复合式能源供电系统及其方法.pdf

本发明公开了一种复合式能源供电系统及其方法。该复合式能源供电系统包括：太阳能模块，用于输出电能PS；风能模块，用于输出电能PW；燃料电池模块，用于输出电能PF；充电与转换模块；储电模块；能量切换模块，用于决定该燃料电池模块输出电能PF的流向；放电与转换模块，用于将该储电模块或燃料电池模块中的电能经稳压成电能PL后输出至一负载；以及电能管理模块，用于对各单元输出电能的若干参数进行判断，以决定电源的配置与分流。此外，本发明亦揭露一种复合式能源供电方法。

1、  一种复合式能源供电系统，其特征在于，该系统包括：
一太阳能模块，用于将太阳光转换成一电能P_S；
一风能模块，用于将风力转换成一电能P_W，该P_S与P_W合流后形成一电能P_G；
一燃料电池模块，可外加燃料，并将该燃料转换成一电能P_F；
一充电与转换模块，分别耦接至该太阳能模块及该风能模块；
一储电模块，耦接至该充电与转换模块，该充电与转换模块可根据该储电模块的种类或特性选择适合的充电模式，以输出电能P_G+P_F对该储电模块充电；
一能量切换模块，耦接至该燃料电池模块，可决定该燃料电池模块输出电能P_F的流向；
一放电与转换模块，耦接至该能量切换模块及储电模块，用于将该储电模块或燃料电池模块中的电能经稳压成后电能P_L后输出至一负载；以及
一电能管理模块，分别耦接至上述各模块，可对各单元输出电能的若干参数进行判断，以决定电源的配置与分流。

2、  根据权利要求1所述的复合式能源供电系统，其特征在于，其中该太阳能模块进一步包括至少一太阳能板及一稳压电路，该稳压电路进一步具有一晶体管，该晶体管的基极输入端具有一控制讯号T_s，该控制讯号T_s是由该电能管理模块根据所收集的电压、电流、数据及接地参数后所输出。

3、  根据权利要求1所述的复合式能源供电系统，其特征在于，其中该风能模块进一步包括一风力发电机及一稳压电路，该稳压电路进一步具有一晶体管，该晶体管的基极输入端具有一控制讯号T_W，该控制讯号T_W是由该电能管理模块根据所收集的电压、电流、数据及接地参数后所输出。

4、  根据权利要求1所述的复合式能源供电系统，其特征在于，其中该燃料电池模块进一步包括至少一燃料电池及一稳压电路，该稳压电路进一步具有一晶体管，该晶体管的基极输入端具有一控制讯号T_F，该控制讯号T_F是由该电能管理模块根据所收集的电压、电流、数据及接地参数后所输出；且该燃料电池模块在该储电模块的容量低于30％时启动，高于75％时停止运转。

5、  根据权利要求1所述的复合式能源供电系统，其特征在于，其中该储电模块包括至少一充电电池，且该充电与转换模块可依该储电模块中电池的种类切换充电电路，其依序为Li-Mn、Li-Co或Li-FePO₄。

6、  根据权利要求1所述的复合式能源供电系统，其特征在于，其中该电能P_S、P_W、P_S及P_F进一步包括一电压、电流、数据及接地参数。

7、  根据权利要求5所述的复合式能源供电系统，其特征在于，其中该储电模块进一步具有一放电直流电总线及一充电直流电总线，各充电电池间可经由该放电直流电总线及充电直流电总线并接在一起；该太阳能模块、风能模块及燃料电池模块分别进一步具有一直流电总线及一数据总线，各模块间可经由该直流电总线及数据总线并接在一起；且该电能管理模块进一步具有一放电直流电总线、一充电直流电总线、一直流电总线及一数据总线，以便通过该放电直流电总线、充电直流电总线与该储电模块连接，通过该直流电总线及数据总线分别与该太阳能模块、风能模块及燃料电池模块连接。

