TWI493317B - Solar power generation devices, solar power generation methods, maximum power Tracking module and maximum power tracking control method - Google Patents
Solar power generation devices, solar power generation methods, maximum power Tracking module and maximum power tracking control method Download PDFInfo
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- TWI493317B TWI493317B TW103110506A TW103110506A TWI493317B TW I493317 B TWI493317 B TW I493317B TW 103110506 A TW103110506 A TW 103110506A TW 103110506 A TW103110506 A TW 103110506A TW I493317 B TWI493317 B TW I493317B
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Description
本發明是有關於一種裝置、方法，及模組，特別是指一種太陽能發電裝置、太陽能發電方法、最大功率追蹤模組及最大功率追蹤控制方法。
隨著環保意識的抬高，綠色能源之一的太陽能在應用上逐漸受到重視。使用太陽能發電具有諸多優點：對環境的影響小、可作為永久性的能源、到處都有、一種清潔不會帶來污染的能源、不會增加地球的熱負荷等。近年來歐美等先進國家不斷投入太陽光發電設置，例如2010年全球太陽光發電新增設容量為16.5GW，其中德國設置量達7.4GW，為全球第一，其次為義大利、捷克、日本與美國，前五大市場共佔全球79%。2011年全球太陽光發電新增設容量為21.2GW。預估2014年全球太陽光發電新增設容量將達30GW。而台灣位處亞熱帶，一年四季常受到日照，使用太陽能發電應是值得考慮的方向。
因此，本發明之第一目的，即在提供一種能迅
速輸出一根據光電轉換輸出的電能中，產生最大輸出功率的電壓的太陽能發電裝置。
於是，本發明太陽能發電裝置，包含：一太陽能板模組，將太陽光進行光電轉換以產生一輸出電壓；一最大功率追蹤模組，包括：一控制力產生器，電連接該太陽能板模組以偵測該輸出電壓及相關該輸出電壓的一輸出電流，且計算該輸出電壓的一電壓誤差量及一功率誤差量，並代入一模糊規則庫運算以得到一控制訊號，該模糊規則庫的公式為：
其中，UFN
表示該控制訊號，xi
表示該電壓誤差量、功率誤差量，fAli
(xi
)表示xi
的歸屬函數，w表示補償該輸出電壓的一電壓增量，w1
表示該電壓增量的歸屬函數之重心，表示fAli
(xi
)之最大值對應到橫軸的值，表示調變fAli
(xi
)的斜率之參數，及一脈寬調變器，電連接該控制力產生器以接收該控制訊號，並經由調變輸出一責任週期正比於該控制訊號的一脈寬調變控制訊號；及一直流轉換器，電連接該太陽能板模組及該脈寬調變器以接收該輸出電壓、該脈寬調變控制訊號，且根據該脈寬調變控制訊號之責任週期來將該輸出電壓進行轉換以產生一轉換電壓。
本發明之第二目的，即在提供一種能迅速輸出一根據光電轉換輸出的電能中，產生最大輸出功率的電壓的太陽能發電方法。
於是，本發明太陽能發電方法，包含：(A)利用一太陽能板模組將太陽光進行光電轉換以產生一輸出電壓；(B)利用一最大功率追蹤模組偵測該輸出電壓及相關該輸出電壓的一輸出電流；(C)利用該最大功率追蹤模組計算該輸出電壓的一電壓誤差量及一功率誤差量，並代入一模糊規則庫運算以得到一控制訊號，該模糊規則庫的公式為：
