使用高功率超高容量電容器的太陽能模塊的製作方法

2023-05-17 03:46:16 3

專利名稱：使用高功率超高容量電容器的太陽能模塊的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種使用高功率超高容量電容器的太陽能模塊，其為可增益太陽能的光電轉換效率，提高太陽能裝置吸能效果的設計。
背景技術：
礦物能源(如煤、石油或鈾等)具有地域性、礦存量及汙染性，並且為億萬年的累積，需投入大量人力物力開採，一經汙染極可能造成無法彌補的生態浩劫，因此無汙染的替代能源研究，各國均積極展開，其中取之不盡用之不竭且無汙染問題，即為太陽能的研究。
太陽能為乾淨無汙染的能源，具有無枯竭危險、無公害、不受資源分布地域的限制、能源質量高、適合攜帶式能源及獲取能源花費時間短等優勢。由於半導體與LED技術的日益成熟，太陽能應用如虎添翼，廣泛應用於低功率電子產品與太陽能發電。
一般習知的低功率太陽能產品是由充電部分與放電部分所組成，透過太陽能電池將電能儲存至電池而構成充電部分，再經電池放電至負載，此負載載日常生活中如太陽能庭園燈、太陽能指示牌、太陽能交通及施工裝置、太陽能充電器或太陽能手電筒、太陽能收音機、太陽能玩具等，以減少乾電池的使用量。
舉例來說，太陽能電池應用於LED負載線路(如圖1所示)，主要由太陽能電池10、充電控制器11、充電電池12及負載13(燈泡或LED)組成。太陽能電池10經光電轉換產生電能，藉由充電控制器11控制機制將電能儲存於充電電池12。另一方面太陽能電池10偵測周遭環境的光度變化，於昏暗無法產生足夠的電能時將轉由充電電池為放電機制，供應負載13的能源。
然而，太陽能能源系統在應用上存在兩大問題
1、太陽能為不穩定的能源。太陽能電池所產生的光電轉換會隨天氣變化、太陽入射角度、日光陰影與日光強度而產生變化，造成充電電壓(電流)下震蕩。
2、清晨與黃昏之際因入射光線不足，太陽能電池所產生的電壓(電流)微弱，無法充電至電池(電池內阻過大)，虛耗光電轉換能源。一天將近12小時的白天，僅約3.5小時的日照可利用，其能量損失甚巨。
針對前述問題，如美國專利USP 4,634,953與USP 5,782,552。揭露使用大容量電容器作為太陽能系統中充電電池的取代物，意圖解決電池壽命、維護替換等問題的技術手段，此大容量為能量釋放的超電容，具有法拉級的電容量。其等效串聯電阻(ESR)雖低於電池，但仍然有數奧姆至數十奧姆，對於太陽能能源的吸能困窘，無太大幫助。能量釋放型超電容的電容量如太小，則ESP太大，能量都在轉換之間以熱能消耗；但電容量太大，則又有許多能量存於超電容內，以自我放電逸失無法利用。
緣此，本實用新型以一高功率釋放型超電容，配合一升壓泵設計出太陽能模塊解決電壓震蕩、增加日照利用時間與增進太陽能吸收效率。
實用新型內容本實用新型的主要目的是為了提供一種使用高功率超高容量電容器的太陽能模塊，以解決日照因地形、氣候、陰影與環境變化，致使太陽能不穩定能源輸入與小電能無法儲存轉為電能的問題。
為了實現上述目的，本實用新型的技術解決方案為一種使用高功率超高容量電容器的太陽能模塊，包括一太陽能電池組，為光能與電能轉換組件；一超電容，收集太陽能電池組所轉換的電能，並於太陽能電池組轉換效能低或無法轉換時，將儲存的電能釋放至儲能裝置；一升壓泵電路，用以提升超電容電壓以對儲能裝置充電；；一控制電路，與升壓泵並接，用以控制太陽能電池組在強日照下將電能存入儲能裝置；
一儲能裝置，儲存電能及供應給負載動作的主要電源；其中該超電容與升壓泵電路並聯於太陽能電池組與儲能裝置間，以提升光照強度較弱所產生的微弱電壓。
所述的使用高功率超高容量電容器的太陽能模塊，其中該負載為中小功率需求的裝置，如LED、燈泡、隨身電器裝置等。
所述的使用高功率超高容量電容器的太陽能模塊，其中該控制電路包括定電流的充電控制、高效率充電控制或具最大功率點追蹤系統的充電控制器。
所述的使用高功率超高容量電容器的太陽能模塊，其中當太陽能電池組無法或低效率將所生成的電能時，經由超電容儲存累積，及升壓泵電路儲能至儲能裝置。