8、  一种复合式能源供电方法，可用以决定一复合式能源供电系统的供电，该复合式能源供电系统包括：一太阳能模块、一风能模块、一燃料电池模块、一充电与转换模块、一储电模块、一能量切换模块、一放电与转换模块以及一电能管理模块，其特征在于，该方法包括下列步骤；
决定该太阳能模块是否正常，若是则输出一电能P_S，否则将该太阳能模块停机；
决定该风能模块是否正常，若是则输出一电能P_W，否则将该风能模块停机；
决定该燃料电池模块是否正常，若是则输出一电能P_F，否则将该燃料电池模块停机；
判断该燃料电池模块的最高剩余电能是否低于一默认值，若是则将该燃料电池模块停机，若否则启动该燃料电池模块；
该能量切换模块判断该燃料电池模块的电能P_F是否高于一负载电能P_L，若是则将该电能P_F输出至该放电与转换模块，若否则将该电能P_F输出至该充电与转换模块；
该充电与转换模块合并电能P_S、P_W及P_F后对该储电模块充电，该储电模块将输出P_L-P_F的电能；以及
该放电与转换模块接收该储电模块输出的P_L-P_F电能及该能量切换模块输出的电能P_F后输出电能P_L对一负载充电。

9、  根据权利要求8所述的复合式能源供电方法，其特征在于，其中该燃料电池模块在该储电模块的容量低于30％时启动，高于75％时停止运转。

10、  根据权利要求8所述的复合式能源供电方法，其特征在于，其中该充电与转换模块可依该储电模块中电池的种类切换充电电路，其依序为Li-Mn、Li-Co或Li-FePO₄。