其中，UFN
表示該控制訊號，xi
表示該電壓誤差量、功率誤差量，fAli
(xi
)表示xi
的歸屬函數，w表示補償該輸出電壓的一電壓增量，w1
表示該電壓增量的歸屬函數之重心，表示fAli
(xi
)之最大值對應到橫軸的值，表示調變fAli
(xi
)的斜率之參數；(D)利用該最大功率追蹤模組接收該控制訊號，並經由調變輸出一責任週期正比於該控制訊號的一脈寬調變控制訊號；及(E)利用一直流轉換器接收該輸出電壓、該脈寬調變控制訊號，且根據該脈寬調變控制訊號之責任週期來將該輸出電壓進行轉換以產生一轉換電壓。
本發明之第三目的，即在提供一種能迅速追蹤到，光電轉換中產生最大輸出功率的電壓的最大功率追蹤模組。
於是，本發明最大功率追蹤模組，包含：一控制力產生器，偵測來自一太陽能板模組的一輸出電壓及相關該輸出電壓的一輸出電流，且計算該輸出電壓的一電壓誤差量及一功率誤差量，並代入一模糊規則庫運算以得到一控制訊號，該模糊規則庫的公式為：
其中，UFN
表示該控制訊號，xi
表示該電壓誤差量、功率誤差量，fAli
(xi
)表示xi
的歸屬函數，w表示補償該輸出電壓的一電壓增量，w1
表示該電壓增量的歸屬函數之重心，表示fAli
(xi
)之最大值對應到橫軸的值，表示調變fAli
(xi
)的斜率之參數；及一脈寬調變器，電連接該控制力產生器以接收該控制訊號，並經由調變輸出一責任週期正比於該控制訊號的一脈寬調變控制訊號。
本發明之第四目的，即在提供一種能迅速追蹤到，光電轉換中產生最大輸出功率的電壓的最大功率追蹤控制方法。
於是，本發明最大功率追蹤控制方法，包含：(A)利用一控制力產生器偵測來自一太陽能板模組的一輸出電壓及相關該輸出電壓的一輸出電流；
(B)利用該控制力產生器計算該輸出電壓的一電壓誤差量及一功率誤差量，並代入一模糊規則庫運算以得到一控制訊號，該模糊規則庫的公式為：
其中，UFN
表示該控制訊號，xi
表示該電壓誤差量、功率誤差量，fAli
(xi
)表示xi
的歸屬函數，w表示補償該輸出電壓的一電壓增量，w1
表示該電壓增量的歸屬函數之重心，表示fAli
(xi
)之最大值對應到橫軸的值，表示調變fAli
(xi
)的斜率之參數；及(C)利用一脈寬調變器接收該控制訊號，並經由調變輸出一責任週期正比於該控制訊號的一脈寬調變控制訊號。
1‧‧‧太陽能板模組
2‧‧‧最大功率追蹤模組
21‧‧‧控制力產生器
22‧‧‧脈寬調變器
3‧‧‧直流轉換器
4‧‧‧負載
P‧‧‧輸出功率
VS
‧‧‧輸出電壓
IS
‧‧‧輸出電流
eV
(k)‧‧‧電壓誤差量
eP
(k)‧‧‧功率誤差量
△V(k)‧‧‧電壓增量
UFN
‧‧‧控制訊號
Vo
‧‧‧轉換電壓
A‧‧‧光電轉換步驟
B‧‧‧偵測步驟
C‧‧‧運算步驟
D‧‧‧調變步驟
E‧‧‧產生輸出步驟
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一方塊圖，說明本發明太陽能發電裝置之較佳實施例；圖2是一量測圖，說明使用不同的光源照度照射該較佳實施例的一太陽能板模組，產生的功率與對應的電壓變化；圖3是一示意圖，說明在該較佳實施例中，如何從一電壓誤差量與一功率誤差量判斷一電壓增量；及圖4是一流程圖，說明本發明太陽能發電方法之較佳
實施例。
參閱圖1，本發明太陽能發電裝置之較佳實施例將太陽光進行光電轉換成電能並供電給一負載4，且包含一太陽能板模組1、一最大功率追蹤模組2，及一直流轉換器3。
該太陽能板模組1用以將太陽光進行光電轉換以產生一輸出電壓VS
。
參閱圖2，本實施例使用20W的太陽能板模組1，當使用光源照度分別為276、731、1212、1585W/m2
照射該太陽能板模組1時，量測每一光源照度轉換成電能的輸出功率P與分別對應的輸出電壓VS
，則該太陽能板模組1在不同的光源照度時，量測到不同的最大功率點，分別對應到不同的輸出電壓VS
。
