TWI409612B - 能量採集系統 - Google Patents

Description

能量採集系統

本發明是有關於一種能量採集系統，特別是指一種採集太陽能光源的能量採集系統。

煤炭、石油及天然氣等現今常使用的能源，在人類科技的高度進步下，對環境造成巨大的污染且這些能源的儲備量也日漸減少，因此，在環保意識抬頭的現今，無污染且取之不盡的自然能源漸漸成為新的替代能源。

以現今的太陽能採集系統來說，其中包含一片或多數片的太陽能板(solar panel)及一控制電路。為了達到最高的採集效率，太陽能板需要藉由一量測設備測量出對應該太陽能板在不同負載下所轉換出的參數資訊(即轉換出的訊號的電流及電壓)，再利用韌體的方式將該等參數資訊燒進控制電路中，使得太陽能板能操作在一最大功率點(Maximum Power Point)下進行能量的採集及儲存。

但是，現今的太陽能採集系統有以下幾點限制：

1.　太陽能板需要藉由額外的量測設備才能取得在不同負載下所轉換出的參數資訊，如此會造成製作上的成本。

2.　藉由量測設備取得的參數資訊在燒進控制電路後將無法更改，但是太陽能板的特性會隨著天氣、溫度等因素而改變，故太陽能板在進行能量採集時，並無法確切地操作在最大功率點。

3.　將某一太陽能板的參數資訊以韌體的方式燒進控制電路中，該控制電路就只能針對該太陽能板使用，一旦更換太陽能板，則控制電路也必須一起更新，造成多餘的成本耗費且降低使用上的靈活度。

因此，本發明之目的，即在提供一種可以將太陽能板操作在最大功率點下進行能量儲存的能量採集系統。

於是，本發明能量採集系統，係採集一自然能源並將其轉換後加以儲存，該能量採集系統包含：一能量採集單元、一微控制器、一功率點追蹤單元、一脈衝頻率調變調節器及一儲能單元。

能量採集單元接收該自然能源並將其轉換成一電力訊號；微控制器耦接於能量採集單元且具有一用以取樣出電力訊號的電壓的電壓偵測模組及一計算模組；功率點追蹤單元包括一電流追蹤模組及一邊界控制模組，電流追蹤模組耦接於能量採集單元，用以取樣出電力訊號的電流，計算模組根據電流追蹤模組取樣出的電流及電壓偵測模組取樣出的電壓計算出對應該能量採集單元之一最大功率點(Maximum Power Point)，邊界控制模組根據該最大功率點產生一切換控制電壓Vswitch；脈衝頻率調變調節器耦接於能量採集單元及功率點追蹤單元，該脈衝頻率調變調節器根據切換控制電壓Vswitch將該電力訊號進行轉換，使得該電力訊號與儲存於該儲能單元之電壓的功率相同；儲能單元耦接於脈衝頻率調變調節器，用以提供脈衝頻率調變調節器的輸出電壓儲存。

較佳地，電流追蹤模組具有一電流偵測電路、一第一開關電路及一第一開關。電流偵測電路具有一耦接於能量採集單元的輸入端及一輸出端；第一開關電路耦接於電流偵測電路的輸出端；第一開關的一端耦接於電流偵測電路的輸出端且另一端接地。當第一開關電路為一開路狀態，電流偵測電路偵測電力訊號的電流，且電壓偵測模組偵測電力訊號的電壓，計算模組根據電流偵測電路偵測的電流及電壓偵測模組偵測的電壓計算出最大功率點；當第一開關電路為一短路狀態，邊界控制模組根據最大功率點產生切換控制電壓Vswitch。

較佳地，能量採集系統還包含一耦接於儲能單元的電壓調節單元，用以將儲能單元所輸出的電壓進行轉換後輸出。

本發明之功效在於，如此將可提高能量採集單元的採集效率及縮短儲能的時間，且可以在一固定時間內重新追蹤出當時能量採集單元的最大功率點，如此一來，即使能量採集單元的特性會隨著天氣、溫度等因素而改變，能量採集系統仍能以最大的效率進行儲能。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

參閱圖1，為本發明能量採集系統100之較佳實施例，該能量採集系統100係用以採集一自然能源並將其轉換後加以儲存，在本實施例中，能量採集系統為一太陽能採集系統，係採集太陽光並將其轉換為電壓型式加以儲存，但不以此為限，能量採集系統100亦可為風力採集系統或是任何自然能源採集系統。本實施例之能量採集系統100包含一能量採集單元1、一微控制器2、一功率點追蹤單元3、一脈衝頻率調變調節器(PFM Regulator)4及一儲能單元5。

在本實施例中，能量採集單元1為一太陽能板(solar panel)，用以接收該自然能源(即太陽光)並將其轉換成一電力訊號Ve。

微控制器2耦接於能量採集單元1，其主要係控制整個能量採集系統100的運作，其中具有一電壓偵測模組21及一計算模組22。電壓偵測模組21為一類比數位轉換器(ADC)，用以偵測能量採集單元1轉換出的電力訊號Ve的電壓；計算模組22則用以計算出對應能量採集單元1的一最大功率點(Maximum Power Point)。

