TWI433441B - 太陽能供電裝置及供應電力至具有dc能力之ac器具的方法 - Google Patents

Description

太陽能供電裝置及供應電力至具有DC能力之AC器具的方法

本發明之至少一個實施例係導向太陽能供電系統及用於提供電力的方法及，更明確地說，導向太陽能照明應用。

在2006年，鄉村能源取用的全球數據顯示在地球上估計有24億人並未取得能源服務，且大約有16億人無法取用電力。此群眾的絕大多數係居住在鄉村區域，許多係在貧窮國家中，且在不久的未來公用仍不可能將電力網格擴展至他們。

針對分散的鄉村市場，改善的能源服務可能經由分散式清潔能源技術而到來，諸如，太陽能光伏模組及生物沼氣。在16億人中，許多無法取用電力網格的人(亦即，居住在「網格外」區域中)係居住在溫暖、陽光充足的地區。在此等地區中，太陽能光伏系統通常係提供電力至網格外區域之最有成本效益的方式。

習知的太陽能光伏系統使用電池儲存在白畫期間從太陽收集來的能源。此電池通常係供應直流電(DC)之12伏(V)電池。該等系統可能係直接連接至12V dc器具，或可能包含DC－AC變流器以容許連接至更多常見之AC(交流)、較高壓(例如，120V ac或230V ac)器具中之任一者。如熟悉本發明之人士所知，此變流器通常係H－ 橋變流器。

實施樣態及實施例會導向可能提供用於太陽能供電照明的低成本解決方案之系統及方法。該系統對鄉村區域中不能取得電力網格的家務管理及/或商業行為可能特別有用。根據一個實施例，系統可能直接連接至交流(AC)微型螢光燈，以提供有效的、不昂貴的照明，如以下其他細節所描述的。

如上文所描述的，有二種習知的太陽能光伏系統可能用於照明應用中。然而，此二種系統各者均須忍受顯著的缺點。第一種系統可能直接連接至12V dc螢光燈。然而，此等12V dc螢光燈並未以AC微型螢光燈的規模量產並因此沒有與其相同的成本效益。另一種習知系統使用耦合在該電池及AC裝置之間的變流器，即DC－AC變流器。然而，此等變流器增加系統的成本、複雜度、及損耗。至少有部分實施樣態及實施例會導向能使用低成本、量產之AC微型螢光燈的太陽能光伏系統，而無須增加來自變流器之非必要成本、複雜度、及效能損耗。

根據一實施例，一種設備可能包含一電池、至少一個光伏電池(其可能係包含多個光伏電池之太陽能模組的零件)、及至少一個具有DC能力之AC器具(諸如微型螢光燈)。該設備也可能包含第一DC對DC變流器，其從該至少一個光伏電池接收第一電信號並提供一充電信號至 該電池，以及第二DC對DC變流器，其從該電池接收第二電信號並提供DC電力信號至該具有DC能力之AC器具。

在一個範例中，該第一DC對DC變流器係降壓變流器，或者係一昇壓變流器。在另一範例中，該第一DC對DC變流器可能包含最大電力操作點追蹤電路。在另一範例中，該設備可能另外包含複數個耦合至該第二DC對DC變流器之固定架，該等複數個固定架各者耦合至複數個微型螢光燈或其他器具之一對應者。可能將微控制器耦合至該第一及第二DC對DC變流器，且該微控制器可能適於控制該第一及第二DC對DC變流器之組件。在一個範例中，可能提供包覆該微控制器、該第一DC對DC變流器及該第二DC對DC變流器，及選擇性地包覆該電池之外殼。

根據另一實施例，提供電力至具有DC能力之AC器具的方法可能包含從光伏單元汲取電力，以及供應DC信號至該具有DC能力之AC器具。在一個範例中，該方法可能另外包含將該電力儲存在電池中並從該電池汲取DC信號。

仍有其他實施樣態、實施例及此等模範實施樣態之優點將於下文中詳細討論。此外，須理解先前的資訊及以下的詳細描述等二者僅係不同的實施樣態及實施例之描繪範例，並視為係用於理解所主張之實施樣態及實施例的性質及特性之概觀或架構。包含該等隨附圖式以提供對不同實 施樣態及實施例之描繪及更多理解，且彼等合併於及組成此說明書的一部分。該等圖式連同該說明書的其餘部分，係作為解釋所描述之及所主張之實施樣態及實施例的原理及操作之用。

