太陽能增效儲能系統的製作方法
2023-05-19 19:12:31 1
太陽能增效儲能系統的製作方法
【專利摘要】一種太陽能增效儲能系統，包含有一太陽能模塊、一光伏逆變器、一第一切換開關、一儲能設備、一第二切換開關、一直流轉換器、一第三切換開關及一控制主機，於低太陽輻射時，該太陽能模塊的多個太陽能板能夠將所輸出的微小電力對該儲能設備進行充電，並於充電到一定程度後，再將該儲能設備所儲存的電能、及該太陽能模塊的多個太陽能板所輸出的微小電力，一併輸出至一光伏逆變器，以使於低太陽輻射狀態下，該光伏逆變器能夠提供最佳太陽電能轉換效率、並使該太陽能模塊能夠操作於最大功率輸出點。
【專利說明】太陽能增效儲能系統
【技術領域】
[0001]本實用新型是有關一種太陽能增效儲能系統，特別是一種於低太陽輻射時，使光伏逆變器能夠提供最佳太陽電能轉換效率、並使由多個太陽能板互連而成的太陽能模塊能夠操作於最大功率輸出點。
【背景技術】
[0002]傳統具有最大功率追蹤(Maximum Power Point Tracking)的光伏逆變器(PV-1nverter)不論是依照太陽能板的電壓與電流曲線，而設置的最佳電壓追隨法(Constant Voltage Tracking/Modified Constant Voltage Tracking),或是標準的轉換功率逐步追隨法(Stepping Up/Down Algorithm)都可以在太陽福射能較高,或是說太陽能板輸出電能較大時達成光、電轉換最大效率要求，但當太陽能板工作於低太陽輻射能，或是所謂的輕載工作區時，往往限於電力開關元件(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)的最小開關周期，以及轉換控制系統對於脈波周期的控制精度(Resolut1n of PulseWidth Modulat1n)，光伏逆變器中的最大功率追蹤器不但無法準確地計算合適開關周期，而且電力開關元件本身操作時的導通損失(Conducting Loss)與開關損失(SwitchingLoss)過大，致使多數的光伏逆變器在輸入功率低於額定功率20%以下的輕載工作區的效率大幅滑落，更常常由於太陽能板在低太陽輻射能的狀況下，由圖1中可知，為常見的光伏逆變器(SC500MX)的效率曲線，在輸入功率為額定功率的10%以下時，轉換率大幅下滑，以實際面來看，多數光伏逆變器在輸入功率是額定功率的5%以下時，太陽能板所提供的電能，不足以讓光伏逆變器穩定工作於最低切換周期(Minimum PWM Duty)，當光伏逆變器啟動後，由於太陽能板所提供的電能不足，將會導致輸出電壓下降，並低於至光伏逆變器的最小工作電壓，如此由於輸出的電功率不足以讓光伏逆變器正常運作，將會強迫光伏逆變器又進入停止狀態；再加上光伏逆變器在啟動、與截止間跳動，因而會加速光伏逆變器的壽命損耗。
[0003]因此一般的太陽能電廠為避免低太陽輻射下的少許電能收益而損及光伏逆變器的壽命，並減少光伏逆變器交流輸出端不可預期的總諧波失真(Total HarmonicDistort1n)，多會在光伏逆變器的輸入埠加裝計時器，以排除清晨或傍晚時的低太陽輻射能的幹擾。
[0004]但加裝計時器的設計不但減損了應有的發電總功率，更無法在天候不佳的狀況下，例如陰雨天，或是有霧的天候下，保護光伏逆變器、保障發電品質，免於太陽能板輕載發電時的幹擾。
