CN103280846A - 一种柔性光伏一体化电源*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性光伏一体化电源***，包含物理电源、化学电源以及电源控制器。物理电源将太阳能转化为电能，采用柔性薄膜太阳电池组件，包含非晶硅薄膜太阳电池组件，微晶硅薄膜太阳电池组件，非晶硅锗薄膜太阳电池组件，以及它们所组成的叠层太阳电池组件，或铜铟镓硒薄膜太阳电池组件。化学电源采用蓄电池组件，包含镍镉电池组件，镍氢电池组件，锂离子电池组件，碱锰充电电池组件或铅酸蓄电池组件。电源控制器为太阳能电源单路输出控制器，型号是V-ST10，分别与物理电源、化学电源以及负载相连接，作为调控物理电源和化学电源的电源控制器。本发明提供的柔性光伏一体化电源***，具有柔性好，质量轻，强度高，环境耐受性好等优点。

Description

一种柔性光伏一体化电源***

技术领域

本发明涉及一种新能源光伏***，具体地，涉及一种柔性光伏一体化电源***。

背景技术

太阳能光伏发电是清洁可再生能源中备受青睐和期待的能源，太阳照射到地球上的能量可以满足全人类生存所需要的全部能源。太阳能光伏发电最早用在人造卫星上，一般民用是从1994年左右开始的，虽然只有短短十几年历史，但是发展却非常迅速。传统的硅基薄膜太阳电池沉积在玻璃等刚性衬底上，此种太阳电池的体积大，质量大，耗材耗能，只能用于固定平板位置的发电，限制了其应用范围。

沉积在聚酯膜等柔性衬底上的柔性薄膜太阳电池，能够很好地规避刚性太阳电池的缺点和弊端。柔性太阳电池通常具有厚度薄、重量轻，有良好的收拢体积比。中试或生产过程中节材节能，并且不受限于安装面的形状，可以方便地任意弯曲或卷曲；也可以把它用作紧急情况下的备用电源或通讯器用电源；也可以用作太空用人造卫星的电源。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用柔性薄膜太阳电池组件作为供电电源，将太阳能转化为电能，并采用化学电源作为储能电源实现电能的存储。该***能够更好地应用在不受限制的曲率基板上，可以实现不同面积大小，不同曲率形状的无缝连接。 

为了达到上述目的，本发明提供了一种柔性光伏一体化电源***，其中，该电源***包含物理电源、化学电源以及电源控制器。

所述的物理电源将太阳能转化为电能。采用柔性薄膜太阳电池组件，包含非晶硅薄膜太阳电池组件，微晶硅薄膜太阳电池组件，非晶硅锗薄膜太阳电池组件，以及其中任意一种或几种所组成的叠层太阳电池组件，或铜铟镓硒薄膜太阳电池组件。

所述的化学电源能够作为储能电源实现电能的存储，采用蓄电池组件，包含镍镉电池组件，镍氢电池组件，锂离子电池组件，碱锰充电电池组件或铅酸蓄电池组件。

所述的电源控制器为太阳能电源单路输出控制器，型号是V-ST10，分别与物理电源、化学电源以及负载相连接，作为调控物理电源和化学电源的电源控制器。

上述的柔性光伏一体化电源***，其中，所述的太阳能电源单路输出控制器是通过脉冲宽度调制（PMW）实现对蓄电池进行太阳能充电的单片机智能控制器。太阳能电池属于光伏设备（主要部分为半导体材料），它经过光线照射后发生光电效应产生电流。由于材料和光线所具有的属性和局限性，其生成的电流也是具有波动性的曲线，如果将所生成的电流直接充入蓄电池内或直接给负载供电，则容易造成蓄电池和负载的损坏，严重减小了他们的寿命。因此我们必须把电流先送入太阳能控制器，采用专用芯片电路对其进行数字化调节，并加入多级充放电保护。对负载供电时，也是让蓄电池的电流先流入太阳能控制器，经过它的调节后，再把电流送入负载。这样做一是为了稳定放电电流；二是为了保证蓄电池不被过放电；三是可对负载和蓄电池进行一系列的监测保护。所述的太阳能电源单路输出控制器使用了单片机和软件，实现智能控制；利用蓄电池放电率特性修正的准确放电控制。放电终了电压是由放电率曲线修正的控制点，消除了单纯的电压控制过放的不准确性，符合蓄电池固有的特性，即不同的放电率具有不同的终了电压。具有过充、过放、电子短路、过载保护、独特的防反接保护等全自动控制；以上保护均不损坏任何部件，不烧保险；采用了串联式PWM充电主电路，使充电回路的电压损失较使用二极管的充电电路降低近一半，充电效率较非PWM高3%-6%，增加了用电时间；过放恢复的提升充电，正常的直充，浮充自动控制方式使***有更长的使用寿命；同时具有高精度温度补偿；直观的LED发光管指示当前蓄电池状态，让用户了解使用状况；所有控制全部采用工业级芯片，能在寒冷、高温、潮湿环境运行自如。同时使用了晶振定时控制，定时控制精确。 