功率點追蹤單元3耦接於能量採集單元1及微控制器2，包括一電流追蹤模組31及一邊界控制模組32，電流追蹤模組31耦接於能量採集單元1，用以取樣出在不同負載下電力訊號Ve的電流，微控制器2的計算模組22會根據電流追蹤模組31取樣出的電流及電壓偵測模組21偵測出的電壓計算出對應該能量採集單元1之最大功率點，而邊界控制模組32根據該最大功率點產生一切換控制電壓Vswitch。

脈衝頻率調變調節器4耦接於能量採集單元1及功率點追蹤單元3，用以根據該切換控制電壓Vswitch將電力訊號Ve進行轉換，使得能量採集單元1與儲能單元5兩邊的功率相同。

儲能單元5耦接於脈衝頻率調變調節器4，用以提供脈衝頻率調變調節器4的輸出電壓儲存。

在本實施例中，能量採集系統100在進行能量儲存時，主要係分成兩個階段：追蹤階段及儲能階段。能量採集系統100首先會進行追蹤階段，在此階段中，能量採集系統100會藉由功率點追蹤單元4追蹤出一個對應能量採集單元1的最大功率點，且在找到該最大功率點後，能量採集系統100進入儲能階段，以電力訊號Ve為最大功率時的電壓進行轉換及儲存，如此將可提高能量採集單元1的採集效率及縮短儲能單元5的充電時間。

接著，詳細說明各個電路方塊的內部電路組成，及在追蹤及儲能兩階段下各個電路的運作。

配合參閱圖2，本實施例之電流追蹤模組31具有一電流偵測電路311、一第一開關電路312、一第一開關Q1、一第一二極體D1及一第一電阻R1。

電流偵測電路311具有一耦接於能量採集單元1的輸入端及一輸出端，用以偵測能量採集單元1所轉換出電力訊號Ve的電流；第一開關電路312具有一耦接於電流偵測電路311的輸出端的第一端312a，及一耦接於第一二極體D1的陽極的第二端312b；第一開關Q1具有一耦接於第一開關電路312的第一端312a的第一端、一接地的第二端及一接收一追蹤訊號Vtrace的控制端；第一電阻R1耦接於第一開關Q1的控制端及地之間，用以在第一開關Q1的控制端與地之間產生壓降；第一二極體D1的陰極則耦接於邊界控制模組32及脈衝頻率調變調節器4，用以防止邊界控制模組32或是脈衝頻率調變調節器4有逆電流(adverse current)流進能量採集單元1，造成能量採集單元1的破壞。

在能量採集系統100為追蹤階段時，第一開關電路312會為一開路狀態，使得能量採集單元1、電流偵測電路311及第一開關Q1為一個獨立的迴路，在此階段中，電流偵測電路311會偵測電力訊號Ve的電流並將其偵測結果傳送至微控制器2的計算模組22，且微控制器2的電壓偵測模組21會偵測第一開關電路312的第一端312a的電壓(即電力訊號Ve的電壓)，並將其轉換為數位的訊號傳送至計算模組22，因此，透過電流偵測電路311及電壓偵測模組21的取樣，計算模組22可以得到電力訊號Ve的電流與電壓。

然而，本實施例之追蹤訊號Vtrace係從一低準位漸漸上升至一高準位，使得第一開關Q1從一關閉狀態(或是接近關閉狀態)漸漸開啟，而第一開關Q1的等效阻值則會由大漸漸變小。從能量採集單元1的角度來說，第一開關Q1係為能量採集單元1的負載，因此，能量採集單元1轉換出的電力訊號Ve的電流及電壓會隨著第一開關Q1的等效阻值變化而改變，故將第一開關Q1的等效阻值由大漸漸變小，則記算模組22可以得到能量採集單元1在不同的負載下轉換出的電力訊號Ve的電流與電壓，並藉由這些資料描繪出一電流-電壓分部圖(I-V curve)，如圖3所示。

參閱圖3，X軸為電力訊號Ve的電壓且Y軸(左)為電力訊號Ve的電流，電流-電壓曲線L1係由計算模組22所得到的各個電流及其對應的電壓描繪而成，而將各個電流及其對應的電壓相乘後可得到電力訊號Ve的功率，如Y軸(右)所示，功率曲線L2即是由各個功率值描繪而成。由功率曲線L2可知，本實施例之能量採集單元1的最大功率點即出現在電力訊號Ve的電壓為5V且對應的電流約為68mA。

因此，在計算模組22找到能量採集單元1的最大功率點後，能量採集系統100會進入儲能階段。在此階段中，第一開關電路312會為一短路狀態，追蹤訊號Vtrace會將第一開關Q1關閉，使得能量採集單元1轉換出的電力訊號Ve會透過電流偵測電路311、第一開關電路312及第一二極體D1傳送至邊界控制模組32及脈衝頻率調變調節器4。