許多市售裝置，諸如，微型螢光燈(CFLs)、部分電視、收音機等，雖然典型地建構成接受交流(AC)電力，卻整流該輸入AC線路以產生直流(DC)電力。因此，此種裝置可能由DC信號直接供電，因而排除在習知系統中所使用的該變流器。此種裝置在此處稱為具有DC能力之AC器具。因此，至少將部分實施樣態及實施例導向至提供對具有DC能力之AC器具之直接取用的太陽能光伏系統，諸如CFLs，而無須增加來自習知系統中所使用之變流器的非必要成本、複雜度、及效能損耗。此外，如部分實施例之系統可能藉由控制該電池的充電以支援或最大化該電池的使用期限，如下文所述。

應理解本發明並未將其應用受建構細節及以下敘述中描述的或在該等圖式中描繪的組件配置所局限。本發明能在其他實施例中實作並以不同方式實現或完成。本文中所提供之特定實作範例僅供描繪之用而未意圖作為限制。特別係，並未意圖將與任一個或多個實施例連接討論之作用、元件、及特性從其他實施例的相似角色中排除。再者，本文中使用的措辭及術語係供敘述之用且不應視為係限制 。本文中使用之「包含」、「包括」、「具有」、「含括」、「含有」及其變化係用於包含其後所列的項目及其同等物及其他項目。

茲參考至圖1，其描繪一個如本發明實施樣態之範例系統的方塊圖。系統100包含太陽能模組102，也稱作光伏單元或太陽能面板。太陽能模組102包含一個或多個，典型具有許多個，將接受自日光的能源轉變為電信號之光伏電池。至少在部分應用中，太陽能模組102可能係100瓦特或以下之模組。一個可能使用的太陽能模組範例係由英國石油太陽能公司所售之65瓦特模組，零件編號為BP365U。該系統也可能包含第一子系統104、第二子系統106、及控制器108，彼等可能收納在外殼110中。第一及第二子系統104、106耦合至電池112。該電池可能如圖所示，係在外殼110的外側，或可能包含在外殼110中。在一個範例中，電池112可能係12V之鉛酸電池。第二子系統106也耦合至一個或多個固定架114，其將於下文中更詳盡地討論。每個固定架114均耦合至具有DC能力之AC器具116，諸如微型螢光燈(CFL)、小型的黑白或彩色電視機、收音機、或電腦。應理解雖然以下描述會集中在照明應用並可能主要參考至係微型螢光燈之該器具，本發明並未因此受限並可能與任何具有DC能力之AC器具共用。本文所討論之該系統可能使用在不同應用中，未限制在照明中，以從光伏模組提供電。

在白畫期間，系統100從太陽能模組102汲取電力以 在電池112中儲存盡可能多的電荷，而不過載該電池及減少該電池之使用期限。在一個實施例中，為達成該電池的充電，該第一子系統可能包含向太陽能模組102汲取電力之DC對DC變流器並使用該電力以充電電池112。在一範例中，第一子系統104可能包含非絕緣式降壓變流器。如熟悉本發明之人士所熟知的，降壓變流器係降低電壓之DC對DC變流器，其可能以開關式電源實現，該開關式電源包含由二交換器(通常為電晶體及二極體)所控制的電感器。在操作時，該降壓變流器於將該電感器連接至電源電壓(在此例中，係太陽能模組102)以在該電感器中儲存電力及將該電感器放電至負載(在此例中，係電池112)之間變換。降壓變流器可能係非常有效率(例如95%或以上的效率)的及簡單的變流器設計，且可能特別使用於在供應來自該太陽能模組之電壓至該電池前，待降低該電壓的此等應用中。

在另一範例中，第一子系統104可能包含非絕緣式昇壓變流器。如熟悉本發明之人士所熟知的，昇壓變流器係具有輸出電壓高於該電源電壓之DC對DC變流器。非絕緣式昇壓變流器係不包含電隔離(例如，由變壓器之機構提供)的變流器。因此第一子系統104可能在供應來自該太陽能模組102之電壓至該電池112前，預期提昇該電壓的應用中包含昇壓變流器。

