太陽能電源系統的製作方法

2023-04-23 16:31:46 1

專利名稱：太陽能電源系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電源系統，特別涉及一種可儲存由太陽能所轉換出能源的太陽能
電源系統。
背景技術：
能源的快速消耗，已使得能源短缺的問題逐漸受到重視，且人們為了得到所需的能源，使得能源不斷的被過度開發，且能源在產生過程中所排放出的廢氣，也已對地球的生態產生一定影響。故近年來，隨著環保意識的抬頭，綠色能源的發展已逐漸受到重視及採納。而在綠色能源中，太陽能是屬於其中一種的再生能源，也是最受矚目且被廣泛發展與應用的技術。 而以現有的太陽能技術的應用而言，主要是通過太陽能電池(solar cell)來接收外界的一光源(如太陽光)，並將此光源轉換成電能輸出供一負載使用，或者是將太陽能電池所轉換出電能先儲存於一二次電池，而當負載需使用電源時則從二次電池中所儲存的電能取得電源供應來源。 而目前供太陽能電池使用的二次電池主要是以蓄電池為主，蓄電池是利用化學產生變化來儲蓄電能，而要使用時便將電能釋放成化學物質的變化。另外蓄電池雖然可重複使用，但還是有其壽命的限制，因為在多次充放電或長時間不使用的情況下，蓄電池的容量會下降，且容易損壞，其原因在於蓄電池是利用化學能轉換為電能，化學物質要常保其活性，才不至於失效變質，當原來的化合物活性都作用完或將近用完時，便無法再進行新的化學反應，進而導致蓄電池老化而宣告壽終。 此外，一般的蓄電池並無法提供等量的容量來儲存電能，因而必須增加充放電的次數，進而導致蓄電池的使用壽命很快降低。若是利用多顆蓄電池來儲存電能，卻仍會導致有需要頻繁充電或更換蓄電電池的不便，並又造成充電電路的結構複雜、佔據空間過於龐大、成本昂貴等現象，故基於前述分析，目前太陽能電池在儲存電量時普遍存在著前述問題，而有待加以改善。

發明內容
本發明所要解決的技術問題，在於提供一種太陽能電源系統，其可提供一種體積小又具有高能量儲存密度，且可不受充放電限制、並以電位能形式儲存能量的能量儲存組件來儲存電能，以解決現有技術所遭遇的問題。 為了解決上述技術問題，根據本發明的一種方案，提供一種太陽能電源系統，包括一太陽能電池、一蓄電單元及一導通組件，其中太陽能電池是用來接收光能並轉換電能輸出；蓄電單元耦接於太陽能電池，並以電位能形式儲存太陽能電池輸出的電能，導通組件是耦接於太陽能電池與蓄電單元之間，並使得太陽能電池輸出的電能能傳輸至蓄電單元。
為了解決上述技術問題，根據本發明的另一種方案，提供一種太陽能電源系統，包括多個光電儲能單元，且每一個光電儲能單元包括一太陽能電池、一蓄電單元及一導通組件，其中太陽能電池是用來接收光能並轉換電能輸出；而蓄電單元耦接於太陽能電池，並以 電位能形式儲存能量儲存太陽能電池輸出的電能，導通組件是耦接於太陽能電池與蓄電單 元之間，並使得太陽能電池輸出的電能傳輸至蓄電單元，而這些蓄電單元彼此之間以並聯 方式相耦接。 在本發明的實施例中，其中蓄電單元具有至少一磁性電容，而磁性電容包括一第 一磁性電極、一第二磁性電極及一介電層，其中介電層是設置於第一磁性電極與第二磁性 電極之間，且介電層是用以儲存電能，以及第一磁性電極與第二磁性電極是分別具有多個 磁偶極以避免儲存於介電層中的電能漏電。 因此通過上述實施方式，本發明是以磁性電容來儲存太陽能電池所產生的電能， 並通過磁性電容本身的特性，使得太陽能電源系統可以不佔用太多空間即可儲存大容量的 電量，且同時可提供穩定電能供負載使用等優點。 以下結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述，但不作為對本發明的限定。


圖1為本發明實施例的一太陽能電源系統的功能方塊圖;