在本實施例中，能量採集系統100還包含一耦接於微控制器2及電流追蹤模組31之間的數位類比轉換器(DAC)6，且微控制器2還具有一訊號產生器23，在追蹤階段時，微控制器2的訊號產生器23會產生數位形式的追蹤控制訊號Vtc並將其傳送至數位類比轉換器6，數位類比轉換器6再將該追蹤控制訊號Vtc轉換成類比形式的追蹤訊號Vtrace，使其控制第一開關Q1的等效阻值。值得一提的是，訊號產生器23可以根據使用者的設定而產生不同的追蹤控制訊號Vtc，而本實施例所產生的追蹤控制訊號Vtc係控制追蹤訊號Vtrace從低電壓準位上升至高電壓準位。且，數位類比轉換器6可以為獨立的晶片，也可以內建於微控制器2中，故皆不以本實施例為限。

此外，電力訊號Ve的電壓值通常為15V(或更高)，但是在系統電路中所使用的供應電力通常為3.3V或5V。因此，為了使電力訊號Ve可完全地通過第一開關電路312而傳送至邊界控制模組32及脈衝頻率調變調節器4，本實施例之第一開關電路312具有一第二開關Q2、一第三開關Q3、一第二電阻R2及一第三電阻R3，且微控制器2還具有一控制模組24。

第二開關Q2具有一耦接於電流偵測電路311之輸出端的第一端(即第一開關電路312的第一端312a)、一耦接於邊界控制模組32的第二端(即第一開關電路312的第二端312b)及一控制端；第三開關Q3具有一耦接於第二開關Q2之控制端的第一端、一接地的第二端及一耦接於控制模組24的控制端；第二電阻R2耦接於第二開關Q2的第一端及第三開關Q3的第一端之間，用以在該兩點間產生壓降；第三電阻R3耦接於第三開關Q3的控制端與地之間，用以在該兩點間產生壓降。

當第三開關Q3為開啟時，第二開關Q2的控制端會接地而關閉，此時第一開關電路312進入開路狀態；當第一開關電路312欲從開路狀態切換為短路狀態時，第三開關Q3會為關閉，則15V的電力訊號Ve會對第二開關Q2的控制端充電而使第二開關Q2開啟，使得第一開關電路312進入短路狀態。值得一提的是，第三開關Q3的開啟或關閉係由控制模組24控制，控制模組24會在追蹤訊號Vtrace從低電壓準位上升至高電壓準位後，將第三開關Q3關閉而使第一開關電路312進入短路狀態，能量採集系統100將進入儲能階段。

在能量採集系統100會進入儲能階段後，邊界控制模組32可以接收到能量採集單元1所轉換出的電力訊號Ve。參閱圖4，邊界控制模組32具有一分壓器321、一第一可變電阻VR1、一第二可變電阻VR2、一電位器322及一遲滯緩衝器323。分壓器321接收能量採集單元1所轉換出的電力訊號Ve並將其分壓輸出至遲滯緩衝器323；第一可變電阻VR1及第二可變電阻VR2受電位器322控制而改變其電阻值且分別控制遲滯緩衝器323的一遲滯區間，其中第一可變電阻VR1係控制該遲滯區間的一上邊界，第二可變電阻VR2係控制該遲滯區間的一下邊界；遲滯緩衝器323根據第一可變電阻VR1及第二可變電阻VR2將分壓器321之輸出電壓控制在該遲滯區間內而產生切換控制電壓Vswitch。

在本實施例中，電位器322係受微控制器2的控制模組24控制，控制模組24會根據計算模組22計算出的電力訊號Ve為最大功率時的電壓(本實施例為5V)，控制電位器322去改變第一可變電阻VR1及第二可變電阻VR2的阻值，進而決定出遲滯緩衝器323的遲滯區間。而本實施例係設定電力訊號Ve在其為最大功率時的電壓的±10%之間變動，即遲滯區間的上邊界及下邊界分別為5.5V及4.5V，且分壓器321會將電力訊號Ve分壓在電力訊號Ve為最大功率時的電壓，因此，遲滯緩衝器323所產生的切換控制電壓Vswitch會在4.5V~5.5V之間變動。

參閱圖5，脈衝頻率調變調節器4具有一調節電容Cr、一第二開關電路41、一隔離電感Lr及一第二二極體D2。調節電容Cr具有一接收能量採集單元1所轉換出的電力訊號Ve的第一端及一接地的第二端；第二開關電路41具有一耦接於調節電容Cr的第一端的第一端41a及一第二端41b；隔離電感Lr耦接於第二開關電路41的第二端41b與儲能單元5之間；第二二極體D2耦接於第二開關電路的第二端41b與地之間，用以逆電流回流至能量採集單元1。

第二開關電路41係根據邊界控制模組32產生的切換控制電壓Vswitch而在一開路狀態及一短路狀態切換，以控制電力訊號Ve在4.5V~5.5V之間變化。且當第二開關電路41為開路狀態時，調節電容Cr對電力訊號Ve進行儲能；當第二開關電路41為短路狀態時，調節電容Cr與隔離電感Lr係對電力訊號Ve進行轉換並將轉換後之電壓傳送至儲能單元5。

