具有電容轉換功能的太陽能光電系統的製作方法
2023-12-10 11:28:27 1
專利名稱：具有電容轉換功能的太陽能光電系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種太陽能光電系統，尤指一種具有電容轉換功能的太陽能光電系統。
背景技術：
自從1970至1980年代發生了兩次石油危機，替代能源的尋求與研究即為各重要國家的主要政策之一。並且，由於近期工業化急速發展，造成石化能源短缺價格上升，且衍生出另一環境問題便是二氧化碳過度排放造成地球氣候異常且溫度上升。為了有效降低對石化能源的依賴，便有許多再生能源應運而生，如太陽能及風能等。
由於太陽能具有無汙染、無公害的特性，且又取之不盡用之不竭，因此，太陽能的應用具有相當發展的潛力。由於近年來太陽能電池的積極研究發展，已達到相當高的效率， 因此逐漸受到歐、美、日等各國的重視，並制訂政策鼓勵推展應用。
太陽能光電系統主要是通過太陽能板進行光電轉換而產生直流電源，再經電力調節器將直流電源轉換成交流電源以供負載使用或饋入市電的總線與市電同步並聯運轉。因此，就功能而言，可區分為以下三種類型(1)獨立型(Stand-alone system)、(2)市電並聯型(grid-connection system)以及( 混合型(hybrid system)。獨立型系統所指的是太陽能光電系統沒有與其他電源連結運轉，只能直接供給系統所接的負載，所以此系統較適合用於偏遠地區或海上孤島等沒有市電供應的地方。市電並聯型系統所指的是太陽能光電系統與電力公司網路並聯，只要市電電力可正常送達的任何地點均適用此類系統。若太陽能光電系統發電量大於負載需求，則可將多餘電力逆潮流饋入市電，反之，當太陽能光電系統發電量不足負載使用時，市電將可供應不足的部分。此外，為了因應電力品質不穩定的問題，而發展出混合型系統。太陽能光電系統在市電停止供電時，通過搭配蓄電池組使用，可立即與市電隔離，形成獨立運轉供電，以提供短暫電力。等到市電恢復供電時，太陽能光電系統則恢復與市電並聯，同時也對蓄電池組進行充電。
請參見圖1為公知太陽能光電系統的示意圖。以市電並聯型的太陽能光電系統為例說明，亦即，該太陽能光電系統與一交流市電60A並聯運轉。該太陽能光電系統包含一太陽能電池10A、一輸入濾波電容20A、一直流/直流轉換器30A、一直流/交流轉換器40A以及一濾波電路50A。通過該太陽能電池IOA將光能轉換為電能，以提供一直流輸出電壓Vpv 與一直流輸出電流Ipv。該輸入濾波電容20A電性連接該太陽能電池10A，以提供後端電路的能量轉換操作時，所需的儲能、釋能與濾波之用。其中，該輸入濾波電容20A通常為一電解電容(electrolytic capacitor) 0電解電容的鋁電極塗以鋁氧化物以作為介質材料，塗有氧化物的電極置放於導電的液狀電解質中。然而，電解電容的電解液卻是導致電解電容不利於長期使用的主要原因，通常電解電容平均使用年限為五年，因此，若使用在條件更嚴苛的環境，則電解電容使用壽命將更短少。
該直流/直流轉換器30A電性連接該輸入濾波電容20A。以該直流/直流轉換器 30A為一反激式轉換器(flykick converter)為例予以說明。該直流/直流轉換器30A包含一隔離變壓器(isolated transformer) 302A、一功率開關元件304A、一二極體306A以及一濾波電容308A。該直流/直流轉換器30A接收該輸入濾波電容20A所輸出的濾波電壓為該隔離變壓器302A的一次側輸入電壓Vpr，並流入該隔離變壓器302A的一次側輸入電流 Ipr0通過該功率開關元件304A的切換，將輸入的能量傳送至輸出端，並通過該隔離變壓器 302A的一、二次側線圈的匝數比，將濾波後該直流電源的電壓電位升高。
