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TWI384720B - 家用負載之直流電力裝置 - Google Patents

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TWI384720B
TWI384720B TW097127219A TW97127219A TWI384720B TW I384720 B TWI384720 B TW I384720B TW 097127219 A TW097127219 A TW 097127219A TW 97127219 A TW97127219 A TW 97127219A TW I384720 B TWI384720 B TW I384720B
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Chung Lin Lee
Shyh Wern Sun
Chao Te Lee
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Description

家用負載之直流電力裝置
本發明係有關於一種家用負載之直流電力裝置，尤指一種包括將再生能源電能轉換成360伏特之直流電，並應用於直流家用負載之直流電力裝置。
至今而言，大部分之直流再生能源係設置在4B伏特之直流電力上，如『第5圖』所示，其通常係包含有一充電器(Charger)32、一48伏特之電池(Battery)33、及一換流器(Inverter)34所構成。傳統上，該充電器32係用來轉換再生能源，如太陽能電池31所產生之電力；該電池33係兼具電能儲存及穩壓功能；以及該換流器34係可將該電池33之直流電能轉換至交流電網(AC Grid)。因此，一般傳統之直流電力係應用在例如LED燈之輕載上，亦或作為再生能源到交流電力系統間之穩定緩衝。
在傳統負載用電方面，以習知之直流無刷冷氣機為例，其係經由一整流器(Rectifier)或一功因校正器(Power Factor Corrector,PFC)，將市電220伏特之交流電分別轉換成310伏特或360伏特之直流電，由轉換後之直流電力驅動一直流無刷馬達(DC Brushless Motor)。另一個例子則係電子式日光燈，其亦同樣經由一整流器或一功因校正器將市電220伏特之交流電分別轉換成310伏特或360伏特之直流電，由轉換後之直流電力驅動一安定器(Ballast)。
事實上，再生能源如太陽能電池，其產生之電力係直流型式，在傳統之電力架構下，係轉換直流電至交流電後，再轉換回直流電以供直流無刷馬達及安定器使用。由此可知，電能損耗大多發生在直流電轉換至交流電以及交流電轉換至直流電上。故，一般習知技術係無法有效應用再生能源所產出之電力。
本發明之主要目的係在於，可將再生能源所產出之電力，直接應用於直流家用電器，不僅能節省再生能源之直流電力轉換至交流電，再轉換回直流電之雙重轉換效率損失外，並可省下習知技術所需之整流器或功因校正器之成本。
為達以上之目的，本發明係一種家用負載之直流電力裝置，至少包含一太陽能電池(Photovoltaic,PV)、一直流轉換器(DC/DC Converter)、一電池組(Battery Bank)、一雙向換流器(Bi－directional Inverter)、一直流負載(DC Load)及一控制器(Controller)所構成。首先，該太陽能電池係利用該直流轉換器將其產出電能，轉換成360伏特之直流電能，並送至該直流匯流排，以提供該直流負載所需之電能，或儲存電能於該電池組上，並由該電池組緩衝該直流匯流排上之電壓。當該直流匯流排電壓大過電池電壓時，直流電能將向電池充電，反之，則由電池放電以提供電能。
該雙向換流器係具備兩種能自動切換之操作模式，分別為可將直流電能轉換成交流電能之換流器模式 (或稱賣電模式)，以及可將交流電能整流為直流電能之功因校正模式(或稱買電模式)。當該直流匯流排上之電壓在電池正常充放電範圍內時，該雙向換流器不運作；當太陽能發電很充足，且該電池組已充飽電能，導致該直流匯流排電壓升到電池之浮動充電值(Floating Charge Point)以上時，該雙向換流器係進入換流器模式，將360伏特之直流電轉換成220伏特之交流電，並賣電至該交流電網；但當重載，且該電池組電能消耗殆盡，導致該直流匯流排電壓降到電池之浮動放電值(Floating Discharge Point)以下時，該雙向換流器係進入功因校正模式，向該交流電網買電，將220伏特之交流電轉換成360伏特之直流電，以提供直流電能。