在本實施例中，第二開關電路41同樣是為了使電力訊號Ve可完全地通過第二開關電路41而傳送至儲能單元5，故其中具有一第四開關Q4、一第五開關Q5、一第六開關Q6、一拉升二極體Dp、一第四電阻R4及一第五電阻R5。

第四開關Q4具有一耦接於調節電容Cr的第一端的第一端(即第二開關電路41的第一端41a)、一耦接於隔離電感Lr的第二端(即第二開關電路41的第二端41b)及一控制端；第五開關Q5具有一耦接於第四開關Q4的控制端的第一端、一接地的第二端及一控制端；第六開關Q6具有一耦接於一供應電力(3.3V)的第一端、一第二端及一耦接於第五開關Q5的控制端的控制端；拉升二極體Dp的陽極耦接於第六開關Q6的第二端，且陰極耦接於第四開關Q4的控制端；第四電阻R4耦接於拉升二極體Dp的陰極及第四開關Q4的第一端之間，用以在該兩點間產生壓降；第五電阻R5耦接於第五開關Q5的控制端與地之間，用以在該兩點間產生壓降。

本實施例之第四開關Q4及第六開關Q6為P型電晶體(PMOS)，而第五開關Q5為N型電晶體(NMOS)，且第五開關Q5及第六開關Q6係受邊界控制模組32產生的切換控制電壓Vswitch控制。當第五開關Q5為開啟且第六開關Q6為關閉時，第四開關Q4的控制端會接地而關閉，此時第二開關電路41進入開路狀態；當第二開關電路41欲從開路狀態切換為短路狀態時，第五開關Q5會為關閉且第六開關Q6為開啟，同樣地，15V的電力訊號Ve會對第四開關Q4的控制端充電而使第四開關Q4開啟，值得注意的是，第六開關Q6開啟後會連帶開啟拉升二極體Dp，使得第四開關Q4的控制端的電壓會更快地拉升至3.3V(供應電力)，因此，第二開關電路41將可迅速地進入短路狀態。

因此，在脈衝頻率調變調節器4將電力訊號Ve轉換後，會傳送至儲能單元5加以儲存。參閱圖6，儲能單元5具有三個儲能模組51，且三個儲能模組51分別具有一儲能元件SC0、SC1及SC2，在本實施例中，每個儲能元件SC0、SC1及SC2皆為超級電容(supercapacitor)。

在各個儲能模組51中，皆還具有一第一功率開關電路52、一第二功率開關電路53、一第三功率開關電路54及一電流偵測器55。由於每個儲能模組51中的電路皆相同，因此，以下將以具有儲能元件SC0之儲能模組51為例說明。

配合參閱圖7，第一功率開關電路52具有一接收脈衝頻率調變調節器的輸出電壓的第一端52a及一第二端52b；電流偵測器55耦接於第一功率開關電路52的第二端52b與儲能元件SC0之間，用以偵測儲能元件SC0進行儲能或釋能時的電流；儲能元件SC0耦接於電流偵測器55；第二功率開關電路53具有一耦接於第一功率開關電路52的第二端52b的第一端53a及一第二端53b；第三功率開關電路54具有一耦接於第一功率開關電路52的第二端52b的第一端54a及一第二端54b。

當第一功率開關電路52為一短路狀態時，經過脈衝頻率調變調節器4將電力訊號Ve轉換後的電壓可對儲能元件SC0進行儲能；當第二功率開關電路53及第三功率開關電路54其中至少一為一短路狀態時，儲能元件SC0藉由第二功率開關電路53或第三功率開關電路54進行釋能而由第二功率開關電路53的第二端53b輸出一第一電壓V0或由第三功率開關電路54的第二端54b輸出一第二電壓V1。

特別說明的是，微控制器2會控制第一功率開關電路52、第二功率開關電路53及第三功率開關電路54分別在一開路狀態及短路狀態之間切換，且第一功率開關電路52為短路狀態時，第二功率開關電路53及第三功率開關電路54需皆為開路狀態，才能使儲能元件SC0進行儲能；同樣地，第二功率開關電路53及第三功率開關電路54其中至少一為短路狀態時，第一功率開關電路52需為開路狀態，儲能元件SC0才能正常釋能。

如同上述的概念，為了使脈衝頻率調變調節器4轉換後的電壓可完全地通過第一功率開關電路52而對儲能元件SC0進行儲能，本實施例之第一功率開關電路52具有一第七開關Q7、一第八開關Q8、一第九開關Q9、一第六電阻R6及一第七電阻R7。