根據一個實施例，第一子系統104可能合併最大電力操作點追蹤(MPPT)。如熟悉本發明之人士所熟知的， MPPT係高效率的DC對DC變流器，其功能係作為太陽能模組(在此例中，係太陽能模組102)之最佳電負載，以從該模組取出最大或接近最大的電力。光伏模組，諸如太陽能模組102，在任何日照及溫度條件下具有單一操作點，其中該電池的電流(I)及電壓(V)值會導致最大電力輸出。圖2描繪顯示針對不同日照條件之三條電流對電壓的範例曲線118a、118b、及118c。此三條電流對電壓之曲線分別對應於三條電力對電壓的曲線120a、120b及120c。如圖2所顯示的，電力對電壓之曲線各者分別具有單一最大點122a、122b及122c，其中該光伏電池有最大的電力輸出。最大電力點追蹤器使用控制電路或邏輯以找尋此點，並因此容許該DC對DC變流器電路取出太陽能模組102所能提供之最大電力。

再次參考至圖1，第二次組件106可能包含提高電壓之DC對DC變流器，其可能用於將來自電池112之電壓提昇至能供微型螢光燈116使用之電壓。此外，在部分操作時間中，第二子系統106可能直接從第一子系統104接收電力，並可能將已接收電壓提高至供應器具116所須之水平。例如，在日照充份期間，太陽能模組102可能產生多於充份供應器具116所須之能源，且額外能源可能儲存在該電池中。然而在夜間或低日照條件下，太陽能模組102可能無法產生能源或僅能產生少量能源並可能必須從電池112中汲取器具116所須之部分或全部電力。因此，第二子系統可能接收來自第一子系統104及/或電池112 之任一者或同時來自二者之信號，並可能將此信號轉換成適於器具116的水平。

根據一個實施例，第二子系統106可能包含絕緣式或非絕緣式之提高電壓變流器，取決於成本、效能及/或安全性考量。例如，若提高電壓的比率相對較小，例如，4或5倍的比率(例如，從24V電池至120Vdc)，則非絕緣式變流器通常可能較便宜並更有效率。然而，若所須之提高電壓的比率相對較大(例如，10或以上的比率)，則使用變壓器之絕緣式變流器可能具有更高的成本效益及效率。通常也可能將絕緣式變流器視為較非絕緣式變流器安全，因為絕緣式變流器在輸入及輸出電壓接點之間並不具有導通路徑。

茲參考至圖3，其描繪第二子系統106之一個範例。該第二子系統可能包含電感器124、電晶體126、二極體128及電容器130，以提供DC對DC昇壓變流。此外，根據一個實施例，第二子系統106結合控制器108可能實現對從第二子系統106所輸出之電流及/或電壓的監控，以偵測可能引起潛在問題(例如短路)或將不適當的器具連接至固定架114的狀況。如上文所述，若此等器具係DC器具或具有DC能力之AC器具之任一者，亦即，係適於接收DC電力信號之器具，則可能將許多不同類型的器具連接至固定架114。在部分指定為「AC」裝置之器具中，諸如微型螢光燈及部分電視機，彼等能接受AC輸出電力並可能習知地連接至AC電路，但彼等也如上文所述一般 的具有接受DC信號之能力(該等裝置術語為具有DC能力之AC器具)。然而，其他器具可能係不具有接受DC輸入電力能力之「真」AC裝置。此等裝置典型地可能包含若接受DC輸入電力，可能呈現短路行為之輸入變壓器。將此種真AC裝置誤連接至固定架114係可能的。由此種裝置導致之短路狀況所產生之電流突波可能係危險的，特別因為其可能引起火災的風險。此外，連接不適當裝置以外的其他狀況也可能導致能起火或引發其他安全性風險之電流突波。此種狀況可能包含，例如，將已受損裝置連接至固定架114或在固定架間的已受損接線。