倘若無充分之太陽電能，且該雙向換流器或交流電網發生故障，無法由交流電網取得電能，導致該直流匯流排電壓持續下降，當降至一電壓過低跳脫設定值時，該控制器係將該電池組跳脫且關閉電力系統；若太陽電能充足，且該雙向換流器或交流電網發生故障，無法將多餘電能送至交流電網，導致該直流匯流排電壓持續上升，當上升至一電壓過高跳脫設定值時，該控制器係將該電池組跳脫且關閉電力系統。
請參閱『第1圖』所示，係本發明之360伏特直流電力裝置方塊示意圖。如圖所示：本發明係一種家用負載之直流電力裝置，本發明係至少包含一太陽能電池(Photovoltaic,PV)11、一直流轉換器(DC/DC Converter)12、一電池組(Battery Bank)13、一雙向換流器(Bi－directional Inverter)14、一直流負載(DC Load)15、及一控制器(Controller)16所構成。
該太陽能電池11係用以提供電能並輸出至一直流匯流排(DC Bus)，並可由其他直流電源取代，如燃料電池(Fuel Cell)或經整流後之風能(Wind Turbine)。
該直流轉換器12係用以轉換該太陽能電池11之電壓及供應輸出至該直流匯流排。
該電池組13係為可充放電以作為再生能源之儲能設備，可用以緩衝該直流匯流排上之電壓。該電池組13亦可由多個電池組並聯接至該直流匯流排取代此單一電池組13。
該雙向換流器14係該直流匯流排與一交流電網(AC Grid)，如市電電網間之雙向介面(Bi－directional Interface)，並包含換流器模式與功因校正模式，其中，於該換流器模式時係用以轉換直流電能為交流電能，於該功因校正模式時係用以整流交流電能為直流電能。
該直流負載15係由該直流匯流排提供所需之直流電能之家用負載，並可為直流無刷馬達(DC Brushless Motor)型式之冷氣機、冰箱及洗衣機，或安定器(Ballast)型式之電子式日光燈及LED燈。
該控制器(Controller)16係用以監控該直流匯流排上之電壓，在電壓超出跳脫設定值時，係將該電池組13跳脫且關閉電力系統。以上所述，係構成一全新 家用負載之直流電力裝置。
當本發明於運用時，獨立電源之太陽能電池11係可運作於不同之電壓範圍，而其所有電力來源連接至該直流轉換器12後，係可由該直流轉換器12將電能轉換成360伏特之直流電並送至該直流匯流排。於其中，若該直流匯流排電壓大過電池電壓，直流電能將向電池充電，反之，若電池電壓高於該直流匯流排電壓，則電池放電以提供直流電能；並且於此期間，該直流匯流排將提供該直流負載15所需之電能。
該雙向換流器14係具備兩種能自動切換之操作模式，分別為可將直流電能轉換成交流電能之換流器模式(或稱賣電模式)，以及可將交流電能整流為直流電能之功因校正模式(或稱買電模式)。當該直流匯流排上之電壓在電池正常充放電範圍內時，該雙向換流器14不運作；當太陽能發電很充足，且該電池組13已充飽電能，導致該直流匯流排電壓升到電池之浮動充電值(Floating Charge Point)以上時，該雙向換流器14係進入換流器模式，將360伏特之直流電轉換成220伏特之交流電，並賣電至該交流電網；但當重載，且該電池組13電能消耗殆盡，導致該直流匯流排電壓降到電池之浮動放電值(Floating Discharge Point)以下時，該雙向換流器14係進入功因校正模式，向該交流電網買電，將220伏特之交流電轉換成360伏特之直流電，以提供直流電能。
請進一步參閱『第2圖』所示，係本發明之控制策 略示意圖。如圖所示：此電力系統之運作模式係與該直流匯流排電壓設定值相關，並在電池運作模式之充、放電下，依據電池之電流流進或電流流出而定。
倘若無充分之太陽電能，且該雙向換流器或交流電網發生故障，無法由交流電網取得電能，導致該直流匯流排電壓持續下降，當降至一電壓過低跳脫設定值時，該控制器係將該電池組跳脫且關閉電力系統；若太陽電能充足，且該雙向換流器或交流電網發生故障，無法將多餘電能送至交流電網，導致該直流匯流排電壓持續上升，當上升至一電壓過高跳脫設定值時，該控制器係將該電池組跳脫且關閉電力系統。