圖2為本發明另一實施例蓄電單元的示意圖；圖3為本發明實施例的一磁性電容的示意圖4為本發明另一實施例的一磁性電容的示意圖；以及圖5為將磁性電容與其它能量儲存媒介作比較的示意圖。
其中，附圖標記l太陽能電源系統io光電儲能單元ioi太陽能電池103導通組件105、105A蓄電單元
12電能轉換單元14切換開關16負載2磁性電容20介電層22第一磁性電極24第二磁性電極26、28磁偶極3磁性電容30介電層31、33磁偶極32第一磁性電極320第一隔離層322第一磁性層324第二磁性層34第二磁性電極340第二隔離層342第三磁性層344第四磁性層
35、36磁偶極
具體實施例方式
本發明提供一種太陽能電源系統，其通過一種具備壽命長(高充放電次數)、高能 量儲存密度、瞬間高功率輸出及快速充放電、且體積小的能量儲存組件來儲存太陽能，而此 能量儲存組件為磁性電容(magnetic capacitor)，此磁性電容是由上、下電極處形成的磁 場，來抑制漏電流，以達大幅提升能量儲存密度及具高功率輸出的效果，且由於磁性電容並 非以化學能的方式儲存電能，故具有不受充放電次數的限制。因為本發明中的磁性電容是 一種新穎的儲能組件，且較現有的電池、電容、超級電容具有許多優點，因此以下先就本案 整體系統做一詳細揭露，之後再對磁性電容單元作一介紹。 接下來請參閱圖l，其為本發明實施例的一太陽能電源系統的功能方塊圖。本實 施例所述的太陽能電源系統1主要是將光能轉換成電能加以儲存還可以提供負載16使用。 太陽能電源系統1大體包括有多個光電儲能單元10、一電能轉換單元12及一切換開關14。 其中光電儲能單元10是提供光能轉電能的轉換，且可將轉換之後的電能加以儲存。電能 轉換單元12耦接於光電儲能單元IO，其是將光電儲能單元10儲存的電能轉換成可以供負 載16使用的電能，例如視負載16的用電需求可能是交流電源或直流電源，因此電能轉換單 元12可以相對是直流/交流換流器如太陽光變頻器(Photovoltaic Inverter,簡稱PV inverter)或是直流/直流轉換器。切換開關14耦接於電能轉換單元12、負載16與一供 電來源(power su卯ly source)之間，主要用來切換電能轉換單元12或供電來源來與負載 16連接，而此供電來源可以是一交流電源(如市電)或是一直流電源(如電源轉換器輸出 提供的直流電源)，以使負載16可以從電能轉換單元12或是供電來源取得電源供應。
本實施例的光電儲能單元10是包括有一太陽能電池(solar cell) 101、一單向設 計的導通組件103及一蓄電單元105，其中導通組件103是耦接於太陽能電池101與蓄電單 元105之間，以使太陽能電池101將光能轉換成的電能輸出至蓄電單元105儲存，以避免蓄 電單元105儲存的電能逆流至太陽能電池101，而此導通組件103在此是以僅提供單向性 導通的二極體(diode)做舉例說明。蓄電單元105中則是由至少一個磁性電容組成，本實 施例是以一個磁性電容作舉例說明，但亦可以是如圖2所示由多個磁性電容通過串聯及並 聯或混合串並聯的網絡連接方式來構成一蓄電單元105A，故對於本領域技術人員而言蓄電 單元105中磁性電容的數量是可以視需求(如視太陽能電池的規格或是負載端的需求電源 量)而構成。 本實施例的光電儲能單元10是具有多個，而這些光電儲能單元10之間是通過並 聯方式連接。具體來說，本實施例是將各光電儲能單元10中的蓄電單元105通過並聯方式 相互耦接，以使各蓄電單元105所儲存的電量可以通過此種連接關係而達到相互平衡，亦 即儲存電量高的磁性電容可以向儲存電量低的磁性電容充電，最後使得各蓄電單元105所 儲存的電量呈現相等。故本實施例所提供多個的光電儲能單元io可以通過分散設置的方 式來接收各角度或各位置的日光照射，以使各光電儲能單元io可以儘可能充分接收日光 的光能而轉換成電能儲存，而讓各蓄電單元105通過前述平衡的功能來充分儲存各太陽能 電池101轉換輸出的電能，以使各蓄電單元105之間出現電量儲存的相等。