所述的使用高功率超高容量電容器的太陽能模塊，其中當太陽能電池組所生成的電能先行儲入超電容，再經升壓泵電路儲能至儲能裝置。
所述的使用高功率超高容量電容器的太陽能模塊，其中該高功率超電容為具有高能量與高功率密度的金電容或大電容量的鋁電解電容器。
所述的使用高功率超高容量電容器的太陽能模塊，其中該高功率超電容為瞬間高功率釋放型的超電容，具低內阻、高功率密度的特徵。
所述的使用高功率超高容量電容器的太陽能模塊，其中該升壓泵電路為低功率脈衝式升壓電路。
所述的使用高功率超高容量電容器的太陽能模塊，其中該升壓泵電路為變壓器。
所述的使用高功率超高容量電容器的太陽能模塊，其中該升壓泵電路為電荷泵升壓電路。
所述的使用高功率超高容量電容器的太陽能模塊，其中該升壓泵電路為回饋式或馳返式升壓電路。
所述的使用高功率超高容量電容器的太陽能模塊，其中該儲能裝置包括至少一個可重複充電式充電電池。
所述的使用高功率超高容量電容器的太陽能模塊，其中該儲能裝置為鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池、鋰高分子電池或鉛酸電池。
本實用新型所提供的太陽能模具之一種運作模式，於日照充足時，太陽能電池組穩定而充裕的同時對大功率超電容、儲能裝置充電及提供負載所需的電能。當日照不足，太陽能電池組所產生電能經低內阻的大功率超電容經升壓泵電路儲能至儲能裝置，使被傳統太陽能電池及前揭前案視為無法利用的小電能經此存入，提高了太陽能模塊效率。
本實用新型所提供的太陽能模塊的二種運作模式，其不論光照的強弱，太陽能電池組所產生的電能都儲入低內阻高功率的超電容，待超電容充飽後再經升壓泵電路充電至儲能裝置。如此可克服太陽光因地形、氣候、陰影、環境變化而造成不穩定輸入、輸出電壓震蕩、充電效率低等負面因素。
本實用新型尤其適合天氣不好、多雲、氣候變化大、日照時間低與高緯度地區，更能充分發揮出功效。


圖1為習知太陽能模塊的電路方塊示意圖；圖2為本實用新型的電路方塊示意圖；圖3為圖2的基本線路圖；圖4為本實用新型第一種運作模式示意圖；圖5為本實用新型第二種運作模式示意圖。
10太陽能電池 20太陽能模塊11充電控制器 21太陽能電池組12充電電池 22超電容13負載 23控制電路24升壓泵電路 26負載25儲能裝置具體實施方式
為使審查員能進一步了解本實用新型的特徵及實用功效，茲附以較佳實施例及其圖式，詳細說明如後請同時參閱圖2及圖3所示，本實用新型的電路方塊示意圖，本實用新型的太陽能模塊20包括一太陽能電池組21，其經光電轉換產生電能。
一高功率超電容22，其為一種具有內阻低、電容量高、瞬間功率強特點的超電容22，如陶瓷電容、電解電容、鉭電容等，其電容量高於一般電容器數千至數萬倍，依用途可區分瞬間功率型與能量釋放型超電容，能量釋放型可擁有數千法拉高電容，可作為電池用途，而瞬間功率型超電容的電容量在毫法拉(MF)與數法拉之間，具瞬間電流大輸出特性，尤其對太陽能系統更具有小電流輸入累積效果。於本實用新型較佳實施例中，該高功率超電容22作為無法輸入儲能裝置25的電流電能的收集。
一控制電路23，為控制太陽能電池組21在強日照下，將電流存入儲能裝置25。本實用新型並無限定控制電路23的形式，舉凡定電流的簡單控制，至各種高效率充電控制，甚至是最大功率點追蹤系統，可視成品價位與需求設計決定，本實用新型為求簡易說明，以二極體作定電流的簡單控制(如圖3所示)。
一升壓泵電路24，為一種低功率脈衝式升壓電路，用以提升超電容22的電壓，增進充電效率。舉凡變壓器、電荷泵等皆具脈衝式升壓作用。對於中高功率的太陽能系統也可使用回饋式、馳返式升壓電路。
一儲能裝置25，包含有至少一個可重複充電式電池，依負載、尺寸與成本要求，決定電池種類與電池大小與數量。一般可充式電池包括鎳鎘、鎳氫、鋰離子、鋰高分子、鉛酸等，這些電池種類對太陽能中低功率系統而言，鎳鎘存在汙染問題，鋰電池較為昂貴，鉛酸電池體積龐大且笨重，而以鎳氫較合適。因此就商品市場而言，太陽能庭園燈常以3顆1.2V的鎳氫串聯，而太陽能交通貓眼則是1顆1.2V的鎳氫電池供電。