[0005]而澳洲的Fronius Internat1nal與中國內地的華為技術有限公司不約而同的採用模塊化的設計架構，利用多組小型化的最大功率追蹤模塊，依太陽能板輸出的可能最大電功率，輪流切換對應的最大功率追蹤模塊數量，無論太陽能板處於輕載或滿載時，達成整組光伏逆變器都可以工作於高效、穩定的狀態。但是Fronuis Internat1nal的最大功率追蹤模塊僅有5KW，雖然在低太陽輻射條件下提供了較好的發電效率，但受限於功率規模並不適合於大型光伏發電系統，而且在多組小型化的最大功率追蹤模塊的操作下，許多共用的元件，如開關電閘、直流濾波器，PWM控制組件會增加不少額外的成本；
[0006]而華為技術有限公司的最大功率模塊為250KW，單機功率為500KW，使用多組500KW機依太陽輻射強度，決定工作的單機數量，電力輸送會因為太陽能板的幅員廣大，複雜的配線、電閘的開關損失，以及太陽能板特性匹配的困難，降低了實際轉換效率。
[0007]而華為技術有限公司於2013年底進行了較大型的測試計畫，實驗結果證明以20KW的小型光伏逆變器200組所成的串列式發電系統，仍然較500KW光伏逆變器8組的實際光電轉換效率來的高3.04%，但若是於低太陽輻射能的條件下(下午17:10)，轉換效率甚或相差40.85%。太陽能板於匹配不良的情形下，最大功率追蹤模塊僅能操作於折衷下的最大功率點，至使最大功率追蹤模塊的效能降低，由此可知，大規模的太陽能板配置可控制工作數量的光伏逆變器，仍是無法有效地將低太陽輻射能收入發電系統。
[0008]另外，由圖2A、B可知，當太陽能板在無法完全依光伏轉換效率與光伏電動勢做完整配對的情況下，所有太陽能板無法在相同的工作條件下同時達成最佳光伏轉換效率，而是相對摺衷的最佳操作點，因此太陽能板整體效率因而下降。由此可知，當太陽能板的數量越大，這種轉換效率下跌的狀況越明顯。
[0009]因此，若是於低太陽輻射狀態時，將多個太陽能板將所輸出的微小電力對該儲能設備進行充電，並於充電到一定程度後，再將該儲能設備所儲存的電能、及多個太陽能板所輸出的微小電力，一併輸出至光伏逆變器，以使於低太陽福射狀態下，該光伏逆變器能夠提供最佳太陽電能轉換效率、並使該太陽能模塊能夠操作於最大功率輸出點，如此應為一最佳解決方案。
實用新型內容
[0010]本實用新型的目的在於提供一種太陽能增效儲能系統，能夠於低太陽輻射狀態時，將多個太陽能板將所輸出的微小電力對該儲能設備進行充電，並於充電到一定程度後，再將該儲能設備所儲存的電能、及多個太陽能板所輸出的微小電力，一併輸出至光伏逆變器，以使於低太陽輻射狀態下，光伏逆變器能夠提供最佳太陽電能轉換效率、並使該太陽能模塊能夠操作於最大功率輸出點。
[0011]可達成上述目的，本實用新型公開了一種太陽能增效儲能系統，其特徵在於包含:
[0012]一太陽能模塊，由多個太陽能板互連而成；
[0013]一光伏逆變器，與該太陽能模塊相連接以將該太陽能模塊所產生的電力轉換為與市電相同電壓與頻率；
[0014]一第一切換開關，設置於該太陽能模塊及該光伏逆變器之間；
[0015]一儲存該光伏逆變器處於低載運轉狀態下的太陽能模塊所輸出電力的儲能設備，與該太陽能模塊相連接，而該儲能設備由多個電池單元串接而成，而每一個電池單元內包含了數個電池及數個監控模塊；
[0016]一第二切換開關，設置於該太陽能模塊及該儲能設備之間；
[0017]一直流轉換器，與儲能設備相連接，該直流轉換器為一將該儲能設備的電力升壓轉換為與該太陽能模塊的太陽能板的最佳工作電壓相近的電力轉換器；
[0018]一第三切換開關，設置於該儲能設備及直流轉換器之間；
