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TWI677182B - 最佳化輸入輸出功率控制太陽能電源裝置及設備 - Google Patents

最佳化輸入輸出功率控制太陽能電源裝置及設備 Download PDF

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Kuo Chun-Lin
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Abstract

一種最佳化輸入輸出功率控制太陽能電源設備，包含分別適用於電連接複數太陽能板且彼此並聯的複數最佳化輸入輸出功率控制太陽能電源裝置，每一太陽能電源裝置包括一開關電路、一電壓轉換電路、一輸出介面，及一控制單元。該開關電路具有一接收對應的太陽能板的一輸入電壓及一輸入電流的輸入端，及一輸出端。該電壓轉換電路接收該輸入電壓及該輸入電流並輸出為一輸出電壓及一輸出電流。該控制單元運算一輸入功率及一輸出功率，並分別根據該輸入功率的值、該輸出功率的值調整該輸入端與該輸出端的導通時間及不導通時間，以取得最佳化的該輸入功率及該輸出功率。藉此，可以達到整體發電效率最佳化。

Description

最佳化輸入輸出功率控制太陽能電源裝置及設備
本發明是有關於一種綠能電源裝置及設備，特別是指一種最佳化輸入輸出功率控制太陽能電源裝置及設備。
由於石油能源的有限性，近年來，綠能發電科技發展快速，其中，太陽能發電以乾淨無污染、易於取得等因素，成為主要發展技術之一。
參閱圖1與圖2，習知一種太陽能發電設備，包括複數太陽能板11及一電源裝置12。該電源裝置12具有一電壓轉換電路121，並藉由將該等太陽能板11串聯以得到較高的輸出電壓，然而，若串聯路徑中有老化故障的太陽能板11(如右下破損的太陽能板111)時，會導致電路斷路而無法正常運作，或是如圖1所示有部分的太陽能板11被樹影112、鳥糞等污染物113遮蔽而導致發電效率較低(輸出較低的發電電流)時，則會導致整體電流被發電效率較低的太陽能板11拉低而造成整體發電效率不佳。
為了解決上述問題，該電源裝置12發展出如圖3所示的 並聯方式，然而，同樣地，當有老化故障的太陽能板11，或是有部分的太陽能板11被陰影遮蔽而導致發電效率較低(輸出較低的發電電壓)時，會導致整體輸出的電壓被拉低而造成整體發電效率不佳。
參閱圖1及圖4，為了解決發電效率較低的太陽能板11拖累整體發電效率的問題，該電源裝置12發展出如圖4所示的方式，先將每一太陽能板11串聯一二極體122後再進行並聯，如此，藉由二極體122本身特性，會將發電效率較低(電壓較低)的太陽能板11自動斷開，以避免發電效率較低的太陽能板11拉低整體電壓，然而，當大部分的太陽能板11皆處於被陰影遮蔽或是僅有少數太陽能板11發電電壓較高時，會導致較高比例的太陽能板11皆是處於被斷開而沒有提供電能的情況，如此，反而會因過多太陽能板11空置而使整體發電效率過低。
因此，本發明的目的，即在提供一種能提升發電效率的最佳化輸入輸出功率控制太陽能電源裝置。
於是，本發明最佳化輸入輸出功率控制太陽能電源裝置，適用於電連接一用於提供一輸入電壓及一輸入電流的太陽能板，並包含一開關電路、一電壓轉換電路、一輸出介面，及一控制單元。
該開關電路適用於接收該輸入電壓及該輸入電流並輸出，包括一電連接該太陽能板並適用於接收該輸入電壓及該輸入電流的輸入端，及一輸出端。
該電壓轉換電路由該開關電路的輸出端接收該輸入電壓及該輸入電流並進行轉換電壓後輸出為一輸出電壓及一輸出電流。
