為了簡略說明便不再敘述。

綜上所述，本發明之光電儲能裝置，可以根據照射在太陽能板上之光線之光照度，改變光敏電阻之電阻值，使光能轉換模組達到最大輸出功率，因此有很高的效率。本發明之光電儲能裝置係採用週期性鋸齒波作為驅動電荷泵之脈波，因此可簡化光電儲能裝置之電路，使產品製作成本降低。本發明之光電儲能裝置能達到很高的效率，因此能夠使用在室內光電能等能量密度較小的領域。光電儲能裝置可以用於代替大部份電子產品之電源及充電器，因此有很高的實用性。因此，本發明確實能夠改善習知技藝之缺點。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1、2．．．光電儲能裝置

10．．．光源

11、20．．．光能轉換模組

111．．．電能

12．．．波形產生器

122．．．脈波

131．．．充電程序

21．．．三角波產生器

13、22．．．電荷泵

121、211．．．調制模組

41．．．最優化曲線

SP1、SP2．．．太陽能板

Cmp．．．比較器

T1~T3．．．電晶體

V1、V2、Vin、Vref、Vth．．．電壓

R1~R3、Rc．．．電阻

Rph．．．光敏電阻

C、C1~C3．．．電容

D1、D2．．．二極體

T、Ta、Tb、Ton、Toff．．．週期

S71~S74、S81~S84．．．步驟流程

第1圖係為本發明之光電儲能裝置之方塊圖。
第2圖係為本發明之光電儲能裝置之第一實施例之電路圖。
第3圖係為本發明之光電儲能裝置之第一實施例之脈波波形圖。
第4圖係為本發明之光電儲能裝置之第一實施例之太陽能板之特性曲線圖。
第5A及5B圖係為本發明之光電儲能裝置之第一實施例之太陽能板之特性曲線圖。
第6圖係為本發明之光電儲能裝置之應用範圍示意圖。
第7圖係為本發明之光電儲能裝置之第一實施例之流程圖。
第8圖係為本發明之光電儲能控制方法之流程圖。

2．．．光電儲能裝置

20．．．光能轉換模組

21．．．三角波產生器

22．．．電荷泵

211．．．調制模組

SP1、SP2．．．太陽能板

Cmp．．．比較器

T1~T3．．．電晶體

V1、V2、Vin、Vref．．．電壓

R1~R3、Rc．．．電阻

Rph．．．光敏電阻

C、C1~C3．．．電容

D1、D2．．．二極體

Claims (9)

1. 一種光電儲能裝置，其包含：一光能轉換模組，係將光能轉換成電能；一波形產生器，係接收該光能轉換模組之一輸入電壓，並產生一脈波；以及一電荷泵，係接收該光能轉換模組之該輸入電壓及該脈波，並提升該輸入電壓，再將能量儲存於外部之一超級電容；其中，該波形產生器更包含一調制模組，該調制模組調整該脈波之週期，使該光能轉換模組之等效輸出阻抗滿足一最優化曲線，藉此讓該光能轉換模組能達到最大輸出功率。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光電儲能裝置，其中該調制模組包含至少一光敏電阻(Photo Sensitive Resistor)，該至少一光敏電阻根據照射在該光能轉換模組上之光線之光照度改變其電阻值，該調制模組根據該電阻值調整該脈波之週期。
3. 如申請專利範圍第1項所述之光電儲能裝置，其中該脈波係為週期性鋸齒波。
4. 如申請專利範圍第1項所述之光電儲能裝置，其中該光能轉換模組為太陽能板。
5. 一種光電儲能控制方法，係包含下列步驟：藉由一光能轉換模組將光能轉換成電能； 利用一波形產生器接收該光能轉換模組之一輸入電壓，並產生一脈波；以及由一電荷泵接收該輸入電壓及該脈波，並提升該輸入電壓，再將能量儲存於外部之一超級電容。
6. 如申請專利範圍第5項所述之光電儲能控制方法，其中該波形產生器更包含一調制模組，該調制模組調整該脈波之週期，使該光能轉換模組之等效輸出阻抗滿足一最優化曲線，藉此讓該光能轉換模組能達到最大輸出功率。
7. 如申請專利範圍第6項所述之光電儲能控制方法，其中該調制模組包含至少一光敏電阻，該至少一光敏電阻根據照射在該光能轉換模組上之光線之光照度改變其電阻值，該調制模組根據該電阻值調整該脈波之週期。
8. 如申請專利範圍第5項所述之光電儲能控制方法，其中該脈波係為週期性鋸齒波。
9. 如申請專利範圍第5項所述之光電儲能控制方法，其中該光能轉換模組為太陽能板。