复合式能源供电系统及其方法
技术领域
本发明是有关于一种复合式能源供电系统，尤指一种结合太阳能，风能，燃料电池，电池的特性的复合式能源供电系统，当太阳能与风力提供的电力不足且电池残留电力低于某个程度时才启动供电。
背景技术
现今全球80％左右的能源来自石化燃料，由此我们可以驱动引擎、使用电力、享受方便现代化的生活。然而，我们面临石化燃料所衍生的两个主要问题：首先是石油产量的不足所造成价格的严重波动，根据EIA(Energy Information Administration)的估算，自公元2000年至2020年，全球能源需求于将大幅增加50％。然而，最普遍使用的石化燃料，如：石油与天然气，其产能将于2015年至2020年间达到高峰后逐年下降，换句话说，在公元2015年左右将出现供需失衡的状况。另一个问题更为严重，许多研究指出人类长期使用石化燃料已造成严重环境问题：燃烧石化燃料造成城市空气污染于1943年被证实，臭氧层受损于1975年被发现，酸雨问题于1980年被提出，以及最严重的气候变迁于1992年被发表，我们从石化燃料得到的好处甚至无法弥补这些所有的损失，有数字显示全球的因环境破坏所造成的损失每年超过五兆美元，其中不包括未被发现的损失。
燃料电池是一种电化学能源转换器，只要不断输入燃料(如氢气)与氧化剂(如氧气)，燃料电池即可源源不绝地提供直流电力。根据以上描述可以了解，不同于一般市售电池透过电极的氧化还原反应产生电，燃料电池本身电极并不参与化学反应。使用氢气的燃料电池的排放污染几乎是零，反应产生的副产品只有多余的空气及水，由于没有燃烧过程，产生电能过程中产生的污染相对很低，另一个优点是产生氢燃料的过程也可以相当洁净，这些环保优点使得燃料电池具有竞争优势。
太阳能电池在此复合式能源供电系统也扮演着非常重要的角色。随着半导体制造不断的改良与工艺对转换效率的提升，可以预见的是未来太阳能板价格仍持续下滑而转换效率不断提高。太阳能发电具有以下优势：低维护成本、低建置成本、建置难度低、免燃料、寿命长，因此太阳光能在本复合式能源供电系统为主要的能量来源。
风力发电亦具有低污染特性，相较于太阳光电，风力发电机组可以不论日夜产生电力，风力发电一开始的建置成本可能稍高，然而长期的整体花费将会低于NT$2.3/KWH，相对于太阳光电的NT$10/KWH以上与燃料电池的NT$20/KWH以上便宜许多。
以上提到的三种发电系统具有不同的特性，分别有其使用上的优缺点：1.太阳能与风能等天然能基本上是免费但是不稳定的，也因此产生的电力均需先储存于电池组中以利使用；2.燃料电池目前仍相当昂贵，因此在系统中角色通常被定位为系统的辅助电力来源，诚属美中不足之处。
发明内容
有鉴于此，本发明的一目的是提供一种复合式能源供电系统及其方法，其结合一太阳能模块、一风能模块、一燃料电池模块、一储能模块以提供所需电力。
本发明的另一目的是提供一种复合式能源供电系统及其方法，其可对各太阳能模块、风能模块、燃料电池模块及储能模块输出电能的若干参数进行判断，以决定电源的配置与分流。
为达上述目的，本发明的一种复合式能源供电系统，其包括：一太阳能模块，用于将太阳光转换成一电能P_S；一风能模块，用于将风力转换成一电能P_W，该P_S与P_W合流后形成一电能P_G；一燃料电池模块，可外加燃料，并将该燃料转换成一电能P_F；一充电与转换模块，分别耦接至该太阳能模块及该风能模块；一储电模块，耦接至该充电与转换模块，该充电与转换模块可根据该储电模块的种类或特性选择适合的充电模式，以输出电能P_G+P_F对该储电模块充电；一能量切换模块，耦接至该燃料电池模块，可决定该燃料电池模块输出电能P_F的流向；一放电与转换模块，耦接至该能量切换模块及储电模块，用于将该储电模块或燃料电池模块中的电能经稳压成后电能P_L后输出至一负载；以及一电能管理模块，分别耦接至上述各模块，可对各单元输出电能的若干参数进行判断，以决定电源的配置与分流。
为达上述目的，本发明的一种复合式能源供电方法，可用以决定一复合式能源供电系统的供电，该复合式能源供电系统包括：一太阳能模块、一风能模块、一燃料电池模块、一充电与转换模块、一储电模块、一能量切换模块、一放电与转换模块以及一电能管理模块，其包括下列步骤；决定该太阳能模块是否正常，若是则输出一电能P_S，否则将该太阳能模块停机；决定该风能模块是否正常，若是则输出一电能P_W，否则将该风能模块停机；决定该燃料电池模块是否正常，若是则输出一电能P_F，否则将该燃料电池模块停机；判断该燃料电池模块的最高剩余电能是否低于一默认值，若是则将该燃料电池模块停机，若否则启动该燃料电池模块；该能量切换模块判断该燃料电池模块的电能P_F是否高于一负载电能P_L，若是则将该电能P_F输出至该放电与转换模块，若否则将该电能P_F输出至该充电与转换模块；该充电与转换模块合并电能P_S、P_W及P_F后对该储电模块充电，该储电模块将输出P_L-P_F的电能；以及该放电与转换模块接收该储电模块将输出P_L-P_F的电能及该能量切换模块输出的电能P_F后输出电能P_L对一负载充电。