該輸出介面電連接該電壓轉換電路並接收該輸出電壓及該輸出電流。
該控制單元偵測該輸入電壓、該輸入電流、該輸出電壓及該輸出電流，運算一相關於該輸入電壓與該輸入電流的乘積的輸入功率及一相關於該輸出電壓與該輸出電流的乘積的輸出功率，並根據該輸入功率的值調整該輸入端與該輸出端的導通時間，根據該輸出功率的值調整該輸入端與該輸出端的不導通時間，以取得最佳化的該輸入功率及該輸出功率。
本發明之功效在於：藉由該控制單元根據該輸入功率的值調整該輸入端與該輸出端的導通時間，根據該輸出功率的值調整該輸入端與該輸出端的不導通時間，可以取得最佳化的該輸入功率及該輸出功率，以達到整體發電效率最佳化。
20‧‧‧自調式太陽能電源裝置
2‧‧‧開關電路
21‧‧‧輸入端
22‧‧‧輸出端
3‧‧‧電壓轉換電路
31‧‧‧二極體
54‧‧‧過電流保護電路
6‧‧‧控制單元
61‧‧‧控制電路
62‧‧‧輸出電流偵測電路
63‧‧‧輸出電壓偵測電路
8‧‧‧太陽能板
32‧‧‧電感
33‧‧‧電容
4‧‧‧輸出介面
5‧‧‧保護單元
51‧‧‧輸入電容
52‧‧‧輸出電容
53‧‧‧避雷保護電路
9‧‧‧負載
Vi‧‧‧輸入電壓
Vo‧‧‧輸出電壓
Ii‧‧‧輸入電流
Io‧‧‧輸出電流
Wi‧‧‧輸入功率
Wo‧‧‧輸出功率
本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式 中清楚地呈現，其中：圖1是習知一種太陽能發電設備的複數太陽能板的示意圖；圖2是習知該太陽能發電設備的電路示意圖；圖3是習知另一種太陽能發電設備的電路示意圖；圖4是習知第三種太陽能發電設備的電路示意圖；圖5是本發明最佳化輸入輸出功率控制太陽能電源設備的一實施例的一應用示意圖；圖6是該實施例的一最佳化輸入輸出功率控制太陽能電源裝置于應用時的一電路示意圖；及圖7是該實施例的該最佳化輸入輸出功率控制太陽能電源裝置的一控制信號、一輸入電壓、一輸入電流、一輸入功率、一輸出電壓、一輸出電流，及一輸出功率的波形示意圖。
參閱圖5、圖6及圖7，本發明最佳化輸入輸出功率控制太陽能電源設備的一實施例，適用於電連接複數太陽能板8，每一太陽能板8用於提供一輸入電壓Vi及一輸入電流Ii，該最佳化輸入輸出功率控制太陽能電源設備包含複數最佳化輸入輸出功率控制太陽能電源裝置20。
該等最佳化輸入輸出功率控制太陽能電源裝置20彼此並 聯，且分別適用於電連接該等太陽能板8，每一最佳化輸入輸出功率控制太陽能電源裝置20包括一開關電路2、一電壓轉換電路3、一輸出介面4、一保護單元5，及一控制單元6。
其中，值得一提的是，由於該最佳化輸入輸出功率控制太陽能電源裝置20與該太陽能板8為一對一電連接，因此在實際出售使用時，也能僅有單一個最佳化輸入輸出功率控制太陽能電源裝置20與單一個太陽能板8的組合情況，能供使用者單組採購或是多組採購後再進行組裝。
該開關電路2適用於接收該輸入電壓Vi及該輸入電流Ii並輸出，具有一電連接該太陽能板8並適用於接收該輸入電壓Vi及該輸入電流Ii的輸入端21，及一輸出端22，該開關電路2受一控制信號控制以使該輸入端21與該輸出端22間於導通及不導通間切換。
該電壓轉換電路3由該開關電路2的輸出端22接收該輸入電壓Vi及該輸入電流Ii並進行轉換電壓後輸出為一輸出電壓Vo及一輸出電流Io。其中，該電壓轉換電路3能為一降壓電路，並具有一二極體31、一電感32及一電容33，但其實施方式及所具有的電路元件皆能依實際需求而改變，不以此為限。
該輸出介面4電連接於該電壓轉換電路3並接收該輸出電壓Vo及該輸出電流Io。