上述的柔性光伏一体化电源***，其中，所述的柔性薄膜太阳电池组件通过串联或并联连接作为物理电源，所述的蓄电池组件并联连接作为化学电源。

上述的柔性光伏一体化电源***，其中，所述的柔性薄膜太阳电池沉积在金属箔柔性衬底或聚酯膜柔性衬底上。

上述的柔性光伏一体化电源***，其中，所述的柔性薄膜太阳电池为非晶硅（α-Si）叠层内联薄膜太阳电池。

上述的柔性光伏一体化电源***，其中，所述的非晶硅叠层内联薄膜太阳电池由下至上包含柔性背板，柔性衬底，背反射电极，非晶硅叠层，透明导电膜，栅线，引出电极以及封装层。所述的非晶硅叠层分别包含N层，本征层（I层）以及P层。

上述的柔性光伏一体化电源***，其中，所述的非晶硅叠层通过等离子体增强化学气相沉积法沉积而成；所述的背反射电极和透明导电膜通过磁控溅射生长而成；所述的引出电极以易方性导电银胶膜作为中间介质，并采用柔性焊接而成。

上述的柔性光伏一体化电源***，其中，所述的透明导电膜采用透明氧化铟锡（ITO）镀层导电膜；所述的背反射电极采用Ag和ZnO；所述的栅线采用银浆；所述的引出电极采用镀锡铜带。

上述的柔性光伏一体化电源***，其中，所述的柔性背板为乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）；所述的柔性衬底为聚酰亚胺（PI）聚酯膜；所述的封装层采用硅氧烷系列胶水配合同系列稀释剂。

本发明优选非晶硅和非晶硅叠层太阳电池，因为非晶硅的弱光开压相对于同系列其它类型的太阳电池或者不同类型的太阳电池较高，而且光谱响应范围较宽，所以此种太阳电池组件能够实现持续、高效地工作，充、放电效率高，寿命长。当***连接正常，且有阳光照射到柔性太阳电池组件上时，充电指示灯为绿色常亮，表示***充电电路正常；当充电指示灯出现绿色快速闪烁时，说明***电压超压，这些自动控制过程将使蓄电池达到最佳充电效果并保证或延长其使用寿命。

本发明提供的柔性光伏一体化电源***具有以下优点：

当外界有光照的情况下，本发明的物理电源将太阳能转化为电能并为化学电源充电；当外界没有光照的情况下，化学电源存储的电能可以直接给负载供电。

本发明采用的是柔性薄膜太阳电池，不受限于载体的形状，故可以实现不同面积大小，不同曲率形状的无缝连接。应用本发明，可以大大拓展柔性薄膜太阳电池的应用领域，降低柔性薄膜太阳电池的附加重量，提高柔性薄膜太阳电池的重量比功率，增强柔性薄膜太阳电池的环境耐受性。

本发明以民用为背景，柔性薄膜太阳电池组件具有柔性好，质量轻，强度高，环境耐受性好，封装后电池组件重量比功率高等优点，应用领域不受限，适合应用在空间平流层飞艇，高空飞行器，以及地面便携式移动充电设备、太阳灯包括太阳路灯、太阳庭院灯、太阳草坪灯、风光互补路灯、太阳景观灯、太阳组合灯、太阳地埋灯以及太阳升降式高杆灯。

本发明选用性能良好的材料实现柔性太阳电池组件可在极端环境下工作，包括下雪、打雷、冰雹以及炎热的夏天正常工作。

附图说明

图1为本发明的柔性光伏一体化电源***的电路图。

图2为本发明的柔性光伏一体化电源***的电源控制器外部示意图。

图3为本发明的柔性光伏一体化电源***的应用示意图一。

图4为本发明的柔性光伏一体化电源***的应用示意图二。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。

本发明提供的柔性光伏一体化电源***，使作为化学电源2的蓄电池组件和作为物理电源1的柔性太阳电池组件通过太阳能电源单路控制器形成一体化集成电源***。电路图参见图1所示，图中PWM（Pulse Width Modulation）为脉冲宽度调制技术，FUSE为保险丝，Q1、Q2、Q3均为三极管，TVS为瞬态电压抑制二极管。

作为物理电源2的柔性薄膜太阳电池组件优选非晶硅叠层内联薄膜太阳电池组件，其组成主要包括柔性背板EVA，柔性衬底材料PI，背电极Ag和ZnO，α-Si和α-Si叠层（排列顺序为N层，本征层，P层，N层，本征层，P层……），透明导电膜ITO，栅线Ag浆，引出电极镀锡铜带和封装层硅氧烷系列的胶水配合稀释剂。

作为化学电源2的蓄电池组件优选铅酸蓄电池组件，其主要包括两个并联的12V，24A·h铅酸蓄电池。

该***还包含太阳能电源单路输出控制器，作为调控物理电源1和化学电源2的电源控制器3，型号是V-ST10。参见图2所示，电源控制器3的外部设有太阳电池指示灯31、蓄电池状态指示灯32、负载指示灯33、LED显示34、控制按键35以及接线端子36，其中S表示接太阳电池，B表示接蓄电池，L表示接负载。整个电源***满足正常的庭院景观灯的供电以及储能和控制需求。

