CN101572510B - 太阳能供电装置及包括该供电装置的照明系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太阳能供电装置和包括该太阳能供电装置的照明系统。所述供电装置包括发电模块、控制模块和储能模块。所述控制模块分别与发电模块和储能模块相连，用以控制发电模块将光能转换为电能并将电能存储于储能模块。所述发电模块包括太阳能电池板和聚光模块。所述聚光模块包括至少一个透镜模组，其与太阳能电池板相对，用于聚集太阳光至太阳能电池板，每个透镜模组包括镜筒、沿光轴设于镜筒内的第一透镜、第二透镜和第一间隔体，所述第一间隔体设于第一透镜和第二透镜之间，所述第一透镜和第二透镜为球面透镜或非球面透镜。本发明的太阳能供电装置在不增加太阳能电池板数量的情况下成倍提高了光伏效率，节约了成本。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能技术领域，尤其涉及一种太阳能供电装置及包括该供电装置的照明系统。
背景技术
目前，普通照明灯源大多采用与其电气连接的外部电源作为照明电源，由此耗费大量电力，不利于能源的可持续发展。
太阳能电池由于具有取之不尽用之不竭的优点，成为能源领域的研究热点，广泛应用于社会生活的各个领域。太阳能电池是利用太阳能电池板将太阳的辐射能光子通过半导体物质转变为电能，请参见“Grown junction GaAssolar cell”，Shen，C.C.；Pearson，G.L.；Proceedings of the IEEE，Volume 64，Issue 3，March 1976，Page 384-385。
近年来出现了一种太阳能照明系统，其包括太阳能电池板、照明灯具、蓄电池和控制电路。其中，太阳能电池板和照明灯具通过控制电路分别与蓄电池相连，控制电路用于将太阳能电池板产生的电能存储到蓄电池中，并同时控制照明灯具的开启和闭合。
但是，太阳能电池板的容量有限，此种太阳能照明系统难以提供较大的光伏发电效率及较多电能。为满足大功率用电需求，通常需要增加太阳能电池板的数量。然而由于表面积、外观等的限制，现代房屋等建筑、汽车等行动模块、甚至各种便携式电子模块都很难提供大面积场所铺设大量太阳能电池板，加上太阳能电池板本身价格昂贵，这些因素导致太阳能电池用于照明受到一定限制。
发明内容
因此，有必要提供一种能提高光伏发电效率高的太阳能供电装置包括该供电装置的照明系统。
一种太阳能供电装置，其包括发电模块、控制模块和储能模块。所述控制模块分别与发电模块和储能模块相连，用以控制发电模块将光能转换为电能并将电能存储于储能模块。所述发电模块包括太阳能电池板和聚光模块。所述聚光模块包括至少一个透镜模组，其与太阳能电池板相对，用于聚集太阳光至太阳能电池板，每个透镜模组包括镜筒、沿光轴设于镜筒内的第一透镜、第二透镜和第一间隔体，所述第一间隔体设于第一透镜和第二透镜之间，所述第一透镜和第二透镜为球面透镜或非球面透镜。
一种照明系统，其包括照明模块和太阳能供电装置。包括发电模块、控制模块和储能模块。所述控制模块分别与发电模块和储能模块相连，用以控制发电模块将光能转换为电能并将电能存储于储能模块。所述发电模块包括太阳能电池板和聚光模块。所述聚光模块包括至少一个透镜模组，其与太阳能电池板相对，用于聚集太阳光至太阳能电池板，每个透镜模组包括镜筒、沿光轴设于镜筒内的第一透镜、第二透镜和第一间隔体，所述第一间隔体设于第一透镜和第二透镜之间，所述第一透镜和第二透镜为球面透镜或非球面透镜。
本技术方案的太阳能供电装置由于设置有聚集太阳光的聚光装置，使得不仅直接照射到太阳能电池板上的太阳光转换为电能，还能使得照射到聚光装置上的太阳光透过聚光装置后照射到太阳能电池板上转换为电能，从而在不增加太阳能电池板数量的情况下，成倍提高了光伏效率，节约了成本。
附图说明
图1是本技术方案实施例提供的太阳能供电装置的示意图。
图2是本技术方案实施例提供的聚光模块的导光体的示意图。