該保護單元5具有一並聯於該太陽能板8的輸入電容51、一並聯於該輸出介面4的輸出電容52、一並聯於該太陽能板8的避雷保護電路53，及一電連接於該電壓轉換電路3與該輸出介面4間並用於偵測該輸出電流Io的過電流保護電路54。
該控制單元6具有一輸出該控制信號的控制電路61、電連接該輸出介面4的一輸出電流偵測電路62及一輸出電壓偵測電路63。
該控制電路61偵測該輸入電壓Vi、該輸入電流Ii、該輸出電壓Vo及該輸出電流Io，運算一相關於該輸入電壓Vi與該輸入電流Ii的乘積的輸入功率Wi及一相關於該輸出電壓Vo與該輸出電流Io的乘積的輸出功率Wo，並根據該輸入功率Wi的值調整該輸入端21與該輸出端22的導通時間，根據該輸出功率Wo的值調整該輸入端21與該輸出端22的不導通時間，以取得最佳化的該輸入功率Wi及該輸出功率Wo。
該控制電路61於該輸入端21與該輸出端22的導通期間，運算該輸入功率Wi，並於該輸入功率Wi的值的變化趨勢由增加轉為減少時，控制該輸入端21與該輸出端22間切換為不導通。
該控制電路61每隔一單位時間以下列公式運算該輸入功率Wi，其中，t為取樣時間，T為單位時間：
Figure TWI677182B_D0001
 該控制電路61於該輸入端21與該輸出端22的不導通期間，運算該輸出功率Wo，並於該輸出功率Wo的值的變化趨勢由增加轉為減少時，控制該輸入端21與該輸出端22間切換為導通。
該控制電路61每隔一單位時間以下列公式運算該輸出功率Wo：
Figure TWI677182B_D0002
 其中，於本實施例中，於該開關電路2的導通期間及不導通期間，該控制電路61皆是間隔相同的單位時間進行運算，但也能是間隔不同的單位時間進行運算，並不限於此。
該控制電路61于該避雷保護電路53偵測到高於一突波值的突波時，控制該開關電路2的該輸入端21與該輸出端22間不導通。
該控制電路61於該過電流保護電路54偵測到該輸出電流Io高於一過電流值時，控制該開關電路2的該輸入端21與該輸出端22間不導通。
該輸出電流偵測電路62及該輸出電壓偵測電路63分別用於偵測該輸出電流Io及該輸出電壓Vo並輸出偵測結果至該控制電路61。
于實際應用時，每一太陽能板8是搭配一最佳化輸入輸出功率控制太陽能電源裝置20，每個最佳化輸入輸出功率控制太陽能 電源裝置20彼此間並聯並電連接至一負載9。
當該控制信號切換到高電平時，該開關電路2導通，此時由於該電感32的影響，該輸入電流Ii會開始持續上升，而該輸入電壓Vi則是緩慢下降，使該輸入功率Wi呈現持續上升的波形，當到了某個臨界點時，該輸入電壓Vi會下降到使該輸入功率Wi的變化趨勢由增加轉為減少，此時，該控制單元6控制該開關電路2切換為不導通。
接著，於不導通期間，該輸出電壓Vo會持續上升，該輸出電流Io則是緩慢減少，使該輸出功率Wo呈現持續上升的波形，同樣到了某個臨界點時，該輸出電流Io會下降到使該輸出功率Wo的變化趨勢由增加轉為減少，此時，該控制單元6控制該開關電路2切換為導通。
藉此，可以使該輸入功率Wi及該輸出功率Wo的輸出提升到最大值，因此可以得到最佳化的該輸入功率Wi及該輸出功率Wo。
其中，於圖7中，該輸入功率Wi的總面積大小與陽光、該輸入電壓Vi，及該輸入電流Ii的大小為正相關，該輸出功率Wo的總面積大小與該輸出電壓Vo，及該輸出電流Io的大小(與負載的變化相關)為正相關。