為防止此種電力突波並因而減少隨附的安全性風險，該系統的實施例可能包含監控從第二子系統106供應至固定架114之電流及/或電壓的電路。如圖3所示，至少在一個實施例中，可能將控制器108耦合至第二系統106的輸出線路136以感應該線路136上的電壓(例如，在連接接點132處)及/或電流(例如，在連接接點134處)。若控制器108在線路136上偵測到能指示係短路或係將真AC負載連接至固定架114的電壓或電壓狀況，該控制器可能藉由將信號提供至線路138以分斷該電池，以將任何電力從線路136上移除。此提供了可能降低火災風險或對使用連接至固定架114的器具之個人的威脅之安全性特性。

根據其他實施例，控制器108也可能用於控制電力組件，諸如在第一子系統104及第二子系統106二者之中的 場效應電晶體(FETs)(例如，圖3中所顯示的電晶體126)。控制器108可能包含，例如，低成本的微處理器或其他控制電路。該控制器可能控制該第一子系統及並監控電池電荷，以容許將盡可能多的電荷儲存在電池112中，而不過載該電池並減少電池使用期限。為達成此功能，可能以該電池之充電設定檔的知識規畫該控制器並可能監控該電池之溫度以調整電壓及電流的設定點，以根據其充電設定檔對該電池充電。當使用器具116時，例如，在黃昏時使用係微型螢光燈之器具，該系統從該電池汲取電力以提供該器具。在此範例中，控制器108可能再度監控該電池並控制第二子系統106，以藉由限制放電深度而保護該電池。為達成此功能，控制器108可能監控該電池的電流及電壓，並可能以安培－小時為單位以該電池之預定預期輸出規畫該控制器。該控制器可能綜合該電池所超時供應的電流以計量消耗之安培－小時，並當消耗之安培－小時數接近該電池所能供應之最大預期安培－小時數時，可能降低電池電力或分斷該電池。以此方式，控制器108可能保護電池112免於完全放電，因而防止該電池受損。

在一個實施例中，固定架114可能合併可能適用於關閉DC負載之開關。在一個範例中，該等固定架也可能合併保護電路以防止在DC電流關閉時可能發生之電弧。也可能組態該等固定架以容許簡易的額外固定架「菊鍊」。

從而已然描述本發明的至少一個實施例之數個實施樣態，應理解不同變化、修改、及改善會輕易地由熟悉本發 明之人士想及。例如雖然本文將該第二子系統描述為包含昇壓變流器，在特定應用中(例如，若將低電壓裝置，諸如LED燈，連接至該等固定架)，該第二子系統可能轉而包含降壓變流器。意圖於將此種及他種變化、修改、及改善視為係本文之一部分並傾向於視為係在本發明的範圍中。因此，以上描述及圖式僅為範例且本發明之範圍應以下文之適當構造的申請專利範圍及其等效範圍所決定。

100‧‧‧系統

102‧‧‧太陽能模組

104‧‧‧第一子系統

106‧‧‧第二子系統

108‧‧‧控制器

110‧‧‧外殼

112‧‧‧電池

114‧‧‧固定架

116‧‧‧具有DC能力之AC器具

118a，118b，118c‧‧‧電流對電壓之曲線

120a，120b，120c‧‧‧電力對電壓之曲線

122a，122b，122c‧‧‧最大點

124‧‧‧電感器

126‧‧‧電晶體

128‧‧‧二極體

130‧‧‧電容器

132、134‧‧‧連接接點

136‧‧‧輸出線路

138‧‧‧線路

至少一個實施例之不同實施樣態的討論參考至該等隨附圖式。在該等圖式中，在不同圖式中相同的或接近相同的組件係以相似數字代表，且不傾向於以等比例繪製彼等。為了明確性，不是每張圖中的每個組件都有標號。該等圖式係供描繪及解釋之用，並不意圖用於界定本發明的範例。在該等圖式中：圖1係如本發明實施樣態的一個範例系統的方塊圖；圖2係模範太陽能模組之電流對電壓及電力對電壓的範例曲線之圖；圖3係圖1的該系統之一部分的更詳盡方塊圖，該系統合併根據本發明實施樣態之電流及電壓監控功能。

102‧‧‧太陽能模組

104‧‧‧第一子系統

106‧‧‧第二子系統

108‧‧‧控制器

110‧‧‧外殼

112‧‧‧電池

114‧‧‧固定架

116‧‧‧具有DC能力之AC器具

Claims (18)