參閱圖1與圖3，該最大功率追蹤模組2包括一控制力產生器21，及一脈寬調變器(Pulse-Width Modulation,PWM)22。該控制力產生器21電連接該太陽能板模組1。該脈寬調變器22電連接該控制力產生器21。
尋找補償該太陽能板模組的輸出電壓VS
的電壓值，設一電壓誤差量為eV
(k)=Vs
(k)-Vs
(k-1)，Vs
(k-1)、Vs
(k)分別表示時間先後的該輸出電壓，一功率誤差量為eP
(k)=P(k)-P(k-1)，P(k-1)、P(k)分別表示時間先後的該輸出功率，補償該太陽能板模組1的輸出電壓VS
的一電壓增量為△V(k)，該輸出電壓VS
的輸出量為Vs
(k+1)=Vs
(k)+△
Vs
(k)。則該輸出電壓VS
的電壓增量△V(k)有以下四種狀態：
狀態(a)，當該電壓誤差量eV
(k)大於零、該功率誤差量eP
(k)大於零時，則該電壓增量△V(k)需大於零。
狀態(b)，當該電壓誤差量eV
(k)小於零、該功率誤差量eP
(k)小於零時，則該電壓增量△V(k)需大於零。
狀態(c)，當該電壓誤差量eV
(k)大於零、該功率誤差量eP
(k)小於零時，則該電壓增量△V(k)需小於零。
狀態(d)，當該電壓誤差量eV
(k)小於零、該功率誤差量eP
(k)大於零時，則該電壓增量△V(k)需小於零。
則從以上四種狀態的分析得知，由該電壓誤差量eV
(k)、該功率誤差量eP
(k)的狀態，判斷出該電壓增量△V(k)的狀態。
該直流轉換器3電連接該太陽能板模組1、該脈寬調變器22，及該負載4。
參閱圖1與圖4，該太陽能發電裝置執行一種太陽能發電方法，用以提供電能可達最大功率點的電壓給該負載4，該太陽能發電方法包含以下步驟：
步驟A：利用該太陽能板模組1將太陽光進行光電轉換以產生該輸出電壓VS
。
步驟B：利用該最大功率追蹤模組2偵測該輸出電壓VS
及相關該輸出電壓VS
的一輸出電流IS
。
步驟C：利用該最大功率追蹤模組2計算該輸出電壓VS
的電壓誤差量eV
(k)及該功率誤差量eP
(k)，並代
入一模糊規則庫運算以得到一控制訊號UFN
，該模糊規則庫的公式為：
其中，在本例中，n=2，x1
表示該電壓誤差量eV
(k)，x2
表示該功率誤差量eP
(k)，fAl1
(x1
)表示x1
的歸屬函數，fAl2
(x2
)表示x2
的歸屬函數，w表示由該電壓誤差量eV
(k)、該功率誤差量eP
(k)的狀態判斷出的該電壓增量△V(k)，w1
表示該電壓增量△V(k)的歸屬函數之重心，表示歸屬函數fAli
(xi
)之最大值對應到橫軸的值，表示調變歸屬函數fAli
(xi
)的斜率之參數，為方便計算定義P1
=fAl1
(x1
)×fAl2
(x2
)。
該步驟C的詳細作法為：參閱表1，在本例中，該模糊規則庫有25條規則，表示該電壓誤差量eV
(k)、該功率誤差量eP
(k)、與該電壓增量△V(k)配合產生的25種狀態。A11
為該電壓誤差量eV
(k)的模糊集合。A12
為該功率誤差量eP
(k)的模糊集合。B1
為該電壓增量△V(k)的模糊集合。fAl1
(xi
)為模糊集合A11
的歸屬函數，fAl2
(xi
)為模糊集合A12
的歸屬函數，且fAl1
(xi
)、fAl2
(xi)皆為一高斯歸屬函數。w1
為模糊集合B1
的歸屬函數之重心。
第一條規則：當x1
(eV
)為A11
，表示值為正且大PB1(Positive Big)，x2
(ep
)為A12
，表示值為正且大PB2，則w(△V)為B1
，表示值為正且大PB3，且P1
=fA11
(x1
)×fA12
(x2
)。
第二條規則：當x1
(eV
)為A21
，表示值為正且大PB1，x2
(ep
)為A22
，表示值為正且小PS2(Positive Small)，則w(△V)為B2
，表示值為正且大PB3，且P2
=fA21
(x1
)×fA22
(x2
)。
第三條規則：當x1
(eV
)為A31
，表示值為正且大PB1，x2
(ep
)為A32
，表示值為零ZE2(Zero)，則w(△V)為B3