图3是本技术方案实施例提供的包括图1所示的太阳能供电装置的照明系统的示意图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图详细说明本技术方案提供的太阳能供电装置及包括该太阳能供电装置的照明系统。
请参见图1，本技术方案实施例提供太阳能供电装置100包括发电模块10、控制模块20和储能模块30。控制模块20分别与发电模块10和储能模块30相连。
发电模块10包括太阳能电池板11和设于太阳能电池板11上方且与太阳能电池板11相对设置的聚光模块12。
太阳能电池板11包括第一电极层111、半导体结构层112及与第一电极层111极性相反的第二电极层113。第一电极层111具有第一表面1111及与第一表面1111相对的第二表面1112。第一表面1111上依次形成有半导体结构层112和第二电极层113。
第一电极层111的厚度大约在0.1μm至10μm之间，其材质选自银、铜、钼或铝，也可是铝铜合金、铜钼合金等合金材料。
半导体结构层112为三层结构，其包括P型半导体结构层1121、N型半导体结构层1123、以及位于P型半导体结构层1121与N型半导体结构层1123之间的P-N结层1122。
P型半导体结构层1121的材料可以是P型非晶硅材料，尤其是P型含氢非晶硅材料，也可以是III-V族化合物或II-VI族化合物，特别是掺杂铝、钾、铟的半导体材料，如氮化铝钾或铝砷化镓。优选地，该P型半导体结构层1121的材料为P型非晶硅材料。非晶硅材料对光的吸收性比结晶硅材料强约120倍，所以在对光子吸收量要求相同的情况下，非晶硅材料制成的半导体层的厚度远小于结晶硅材料制成的半导体层的厚度，且非晶硅材料对基板材质的要求更低。所以采用非晶硅材料不仅可以节省大量的材料，也使得制作大面积的太阳能电池成为可能。
P-N结层1122用于将光子转换成电子-孔穴对并形成势垒电场，其材质可以是结合性较好的III-V族化合物或I-III-VI族化合物，如碲化镉、铜铟硒、铟镓硒。
N型半导体结构层1123的材料可以是N型非晶硅材料，特别是N型含氢非晶硅材料，也可以是III-V族化合物或II-VI族化合物，特别是掺杂氮、磷、砷的半导体材料，如氮化钾或磷化铟镓。
可以理解的是，半导体结构层112也可为由P型半导体结构层1121和N型半导体结构层1123组成的两层结构。
第二电极层113形成在N型半导体结构层1123上，其包括透明导电层1131及与该透明导电层1131电接触的金属导电层1132。
透明导电层1131形成在N型半导体结构层1123上，其与N型半导体结构层1123形成欧姆接触。透明导电层1131的材料为透明的金属氧化物或金属掺杂氧化物，如铟锡氧化物、氧化锌、氧化锡、铟掺杂一氧化锡、锡掺杂三氧化二镓、锡掺杂银铟氧化物、铟锡氧化物、锌掺杂三氧化二铟、锑掺杂二氧化锡、或铝掺杂氧化锌等。透明导电层1131的光吸收系数小，可以让更多的太阳光通过。可以理解的是，也可以在透明导电层1131进一步形成一层增透膜来提高太阳光的利用率。
金属导电层1132形成于透明导电层1131，其一般为梳状结构，通常由非透光的金属或金属合金材料制成。
请一并参阅图1和图2，本实施例中，聚光模块12为一个透镜模组，其包括镜筒121及沿光轴设置于镜筒121内的第一透镜122、第二透镜123、第一间隔体124、第二间隔体125和导光体126。聚光模块12用于聚集太阳光至太阳能电池板11的金属导电层1132上，从而在不增加太阳能电池板数量的情况下成倍提高光伏效率。当然，根据太阳能电池板11的金属导电层1132的尺寸，聚光模块12还可包括多个透镜模组。
第一透镜122和第二透镜123为球面透镜或非球面透镜，其间以互卡形式固定。其中，第一透镜122相对于第二透镜123远离太阳能电池板11，第一透镜122和第二透镜123均包括弧形凸出部，第一透镜122的弧形凸出部包括朝向远离太阳能电池板11的方向突出的弧形外表面及朝向远离太阳能电池板11的方向突出的弧形内表面，第二透镜123的弧形凸出部包括朝向太阳能电池板11突出的弧形外表面及朝向太阳能电池板11突出的弧形内表面。第一透镜122和第二透镜123之间设有第一间隔体124。第一间隔体124可为本领域常见的光圈或间隔环。当然，第一透镜122和第二透镜123也可不以互卡形式固定，而以透镜模组领域常见的形式固定于镜筒121内。