[0019]一控制主機，包含了一中央控制單元，該中央控制單元與該第一切換開關、第二切換開關、第三切換開關、太陽能模塊、直流轉換器及儲能設備相連接，其中該中央控制單元判斷該太陽能模塊所輸出的電力使該光伏逆變器處於低載運轉狀態下，則開啟該第二切換開關，以使太陽能模塊能夠將所產生的電力輸入該儲能設備中進行充電，並於該儲能設備充電到一定程度，該中央控制單元能夠控制該第三切換開關連通，其中使該光伏逆變器處於低載運轉狀態下的太陽能模塊能夠將所產生的電力輸出至該光伏逆變器，且該儲能設備能夠一併進行放電、以將電力透過該直流轉換器輸出至該光伏逆變器。
[0020]其中，該電池單元的監控模塊能夠將該電池儲存的電能資訊回傳至該中央控制單元，該儲能設備能夠以近似定電壓追蹤模式，將使該光伏逆變器處於低載運轉狀態下的太陽能模塊所輸出的電力進行儲存。
[0021]其中，該中央控制單元能夠控制該直流轉換器處於以溫度修正的定電壓追蹤模式，以使該直流轉換器能夠提供最佳太陽電能轉換效率、並使該太陽能模塊能夠操作於最大功率輸出點。
[0022]其中，該直流轉換器為隔離型的轉換器。
[0023]其中，該直流轉換器內具有直流電壓轉換電路，用以將該儲能設備進行放電所輸出至該光伏逆變器的電壓墊高。
[0024]通過上述結構，本實用新型實現了如下技術效果:
[0025]1.本實用新型能夠於低太陽輻射狀態時，將多個太陽能板將所輸出的微小電力對該儲能設備進行充電，並於充電到一定程度後，再將該儲能設備所儲存的電能、及多個太陽能板所輸出的微小電力，一併輸出至光伏逆變器，以使於低太陽福射狀態下，該直流轉換器能夠提供最佳太陽電能轉換工作電壓、並使太陽能模塊能夠操作於最大功率輸出點。
[0026]2.本實用新型可以避開光伏逆變器在輕載時(〈10% )的低效率區，避免光伏逆變器操作於開開、關關的不連續操作，同時將低太陽輻射能量以超過90%效率承接於原有的發電系統中，提升整體的光伏發電效率。在實際的應用中，儲能設備的總容量僅需10?20%的太陽能板一小時的最大發電量，所匹置的直流電力升壓系統的功率更低於2%，因此極具發展的效益。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]圖1:習用光伏逆變器的效率曲線示意圖。
[0028]圖2A、B:習用太陽能板無法依光伏轉換效率與光伏電動勢做完整配對的示意圖。
[0029]圖3A:本實用新型太陽能增效儲能系統及其方法的整體架構示意圖。
[0030]圖3B:本實用新型太陽能增效儲能系統及其方法的電池單元內部架構示意圖。
[0031]圖4:太陽能增效儲能系統及其方法的鋰系電池充電曲線示意圖。
[0032]圖5:本實用新型太陽能增效儲能系統及其方法的儲能與放電供意電能示意圖。
[0033]圖6:本實用新型太陽能增效儲能系統及其方法的流程示意圖。
[0034]圖7:本實用新型太陽能增效儲能系統及其方法的隔離升壓示意圖。
[0035]圖8A:本實用新型太陽能增效儲能系統及其方法的實施例圖。
[0036]圖SB:本實用新型太陽能增效儲能系統及其方法的實施例圖。
【具體實施方式】
[0037]有關於本實用新型其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式的較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
[0038]請參閱圖3A及圖3B，為本實用新型太陽能增效儲能系統及其方法的整體架構示意圖及電池單元內部架構示意圖，由圖中可知，該太陽能增效儲能系統，包含一太陽能模塊1、一光伏逆變器6、一第一切換開關31、一儲能設備4、一第二切換開關32、一具有直流電壓轉換電路21的直流轉換器2、一第三切換開關33及一控制主機5，其中該太陽能模塊I由多個太陽能板11互連而成，而該太陽能模塊I會與該光伏逆變器6相連接，以當該第一切換開關31處於導通(on)的狀態時，該光伏逆變器6則會將該太陽能模塊I所產生的電力轉換為與市電相同電壓與頻率；