，表示值為正且中PM3(Positive Middle)，且P3
=fA31
(x1
)×fA32
(x2
)。
第四條規則：當x1
(eV
)為A41
，表示值為正且大PB1，x2
(ep
)為A42
，表示值為負且小NS2(Negative Small)，則w(△V)為B4
，表示值為正且小PS3，且P4
=fA41
(x1
)×fA42
(x2
)。
第五條規則：當x1
(eV
)為A51
，表示值為正且大PB1，x2
(ep
)為A52
，表示值為負且大NB2(Negative Big)，則w(△V)為B5
，表示值為零ZE3，且P5
=fA51
(x1
)×fA52
(x2
)。
第六條規則：當x1
(eV
)為A61
，表示值為正且小PS1，x2
(ep
)為A62
，表示值為正且大PB2，則w(△V)為B6
，表示值為正且大PB3，且P6
=fA61
(x1
)×fA62
(x2
)。
第七條規則：當x1
(eV
)為A71
，表示值為正且小PS1，x2
(ep
)為A72
，表示值為正且小PS2，則w(△V)為B7
，表示值為正且中PM3，且P7
=fA71
(x1
)×fA72
(x2
)。
第八條規則：當x1
(eV
)為A81
，表示值為正且小PS1，x2
(ep
)為A82
，表示值為零ZE2，則w(△V)為B8
，表示值為正且小PS3，且P8
=fA81
(x1
)×fA82
(x2
)。
第九條規則：當x1
(eV
)為A91
，表示值為正且小PS1，x2
(ep
)為A92
，表示值為負且小NS2，則w(△V)為B9
，表示值為零ZE3，且P9
=fA91
(x1
)×fA92
(x2
)。
第十條規則：當x1
(eV
)為A101
，表示值為正且小PS1，x2
(ep
)為A102
，表示值為負且大NB2，則w(△V)為B10
，表示值為負且小NS3，且P10
=fA101
(x1
)×fA102
(x2
)。
第十一條規則：當x1
(eV
)為A111
，表示值為零ZE1，x2
(ep
)為A112
，表示值為正且大PB2，則w(△V)為B11
，表示值為正且中PM3，且P11
=fA111
(x1
)×fA112
(x2
)。
第十二條規則：當x1
(eV
)為A121
，表示值為零ZE1，x2
(ep
)為A122
，表示值為正且小PS2，則w(△V)為B12
，表示值為正且小PS3，且P12
=fA121
(x1
)×fA122
(x2
)。
第十三條規則：當x1
(eV
)為A131
，表示值為零ZE1，x2
(ep
)為A132
，表示值為零ZE2，則w(△V)為B13
，表示值為零ZE3，且P13
=fA131
(x1
)×fA132
(x2
)。
第十四條規則：當x1
(eV
)為A141
，表示值為零ZE1，x2
(ep
)為A142
，表示值為負且小NS2，則w(△V)為B14
，表示值為負且小NS3，且P14
=fA141
(x1
)×fA142
(x2
)。
第十五條規則：當x1
(eV
)為A151
，表示值為零ZE1，x2
(ep
)為A152
，表示值為負且大NB2，則w(△V)為B15
，表示值為負且中NM3(Negative Middle)，且P15
=fA151
(x1
)×
fA152
(x2
)。
第十六條規則：當x1
(eV
)為A161
，表示值為負且小NS1，x2
(ep
)為A162
，表示值為正且大PB2，則w(△V)為B16
，表示值為正且小PS3，且P16
=fA161
(x1
)×fA162
(x2
)。
第十七條規則：當x1
(eV
)為A171
，表示值為負且小NS1，x2
(ep
)為A172
，表示值為正且小PS2，則w(△V)為B17
，表示值為零ZE3，且P17
=fA171
(x1
)×fA172
(x2
)。
第十八條規則：當x1
(eV
)為A181
，表示值為負且小NS1，x2
(ep
