CN101640298A

CN101640298A - 光伏二次电池

Info

Publication number: CN101640298A
Application number: CN200810117527A
Authority: CN
Inventors: 杨武保; 武振羽; 孙劲鹏; 魏子海; 原粉林; 冯智辉; 徐世义; 周祥勇; 周民
Original assignee: ENN Science and Technology Development Co Ltd; ENN Solar Energy Co Ltd
Current assignee: ENN Science and Technology Development Co Ltd; ENN Solar Energy Co Ltd
Priority date: 2008-08-01
Filing date: 2008-08-01
Publication date: 2010-02-03

Abstract

一种将光伏电池和蓄电池合二为一的光伏二次电池，以及应用该光伏二次电池的光伏组件、系统、应用等。利用薄片式光伏电池和蓄电池的独立成品、或者是其中间品，通过粘结、螺栓连接、框架固定或者完全气相沉积方法，实现一体化光伏二次电池的制造。该电池中的光伏电池和蓄电池通常具有薄片结构，在极限条件下蓄电池为条状结构，并结合形成有机整体，应用于光伏组件、光伏建筑、光伏离网电站等系统中。

Description

光伏二次电池

技术领域

本发明涉及光伏电池和储能蓄电池领域，特别涉及一种将太阳能光伏电池和蓄电池结合形成一体化的光伏二次电池，尤其是该光伏二次电池的结构、制造方法及其应用领域。

背景技术

基于解决能源危机、发展清洁再生能源的愿望，光伏技术正在茁壮成长、蓬勃发展。光伏技术发展将对传统大规模集中发电、远程供电、交流用电模式产生颠覆性影响，其中，与蓄电池共同使用将成为未来使用的主要模式之一。

目前，多晶硅、单晶硅、薄膜硅、CdTe、CI(G)S等材料为基础产生光伏效应、发展得到的光伏产品均已实现产业化。光伏产品的基础是上述材料，形成产品时，一般需要与玻璃、塑料或者金属基板结合，即成为光伏板进行销售、使用。

光伏电能的应用有两类，与传统电网连接进行并网发电应用或者与蓄电池结合离网应用。未来，离网应用将会更加广泛、方便。离网应用的基础是与蓄电池结合，因为光伏发电只有在有太阳的环境下才能产生电能，而使用电能则可能是任何时候。

蓄电池已经得到广泛应用，蓄电池产业已经发展的极其庞大，铅酸电池、锂离子电池、镉镍电池、镍氢电池、液流电池、超级电容器等已经作为蓄电池得到众多应用。

常规蓄电池的特征为正极极片、负极极片、隔膜叠片，根据外壳特性等卷绕，添加电解液并进行化成。

蓄电池在光伏应用中已经得到普遍应用，但是，通常二者是分裂的。

本发明提出了光伏二次电池一体化方案，形成独特的光伏二次电池，具有结构简单美观、集成度高，制造、安装价廉、方便等优点，大规模应用更加安全、可靠性高。

发明内容

本发明提出了光伏电池和蓄电池结合形成一种新型结构特征的光伏二次电池，尤其是其一体化结构、制造方法及应用。常规光伏电池和蓄电池是分离的，本发明提供了一体化结构及制备技术。一体化整体结构为，蓄电池与光伏板衔接形成整体光伏二次电池，其中，光伏板与蓄电池通常为薄片结构，但当单个蓄电池外形尺寸减小的极限条件下蓄电池为条状结构，此时蓄电池内的极片为卷绕结构，光伏板与蓄电池结合为整体。光伏板与蓄电池的表面积或者相等(或者近似相等)，或者光伏板面积是蓄电池面积的整数倍(或者近似整数倍)，或者蓄电池面积是光伏板面积的整数倍(或者近似整数倍)。

在一体化光伏二次电池之外，存在独立的控制器，用于匹配光伏电池产生的电能与蓄电池要求的充放电性能、负载对蓄电池的性能要求，并对蓄电池、光伏电池的性能进行监测等。核心控制如下：1)将光伏电池的输出电压变换为蓄电池要求的输入电压；2)根据蓄电池设定、要求的最低、最高输入电流及最大电能容量，通过对光伏电池产生的电能和蓄电池已存电能进行分析，确定开启或者关闭光伏电池对蓄电池的充电；3)根据负载对电能的需求，通过分析蓄电池存储电能现状，确定开启或者关闭对负载供电，等等。