一負載26，由儲能裝置25供應電能運作，較常應用的商品為太陽能LED燈，包含了庭園燈、指示燈、警示燈、號誌燈、貓眼等，都是供應LED照明或指示為主。以發光色彩來說，黃光、紅光LED的驅動電壓為2-3V，而藍光與白光LED則為3-4V，所銜接的LED數量愈多，所需電流愈多，相對的能量損耗愈快。除了前述以LED為負載外，本實用新型的太陽能模塊20亦可用於太陽能充電器、太陽能玩具、太陽能手電筒、太陽能收音機、太陽能影音(CD，VCD，DVD)、太陽能手工具或中小功率需求的太陽能產品。
本實用新型提供有二種運作模式，其中第一種運作模式(如圖4所示)太陽能電池組21是光能與電能轉換的組件，依儲能裝置25與負載26的需求串並太陽能電池組21所需的面積及電壓。太陽能電池組21亦可偵測環境的亮度，進而判斷強日照或中低日照，當日照充足，太陽能電池組21所產生電能經很低內阻的大功率超電容22經升壓泵電路24儲能至儲能裝置25，這些原本消失的小電能經此存入儲能裝置25，提高了太陽能模塊20效率。甚至在承接的負載26如太陽能庭園燈或太陽能警示或交通號誌，也可利用太陽能電池組21偵測黑夜來臨，使系統進入放電狀態點亮LED或燈泡等負載。另外，環境亮度的偵測，亦可利用光敏裝置執行。
第二種運作模式(如圖5所示)太陽能電池組21於太陽光照射產生電能後，充電至超電容22，此時不論光照強弱所產生的各種強度的電流均因超電容22的低內阻而加以收集，待超電容22充飽後再經充電控制電路23、升壓泵電路24充電至儲能裝置25。而對於儲能裝置25而言，此充電是一種脈衝式充電。不僅完全不受不穩定的太陽能變化，更因脈衝式充電而提升充電效率，使太陽能系統吸收光能效率大為提高。同樣的，該儲能裝置25亦針對不同太陽能產品而放電於不同的負載26。
綜上所述，本實用新型解決日照因地形、氣候、陰影與環境變化，致使太陽能不穩定能源輸入與小電能無法儲存轉為電能的問題，提升太陽能的光電轉換效率，提高太陽能裝置吸能效果，使應用範疇更為廣泛、穩定，有助於推廣無公害汙染且乾淨的能源應用於日常生活。
以上所述僅為用以解釋本實用新型的較佳實施例，凡具有相同的實用新型思想所作的有關本實用新型的任何修飾或變更，皆仍應包括在本實用新型的保護範圍之內。
權利要求1.一種使用高功率超高容量電容器的太陽能模塊，包括一太陽能電池組，為光能與電能轉換組件；一超電容，收集太陽能電池組所轉換的電能，並於太陽能電池組轉換效能低或無法轉換時，將儲存的電能釋放至儲能裝置；一升壓泵電路，用以提升超電容電壓以對儲能裝置充電；；一控制電路，與升壓泵並接，用以控制太陽能電池組在強日照下將電能存入儲能裝置；一儲能裝置，儲存電能及供應給負載運作的主要電源；其特徵在於該超電容與升壓泵電路並聯於太陽能電池組與儲能裝置間，以提升光照強度較弱所產生的微弱電壓。
2.如權利要求1所述的使用高功率超高容量電容器的太陽能模塊，其特徵在於該負載為中小功率需求的裝置，如LED、燈泡、隨身電器裝置等。
3.如權利要求1所述的使用高功率超高容量電容器的太陽能模塊，其特徵在於該控制電路包括定電流的充電控制、高效率充電控制或具最大功率點追蹤系統的充電控制器。
4.如權利要求1所述的使用高功率超高容量電容器的太陽能模塊，其特徵在於該高功率超電容為具有高能量與高功率密度的金電容或大電容量的鋁電解電容器。
5.如權利要求1所述的使用高功率超高容量電容器的太陽能模塊，其特徵在於該高功率超電容為瞬間高功率釋放型的超電容，具低內阻、高功率密度的特徵。
6.如權利要求1所述的使用高功率超高容量電容器的太陽能模塊，其特徵在於該升壓泵電路為低功率脈衝式升壓電路。
7.如權利要求1所述的使用高功率超高容量電容器的太陽能模塊，其特徵在於該升壓泵電路為電荷泵升壓電路。
專利摘要本實用新型公開了一種使用高功率超高容量電容器的太陽能模塊，主要於太陽能電池組與儲能裝置間並聯一個大功率超電容與升壓泵電路，藉此提升光照強度較弱所產生的微弱電壓，解決日照因地形、氣候、陰影與環境變化，致使太陽能不穩定能源輸入與小電能無法儲存轉為電能的問題。
文檔編號H02J7/35GK2882082SQ20052013350
公開日2007年3月21日 申請日期2005年11月23日 優先權日2005年11月23日
發明者孫實鈞 申請人:孫民興