)為A182
，表示值為零ZE2，則w(△V)為B18
，表示值為負且小NS3，且P18
=fA181
(x1
)×fA182
(x2
)。
第十九條規則：當x1
(eV
)為A191
，表示值為負且小NS1，x2
(ep
)為A192
，表示值為負且小NS2，則w(△V)為B19
，表示值為負且中NM3，且P19
=fA191
(x1
)×fA192
(x2
)。
第二十條規則：當x1
(eV
)為A201
，表示值為負且小NS1，x2
(ep
)為A202
，表示值為負且大NB2，則w(△V)為B20
，表示值為負且大NB3，且P20
=fA201
(x1
)×fA202
(x2
)。
第二十一條規則：當x1
(eV
)為A211
，表示值為負且大NB1，x2
(ep
)為A212
，表示值為正且大PB2，則w(△V)為B21
，表示值為零ZE3，且P21
=fA211
(x1
)×fA212
(x2
)。
第二十二條規則：當x1
(eV
)為A221
，表示值為負且大NB1，x2
(ep
)為A222
，表示值為正且小PS2，則w(△V)為B22
，表示值為負且小NS3，且P22
=fA221
(x1
)×fA222
(x2
)。
第二十三條規則：當x1
(eV
)為A231
，表示值為負且大NB1，x2
(ep
)為A232
，表示值為零ZE2，則w(△V)為
B23
，表示值為負且中NM3，且P23
=fA231
(x1
)×fA232
(x2
)。
第二十四條規則：當x1
(eV
)為A241
，表示值為負且大NB1，x2
(ep
)為A242
，表示值為負且小NS2，則w(△V)為B24
，表示值為負且大NB3，且P24
=fA241
(x1
)×fA242
(x2
)。
第二十五條規則：當x1
(eV
)為A251
，表示值為負且大NB1，x2
(ep
)為A252
，表示值為負且大NB2，則w(△V)為B25
，表示值為負且大NB3，且P25
=fA251
(x1
)×fA252
(x2
)。
參閱圖1與表1，利用該控制力產生器21持續偵測該太陽能板模組1輸出的該輸出電壓VS
及其相對應的該輸出電流IS
，計算每一輸出的電壓誤差量eV
(k)及功率誤差量eP
(k)，並代入公式1與公式2以得到相對的每一控制訊號UFN
，使用公式1與公式2運算過程簡單、迅速，能迅速得到該控制訊號UFN
。
步驟D：參閱圖1與圖4，利用該脈寬調變器22接收該控制訊號UFN
，並經由調變輸出一責任週期正比於該控制訊號UFN
的一脈寬調變控制訊號。當該控制訊號UFN
的值越大時，該脈寬調變控制訊號的責任週期越大；當該控制訊號UFN
的值越小時，該脈寬調變控制訊號的責任週期越小。
步驟E：利用該直流轉換器3接收該輸出電壓VS
、該脈寬調變控制訊號，且根據該脈寬調變控制訊號之責任週期來將該輸出電壓VS
進行轉換以產生一轉換電壓VO
，並輸出給該負載4。
綜上所述，上述該較佳實施例利用該最大功率
追蹤模組2將偵測且運算出的電壓誤差量eV
(k)及功率誤差量eP
(k)代入該等模糊規則庫的公式(1)、(2)運算，並輸出該脈寬調變控制訊號，再利用該直流轉換器3接收該輸出電壓VS
、該脈寬調變控制訊號，據以產生該轉換電壓VO
，因運算過程簡單、迅速，能讓該負載4迅速接收能產生最大功率點的該轉換電壓VO
，故確實能達成本發明之目的。
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專利說明書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。
1‧‧‧太陽能板模組
2‧‧‧最大功率追蹤模組
21‧‧‧控制力產生器
22‧‧‧脈寬調變器
3‧‧‧直流轉換器
4‧‧‧負載
VS
‧‧‧輸出電壓
IS
‧‧‧輸出電流
UFN
‧‧‧控制訊號
Vo
‧‧‧轉換電壓
Claims (10)