第二间隔体125设于第二透镜123和导光体126之间，用于隔离第二透镜123和导光体126，其可为本领域常见的光圈或间隔环。
导光体126包括入射面1261、与入射面1261相对的出射面1262和设于入射面1261和出射面1262之间并与入射面1261和出射面1262相连的侧面1263。入射面1261设置有多个网点1264。网点1264可为圆形、金字塔形、梯形或棱形结构。网点1264的设置使得入射面1261的折射率自入射面1261的中心向其边缘逐渐增大，从而使得透过第二透镜123各处的太阳光由于第二透镜123的形状而引起的折射率差值得以补偿至同一值，光线自出射面1262以相同能量出射至太阳能电池板11，而避免太阳能电池板11表面各处接受的光子密度存在差异。当然，聚光模块12也可不包括导光体126，只要能聚集太阳光即可。
控制模块20用以控制太阳能电池板11将吸收的光能转换为电能并将该电能存储于储能模块30，其包括DC-DC转换模块21、充电/放电模块22和控制器23。
DC-DC转换模块21的输入端与第一电极层111和第二电极层113电气连接，用于根据充电/放电模块的电压将太阳能电池板转化光能所得的电压转换为充电/放电模块的电压。DC-DC转换模块21的输出端与充电/放电模块和控制模块23电气连接，其将转换后的电压输入充电/放电模块以便于后者对储能模块30充电或放电。
充电/放电模块22的输入端与DC-DC转换模块21电气连接，其输出端与控制器23和储能模块30电气连接。充电/放电模块22用于根据控制器23的命令对储能模型块30充电或放电。
控制器23分别与DC-DC转换模块21的输出端、充电/放电模块22和储能模块30电气连接，用于根据储能模块30存储的电量控制DC-DC转换模块21和充电/放电模块22开启或闭合。具体地，当储能模块30的储电量为饱和状态时，控制器23关闭DC-DC转换模块21，一旦储能模块30的储电量为非饱和状态且有太阳光照射太阳能电池板11时，控制器23启动DC-DC转换模块21，从而控制充电/放电模块22对储能模块30进行充电，直至储能模块30的储电量饱和为止。
储能模块30与控制器23和充电/放电模块22电气连接，其将储能模块30的储电量状态传输至控制器23，以使控制器23根据储电量状态控制DC-DC转换模块21的开启或闭合。
本实施例的太阳能供电装置100由于设置有能聚集太阳光的聚光装置12，使得不仅直接照射到太阳能电池板11上的太阳光转换为电能，还能使得照射到聚光装置12上的太阳光透过聚光装置12后照射到太阳能电池板11上转换为电能，从而在不增加太阳能电池板数量的情况下，成倍提高了光伏效率，节约了成本。
本实施例的太阳能供电装置100可应用于多个领域的供电，如对照明灯源、电子器械、便携式装置进行供电。当以本实施例提供的太阳能供电装置100为供电设备时，只需将其储能模块30与终端电器直接电气连接即可。以下以照明为例，说明本技术方案实施例提供的包括太阳能供电装置100的照明系统200。
请参见图3，该照明装置200包括太阳能供电装置100和照明模块150。其中，照明模块150与太阳能供电装置100的储能模块30相连，其开启和闭合可由控制器23控制，也可由单独设置的开关(图未示)控制，由此使得照明模块150发射照明光线。
照明模块150是LED模组，其包括依次层叠的金属层151、半导体层152和发光层153。其中，金属层151与储能模块30的正极相连，半导体层152与储能模块30的负极相连。半导体层152为三层结构，其包括P型半导体层1521、N型半导体层1523、以及位于P型半导体层1521与N型半导体层1523之间的光子激发层1522。