第七開關Q7具有一第一端、一接地的第二端及一耦接於控制模組24的控制端；第八開關Q8具有一耦接於第七開關Q7的第一端的第一端、一第二端及一耦接於第七開關Q7的第一端的控制端；第九開關Q9具有一接收脈衝頻率調變調節器4的輸出電壓且耦接於第八開關Q8的第一端的第一端(即第一功率開關電路52的第一端52a)、一耦接於電流偵測器55及第八開關Q8的第二端的第二端(即第一功率開關電路52的第二端52b)，及一耦接於第七開關Q7的控制端的控制端；第六電阻R6耦接於第七開關Q7的第一端及第八開關Q8的第一端之間，用以在該兩點間產生壓降；第七電阻R7耦接於第七開關Q7的控制端與地之間，用以在該兩點間產生壓降。

本實施例之第七開關Q7及第九開關Q9為N型電晶體(NMOS)，而第八開關Q8為P型電晶體(PMOS)，且第七開關Q7及第九開關Q9皆係受微控制器2的控制模組24所發出的一第一控制訊號VG1控制。當第七開關Q7及第九開關Q9為開啟時，第八開關Q8的控制端會接地而開啟，此時第一功率開關電路52進入短路狀態；當第七開關Q7及第九開關Q9為關閉時，脈衝頻率調變調節器4的輸出電壓會對第八開關Q8的控制端充電而使第八開關Q8關閉，使得第一功率開關電路52進入開路狀態。

第二功率開關電路53具有一第十開關Q10、一第十一開關Q11、一第十二開關Q12、一第八電阻R8及一第九電阻R9。第十開關Q10具有一第一端、一接地的第二端及一耦接於控制模組24的控制端；第十一開關Q11具有一耦接於第十開關Q10的第一端的第一端、一第二端及一耦接於第十開關Q10的第一端的控制端；第十二開關Q12具有一耦接於儲能元件SC0與第十一開關Q11的第一端的第一端(即第二功率開關電路53的第一端53a)、一耦接於第十一開關Q11的第二端的第二端(即第二功率開關電路53的第二端53b)，及一耦接於第十開關Q10的控制端的控制端；第八電阻R8耦接於第十開關Q10的第一端及第十一開關Q11的第一端之間，用以在該兩點間產生壓降；第九電阻R9耦接於第十開關Q10的控制端與地之間，用以在該兩點間產生壓降。

本實施例之第十開關Q10及第十二開關Q12為N型電晶體(NMOS)，而第十一開關Q11為P型電晶體(PMOS)，且第十開關Q10及第十二開關Q12皆係受微控制器2的控制模組24所發出的一第二控制訊號VG2控制。當第十開關Q10及第十二開關Q12為開啟時，第十一開關Q11的控制端會接地而開啟，此時第二功率開關電路53進入短路狀態；當第十開關Q10及第十二開關Q12為關閉時，脈衝頻率調變調節器4的輸出電壓會對第十一開關Q11的控制端充電而使第十一開關Q11關閉，使得第二功率開關電路53進入開路狀態。

第三功率開關電路54具有一第十三開關Q13、一第十四開關Q14、一第十五開關Q15、一第十電阻R10及一第十一電阻R11。第十三開關Q13具有一第一端、一接地的第二端及一耦接於控制模組24的控制端；第十四開關Q14具有一耦接於第十三開關Q13的第一端的第一端、一第二端及一耦接於第十三開關Q13的第一端的控制端；第十五開關Q15具有一耦接於儲能元件SC0與第十四開關Q14的第一端的第一端(即第三功率開關電路54的第一端54a)、一耦接於第十四開關Q14的第二端的第二端(即第三功率開關電路54的第一端54b)，及一耦接於第十三開關Q13的控制端的控制端；第十電阻R10耦接於第十三開關Q13的第一端及第十四開關Q14的第一端之間，用以在該兩點間產生壓降；第十一電阻R11耦接於第十三開關Q13的控制端與地之間，用以在該兩點間產生壓降。

本實施例之第十三開關Q13及第十五開關Q15為N型電晶體(NMOS)，而第十四開關Q14為P型電晶體(PMOS)，且第十三開關Q13及第十五開關Q15皆係受微控制器2的控制模組24所發出的一第三控制訊號VG3控制。當第十三開關Q13及第十五開關Q15為開啟時，第十四開關Q14的控制端會接地而開啟，此時第三功率開關電路54進入短路狀態；當第十三開關Q13及第十五開關Q15為關閉時，脈衝頻率調變調節器4的輸出電壓會對第十四開關Q14的控制端充電而使第十四開關Q14關閉，使得第三功率開關電路54進入開路狀態。

因此，參閱圖6，藉由各個儲能模組51中第一功率開關電路52、第二功率開關電路53及第三功率開關電路54的相互配合，儲能單元SC0、SC1及SC2可以達到其中一個儲能元件在儲能時，其中另一個儲能元件在釋能之功效，且儲能元件SC0、SC1及SC2的數量並不以三個為限。

參閱圖1，本實施例之能量採集系統100還包含一耦接於儲能單元5的電壓調節單元7，用以將儲能單元5所輸出的電壓進行轉換後產生供應電源，以供應給後端的設備使用。為了使本實施例之能量採集系統100能夠供應兩種不同電壓值的供應電源，電壓調節單元7包括有一第一電壓調節器71及一第二電壓調節器72，如圖8所示。