當該最佳化輸入輸出功率控制太陽能電源裝置20所電連 接的該負載9被移除而為空載狀態時，由於此時該最佳化輸入輸出功率控制太陽能電源裝置20仍維持在並聯狀態，因此，能輸出較高輸出電壓Vo的最佳化輸入輸出功率控制太陽能電源裝置20即會對輸出較低輸出電壓Vo的最佳化輸入輸出功率控制太陽能電源裝置20回灌電流而造成內部電源無謂地損耗，為避免這樣的現象，能藉由該控制電路61進行控制，說明如下：由於本實施例中每一最佳化輸入輸出功率控制太陽能電源裝置20的電壓轉換電路3為降壓電路，因此，當空載時，該輸出電壓Vo會被拉高至趨近於該輸入電壓Vi，而在連接上負載9後，則會被負載9拉低至所需的工作電壓，因此，能預先設定一較接近該輸入電壓Vi的高預定值，及一較接近該工作電壓的低預定值，於該輸出電壓Vo大於該高預定值時，該控制電路61即判定目前沒有負載9，控制該開關電路2的該輸入端21與該輸出端22間不導通以停止輸出該太陽能板8的電源，以避免內部損耗，而於該輸出電壓Vo小於該低預定值時，該控制電路61即判定目前已連接負載9，所以控制該開關電路2的該輸入端21與該輸出端22間重新導通以重新輸出該太陽能板8的電源。
經由以上的說明，能將本實施例的優點歸納如下：
一、藉由該控制單元6根據該輸入功率Wi的值調整該輸入端21與該輸出端22的導通時間，根據該輸出功率Wo的值調整該 輸入端21與該輸出端22的不導通時間，可以取得最佳化的該輸入功率Wi及該輸出功率Wo，以達到整體發電效率最佳化。
再者，由於該最佳化輸入輸出功率控制太陽能電源裝置20與該太陽能板8為一對一電連接，相較于習知技術中是以一電源裝置電連接複數太陽能板，習知的電源裝置的電路設計較複雜，且功率負荷較大，本案則能使用較精簡及較低功率負荷的電路設計，且藉由一對一的模塊化設計，能單組出售而兼顧對太陽能使用需求較少的消費者族群，且在組裝維修更換時皆具有較大的便利性。
二、藉由該控制單元6於該輸入功率Wi的值的變化趨勢由增加轉為減少時，控制該輸入端21與該輸出端22間切換為不導通，及於該輸出功率Wo的值的變化趨勢由增加轉為減少時，控制該輸入端21與該輸出端22間切換為導通，可以使該輸入功率Wi及該輸出功率Wo的輸出提升到最大值，達到整體發電效率最佳化。
三、藉由於每一最佳化輸入輸出功率控制太陽能電源裝置20中設置該輸出電壓偵測電路63，並搭配該控制電路61於該輸出電壓Vo大於該高預定值時，控制該開關電路2的該輸入端21與該輸出端22間不導通，並於該輸出電壓Vo小於該低預定值時，控制該開關電路2的該輸入端21與該輸出端22間重新導通，可以避免該等最佳化輸入輸出功率控制太陽能電源裝置20在沒有連接到負載9時彼此回灌電流而造成內部電源無謂損耗，還可以在連接到負載9 後自動回復正常運作，因此，具有減少電源損耗與使用便利的功效。
四、藉由於每一最佳化輸入輸出功率控制太陽能電源裝置20中設置該避雷保護電路53、該過電流保護電路54，可以保護該太陽能板8、該最佳化輸入輸出功率控制太陽能電源裝置20避免受到雷擊突波及過電流損壞，增加產品的使用壽命。
五、藉由於每一最佳化輸入輸出功率控制太陽能電源裝置20中設置該輸入電容51、該輸出電容52，可以減少該輸入電壓Vi、該輸出電壓Vo的漣波情況，達到較佳的穩壓效果。
綜上所述，所以確實能達成本發明的目的。
惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。

Claims (9)

  1. 一種最佳化輸入輸出功率控制太陽能電源裝置，適用於電連接一用於提供一輸入電壓及一輸入電流的太陽能板，並包含一電壓轉換電路及一輸出介面； 其特徵在於： 該最佳化輸入輸出功率控制太陽能電源裝置還包含一開關電路及一控制單元； 該開關電路適用於接收該輸入電壓及該輸入電流並輸出，包括一電連接該太陽能板並適用於接收該輸入電壓及該輸入電流的輸入端，及一輸出端； 該電壓轉換電路由該開關電路的輸出端接收該輸入電壓及該輸入電流並進行轉換電壓後輸出為一輸出電壓及一輸出電流； 該輸出介面電連接該電壓轉換電路並接收該輸出電壓及該輸出電流； 該控制單元偵測該輸入電壓、該輸入電流、該輸出電壓及該輸出電流，運算一相關於該輸入電壓與該輸入電流的乘積的輸入功率及一相關於該輸出電壓與該輸出電流的乘積的輸出功率，並根據該輸入功率的值調整該輸入端與該輸出端的導通時間，根據該輸出功率的值調整該輸入端與該輸出端的不導通時間，以取得最佳化的該輸入功率及該輸出功率。