接下來進一步說明本實施例所述的磁性電容的構成，並請參閱圖3，其為本發明實
6施例的一磁性電容示意圖。如圖3所示磁性電容2 (magnetic capacitor)包括一介電層20、一第一磁性電極22及一第二磁性電極24，其中介電層20設置於第一磁性電極22與第二磁性電極24之間，以於在第一磁性電極22與第二磁性電極24處累積電荷以儲存電位能，且第一磁性電極22與第二磁性電極24由具有磁性導電材料所構成，並可由對第一磁性電極22與第二磁性電極24外加電場進行磁化，而使第一磁性電極22與第二磁性電極24內分別形成磁偶極(magnetic dipole) 26、28，如此可以在磁性電容2中構成一磁場而來對帶電粒子的移動造成影響，因此使得磁性電容2中的介電層20可以用來儲存電能及由磁偶極26、28形成的磁場來避免電能漏電。 前述第一磁性電極22與第二磁性電極24的材質可以為稀土元素，介電層20由氧化鈦(Ti03)、氧化鋇鈦(BaTi03)或一半導體層，例如氧化矽(silicon oxide)所構成，然而本發明並不限於此，第一磁性電極22、第二磁性電極24與介電層20均可視產品的需求而選用適當的其它材料。另外圖3中第一磁性電極22與第二磁性電極24中的箭頭用來表示磁偶極26、28，磁偶極26、28實際上由多個整齊排列的微小磁偶極所疊加成，然而對於本領域技術人員而言，本實施例對於磁偶極26、28的形成方向並無限定，如可以指向同一方向或不同方向。 根據前述說明，前述圖3所示的磁性電容2，其原理主要是利用第一磁性電極22與第二磁性電極24中整齊排列的磁偶極26、28來形成磁場，以使得介電層20中儲存的電荷朝同一 自旋方向轉動，而進行整齊且緊密的排列，因此在介電層20中即可以容納更多的電荷，進而增加磁性電容2的電能儲存密度。由於現有電容中，電容值C由電容的面積A、介電層的介質常數e。、及厚度d決定，如下公式(一)，因此模擬於現有電容，本實施例的磁性電容2相當於由磁場的作用來改變介電層的介電常數，故而造成電容值的大幅提升。 C = 」
.........公式(一) 在此要特別強調，本實施例的磁性電容2儲存的能量全部以電位能的方式進行儲存，相較於主要以化學能儲存的其它能量儲存媒介(例如傳統電池或超級電容)，本實施例所述的磁性電容2除了具有可匹配的能量儲存密度外，更因充分保有電容的特性，而具有壽命長(高充放電次數)、無記憶效應、可進行高功率輸出、快速充放電等特點，故可有效解決當前電池所遇到的各種問題。且由於現有儲能組件多半以化學能的方式進行儲存，因此都需要有一定的尺寸，否則往往會造成效率的大幅下降。相較於此，本實施例的磁性電容2以電位能的方式進行儲存，且因所使用的材料可適用於半導體製造工藝，故可由適當的半導體製造工藝來形成磁性電容2以及周邊電路連接，進而縮小磁性電容2的體積與重量，由於此製作方法可使用一般半導體製造工藝，其應為本領域技術人員所熟知，故在此不予贅述。 請參閱圖4，其為本發明另一實施例的一磁性電容的示意圖。磁性電容3包括一介電層30、一第一磁性電極32與一第二磁性電極34，其中介電層30設置於第一磁性電極32與第二磁性電極34之間。第一磁性電極32還包括有一第一隔離層320、一第一磁性層322及一第二磁性層324，第一隔離層320是設置於第一磁性層322與第二磁性層324之間。第二磁性電極34還包括一第二隔離層340、一第三磁性層342及一第四磁性層344，第二隔離層340是設置於第三磁性層342與第四磁性層344之間。第一隔離層320與第二隔離層 340均是由非磁性材料所構成。 