第一電壓調節器71耦接於第二功率開關電路53的第二端53b，用以接收儲能元件SC0所輸出的第一電壓V0並將其轉換後輸出一第一供應電源VS1；第二電壓調節器72耦接於第三功率開關電路54的第二端54b，用以接收儲能元件SC0所輸出的第二電壓V1並將其轉換後輸出一第二供應電源VS2。在本實施例中，第一供應電源VS1的電壓值為3.3V，第二供應電源VS2的電壓值為4.2V，此外，本實施例之能量採集系統100也可以只輸出一個供應電源，在這樣的情況下，電壓調節單元7中只需包括第一電壓調節器71及第二電壓調節器72其中之一，且對應儲能單元5中每個儲能模組51也僅需第二功率開關電路53及第三功率開關電路54其中之一即可。

由上述可知，能量採集系統100在進行能量儲存時，會先進入追蹤階段，以找到對應能量採集單元1的最大功率點，且在找到最大功率點後進入儲能階段。因此，在儲能階段時，微控制器2中的電壓偵測模組21、計算模組22及訊號產生器23皆不會執行任何動作，故為了節省微控制器2的功率消耗，較佳地係將電壓偵測模組21、計算模組22及訊號產生器23關閉，而使微控制器2進入一休眠模式。

參閱圖1，本實施例之能量採集系統100還包含一耦接於微控制器2的喚醒單元8，用以將微控制器2從休眠模式喚醒至一運作模式，在此所述的運作模式是指微控制器2中電壓偵測模組21、計算模組22、訊號產生器23、控制模組24等電路皆為正常運作之狀態。

配合參閱圖9，喚醒單元8包括一耦接於微控制器2的喚醒電容Cw及一與喚醒電容Cw並聯的喚醒電阻Rw，且微控制器2還具有一喚醒偵測模組25。在微控制器2為休眠狀態時，喚醒電容Cw會對喚醒電阻Rw放電，且同一時間，微控制器2的喚醒偵測模組25會偵測喚醒電容Cw中所儲存之電壓，當喚醒電容Cw所儲存之電壓低於一預設值時，則喚醒偵測模組25會告知控制模組24，使得控制模組24將電壓偵測模組21、計算模組22及訊號產生器23開啟而進入運作模式。

換言之，在微控制器2為休眠狀態時，喚醒偵測模組25及控制模組24必須保持正常的運作，以在喚醒電容Cw所儲存之電壓低於預設值時，切換微控制器2為運作模式。然而，在本實施例中，喚醒電容Cw與喚醒電阻Rw的時間常數係設定為10秒，也就是說，微控制器2會在休眠模式維持10秒後切換為運作模式，且由於能量採集單元1會受天氣、溫度等外界因素而改變其最大功率點的位置，因此，微控制器2在進入運作模式後，功率點追蹤單元3會重新尋找一次當時能量採集單元1的最大功率點，且在找到新的最大功率點後，微控制器2會控制能量採集單元1以新的最大功率點對儲能單元5進行儲能，此時，微控制器2會再次進入休眠模式。

特別說明的是，微控制器2在運作模式時，會將喚醒單元8中的喚醒電容Cw充滿，使得每次微控制器2進入休眠模式時，喚醒電容Cw與喚醒電阻Rw的時間常數可為一定值。再者，喚醒電阻Rw為一可變電阻，以供使用者根據不同的需求改變喚醒電容Cw與喚醒電阻Rw的時間常數。

綜上所述，本發明之能量採集系統100係藉由功率點追蹤單元3找出對應能量採集單元1的最大功率點，因此，並不會受限使用於單一個或單一類型的能量採集單元1，且微控制器2會控制電力訊號Ve以最大功率時的電壓對儲能單元5進行儲能，以提高能量採集單元1的採集效率及縮短儲能單元5的充電時間。

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，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