为进一步了解本发明的结构、特征及其目的，兹附以图式及较佳具体实施例的详细说明如后。
附图说明
图1为一示意图，其绘示本发明提供的复合式能源供电系统的方块示意图。
图2a为一示意图，其绘示本发明提供的复合式能源供电系统的分解示意图。
图2b为一示意图，其绘示本发明提供的复合式能源供电系统的组合示意图。
图3为一示意图，其绘示本发明提供的充电与转换模块的动作流程示意图。
图4为一示意图，其绘示本发明提供的放电与转换模块的动作流程示意图。
图5a为一示意图，其绘示本发明提供的太阳能模块的细部方块示意图。
图5b为一示意图，其绘示本发明提供的风能模块的细部方块示意图。
图5c为一示意图，其绘示本发明提供的燃料电池模块的细部方块示意图。
图6为一示意图，其绘示本发明提供的复合式能源供电方法的流程示意图。
具体实施方式
请一并参照图1至图2b，其中，图1绘示本发明提供的复合式能源供电系统的方块示意图；图2a绘示本发明提供的复合式能源供电系统的分解示意图；图2b绘示本发明提供的复合式能源供电系统的组合示意图。
如图所示，本发明提供的复合式能源供电系统，其包括：一太阳能模块10；一风能模块20；一燃料电池模块30；一充电与转换模块40；一储电模块50；一能量切换模块60；一放电与转换模块70以及一电能管理模块80所组合而成者。
其中，该太阳能模块10用于将太阳光转换成一电能P_S，其进一步包括至少一太阳能板101及稳压电路102(请参照图5a)。此外，该太阳能模块10进一步具有一直流电总线11及一数据总线12。
该风能模块20用于将风力转换成一电能P_W，该P_S与P_W合流后形成一电能P_G(其详情请参照图5b及其说明)。此外，该风能模块20进一步具有一直流电总线21及一数据总线22。
该燃料电池模块30可外加燃料，并将该燃料转换成一电能P_F(其详情请参照图5c及其说明)。此外，该燃料电池模块30进一步具有一直流电总线31及一数据总线32，以便各模块10、20及30间可经由该直流电总线11、21及31及数据总线12、22及32并接在一起。
该充电与转换模块40，分别耦接至该太阳能模块10及该风能模块20，其可根据该储电模块50的种类或特性选择适合的充电模式，以输出电能P_G+P_F对该储电模块50充电，其详细动作原理请参照后述的说明。
该储电模块50耦接至该充电与转换模块40，其进一步具有至少一充电电池51，每一充电电池51进一步具有一芯片(图未示)、一放电直流电总线511及一充电直流电总线512，各充电电池51间可经由该放电直流电总线511及充电直流电总线512并接在一起。其中，该芯片可提供该充电电池51的电量及控制信息。
该能量切换模块60耦接至该燃料电池模块30、充电与转换模块40及放电与转换模块70，用于将该储电模块50或燃料电池模块30中的电能经稳压成后电能P_L后输出至一负载90。
该电能管理模块80分别耦接至该太阳能模块10、风能模块20、燃料电池模块30、充电与转换模块40、储电模块50、能量切换模块60、放电与转换模块70模块，可对各模块输出电能的若干参数进行判断，以决定电源的配置与分流。其中该太阳能模块10、风能模块20、燃料电池模块30等模块输出的电能P_S、P_W、P_S及P_F进一步可输出电压(V)、电流(C)、数据(data)及接地(gnd)等参数至该电能管理模块80进行分析后输出T_S、T_W及T_F等参数，据以控制该太阳能模块10、风能模块20、燃料电池模块30的电能输出，其详细原理请参照图5a至5c中的说明。
如图2b所示，本发明提供的复合式能源供电系统于使用时可将该太阳能模块10、风能模块20及燃料电池模块30间经由该直流电总线11、21及31及数据总线12、22及32连接至该电能管理模块80的一侧，例如但不限于右侧；接着将由若干充电电池组成的储电模块50以放电直流电总线51及充电直流电总线52连接至该电能管理模块80的一侧，例如但不限于左侧，即完成本发明的复合式能源供电系统的组装。
请参照图3，其绘示本发明提供的充电与转换模块的动作流程示意图。如图所示，使用在本发明中的每一个电池模块50均埋入一芯片(图未示)，以提供该充电与转换模块40记录该电池信息、电池特性与历史。在该流程图中，汇入该充电与转换模块40的电能P_G+P_F，会对最年轻的充电电池51(可充放电次数最多者)优先充电(正在放电的充电电池51除外)，充饱后对次年轻的充电电池51充电…以此类推，若所有充电电池51均饱满则直接供电给该负载90。该充电与转换模块40可依该储电模块50中充电电池51的种类切换充电电路，其依序例如但不限于为Li-Mn、Li-Co或Li-FePO₄等。