圖4所示的磁性電容3的操作原理系與圖3所示的磁性電容2相同， 一樣是通過外 加電場於第一磁性層322、第二磁性層324、第三磁性層342與第四磁性層344，而使第一磁 性層322、第二磁性層324、第三磁性層342與第四磁性層344中分別形成磁偶極(magnetic dipole)31、33、35、36。因此磁性電容3在磁化過程中，可以由不同的外加電場，例如使第一 磁性層322與第二磁性層324中的磁偶極31、33分別具有不同的方向，以及使第三磁性層 342與第四磁性層344中的磁偶極35、36分別具有不同的方向，如此能進一步抑制磁性電 容3的漏電流。同樣本實施例對於磁偶極31、33、35、36的形成方向並無限定，如可以指向 同一方向或不同方向。 在此特別強調，前述的第一磁性電極32及第二磁性電極34的結構並不限於前述 的三層結構，而可以類似的方式，以多個磁性層與非磁性層不斷交錯堆棧，再由各磁性層內 磁偶極方向的調整來進一步抑制磁性電容3的漏電流，以達到幾乎無漏電流的效果。
再者為了更突顯本發明所述的磁性電容具有高能量儲存密度的技術特點，請 參閱圖5所示，其主要是將磁性電容與其它能量儲存媒介的作比較，從圖5中可以清 楚得知磁性電容相對於一般電容(Capacitors)、電化學超級電容(electrochemical superc即acitors)、電池(Batteries)、燃料電池(fuel cells)是具有較佳的能量儲存密 度，並由此磁性電容的技術特點，而得以讓蓄電單元105可以具有高功率輸出、快速充放 電、不具充放電次數限制、體積小、重量輕的技術效果。 再參閱圖l，太陽能電源系統1的動作方式系通過各光電儲能單元10中的太陽能 電池101來吸收白天的日光照射，並將光能轉換成電能輸出至對應的蓄電單元105進行電 能儲存。而當各蓄電單元105儲存電能已飽合時，則可通過控制切換開關14的切換方向， 例如於當夜間無日光時即可控制此切換開關14將電能轉換單元12輸出的電能提供給負載 16使用，因此負載16即可通過此架構來接收太陽能所轉換輸出的電能使用，以達到節約能 源的效果。而若各蓄電單元105的儲存電能經過一段時間輸出給負載16使用而耗盡時，則 可再通過切換開關14的控制，使負載16直接接收供電來源(例如市電)，而使得光能儲 能單元10於白天時可以再次接收日光照射，以進行光能轉電能的能量儲存的動作，所以由 重複上述動作的執行，即可達到光電儲能單元10不斷儲能，以提供負載16所需的不同於市 電的另一種電源。 此外需要說明的是，本實施例雖然提供有電能轉換單元12，但若負載16所需的電
源屬於直流電源，且若蓄電單元105所儲存的電能規格是符合負載16所需，則蓄電單元105
所輸出的電能可以不通過電能轉換單元12的處理而直接提供給負載16使用。 另，本實施例提供的光能轉換單元10的數量雖然是以多個作舉例說明，但亦可以
僅設計一個來提供負載所需的電能。 故通過上述說明，當可知悉本發明提供的太陽能電源系統1具有體積小的技術特 點，且可在有日光時進行充電以及無日光時進行放電的動作，以增加產品的功能性。另外， 由於蓄電單元105使用的組件可通過半導體製造工藝實現，故使得太陽能電源系統1得以 模塊化整合的方式來完成，故對於太陽能電源系統1在安裝及使用上將更具彈性及便利， 且可廣泛運用於各種需要使用電能場合中。
當然，本發明還可有其它多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟 悉本領域的技術人員當可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變 形都應屬於本發明所附的權利要求的保護範圍。
權利要求