該直流/交流轉換器40A電性連接該直流/直流轉換器30A。該直流/交流轉換器40A可為一全橋式架構。該直流/交流轉換器40A包含四個功率開關元件，亦即分別為一第一功率開關元件402A、一第二功率開關元件404A、一第三功率開關元件406A以及一第四功率開關元件408A。並且，每一這些功率開關元件402A 408A皆含有一反向並聯二極體(未標示)，或稱為本體二極體(bodydiode)。此外，該直流/交流轉換器40A由兩組橋臂所構成，每組橋臂由上述兩個功率開關元件所組成，如圖1所示，該第一功率開關元件 402A與該第二功率開關元件404A以及該第三功率開關元件406A與該第四功率開關元件 408A分別形成一橋臂。該直流/交流轉換器40A可通過正弦脈衝寬度調製(Sinusoidal Pulse-ffidth-Modulation, SPWM)或方波切換(square-wave switching)方式，進而控制這些功率開關元件402A 408A的切換，將升壓後該直流電源轉換為振幅與頻率皆可調製的該正弦波交流電源。
該濾波電路50A電性連接該直流/交流轉換器40A，並且，該濾波電路50為一濾波電感502A與一濾波電容504A所組成，以對該直流/交流轉換器40A所產生的該交流電源的高頻諧波成份濾掉。
對於在整個太陽能光電系統能量轉換過程，轉換效率與使用壽命是為目前整個工業界所追求的目標。但，若因電解電容的電解液限制該太陽能光電系統的使用壽命，除了造成整體發電可靠度下降之外，更將導致整體太陽能光電系統的設備建構成本與發電成本提尚ο
因此，如何設計出一種具有電容轉換功能的太陽能光電系統，取代傳統的電解電容，以增加該太陽能光電系統的使用壽命，乃為本申請發明人所欲行克服並加以解決的一大課題。發明內容
為了解決上述問題，本發明提供一種具有電容轉換功能的太陽能光電系統。具有電容轉換功能的太陽能光電系統通過太陽能電池提供直流電源，並且轉換直流電源為交流電源，再與交流市電並聯運轉。太陽能光電系統更包含電容轉換裝置、直流/直流轉換器、 直流/交流轉換器以及濾波電路。
電容轉換裝置電性連接太陽能電池，且包含彼此電性連接的電感、第一功率開關元件、第二功率開關元件及電容，以對太陽能電池輸出的直流電源提供濾波與能量轉換。直流/直流轉換器電性連接電容轉換裝置，以將濾波後直流電源的電壓電位升高。直流/交流轉換器電性連接直流/直流轉換器，以將升壓後直流電源轉換為交流電源。濾波電路電性連接直流/交流轉換器，以對交流電源濾波。
藉此，通過電容轉換裝置取代傳統太陽能光電系統所使用的電解電容，以增加太陽能光電系統的使用壽命。
為了能更進一步了解本發明為達成預定目的所採取的技術、手段及功效，請參閱以下有關本發明的詳細說明與附圖，相信本發明的目的、特徵與特點，當可由此得一深入且具體的了解，然而所附附圖僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。
圖1為公知太陽能光電系統的示意圖2為本發明具有電容轉換功能的太陽能光電系統的一較佳實施
圖3為本發明的一電容轉換裝置的電路圖。
其中，附圖標記
IOA太陽能電池20A輸入濾波電容
30A直流/直流轉換器302A隔離變壓器
304A功率開關元件306A二極體
308A濾波電容40A直流/交流轉換器
402A第一功率開關元件404A第二功率開關元件
406A第三功率開關元件408A第四功率開關元件
50A濾波電路502A濾波電感
504A濾波電容60A交流市電
Vpv直流輸出電壓Ipv直流輸出電流
Vpr一次側輸入電壓Ipr一次側輸入電流
10太陽能電池20電容轉換裝置