本发明提供的柔性光伏一体化电源***，选用两个铅酸蓄电池并联组件作为化学电源2，并联之后的蓄电池储能是24 A·h，电压是12V，电压在正常范围时，状态指示灯为绿色常亮；充满后状态指示灯为绿色慢闪；当电池电压降低到一定程度上时状态指示灯变成橙黄色；当蓄电池电压继续降低到过放电压时，状态指示灯变为红色，此时控制器将自动关闭输出，提醒用户及时补充电能。当电池电压恢复到正常工作范围内时，将自动输出开通动作，状态指示灯恢复变为绿色。 

以通过该***为太阳路灯供电为例，当负载开通时，负载指示灯常亮。如果太阳路灯电流超过了控制器1.25倍的额定电流60秒时，或太用路灯电流超过了控制器1.5倍的额定电流5秒时，指示灯为红色慢闪，表示过载，控制器将关闭输出。当太阳路灯或太阳路灯一侧出现短路故障时，控制器将立即关闭输出，指示灯快闪。该太阳路灯负载***可在持续阴霾的天气下持续工作7.2小时。

该***可达到的性能指标如下：－10～80℃之间可长时间稳定工作，并且保证柔性好，强度高，长时间稳定工作太阳电池阵的表面温度﹤60℃，重量比功率可达360W/kg（电池封装后）。环境模拟测试后，柔性薄膜太阳电池组件采用一体式挂装方式与太用路灯基板复合后，风速﹥10m/s情况下，位置不发生偏移与翻折且能够持续稳定工作。

本发明提供的柔性光伏一体化电源***，利用柔性薄膜太阳电池组件作为充电的物理电源1，蓄电池组件作为储能的化学电源2以及太阳能电源单路输出控制器作为调控物理电源1和化学电源2智能化电源控制器3。该***以民用领域的应用为背景进行开发，环境耐受性优异，主要应用领域包括不用换电池的计算器和钟表，屋顶上安装的太阳电池，可以用作窗户玻璃的透明太阳电池，安装在农田和自来水净水厂里的兆瓦级太阳能光伏发电***，灯塔、深山里和沙漠里的太阳电池，用太阳能光伏发电行走的太阳车，作为发光标记为交通安全做贡献的公路或机场里面的太阳电池。其应用示意图参见图3和图4所示。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种柔性光伏一体化电源***，其特征在于，该电源***包含物理电源（1）、化学电源（2）以及电源控制器（3）；

       所述的物理电源（1）将太阳能转化为电能；采用柔性薄膜太阳电池组件，包含非晶硅薄膜太阳电池组件，微晶硅薄膜太阳电池组件，非晶硅锗薄膜太阳电池组件，以及其中任意一种或几种所组成的叠层太阳电池组件，或铜铟镓硒薄膜太阳电池组件；

       所述的化学电源（2）能够实现电能的存储，采用蓄电池组件，包含镍镉电池组件，镍氢电池组件，锂离子电池组件，碱锰充电电池组件或铅酸蓄电池组件；

       所述的电源控制器（3）为太阳能电源单路输出控制器，分别与物理电源（1）、化学电源（2）以及负载相连接。

2.如权利要求1所述的柔性光伏一体化电源***，其特征在于，所述的太阳能电源单路输出控制器是通过脉冲宽度调制实现对蓄电池进行太阳能充电的单片机智能控制器。

3.如权利要求1所述的柔性光伏一体化电源***，其特征在于，所述的柔性薄膜太阳电池组件通过串联或并联连接作为物理电源（1），所述的蓄电池组件并联连接作为化学电源（2）。

4.如权利要求3所述的柔性光伏一体化电源***，其特征在于，所述的柔性薄膜太阳电池沉积在金属箔柔性衬底或聚酯膜柔性衬底上。

5.如权利要求4所述的柔性光伏一体化电源***，其特征在于，所述的柔性薄膜太阳电池为非晶硅叠层内联薄膜太阳电池。

6.如权利要求5所述的柔性光伏一体化电源***，其特征在于，所述的非晶硅叠层内联薄膜太阳电池由下至上包含柔性背板，柔性衬底，背反射电极，非晶硅叠层，透明导电膜，栅线，引出电极以及封装层。

7.如权利要求6所述的柔性光伏一体化电源***，其特征在于，所述的非晶硅叠层通过等离子体增强化学气相沉积法沉积而成；所述的背反射电极和透明导电膜通过磁控溅射生长而成；所述的引出电极以易方性导电银胶膜作为中间介质，并采用柔性焊接而成。

8.如权利要求6所述的柔性光伏一体化电源***，其特征在于，所述的透明导电膜采用透明氧化铟锡镀层导电膜；所述的背反射电极采用Ag和ZnO；所述的栅线采用银浆；所述的引出电极采用镀锡铜带。

9.如权利要求6所述的柔性光伏一体化电源***，其特征在于，所述的柔性背板为乙烯-醋酸乙烯共聚物；所述的柔性衬底为聚酰亚胺聚酯膜；所述的封装层采用硅氧烷系列胶水配合同系列稀释剂。

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