请参照图4，其绘示本发明提供的放电与转换模块的动作流程示意图。如图所示，在本发明中该放电与转换模块70的功能为选择欲放电的充电电池51并稳压输出给该负载90。一如前述的充电与转换模块40，该放电与转换模块70亦选择较为年轻(可充放电次数最多者)的充电电池51先行放电，之后选择次年轻的充电电池51…以此类推。在图3与图4中，选择较年轻的充电电池51先行使用，如此一来可以平均各充电电池51寿命，避免长期只使用某一充电电池51，整个储电模块50的使用寿命得以延长，也可减低本发明的复合式供电系统的整体维护成本。
请一并参照图5a至图5c，其中图5a绘示本发明提供的太阳能模块的细部方块示意图；图5b绘示本发明提供的风能模块的细部方块示意图；图5c绘示本发明提供的燃料电池模块的细部方块示意图。
如图5a所示，本发明提供的太阳能模块10进一步包括一太阳能板101及一稳压电路102，其中该太阳能板101为一般太阳能的习知技术，且非本发明的重点，故在此不拟赘述；该稳压电路102用于将该太阳能板101输出的电压经由一晶体管103控制后输出直流电能P_S。其中，该晶体管103例如但不限于为一NPN晶体管，其基极输入端具有一控制讯号T_s，该控制讯号T_s是由该电能管理模块80根据所收集的电压、电流、数据及接地等参数后所输出，藉以使本发明的复合式能源供电系统输出稳定的直流电源。
如图5b所示，本发明的风能模块20进一步包括一风力发电机201及一稳压电路202，其中该风力发电机201为一般风力发电的习知技术，且非本发明的重点，故在此不拟赘述；该稳压电路202用于将该风力发电机201输出的电压经由一晶体管203控制后输出直流电能P_w。其中，该晶体管203例如但不限于为一NPN晶体管，其基极输入端具有一控制讯号T_w，该控制讯号T_w是由该电能管理模块80根据所收集的电压、电流、数据及接地等参数后所输出，藉以使本发明的复合式能源供电系统输出稳定的直流电源。
如图5c所示，本发明提供的燃料电池模块30进一步包括至少一燃料电池301及一稳压电路302，其中该燃料电池301为一般燃料电池的习知技术，且非本发明的重点，故在此不拟赘述；该稳压电路302用于将该燃料电池301输出的电压经由一晶体管303控制后输出直流电能P_F。其中，该晶体管303例如但不限于为一NPN晶体管，其基极输入端具有一控制讯号T_F，该控制讯号T_F是由该电能管理模块80根据所收集的电压、电流、数据及接地等参数后所输出，藉以使本发明的复合式能源供电系统输出稳定的直流电源。
请参照图6，其绘示本发明提供的复合式能源供电方法的流程示意图。如图所示，本发明的复合式能源供电方法可用以决定一复合式能源供电系统的供电，该复合式能源供电系统包括：一太阳能模块10、一风能模块20、一燃料电池模块30、一充电与转换模块40、一储电模块50、一能量切换模块60、一放电与转换模块70以及一电能管理模块80，其包括下列步骤；决定该太阳能模块10是否正常，若是则输出一电能PS，否则将该太阳能模块10停机(步骤1)；决定该风能模块20是否正常，若是则输出一电能P_W，否则将该风能模块20停机(步骤2)；决定该燃料电池模块30是否正常，若是则输出一电能P_F，否则将该燃料电池模块30停机(步骤3)；判断该燃料电池模块30的最高剩余电能是否低于一默认值，若是则将该燃料电池模块30停机，若否则启动该燃料电池模块30(步骤4)；该能量切换模块60判断该燃料电池模块30的电能P_F是否高于一负载90电能P_L，若是则将该电能P_F输出至该放电与转换模块70，若否则将该电能P_F输出至该充电与转换模块40(步骤5)；该充电与转换模块40合并电能P_S、P_W及P_F后对该储电模块50充电，该储电模块50将输出P_L-P_F的电能(步骤6)；以及该放电与转换模块70接收该储电模块50输出P_L-P_F的电能及该能量切换模块60输出的电能P_F后输出电能P_L对一负载90充电(步骤7)。
于该步骤4中，判断该燃料电池模块30的最高剩余电能是否低于一默认值，若是则将该燃料电池模块30停机，若否则启动该燃料电池模块30；其中燃料电池模块30在该储电模块50的容量低于30％时启动，高于75％时停止运转。
于该步骤5～7中，该充电与转换模块40可依该储电模块50中充电电池51的种类切换充电电路，其依序为Li-Mn、Li-Co或Li-FePO₄等，其详细原理请参照上述的说明。
因此，通过本发明提供的复合式能源供电系统及其方法，使用者可以依照地区天候不同选用合适的模块与发电机组，只要结合燃料电池系统且燃料供应无虞，本发明提供的系统即可确保全天候供电等优点，以改善习知供电系统的缺点。
本发明所揭示的，乃较佳实施例，举凡局部的变更或修饰而源于本发明的技术思想而为熟习该项技艺之人所易于推知者，俱不脱离本发明权利要求所要求保护的范畴。