202電感204第一功率開關元件
206第二功率開關元件208電容
30直流/直流轉換器302隔離變壓器
304功率開關元件306二極體
308濾波電容40直流/交流轉換器
402第三功率開關元件404第四功率開關元件
406第五功率開關元件408第六功率開關元件
50濾波電路502濾波電感
504濾波電容60交流市電
Vpv直流輸出電壓Ipv直流輸出電流
Vpr一次側輸入電壓Ipr一次側輸入電流
Ceq等效輸入電容Veq等效輸入電壓
Co等效輸出電容Vo等效輸出電壓具體實施方式
茲有關本發明的技術內容及詳細說明，配合
如下
請參見圖2為本發明具有電容轉換功能的太陽能光電系統的一較佳實施例的電路圖。該具有電容轉換功能的太陽能光電系統，通過一太陽能電池10提供一直流電源，並且轉換該直流電源為一交流電源，再與一交流市電60並聯運轉。其中，該直流電源包含一直流輸出電壓Vpv與一直流輸出電流Ipv。該太陽能光電系統更包含一電容轉換裝置20、 一直流/直流轉換器30、一直流/交流轉換器40以及一濾波電路50。
該電容轉換裝置20電性連接該太陽能電池10，以對該太陽能電池10所提供的該直流電源濾波。請參見圖3為本發明的該電容轉換裝置的電路圖。該電容轉換裝置20為一電力電子轉換裝置。假設該電容轉換裝置20為一無損失(lossless)的裝置，因此，由能量不滅原理可得知該電容轉換裝置20轉換前後的電容儲存能量相同，亦即，
Ceq X Veq2 = CoX Vo2 ；
其中，Ceq與Veq分別表示該電容轉換裝置20的等效輸入電容與等效輸入電壓； 該Co與Vo分別表示該電容轉換裝置20的等效輸出電容與等效輸出電壓。因此，該電容轉換裝置20的等效輸入電容Ceq = (Co X Vo2)/Veq2,因此，可將低電壓操作的大電容通過該電容轉換裝置20轉換為等效的高電壓小電容。如此一來，可將原本使用的低電壓操作大電容值的電解電容，替換為高電壓操作的小電容值的非電解電容。亦即，原先所需的低電壓大電容值所需儲存的能量通過電力電子轉換裝置的切換方式，轉換為高電壓小電容值的電容器。如此，通過該電容轉換裝置20很容易地轉換所需的電容材質，而不影響整體太陽能轉換器的性能。因此，在太陽能轉換器中即不再需要使用電解電容，而能以大大地提高壽命。
如前所述，配合參見圖2，該電容轉換裝置20為一電力電子轉換裝置，該電容轉換裝置20包含一電感202、一第一功率開關元件204、一第二功率開關元件206以及一電容 208。該電容轉換裝置20為一升壓式轉換器(boost converter)，以取代傳統所使用低電壓大電容值的電解電容。該電容轉換裝置20接收該太陽能電池10所輸出的該直流輸出電壓 Vpv與該直流輸出電流Ipv，利用該電容轉換裝置20的等效輸入電容特性，提供該直流/直流轉換器30能量轉換操作時，所需的儲能、釋能與濾波之用。
該直流/直流轉換器30電性連接該電容轉換裝置20，以將濾波後該直流電源的電壓電位升高。在本實施例中，該直流/直流轉換器30可為一反激式轉換器(flykick converter)。該直流/直流轉換器30包含一隔離變壓器(isolated transformer) 302、一功率開關元件304、一二極體306以及一濾波電容308。該直流/直流轉換器30接收該電容轉換裝置20的輸出電壓，作為該直流/直流轉換器30的該隔離變壓器302 —次側輸入電壓Vpr，並流入該隔離變壓器302的一次側輸入電流Ipr。當該功率開關元件304閉合時，能量儲存於該隔離變壓器302的激磁電感(未圖示)內，而當該功率開關元件304打開時，能量傳送至輸出端。並且，由於該太陽能電池10的輸出電壓較低，因此，通過該隔離變壓器302的一、二次側線圈匝數比，將濾波後該直流電源的電壓電位升高，而能降低因負載變動所造成的電壓變動的影響。