[0039]而該儲能設備4與該太陽能模塊I及該直流轉換器2相連接，其中該儲能設備4與該太陽能模塊I的間系介接有該第二切換開關32、儲能設備4與該直流轉換器2的間系介接有該第三切換開關33，而該儲能設備4由多個電池單元41串接而成，每一個電池單元41內包含了數個電池411及數個與該電池411連接的監控模塊412，其中該儲能設備4用以儲存使該光伏逆變器6處於低載運轉狀態下的太陽能模塊I所輸出的電力；
[0040]另外該控制主機5為一工業級的運算主機，而該控制主機5包含了一中央控制單元51，該中央控制單元51與該太陽能模塊1、該第一切換開關31、該儲能設備4、該第二切換開關32、該直流轉換器2、該第三切換開關33相連接，其中該中央控制單元51能夠判斷該太陽能模塊I所輸出的電力是否使該光伏逆變器6處於低載運轉狀態下，其中低載運轉狀態是指該太陽能模塊I輸入該光伏逆變器6的輸入功率低於該光伏逆變器6的額定功率的10%以下，但此處所敘述百分比則是最佳狀況，更能夠適情況調整百分比。
[0041]如圖4所示，由於本實用新型的電池單元41的電池411使用鋰電池，由圖中可知，單串電壓約在3.0?4.2V的間，磷酸鐵鋰電池的充電電壓幾乎是定電壓(3.35?3.55V)，而目前所有量產的太陽能板的最佳轉換效率的工作電壓也幾乎固定。
[0042]當該中央控制單元51於太陽能模塊I處於低太陽輻射狀態下(或是該光伏逆變器6處於低載運轉狀態下)，由於該電池單元41的監控模塊412能夠將該電池411儲存的電能資訊回傳至該中央控制單元51，因此該中央控制單元51則會判斷該儲能設備4所儲存的電能是否低於該儲能設備的電能總容量的90%以下時，若低於90%以下，則會控制第二切換開關32導通(on)，以使該儲能設備4 (由磷酸鐵鋰電池組成)能夠以定電壓追蹤模式(Constant Voltage Tracking mode),將使該光伏逆變器6處於低載運轉狀態下的太陽能模塊所輸出的電力(太陽能電能轉換的電力)進行儲存。
[0043]當該中央控制單元51於太陽能模塊I處於低太陽輻射狀態下(或是該光伏逆變器6處於低載運轉狀態下)，並同時判斷該儲能設備4所儲存的電能達到該儲能設備4的電能總容量的90%以上時，則會控制第二切換開關32關閉(off)、並使該第一切換開關31及第三切換開關33導通(on)，因此該光伏逆變器6處於低載運轉狀態下的太陽能模塊I將能夠將所產生的電力輸出至該光伏逆變器6、且該儲能設備4能夠一併進行放電以將電力輸出至該直流轉換器2，並經由該直流轉換器2墊高電壓的後，與太陽能模塊I能夠將所產生的電力一同輸出至該光伏逆變器6。
[0044]而上述模式則會維持到下述兩種狀況則會變動:
[0045]1.該儲能設備4所儲存的電能達到該儲能設備4的電能總容量的10%以下時，該中央控制單元51則會控制第一切換開關31及第三切換開關33關閉(off)、並使該第一切換開關32導通(on)，使該光伏逆變器6處於低載運轉狀態下的太陽能模塊所輸出的電力(太陽能電能轉換的電力)進行儲存。
[0046]2.該太陽能模塊I非處於低太陽輻射狀態下(或是該光伏逆變器6非處於低載運轉狀態下)時，其中該中央控制單元51則會控制第二切換開關32及第三切換開關33關閉(off)、並使該第一切換開關31導通(on)