  2. 如請求項1所述的最佳化輸入輸出功率控制太陽能電源裝置，其中，該控制單元於該輸入端與該輸出端的導通期間，運算該輸入功率，並於該輸入功率的值的變化趨勢由增加轉為減少時，控制該輸入端與該輸出端間切換為不導通。
  3. 如請求項2所述的最佳化輸入輸出功率控制太陽能電源裝置，其中，該控制單元每隔一單位時間以下列公式運算該輸入功率： 其中，Wi為該輸入功率、Vi為該輸入電壓、Ii為該輸入電流、t為取樣時間，T為單位時間。
  4. 如請求項1所述的最佳化輸入輸出功率控制太陽能電源裝置，其中，該控制單元於該輸入端與該輸出端的不導通期間，運算該輸出功率，並於該輸出功率的值的變化趨勢由增加轉為減少時，控制該輸入端與該輸出端間切換為導通。
  5. 如請求項4所述的最佳化輸入輸出功率控制太陽能電源裝置，其中，該控制單元每隔一單位時間以下列公式運算該輸出功率： 其中，Wo為該輸出功率、Vo為該輸出電壓、Io為該輸出電流、t為取樣時間，T為單位時間。
  6. 如請求項1所述的最佳化輸入輸出功率控制太陽能電源裝置，其中，該控制單元包括一控制電路、電連接該輸出介面的一輸出電流偵測電路及一輸出電壓偵測電路，該輸出電流偵測電路及該輸出電壓偵測電路分別用於偵測該輸出電流及該輸出電壓並輸出偵測結果至該控制電路。
  7. 如請求項6所述的最佳化輸入輸出功率控制太陽能電源裝置，其中，該控制電路於該輸出電壓大於一高預定值時，控制該開關電路的該輸入端與該輸出端間不導通，並於該輸出電壓小於一低預定值時，控制該開關電路的該輸入端與該輸出端間重新導通。
  8. 如請求項7所述的最佳化輸入輸出功率控制太陽能電源裝置，其中，還包含一並聯於該太陽能板的避雷保護電路，該控制單元于該避雷保護電路偵測到高於一突波值的突波時，控制該開關電路的該輸入端與該輸出端間不導通。
  9. 一種最佳化輸入輸出功率控制太陽能電源設備，適用於電連接複數太陽能板，每一太陽能板用於提供一輸入電壓及一輸入電流； 其特徵在於： 該最佳化輸入輸出功率控制太陽能電源設備包含複數最佳化輸入輸出功率控制太陽能電源裝置； 該等最佳化輸入輸出功率控制太陽能電源裝置彼此並聯，且分別適用於電連接該等太陽能板，每一最佳化輸入輸出功率控制太陽能電源裝置包括一開關電路、一電壓轉換電路、一輸出介面，及一控制單元； 該開關電路適用於接收該輸入電壓及該輸入電流並輸出，具有一電連接該太陽能板並適用於接收該輸入電壓及該輸入電流的輸入端，及一輸出端， 該電壓轉換電路由該開關電路的輸出端接收該輸入電壓及該輸入電流並進行轉換電壓後輸出為一輸出電壓及一輸出電流， 該輸出介面電連接該電壓轉換電路並接收該輸出電壓及該輸出電流， 該控制單元偵測該輸入電壓、該輸入電流、該輸出電壓及該輸出電流，運算一相關於該輸入電壓與該輸入電流的乘積的輸入功率及一相關於該輸出電壓與該輸出電流的乘積的輸出功率，並根據該輸入功率的值調整該輸入端與該輸出端的導通時間，根據該輸出功率的值調整該輸入端與該輸出端的不導通時間，以取得最佳化的該輸入功率及該輸出功率。
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