100．．．能量採集系統

1．．．能量採集單元

2．．．微控制器

21．．．電壓偵測模組

22．．．計算模組

23．．．訊號產生器

24．．．控制模組

25．．．喚醒偵測模組

3．．．功率點追蹤單元

31．．．電流追蹤模組

311．．．電流偵測電路

312．．．第一開關電路

312a．．．第一端

312b．．．第二端

32．．．邊界控制模組

321．．．分壓器

322．．．電位器

323．．．遲滯緩衝器

4．．．脈衝頻率調變調節器

41．．．第二開關電路

41a．．．第一端

41b．．．第二端

5．．．儲能單元

51．．．儲能模組

52．．．第一功率開關電路

52a．．．第一端

52b．．．第二端

53．．．第二功率開關電路

53a．．．第一端

53b．．．第二端

54．．．第三功率開關電路

54a．．．第一端

54b．．．第二端

55．．．電流偵測器

6．．．數位類比轉換器

7．．．電壓調節單元

71．．．第一電壓調節器

72．．．第二電壓調節器

8．．．喚醒單元

圖1是一電路方塊圖，說明本發明能量採集系統之較佳實施例；

圖2是一電路圖，說明本實施例之電流追蹤模組的內部電路；

圖3是一波型圖，說明本實施例之計算模組所描繪出的電流-電壓分布，其中L1為電力訊號的電流-電壓曲線，L2為電力訊號的功率曲線；

圖4是一電路圖，說明本實施例之邊界控制模組的內部電路；

圖5是一電路圖，說明本實施例之脈衝頻率調變調節器的內部電路；

圖6是一電路圖，說明本實施例之儲能單元的內部電路；

圖7是一電路圖，說明本實施例之儲能單元中其中一儲能模組的內部電路；

圖8是一電路圖，說明本實施例之電壓調節單元的內部電路；及

圖9是一電路圖，說明本實施例之喚醒單元的內部電路。

100．．．能量採集系統

1．．．能量採集單元

2．．．微控制器

21．．．電壓偵測模組

22．．．計算模組

23．．．訊號產生器

24．．．控制模組

25．．．喚醒偵測模組

3．．．功率點追蹤單元

31．．．電流追蹤模組

32．．．邊界控制模組

4．．．脈衝頻率調變調節器

5．．．儲能單元

6．．．數位類比轉換器

7．．．電壓調節單元

8．．．喚醒單元

Claims (17)