P型半导体层1521的材料可以是P型非晶硅材料，尤其是P型含氢非晶硅材料，也可以是III-V族化合物或II-VI族化合物，特别是掺杂铝、钾、铟的半导体材料，如氮化铝钾或铝砷化镓。优选地，该P型半导体层1521的材料为P型非晶硅材料。
光子激发层1522用于将电子-孔穴对及其形成势垒电场转换成光子。
N型半导体层1523与储能模块30的负极电气连接，其材料可为N型非晶硅材料，特别是N型含氢非晶硅材料，也可以是III-V族化合物或II-VI族化合物，特别是掺杂氮、磷、砷的半导体材料，如氮化钾或磷化铟镓。
发光层153形成在N型半导体层1523上，其与N型半导体层1523形成欧姆接触。发光层153的材料为透明的金属氧化物或金属掺杂氧化物，如铟锡氧化物、氧化铝、氧化锌、氧化锡、铟掺杂一氧化锡、锡掺杂三氧化二镓、锡掺杂银铟氧化物、铟锡氧化物、锌掺杂三氧化二铟、锑掺杂二氧化锡或铝掺杂氧化锌等。
当然，照明模块150可以是白炽灯或由多种颜色的灯源藕合而成的灯源。由于发光二极管具有寿命长、发光效率高、体积小、污染低、功耗低等优点，故优选多个发光二极管作为室外照明光源，以降低能耗。
Claims (10)
1.一种太阳能供电装置，其包括发电模块、控制模块和储能模块，所述控制模块分别与发电模块和储能模块相连，用以控制发电模块将光能转换为电能并将电能存储于储能模块，其特征是，所述发电模块包括太阳能电池板和聚光模块，所述聚光模块包括至少一个透镜模组，其与太阳能电池板相对，用于聚集太阳光至太阳能电池板，每个透镜模组包括镜筒、沿光轴设于镜筒内的第一透镜、第二透镜和第一间隔体，所述第一间隔体设于第一透镜和第二透镜之间，所述第一透镜和第二透镜为球面透镜或非球面透镜。
2.如权利要求1所述的太阳能供电装置，其特征是，所述第一透镜相对于所述第二透镜远离太阳能电池板，所述第一透镜和所述第二透镜均包括弧形凸出部，所述第一透镜的弧形凸出部包括朝向远离太阳能电池板的方向突出的弧形外表面及朝向远离太阳能电池板的方向突出的弧形内表面，所述第二透镜的弧形凸出部包括朝向太阳能电池板突出的弧形外表面及朝向太阳能电池板突出的弧形内表面。
3.如权利要求1所述的太阳能供电装置，其特征是，每个透镜模组还包括第二间隔体和导光体，所述第二间隔体设于第二透镜和导光体之间。
4.如权利要求3所述的太阳能供电装置，其特征是，所述导光体包括入射面及与入射面相对的出射面，所述出射面与太阳能电池板相对设置，所述入射面设有多个网点。
5.如权利要求4所述的太阳能供电装置，其特征是，所述入射面的折射率自入射面的中心向其边缘递增。
6.如权利要求1所述的太阳能供电装置，其特征是，所述控制模块包括DC-DC转换模块、充电/放电模块和控制器，所述DC-DC转换模块与太阳能电池板相连，用于将太阳能电池板转换的电能电压转为充电/放电模块所需电压，所述充电/放电模块与DC-DC转换模块、控制器和储能模块相连，所述控制器与DC-DC转换模块、充电/放电模块和储能模块相连，用于根据储能模块的储电量控制DC-DC转换模块开启或闭合，从而控制充电/放电模块对储能模块充电。
7.如权利要求1所述的太阳能供电装置，其特征是，所述太阳能电池板包括依此层叠的第一电极层、半导体结构层及与第一电极层极性相反的第二电极层。
8.如权利要求7所述的太阳能供电装置，其特征是，所述半导体结构层包括依次层叠于第一电极层的P型半导体结构层、N型半导体结构层以及位于P型半导体结构层与N型半导体结构层之间的P-N结层。
9.一种照明系统，其包括照明模块，其特征是，所述照明系统进一步包括如权利要求1所述的太阳能供电装置，所述照明模块与储能模块电气相连。
10.如权利要求9所述的照明系统，其特征是，所述照明模块包括依次层叠的金属层、半导体层和发光层，所述储能模块具有正极和负极，所述金属层和半导体层分别连接于储能模块的正极和负极。
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