[0047]由圖5中可知，而充電所得的電能，當進行放電後，雖然太陽能模塊I的太陽能板於低太陽輻射狀態下時，是提供微弱電力，但經由該儲能設備4進行放電後，將能使該光伏逆變器6能夠避開低效率工作區，且由於該中央控制單元51能夠控制直流轉換器2處於以溫度修正的定電壓追蹤模式(Modified Constant Voltage Tracking mode),因此能夠使直流轉換器2能夠提供最佳太陽電能轉換工作電壓、並使該太陽能模塊I能夠操作於最大功率輸出點。
[0048]而本實用新型的太陽能增效儲能方法，如圖6所示，其方法為:
[0049]1.於低太陽福射時,將一太陽能模塊的多個太陽能板所輸出的微小電力對一儲能設備進行充電601 ；
[0050]2.再將該儲能設備所儲存的電能、及該太陽能模塊的多個太陽能板所輸出的微小電力，一併輸出至一光伏逆變器，以使於低太陽輻射狀態下，該光伏逆變器能夠提供最佳太陽電能轉換工作電壓、並使太陽能模塊能夠操作於最大功率輸出點602。
[0051]另外，如圖7所示，由於該儲能設備4的充電與放電的位準不同，因此要將放電直接用於與該太陽能模塊I所產生的微小電力並接輸出，將會有問題，但本實用新型利用電力電子學的隔離升壓的方式，如圖3A所示，由於該直流轉換器2內具有直流電壓轉換電路21，故能夠將該儲能設備4進行放電所輸出至該直流轉換器2的電壓墊高，以進行補償電池411 (磷酸鋰鐵電)的充電電壓與放電電壓的差距，更由於該電池單元41的監控模塊412能夠將該電池411儲存的電能資訊回傳至該中央控制單元51，因此將能夠動態調整該儲能設備4的輸出電壓與電流；
[0052]因此，如圖7所示，當儲能設備4要與該太陽能模塊I所產生的微小電力並接輸出時，該中央控制單元51能夠控制該直流轉換器2工作於以溫度修正的定電壓追蹤模式(Modified Constant Voltage Tracking mode),
[0053]另外，為了考慮電能轉換後可安全地迭加於儲能設備的電壓之上，該直流轉換器2必須使用隔離型的,例如返馳式轉換器(Fly-back converter)、順向式轉換器(Forwardconverter), cuk 轉換器，SEPIC 轉換器。
[0054]目前太陽能電廠的標準配置，多數是以20?21串，245?255W的光伏板串接成600?630V/8A的基本方陣，再以15?16串並接於直流匯流箱，然後再以7?8個匯流櫃銜接於直流配電櫃，並於直流配電櫃內裝設限流保護開關，避免外部配線短路的意外，的後再接入500KW的隔離式直流轉換器。
[0055]而本實用新型實施應用如圖8A及圖8B所示，由於實際而有效的電池儲存系統為50?60KWh的電池系統。若假設太陽能模塊I的基本方陣是21串96並的太陽能板11組成，其中用於儲能的電池411使用磷酸鋰鐵電池，則磷酸鐵鋰電池的串數應在168?176串的間，為考慮磷酸鐵鋰電池的壽命與太陽能板實際的操作溫度，則採用176串磷酸電鋰電池，分為11組的電池單元41，而每一組的電池單元41內有16串/10Ah的電池411(50V/5KWh)，而後11組模塊再串接，因此則會形成176串接的磷酸電鋰電池。
[0056]由於每一個電池單元41中都具有監控模塊412，用以監控該電池411 (磷酸鋰鐵電池)的狀態，而本實用新型的直流轉換器2為一 8KW/96V/80A的直流轉換器(可控電壓、電流輸出、入的直流轉換器)，該中央控制單元51能夠控制該隔離式直流轉換器2，並針對該儲能設備4進行調整放電時的電池系統電壓與電流，並將電池系統資訊，由該控制主機5依環境監控資料，指揮並分派工作電壓電流於該可控電壓、電流的直流轉換器。
[0057]本實用新型所提供的太陽能增效儲能系統，與其他習用技術相互比較時，其優點如下:
[0058]1.本實用新型能夠於低太陽輻射狀態時，將多個太陽能板將所輸出的微小電力對該儲能設備進行充電，並於充電到一定程度後，再將該儲能設備所儲存的電能、及多個太陽能板所輸出的微小電力，一併輸出至光伏逆變器，以使於低太陽福射狀態下，該直流轉換器能夠提供最佳太陽電能轉換工作電壓、並使太陽能模塊能夠操作於最大功率輸出點。
[0059]2.本實用新型可以避開光伏逆變器在輕載時(〈10% )的低效率區，避免光伏逆變器操作於開開、關關的不連續操作，同時將低太陽輻射能量以超過90%效率承接於原有的發電系統中，提升整體的光伏發電效率。在實際的應用中，儲能設備的總容量僅需10?20%的太陽能板一小時的最大發電量，所匹置的直流電力升壓系統的功率更低於2%，因此極具發展的效益。
[0060]本實用新型已透過上述的實施例揭露如上，然其並非用以限定本實用新型，任何熟悉此一【技術領域】具有通常知識者，在了解本實用新型前述的技術特徵及實施例，並在不脫離本實用新型的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，因此本實用新型的專利保護範圍須視本說明書所附的權利要求所界定者為準。
【權利要求】
1.一種太陽能增效儲能系統，其特徵在於包含: 一太陽能模塊，由多個太陽能板互連而成； 一光伏逆變器，與該太陽能模塊相連接以將該太陽能模塊所產生的電力轉換為與市電相同電壓與頻率； 一第一切換開關，設置於該太陽能模塊及該光伏逆變器之間； 一儲存該光伏逆變器處於低載運轉狀態下的太陽能模塊所輸出電力的儲能設備，與該太陽能模塊相連接，而該儲能設備由多個電池單元串接而成，而每一個電池單元內包含了數個電池及數個監控模塊； 一第二切換開關，設置於該太陽能模塊及該儲能設備之間； 一直流轉換器，與儲能設備相連接，該直流轉換器為一將該儲能設備的電力升壓轉換為與該太陽能模塊的太陽能板的最佳工作電壓相近的電力轉換器； 一第三切換開關，設置於該儲能設備及直流轉換器之間； 一控制主機，包含了一中央控制單元，該中央控制單元與該第一切換開關、第二切換開關、第三切換開關、太陽能模塊、直流轉換器及儲能設備相連接，其中該中央控制單元判斷該太陽能模塊所輸出的電力使該光伏逆變器處於低載運轉狀態下，則開啟該第二切換開關，以使太陽能模塊能夠將所產生的電力輸入該儲能設備中進行充電，並於該儲能設備充電到一定程度，該中央控制單元能夠控制該第三切換開關連通，其中使該光伏逆變器處於低載運轉狀態下的太陽能模塊能夠將所產生的電力輸出至該光伏逆變器，且該儲能設備能夠一併進行放電、以將電力透過該直流轉換器輸出至該光伏逆變器。
2.如權利要求1所述的太陽能增效儲能系統，其特徵在於，該電池單元的監控模塊能夠將該電池儲存的電能資訊回傳至該中央控制單元，該儲能設備能夠以近似定電壓追蹤模式，將使該光伏逆變器處於低載運轉狀態下的太陽能模塊所輸出的電力進行儲存。
3.如權利要求1所述的太陽能增效儲能系統，其特徵在於，該中央控制單元能夠控制該直流轉換器處於以溫度修正的定電壓追蹤模式，以使該直流轉換器能夠提供最佳太陽電能轉換效率、並使該太陽能模塊能夠操作於最大功率輸出點。
4.如權利要求1所述的太陽能增效儲能系統，其特徵在於，該直流轉換器為隔離型的轉換器。
5.如權利要求1所述的太陽能增效儲能系統，其特徵在於，該直流轉換器內具有直流電壓轉換電路，用以將該儲能設備進行放電所輸出至該光伏逆變器的電壓墊高。
【文檔編號】H02S10/20GK204103827SQ201420433890
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年8月1日 優先權日:2014年8月1日
【發明者】舒英豪, 朱允元 申請人:高平唐一新能源科技有限公司