智慧電網的能源採集

隨著越來越多網路遍佈歐洲，智慧電網將逐漸成真。 歐盟的目標是在 2020 年前將至少 80% 的電表用智慧型電表取代，減少將近 10% 的排放量以及每年住家能耗。

在 2020 年前，全歐洲將部署將近 2 億個智慧型電表以及 4500 萬個智慧型瓦斯表，也就是超過 70% 的全體消費者都將採用。 安裝一個智慧型儀表的平均成本介於 200 至 250 歐元，因此這項投資價值 450 億歐元，但花費不僅於此。 不僅資本支出 (Capex) 高，確保智慧電網提供所有關鍵數據的營運支出 (Opex) 也高。

促使採用智慧電網一部份的原因在於更有效率地運用太陽能和風力等可再生能源。 歐洲各地有越來越多的風力和太陽能發電廠，因此更準確地取得住家、辦公室和工廠的用電資料需求也隨著升高，以便最佳運用這些可再生能源。 智慧儀表網路也因此形成，監測著住家的電力。此外，還有無線感測器網路，能提供更詳盡的用電資料。 這也促使了閘道器裝置的部署，通常裝在各地的變電所，往往會搭配電力線控制器，自行透過電力線路收集資料並即時傳送到電力公司。

這些現象也代表電網內部的電子系統，有採用能源採集的契機。 智慧電網的主要成本之一就是網路內儀表和感測器的電池維護與替換。 在家用儀表和工業變電所中採用能源採集技術，就可大幅降低智慧電網運作的持續成本。

可運用的能源採集技術有好幾種，包括太陽能電池、電力無線感測器網路，一直到能在變電所中利用溫度差異轉換成電力的熱電發電機。

太陽能的用途廣泛，包括從獨立感測器的小型電池，一直到供電給閘道器以便在網路中收集資料的大型電池陣列。

Parallaxs 的太陽能板陣列在搭配屋頂設備下可產生最多 34 W 的電能，為網路設備供電。 此產品具有足夠的耐用性，能永久發電（包括屋頂設備），也可用於多種可攜式應用。 其採用 12 個 125 mm、2.85 W、效率約為 18.5% 的單晶太陽能電池，安裝在紫外線穩定的聚碳酸酯底座上，並具有蓋板可提供戶外用途耐用性。 客製化碾壓的底板可簡化組裝並保護太陽能電池，同時在 5.4 A 時具有 6.3 V_DC 的最大電力輸出，並可依據感測器網路閘道器的需求將多個單元菊鏈連接，提供更高的電壓、電流或功率。  

圖 1：Parallax 的太陽能陣列可以提供 34 W 的電力。

若要轉換電力供網路閘道器使用，就可使用太陽能能源採集開發套件，如 Texas Instruments 的 eZ430-RF2500-SEH。 此系統能管理額外能量並貯存在一對可充電式薄膜電池中，即便在黑暗中，也可提供足以進行超過 400 次傳輸的電力。 因此可在應用睡眠期間，而且有燈光可進行採集時，當作貯存能量的能源緩衝器。 這些電池的自放電率超低，因此非常適合用於能源採集系統。 此板件是完整的 USB 架構 MSP430 無線開發工具，可提供使用 MSP430F2274 微控制器和 CC2500 2.4 GHz 無線收發器所需的所有軟硬體。 其中含有 USB 除錯介面，能針對 16 MHz 低功率 MSP430 微控制器達到即時的系統內除錯和編程，並可當作從無線系統傳輸數據到 PC 的介面。 具有整合式的溫度和 RF 訊號強度指示器，可用來監測環境，並具有多個外部感測器，可用來收集額外數據。

圖 2：TI 的 eZ430 能源採集開發板可支援智慧電網中的太陽能電池或熱電發電機。

此板件亦可透過 6 引腳連接器輕鬆連接到 Laird Technologies 的 WPG-1 熱能採集器。 WPG-1 是自足式薄膜熱電發電機，可用於無線感測器網路以及變電所的閘道器。 此元件能提供高達 1.5 mW 的可用輸出電力，並可處理多種負載電阻值。

此發電器可在 20°K 的溫差下，使用超低電壓的降壓轉換器提供可用的輸出電力，因此非常適合利用大樓內外部之間的溫差發電。 輸出功率可進行調節以配合三種電壓設定點：3.3 V、4.1 V 和 5.0 V。此外，整合式電路板含有 DIP 開關可設定輸出電壓。 可透過板載的 2 或 6 引腳連接器，搭配 eZ430 開發板進行電氣連接。

圖 3：Laird Technologies 的 WPG-1 可利用最小 20°K 的溫差進行發電。

另外一個方法就是打造專屬的電源管理系統，處理多種能源採集來源。 Texas Instruments 的 bq25570 設計專門在太陽能電池或熱電發電機 (TEG) 等高輸出阻抗 DC 能量來源的微瓦和毫瓦範圍內達到高效操作，且不會對這些能量來源施加過多應力。 此元件的電池管理功能可確保可充電式電池不會在採集電力受到系統負載而升壓或降壓超出安全界限時過度充電。 除了高效升壓充電器外，bq25570 更整合了高效、奈瓦降壓轉換器，能為需要恆定電壓來源的無線感測器網路 (WSN) 等系統提供第二個電源軌。

bq25570 亦採用可編程最大功率點追蹤 (MPPT) 取樣網路，將裝置電力傳輸達到最佳化。 取樣和固定的開路電壓部分可透過引腳上拉或下拉（分別為 80% 或 50%），或使用外接電阻進行控制。 此取樣電壓可透過內部取樣電路維持，並透過外部電容進行固定。 舉例而言，太陽能電池一般會以開路電壓的 80% 做為最大功率點 (MPP) 進行操作，因此將 MPPT 閾值設定在 80% 就能讓元件調節太陽能電池的電壓，確保 VIN_DC 電壓不會低於設定電壓。 亦可使用外部參考電壓讓外部微控制器採用更複雜的 MPPT 演算法。

圖 4：TI 的 bq25570 可用來打造最佳化的電源管理控制器，可支援最大功率點追蹤演算法達到有效的功率匹配。

由於採集的能量往往是偶發性或會隨著時間而改變，因此 bq25570 的設計具有靈活性，可支援多種儲能元件。 系統通常都需要特定類型的儲能元件，例如可充電式電池或超級電容，以便為系統提供穩定、可靠的電力，並且須處理任何峰值電流。 為了預防儲能元件受損，最大和最小電壓皆會受到監測，並比對內部設定的欠壓和使用者編程的過壓位準，並可在儲能電池或電容降低到預設的緊急位準時標記該情況。 此時應該會觸發，讓負載電流降低，以免系統進入欠壓狀態。

這些機制都納入到小型覆蓋區的 20 引線 3.5 mm x 3.5 mm QFN 封裝 (RGR) 中，因此電源管理元件可輕鬆隨著能源採集來源進行安裝。

結論

使用能源採集來源能為智慧電網的多種元件進行供電，讓系統供應商和電力公司享有不少優勢。 不僅可在無線感測器網路中大幅降低電池替換的需求，甚至完全不需替換，進而節省可觀的營運成本。 透過太陽能電池或熱電發電機大型陣列的能源採集，再搭配適當的電源管理和儲能裝置，即可提供免維護的電力，不僅可用於收集智慧電網必要數據的網路，亦可用於收集並傳輸數據給營運商的閘道器。