此外，該直流/直流轉換器30提供最大功率追蹤(maximum power point tracking, MPPT)功能，通過偵測該太陽能電池10的該直流輸出電壓Vpv與該直流輸出電流Ipv，再根據最大功率點追蹤策略，找出該太陽能電池10的最佳工作點，進而確定所使用的脈衝寬度調製(pulse width m0dulati0n，PWM)信號的佔空比(duty cycle), 以輸出該脈衝寬度調製信號至一驅動電路。如此，利用實現該最大功率追蹤，提高該太陽能電池10的輸出功率，使該太陽能光電系統工作在最大輸出功率進而提高發電效率。
值得一提，通過控制該第一功率開關元件204與該第二功率開關元件206的切換周期，亦即，當該第一功率開關元件204導通(閉合)並且該第二功率開關元件206截止 (打開)時，該電感202為儲能操作。反之，當該第一功率開關元件204截止(打開)並且該第二功率開關元件206導通(閉合)時，該電感202為釋能操作。因此，流經該電感202 的電流可提供補償流入該隔離變壓器302的一次側輸入電流Ipr的諧波能量之用。並且， 通過流經該電感202的電流為連續的特性，可使諧波成分大大地減低，因此，可減少高頻濾波電路的使用。
此外，該電容轉換裝置20的該第二功率開關元件206可為一二極體所取代(未圖示)。當該二極體通以順偏電壓時，允許電流流通；相反地，當該二極體通以逆偏電壓時，電流無法流經，因此該二極體可提供導通與截止的開關特性。
此外，該直流/交流轉換器40電性連接該直流/直流轉換器30，以將升壓後該直流電源轉換為該交流電源。在本實施例中，該直流/交流轉換器40為一全橋式直流/交流轉換器。該直流/交流轉換器40包含四個功率開關元件，亦即一第三功率開關元件402、一第四功率開關元件404、一第五功率開關元件406以及一第六功率開關元件408。通常，每一這些功率開關元件402 408皆含有一反向並聯二極體(未標示)，或稱為本體二極體 (body diode)。該直流/交流轉換器40由兩組橋臂所構成，每組橋臂由上述兩個功率開關元件所組成，如圖2所示，該第三功率開關元件402與該第四功率開關元件404以及該第五功率開關元件406與該第六功率開關元件408分別形成一橋臂。並且，為了避免同一橋臂上兩功率開關元件在非完全導通或截止狀態下發生短路的情況，須要在上下橋臂二極體導通與截止中間錯開，延遲一段時間，此段時間稱為死區時間(dead time)或稱短路防止時間。 其中，該直流/交流轉換器40通過一高頻切換方式，例如一正弦脈衝寬度調製(sinusoidal pulse-width-modulation, SPWM)切換方式，驅動該直流/交流轉換器40的這些功率開關元件402 408，亦即，利用比較正弦波(或稱調製波)與三角波(或稱載波)，產生脈衝寬度調製信號，進而控制這些功率開關元件的切換。此外，該直流/交流轉換器40可通過一低頻切換方式，例如一方波切換(square-wave switching)方式，驅動該直流/交流轉換器 40的這些功率開關元件402 408。因此，該直流/交流轉換器40將升壓後該直流電源轉換為振幅與頻率皆可調製的該正弦波交流電源。
此外，該濾波電路50電性連接該直流/交流轉換器40，以對該交流電源濾波。在本實施例中，該濾波電路50為一濾波電感502與一濾波電容504所組成。通過該濾波電感 502與該濾波電容504所組成的二階低通濾波器，以對該直流/交流轉換器40所產生的該交流電源的高頻諧波成份濾掉，以產生頻率為60Hz (基本波)的低頻交流弦波信號。
藉此，通過該電容轉換裝置20所提供的儲能、釋能與濾波功能，以取代傳統的電解電容，以增加該太陽能光電系統的使用壽命。