1. 一種太陽能供電設備，包含：一電池；至少一個光伏電池；複數個固定架；對應之複數個具有DC能力之AC器具，各者耦合至該複數個固定架之一者；在該至少一個光伏電池和該電池之間連接的一第一DC對DC變流器，其從該至少一個光伏電池接收第一電信號並提供一充電信號至該電池；以及在該第一DC對DC變流器和該複數個固定架之間以及在該電池和該複數個固定架之間連接的一第二DC對DC變流器，其被配置用以接收來自該電池的第二電信號及來自該第一DC對DC變流器的第三電信號，並且經由該複數個固定架提供一DC電力信號至該複數個具有DC能力之AC器具，該DC電力信號來自於該第二電信號及該第三電信號之中至少一者，並且其具有的電壓位準足夠用於操作該複數個具有DC能力之AC器具。
2. 如申請專利範圍第1項之太陽能供電設備，其中該第一DC對DC變流器係降壓變流器。
3. 如申請專利範圍第1項之太陽能供電設備，其中該第一DC對DC變流器係昇壓變流器。
4. 如申請專利範圍第1項之太陽能供電設備，其中該第一DC對DC變流器包含最大電力點追蹤電路。
5. 如申請專利範圍第1項之太陽能供電設備，另外包含一太陽能模組，該模組包含複數個光伏電池，該複數個光伏電池包括該至少一個光伏電池。
6. 如申請專利範圍第1項之太陽能供電設備，其中該複數個具有DC能力之AC器具包含複數個微型螢光燈。
7. 如申請專利範圍第1項之太陽能供電設備，其中該複數個具有DC能力之AC器具包含黑白電視機、彩色電視機、收音機及電腦其中至少一者。
8. 如申請專利範圍第1項之太陽能供電設備，另外包含耦合至該第一DC對DC變流器及該第二DC對DC變流器之一微控制器，建構及配置該微控制器以控制該第一及第二DC對DC變流器之組件。
9. 如申請專利範圍第8項之太陽能供電設備，另外包含一外殼，且其中該微控制器、該第一DC對DC變流器及該第二DC對DC變流器係設置於該外殼之內。
10. 如申請專利範圍第9項之太陽能供電設備，其中該電池係設置在該外殼之內。
11. 一種用於提供電力至具有DC能力之AC器具的方法，該方法包含：從一光伏模組汲取電力提供第一DC電壓至第一DC對DC變流器，該第一DC對DC變流器被連接在該光伏模組和該電池之間；從該第一DC對DC變流器提供充電信號至該電池； 在第二DC對DC變流器處接收來自該電池的第二DC電壓，該第二DC對DC變流器被連接在該第一DC對DC變流器和固定架之間；在該第二DC對DC變流器處接收來自該第一DC對DC變流器的第三DC電壓；執行DC對DC轉換以提升該第二DC電壓和該第三DC電壓之中至少一者到足夠操作該具有DC能力之AC器具的位準，藉此提供DC電力信號；以及將該DC電力信號供應至該具有DC能力之AC器具，該具有DC能力之AC器具被耦合至該固定架。
12. 如申請專利範圍第11項之方法，其中從該光伏模組汲取電力包含使用一最大電力點追蹤器，以最佳化從該光伏模組汲取之電力。
13. 如申請專利範圍第11項之方法，另外包含監控供應至該具有DC能力之AC器具的該DC電力信號。
14. 如申請專利範圍第13項之方法，其中監控該DC電力信號包含偵測在該DC電力信號中的電流驟增，並在偵測到該電流驟增時，關閉該DC電力信號。
15. 如申請專利範圍第11項之方法，其中提供該充電信號至該電池包含防止該電池過度充電。
16. 如申請專利範圍第11項之方法，其中從該電池接收該第二DC電壓包含限制該電池的放電。
17. 如申請專利範圍第11項之方法，其中將該DC電力信號供應至該具有DC能力之AC器具包含供應該DC 電力信號至一微型螢光燈。
18. 如申請專利範圍第11項之方法，其中將該DC電力信號供應至該具有DC能力之AC器具包含供應該DC電力信號至黑白電視機、彩色電視機、電腦及收音機至少其中一者。