請參閱『第3圖及第4圖』所示，係分別為本發明之第一使用態樣方塊示意圖及本發明之第二使用態樣方塊示意圖。如圖所示：本發明直流電力裝置係可將再生能源所產出之電力直接應用於家用電器，藉以驅動如直流無刷馬達之冷氣機、冰箱、洗衣機，以及利用安定器之電子式日光燈等直流家用負載。當本發明以360伏特之直流電應用於傳統直流無刷馬達之冷氣機時，其直流匯流排係可直接連接至直流無刷馬達驅動器輸入端，因此可省略習知技術上所需要之整流器(Rectifier)或功因校正器(Power Factor Corrector,PFC)。同理，本發明360伏特直流電亦可連接至電子式日光燈，省略其安定器電路前之整流器或功因校正器。因此，本發明係可使電力被有效率利用之同時，亦省下整流器或功因校正器之成本。
綜上所述，本發明係一種家用負載之直流電力裝置，可有效改善習用技術之雙重轉換效率損失等缺點，利用電壓維持在360伏特之直流匯流排可提供直流電力於直流家用負載，能將再生能源所產出之電力，直接應用於家用電器上，於電力被有效利用之同時，亦可省下整流器或功因校正器之成本，進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
 (本發明部分)
太陽能電池‧‧‧11
直流轉換器‧‧‧12
電池組‧‧‧13
雙向換流器‧‧‧14
直流負載‧‧‧15
控制器‧‧‧16
(習用部分)
太陽能電池‧‧‧31
充電器‧‧‧32
電池‧‧‧33
換流器‧‧‧34
第1圖，係本發明之360伏特直流電力裝置方塊示意圖。
第2圖，係本發明之控制策略示意圖。
第3圖，係本發明之第一使用態樣方塊示意圖。
第4圖，係本發明之第二使用態樣方塊示意圖。
第5圖，係傳統直流電力系統方塊示意圖。
太陽能電池‧‧‧11
直流轉換器‧‧‧12
電池組‧‧‧13
雙向換流器‧‧‧14
直流負載‧‧‧15
控制器‧‧‧16

Claims (5)

  1. 一種家用負載之直流電力裝置，係包括：一太陽能電池(Photovoltaic,PV)，該太陽能電池係用以提供電能並輸出至一直流匯流排(DC Bus)；一直流轉換器(DC/DC Converter)，該直流轉換器係用以轉換該太陽能電池之電壓及供應輸出至該直流匯流排；一電池組(Battery Bank)，該電池組係作為再生能源之儲能設備，並用以緩衝該直流匯流排上之電壓，於其中，若該直流匯流排電壓大過電池電壓，直流電能將向電池充電，反之，若電池電壓高於該直流匯流排電壓，則電池放電以提供直流電能；一雙向換流器(Bi－directional Inverter)，該雙向換流器係該直流匯流排與一交流電網(AC Grid)間之雙向介面(Bi－directional Interface)，並包含換流器模式與功因校正模式，其中，於該換流器模式時係用以轉換直流電能為交流電能，於該功因校正模式時係用以整流交流電能為直流電能；一直流負載(DC Load)，該直流負載係由該直流匯流排提供所需之直流電能；以及一控制器(Controller)，該控制器係用以監控該直流匯流排上之電壓，在電壓超出跳脫設定值時，係將該電池組跳脫且關閉電力系統； 其中，當太陽能發電充足，且該電池組已充飽電能，而該直流匯流排電壓升到電池之浮動充電值(Floating Charge Point)以上時，該雙向換流器係進入該換流器模式；但當重載，且該電池組電能消耗殆盡，而該直流匯流排電壓降到電池之浮動放電值(Floating Discharge Point)以下時，該雙向換流器係進入該功因校正模式；於其中，該雙向換流器之換流器模式於失去作用下，當該直流匯流排電壓上升至一電壓過高跳脫設定值時，該控制器係將該電池組跳脫且關閉電力系統；該雙向換流器之功因校正模式於失去作用下，當該直流匯流排電壓下降至一電壓過低跳脫設定值時，該控制器係將該電池組跳脫且關閉電力系統。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之家用負載之直流電力裝置，其中，該太陽能電池係可由燃料電池(Fuel Cell)或經整流後之風能(Wind Turbine)為之。
  3. 依據申請專利範圍第1項所述之家用負載之直流電力裝置，其中，該直流轉換器係將電能轉換成360伏特之直流電。
  4. 依據申請專利範圍第1項所述之家用負載之直流電力裝置，其中，該電池組係為可充放電之儲能設備，且單一電池組係可由多個電池組並聯為之。
  5. 依據申請專利範圍第1項所述之家用負載之直流電力裝置，其中，該直流負載係由該直流匯流排提供 電力之家用負載，並可為直流無刷馬達(DC Brushless Motor)型式之冷氣機、冰箱及洗衣機，或安定器(Ballast)型式之電子式日光燈及LED燈。
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