- 一種太陽能發電裝置，包含：一太陽能板模組，將太陽光進行光電轉換以產生一輸出電壓；一最大功率追蹤模組，包括：一控制力產生器，電連接該太陽能板模組以偵測該輸出電壓及相關該輸出電壓的一輸出電流，且計算該輸出電壓的一電壓誤差量及一功率誤差量，並代入一模糊規則庫運算以得到一控制訊號，該模糊規則庫的公式為：
- 如請求項1所述的太陽能發電裝置，其中，該電壓誤差量、該功率誤差量的公式為：eV (k)=Vs (k)-Vs (k-1) ep (k)=P(k)-P(k-1)其中，eV (k)表示該電壓誤差量，Vs (k-1)、Vs (k)分別表示時間先後的該輸出電壓，ep (k)表示該功率誤差量，P(k-1)、P(k)分別表示時間先後的該輸出功率。
- 如請求項1所述的太陽能發電裝置，其中，該電壓誤差量、該功率誤差量，及該電壓增量有以下四種狀態：狀態一：當該電壓誤差量大於零、該功率誤差量大於零時，則該電壓增量需大於零；狀態二：當該電壓誤差量小於零、該功率誤差量小於零時，則該電壓增量需大於零；狀態三：當該電壓誤差量大於零、該功率誤差量小於零時，則該電壓增量需小於零；及狀態四：當該電壓誤差量小於零、該功率誤差量大於零時，則該電壓增量需小於零。
- 一種太陽能發電方法，包含：(A)利用一太陽能板模組將太陽光進行光電轉換以產生一輸出電壓；(B)利用一最大功率追蹤模組偵測該輸出電壓及相關該輸出電壓的一輸出電流；(C)利用該最大功率追蹤模組計算該輸出電壓的一 電壓誤差量及一功率誤差量，並代入一模糊規則庫運算以得到一控制訊號，該模糊規則庫的公式為：
- 如請求項4所述的太陽能發電方法，其中，該電壓誤差量、該功率誤差量的公式為：eV (k)=Vs (k)-Vs (k-1) ep (k)=P(k)-P(k-1)其中，eV (k)表示該電壓誤差量，Vs (k-1)、Vs (k)分別表示時間先後的該輸出電壓，ep (k)表示該功率誤差量，P(k-1)、P(k)分別表示時間先後的該輸出功率。
- 如請求項4所述的太陽能發電方法，其中，該電壓誤差 量、該功率誤差量，及該電壓增量有以下四種狀態：狀態一：當該電壓誤差量大於零、該功率誤差量大於零時，則該電壓增量需大於零；狀態二：當該電壓誤差量小於零、該功率誤差量小於零時，則該電壓增量需大於零；狀態三：當該電壓誤差量大於零、該功率誤差量小於零時，則該電壓增量需小於零；及狀態四：當該電壓誤差量小於零、該功率誤差量大於零時，則該電壓增量需小於零。
- 一種最大功率追蹤模組，包含：一控制力產生器，偵測來自一太陽能板模組的一輸出電壓及相關該輸出電壓的一輸出電流，且計算該輸出電壓的一電壓誤差量及一功率誤差量，並代入一模糊規則庫運算以得到一控制訊號，該模糊規則庫的公式為：
- 如請求項7所述的最大功率追蹤模組，其中，該電壓誤差量、該功率誤差量的公式為：eV (k)=Vs (k)-Vs (k-1) ep (k)=P(k)-P(k-1)其中，eV (k)表示該電壓誤差量，Vs (k-1)、Vs (k)分別表示時間先後的該輸出電壓，ep (k)表示該功率誤差量，P(k-1)、P(k)分別表示時間先後的該輸出功率。
- 如請求項7所述的最大功率追蹤模組，其中，該電壓誤差量、該功率誤差量，及該電壓增量有以下四種狀態：狀態一：當該電壓誤差量大於零、該功率誤差量大於零時，則該電壓增量需大於零；狀態二：當該電壓誤差量小於零、該功率誤差量小於零時，則該電壓增量需大於零；狀態三：當該電壓誤差量大於零、該功率誤差量小於零時，則該電壓增量需小於零；及狀態四：當該電壓誤差量小於零、該功率誤差量大於零時，則該電壓增量需小於零。
- 一種最大功率追蹤控制方法，包含：(A)利用一控制力產生器偵測來自一太陽能板模組的一輸出電壓及相關該輸出電壓的一輸出電流；(B)利用該控制力產生器計算該輸出電壓的一電壓誤差量及一功率誤差量，並代入一模糊規則庫運算以得到一控制訊號，該模糊規則庫的公式為：
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