一種太陽能電源系統，其特徵在於，包括一太陽能電池，用以接收光能並轉換電能輸出；一蓄電單元，耦接於該太陽能電池，並以電位能形式儲存該太陽能電池輸出的電能；以及一導通組件，耦接於該太陽能電池與該蓄電單元之間，使該太陽能電池輸出的電能傳輸至該蓄電單元。
2. 根據權利要求1所述的太陽能電源系統，其特徵在於，其中該蓄電單元包含有至少一磁性電容，且各該磁性電容以串聯或並聯或串並聯地耦接。
3. 根據權利要求2所述的太陽能電源系統，其特徵在於，其中該磁性電容包括一第一磁性電極；一第二磁性電極；以及一介電層，設置於該第一磁性電極與該第二磁性電極之間；其中該介電層用以儲存電能，以及該第一磁性電極與該第二磁性電極分別具有多個磁偶極以避免儲存於該介電層中的電能漏電。
4. 根據權利要求3所述的太陽能電源系統，其特徵在於，其中該第一磁性電極包括一第一磁性層；一第二磁性層；以及一第一隔離層，包含有非磁性材料，設置於該第一磁性層與該第二磁性層之間；以及其中該第二磁性電極包括一第三磁性層；一第四磁性層；以及一第二隔離層，包含有非磁性材料，設置於該第三磁性層與該第四磁性層之間。
5. 根據權利要求1所述的太陽能電源系統，其特徵在於，其中該導通組件為單向性導通組件。
6. 根據權利要求5所述的太陽能電源系統，其特徵在於，其中該導通組件為二極體。
7. 根據權利要求1所述的太陽能電源系統，其特徵在於，還進一步包括一電能轉換單元，耦接於該蓄電單元，用以對該蓄電單元所儲存的電能進行轉換以供一負載使用。
8. 根據權利要求7所述的太陽能電源系統，其特徵在於，其中該電能轉換單元為一直流/交流換流器。
9. 根據權利要求8所述的太陽能電源系統，其特徵在於，其中該直流/交流換流器為太陽光變頻器。
10. 根據權利要求7所述的太陽能電源系統，其特徵在於，其中該電能轉換單元為一直流/直流轉換器。
11. 根據權利要求7所述的太陽能電源系統，其特徵在於，還進一步包括一切換開關，用以切換一供電來源與該電能轉換單元的其中之一與該負載耦接。
12. —種太陽能電源系統，其特徵在於，包括多個光電儲能單元，且其中該光電儲能單元包括一太陽能電池，用以接收光能並轉換電能輸出；一蓄電單元，耦接於該太陽能電池，並以電位能形式儲存該太陽能電池輸出的電能；以及一導通組件，耦接於該太陽能電池與該蓄電單元之間，使該太陽能電池輸出的電能傳輸至該蓄電單元；其中該些蓄電單元之間以並聯方式相耦接。
13. 根據權利要求12所述的太陽能電源系統，其特徵在於，其中該蓄電單元包含有至少一磁性電容，且各該磁性電容以串聯或並聯或串並聯地耦接。
14. 根據權利要求13所述的太陽能電源系統，其特徵在於，其中該磁性電容包括一第一磁性電極；一第二磁性電極；以及一介電層，設置於該第一磁性電極與該第二磁性電極之間；其中該介電層用以儲存電能，以及該第一磁性電極與該第二磁性電極分別具有多個磁偶極以避免儲存於該介電層中的電能漏電。
15. 根據權利要求14所述的太陽能電源系統，其特徵在於，其中該第一磁性電極包括一第一磁性層；一第二磁性層；以及一第一隔離層，包含有非磁性材料，設置於該第一磁性層與該第二磁性層之間；以及其中該第二磁性電極包括一第三磁性層；一第四磁性層；以及一第二隔離層，包含有非磁性材料，設置於該第三磁性層與該第四磁性層之間。
全文摘要
一種太陽能電源系統包括有一太陽能電池、一蓄電單元及一導通組件。太陽能電池用以將光能轉換成電能並通過單向設計的導通組件輸出給蓄電單元儲存；而蓄電單元是具有至少一磁性電容且用以儲存該太陽能電池輸出的電能。為此太陽能電源系統可以不佔用太多空間即可儲存大容量的電量。
文檔編號H02J15/00GK101728844SQ20081017111
公開日2010年6月9日 申請日期2008年10月15日 優先權日2008年10月15日
發明者許躍騰 申請人:光寶科技股份有限公司