綜上所述，本發明具有以下的優點
1、利用該電容轉換裝置取代傳統的電解電容，則克服傳統電解電容的電解液導致壽命大大降低的問題，進而提高該太陽能光電系統的使用壽命；
2、該電容轉換裝置為一電力電子轉換裝置，並且，可以是任何型式的升壓轉換器， 可提供該電容轉換裝置更彈性的電路設計；
3、通過流經該電容轉換裝置的該電感電流為連續的特性，可使諧波成分大大地減低，故此，可減少高頻濾波電路的使用；
4、利用該電容轉換裝置取代傳統的電解電容，可提高整體發電可靠度，並降低整體太陽能光電系統的設備建構成本與發電成本。
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做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
1.一種具有電容轉換功能的太陽能光電系統，其特徵在於，通過一太陽能電池提供一直流電源，並且轉換該直流電源為一交流電源，再與一交流市電並聯運轉；該太陽能光電系統更包含一電容轉換裝置，電性連接該太陽能電池，且包含彼此電性連接的一電感、一第一功率開關元件、一第二功率開關元件以及一電容，以對該太陽能電池輸出的該直流電源提供濾波與能量轉換；一直流/直流轉換器，電性連接該電容轉換裝置，以將濾波後該直流電源的電壓電位升高；一直流/交流轉換器，電性連接該直流/直流轉換器，以將升壓後該直流電源轉換為該交流電源；及一濾波電路，電性連接該直流/交流轉換器，以對該交流電源濾波；通過該電容轉換裝置取代傳統太陽能光電系統所使用的電解電容，以增加該太陽能光電系統的使用壽命。
2.根據權利要求1所述的具有電容轉換功能的太陽能光電系統，其特徵在於，該電容轉換裝置為一升壓式轉換器。
3.根據權利要求1所述的具有電容轉換功能的太陽能光電系統，其特徵在於，該直流/ 直流轉換器為一反激式轉換器。
4.根據權利要求1所述的具有電容轉換功能的太陽能光電系統，其特徵在於，該直流/ 直流轉換器提供最大功率追蹤功能。
5.根據權利要求1所述的具有電容轉換功能的太陽能光電系統，其特徵在於，該直流/ 交流轉換器為一全橋式直流/交流轉換器。
6.根據權利要求1所述的具有電容轉換功能的太陽能光電系統，其特徵在於，該直流/ 交流轉換器通過一高頻切換方式，驅動該直流/交流轉換器的功率開關元件。
7.根據權利要求1所述的具有電容轉換功能的太陽能光電系統，其特徵在於，該直流/ 交流轉換器通過一低頻切換方式，驅動該直流/交流轉換器的功率開關元件。
8.根據權利要求1所述的具有電容轉換功能的太陽能光電系統，其特徵在於，該濾波電路為一濾波電感與一濾波電容所組成。
9.根據權利要求6所述的具有電容轉換功能的太陽能光電系統，其特徵在於，該高頻切換方式為一正弦脈衝寬度調製方式。
10.根據權利要求7所述的具有電容轉換功能的太陽能光電系統，其特徵在於，該低頻切換方式為一方波切換方式。
全文摘要
本發明公開一種具有電容轉換功能的太陽能光電系統，通過一太陽能電池提供一直流電源，並且轉換該直流電源為一交流電源，再與一交流市電並聯運轉。該太陽能光電系統更包含一電容轉換裝置、一直流/直流轉換器、一直流/交流轉換器以及一濾波電路。並且，該電容轉換裝置包含彼此電性連接的一電感、第一功率開關元件、第二功率開關元件以及一電容。藉此，通過該電容轉換裝置所提供的儲能、釋能與濾波功能，以取代傳統的電解電容，以增加該太陽能光電系統的使用壽命。
文檔編號H02M3/06GK102545669SQ20101059796
公開日2012年7月4日 申請日期2010年12月21日 優先權日2010年12月21日
發明者李聖華 申請人:臺達電子工業股份有限公司