1. 一種能量採集系統，係採集一自然能源並將其轉換後加以儲存，該能量採集系統包含：一能量採集單元，接收該自然能源並將其轉換成一電力訊號；一微控制器，耦接於該能量採集單元且具有一用以取樣出該電力訊號的電壓的電壓偵測模組及一計算模組；一功率點追蹤單元，包括一電流追蹤模組，該電流追蹤模組耦接於該能量採集單元，用以取樣出該電力訊號的電流，該計算模組根據該電流追蹤模組取樣出的電流及該電壓偵測模組取樣出的電壓計算出對應該能量採集單元之一最大功率點，該邊界控制模組根據該最大功率點產生一切換控制電壓；一儲能單元；及一脈衝頻率調變調節器，耦接於該能量採集單元、該功率點追蹤單元及該儲能單元，該儲能單元用以儲存該脈衝頻率調變調節器輸出的電壓，該脈衝頻率調變調節器根據該切換控制電壓將該電力訊號進行轉換，使得該電力訊號與儲存於該儲能單元之電壓的功率相同。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之能量採集系統，其中，該電流追蹤模組具有一電流偵測電路、一第一開關電路及一第一開關，該電流偵測電路具有一耦接於該能量採集單元的輸入端及一輸出端，該第一開關電路耦接於該電流偵測電路的輸出端，該第一開關的一端耦接於該電流偵測電路的輸出端且另一端接地，當該第一開關電路為一開路狀態，該電流偵測電路根據該第一開關的等效電阻偵測該電力訊號的電流，且該電壓偵測模組偵測該電力訊號的電壓，該計算模組根據該電流偵測電路偵測的電流及該電壓偵測模組偵測的電壓計算出該最大功率點，當該第一開關電路為一短路狀態，該邊界控制模組根據該最大功率點產生該切換控制電壓。
3. 依據申請專利範圍第2項所述之能量採集系統，其中，該邊界控制模組具有一分壓器、一第一可變電阻、一第二可變電阻、一電位器及一遲滯緩衝器，該分壓器接收該電力訊號並將其分壓輸出至該遲滯緩衝器，該第一可變電阻及該第二可變電阻受該電位器控制而改變其電阻值且分別控制該遲滯緩衝器的一遲滯區間，該遲滯緩衝器根據該第一可變電阻及該第二可變電阻將該分壓器之輸出電壓控制在該遲滯區間內而產生該切換控制電壓。
4. 依據申請專利範圍第3項所述之能量採集系統，其中，該第一開關電路具有一第二開關及一第三開關，該第二開關具有一耦接於該電流偵測電路之輸出端的第一端、一耦接於該邊界控制模組的第二端及一控制端，該第三開關具有一耦接於該第二開關之控制端的第一端、一接地的第二端及一耦接於該微控制器的控制端。
5. 依據申請專利範圍第1至4項中任一項所述之能量採集系統，其中，該脈衝頻率調變調節器具有一調節電容、一第二開關電路及一隔離電感，該調節電容具有一接收該電力訊號的第一端及一接地的第二端，該第二開關電路的一端耦接於該調節電容的第一端，該隔離電感耦接於該第二開關電路的另一端與該儲能單元之間，該第二開關電路根據該切換控制電壓而在一開路狀態及一短路狀態切換，當該第二開關電路為開路狀態，該調節電容對該電力訊號進行儲能，當該第二開關電路為短路狀態，該調節電容與該隔離電感對該電力訊號進行轉換並將轉換後之電壓傳送至該儲能單元。
6. 依據申請專利範圍第5項所述之能量採集系統，其中，該第二開關電路具有：一第四開關，具有一耦接於該調節電容接收該電力訊號的一端的第一端、一耦接於該隔離電感的第二端及一控制端；一第五開關，具有一耦接於該第四開關的控制端的第一端、一接地的第二端及一控制端；一第六開關，具有一耦接於一供應電力的第一端、一第二端及一耦接於該第五開關的控制端的控制端；及一拉升二極體，其陽極耦接於該第六開關的第二端，且陰極耦接於該第四開關的控制端。
7. 依據申請專利範圍第1至4項中任一項所述之能量採集系統，其中，該儲能單元包括一第一功率開關電路、一儲能元件及一第二功率開關電路，該第一功率開關電路的一端接收該脈衝頻率調變調節器的輸出電壓，該儲能元件耦接於該第一功率開關電路的另一端，該第二功率開關電路的一端耦接於該第一功率開關電路的另一端，當第一功率開關電路為一短路狀態，該儲能元件進行儲能，當第二功率開關電路為一短路狀態，該儲能元件進行釋能。
8. 依據申請專利範圍第7項所述之能量採集系統，其中，該儲能單元還包括一第三功率開關電路，該第三功率開關電路的一端耦接於該第一功率開關電路的另一端，當第三功率開關電路為一短路狀態，該儲能元件進行釋能。
9. 依據申請專利範圍第8項所述之能量採集系統，其中，該儲能單元還包括一耦接於該第一功率開關電路的另一端與該儲能元件之間的電流偵測器，用以偵測該儲能元件進行儲能或釋能時的電流。
10. 依據申請專利範圍第9項所述之能量採集系統，其中，該第一功率開關電路具有一第七開關、一第八開關及一第九開關，該第七開關具有一第一端、一接地的第二端及一耦接於該微控制器的控制端，該第八開關具有一耦接於該第七開關的第一端的第一端、一第二端及一耦接於該第七開關的第一端的控制端，該第九開關具有一接收該脈衝頻率調變調節器的輸出電壓且耦接於該第八開關的第一端的第一端、一耦接於該儲能元件及該第八開關的第二端的第二端，及一耦接於該第七開關的控制端的控制端，該第七開關及該第九開關受該微控制器控制而使該第一功率開關電路進入該短路狀態。
11. 依據申請專利範圍第9項所述之能量採集系統，其中，該第二功率開關電路具有一第十開關、一第十一開關及一第十二開關，該第十開關具有一第一端、一接地的第二端及一耦接於該微控制器的控制端，該第十一開關具有一耦接於該第十開關的第一端的第一端、一第二端及一耦接於該第十開關的第一端的控制端，該第十二開關具有一耦接於該儲能元件與該第十一開關的第一端的第一端、一耦接於該第十一開關的第二端的第二端及一耦接於該第十開關的控制端的控制端，該第十開關及該第十二開關受該微控制器控制而使該第二功率開關電路進入該短路狀態。
12. 依據申請專利範圍第9項所述之能量採集系統，其中，該第三功率開關電路具有一第十三開關、一第十四開關及一第十五開關，該第十三開關具有一第一端、一接地的第二端及一耦接於該微控制器的控制端，該第十四開關具有一耦接於該第十三開關的第一端的第一端、一第二端及一耦接於該第十三開關的第一端的控制端，該第十五開關具有一耦接於該儲能元件與該第十四開關的第一端的第一端、一耦接於該第十四開關的第二端的第二端及一耦接於該第十三開關的控制端的控制端，該第十三開關及該第十五開關受該微控制器控制而使該第三功率開關電路進入該短路狀態。
13. 依據申請專利範圍第8項所述之能量採集系統，還包含一耦接於該儲能單元的電壓調節單元，用以將該儲能單元所輸出的電壓進行轉換後輸出。
14. 依據申請專利範圍第13項所述之能量採集系統，其中，該電壓調節單元包括一第一電壓調節器及一第二電壓調節器，該第一電壓調節器耦接於該第二功率開關電路的另一端，用以將該儲能元件所釋出的電壓升/降壓後輸出，該第二電壓調節器耦接於該第三功率開關電路的另一端，用以將該儲能元件所釋出的電壓升/降壓後輸出。
15. 依據申請專利範圍第1至4項中任一項所述之能量採集系統，還包含一耦接於該微控制器的喚醒單元，用以將該微控制器從一休眠模式喚醒至一運作模式，當該微控制器為該運作模式，該電流追蹤模組取樣出該電力訊號的電流及該電壓偵測模組取樣出該電力訊號的電壓。
16. 依據申請專利範圍第15項所述之能量採集系統，其中，該喚醒單元包括一耦接於該微控制器的喚醒電容及一與該喚醒電容並聯的喚醒電阻，當該喚醒電容對該喚醒電阻放電至該喚醒電容所儲存之電壓低於一預設值，該微控制器進入該運作模式。
17. 依據申請專利範圍第1項所述之能量採集系統，其中，該能量採集單元為一太陽能板。