光伏二次电池的结构特征及制造技术为，常规方法制造的光伏板和二次蓄电池，光伏电池和/或蓄电池是独立的薄板型成品，或者是其中间品。

一般利用边框固定、螺栓连接、或者粘结等方法连接在一起，形成光伏二次电池(图4)；或者，在与光伏板结合的部分，蓄电池不需要电极基板(或者称为包装外壳，一种蓄电池中间品)，电极片直接与光伏板的背板通过边框固定、螺栓连接、或者粘结等方法连接在一起，形成光伏二次电池(图5)；或者，在与薄片蓄电池接触的部分，光伏板不在增加背板(一种光伏电池中间品)，直接通过边框固定、螺栓连接、或者粘结等方法与蓄电池结合为一体，形成光伏二次电池(图6)；或者，在光伏板与蓄电池结合地方，即不需要光伏板上的背板(一种光伏电池中间品)，也不需要蓄电池上的基板(一种蓄电池中间品)，而直接通过边框固定、螺栓连接、或者粘结等方法结合，形成光伏二次电池(图7)。

对于薄膜型光伏电池和蓄电池，可以通过气相沉积直接形成薄膜型光伏二次电池(图8)。具体过程为：1)透光基版1如聚合物薄膜准备；2)沉积防扩散绝缘膜2，沉积方法包括磁控溅射、射频溅射、蒸镀等物理气相沉积方法，或者热CVD、PECVD等化学气相沉积(CVD)方法，或者溶胶-凝胶法、化学沉淀法等湿化学方法等，这些沉积方法同样适用于后面薄膜沉积；防扩散绝缘膜为如SiO₂、Al₂O₃等具有电绝缘、可以防止离子扩散等的薄膜；3)在绝缘膜基础上，沉积透明导电膜3如FTO、AZO等；4)沉积P型半导体薄膜4，I型半导体薄膜5，N型半导体薄膜6；5)接着沉积透明导电膜7和集电层膜8；6)接着沉积薄膜负极9、固体电解质10、和薄膜正极11；7)接着沉积集电层膜12；8)利用掩膜、激光划线或者焊接引线方法使得透明导电层3与集电层膜12连接并引出形成电极线13，以及在集电层膜8上引出电极线14，从而形成完整光伏二次电池系统。9)除上述单节薄膜光伏电池与薄膜蓄电池形成光伏二次电池外，还可以几组薄膜光伏二次电池串联与一组薄膜蓄电池连接(如，多组PIN薄膜立体叠加；或者同一平面多组PIN膜串联)形成光伏二次电池。

所涉及到的光伏板可以是单晶硅、多晶硅、薄膜硅、CdTe、CI(G)S等为光伏基础形成的光伏板。

所涉及的蓄电池是可以多次充放电的二次电池。蓄电池可以是薄片结构(极限条件下条状)的铅酸电池、锂离子电池、镉镍电池、镍氢电池、超级电容器、固体电解质电池、其他薄膜型电池等。

所涉及应用到的光伏电池和蓄电池可以是独立的薄板型成品，或者是其中间品，其中间品形式如前面发明内容中所述。

所涉及的光伏电池和蓄电池形成一体化的方法包括粘结、螺栓连接、框架连接或者完全气相沉积等，以及其具体方法和用品。

所涉及到的光伏二次电池基板可以是玻璃、金属板或柔性薄膜等。

一切与光伏二次电池的应用相关的部分，如用于BIPV、光伏电站、光伏照明、光伏蓄电池器件、光伏驱动、光伏动力等，均为本申请所涉及的保护范围。

与光伏二次电池相关的控制器、电路技术等，作为专门用于光伏二次电池应用控制的关键部件，同样为本申请所涉及的保护范围。

附图说明：

图1、光伏二次电池整体示意图(光伏电池板面积与蓄电池板面积相同)

图中，1：光伏电池板；2：蓄电池板；3：控制器；4：导线

图2、光伏二次电池整体示意图(光伏电池板面积整数倍蓄电池板面积)

图中，1：光伏电池板；2：蓄电池板；3：控制器；4：导线

图3、光伏二次电池整体示意图(蓄电池板面积整数倍光伏电池板面积)

图中，1：光伏电池板；2：蓄电池板；3：控制器；4：导线

图4、光伏二次电池结构示意图(独立光伏板与独立蓄电池板合成光伏二次电池)

图中，1：光伏板透光层；2：光伏活性层；3：光伏板背板；4和6：蓄电池基板；5：蓄电池活性层

图5、光伏二次电池结构示意图(独立光伏板与半边基板蓄电池板合成光伏二次电池)

图中，1：光伏板透光层；2：光伏活性层；3：光伏板背板；5：蓄电池活性层；6：蓄电池基板

图6、光伏二次电池结构示意图(无光伏板背板与独立蓄电池板合成光伏二次电池)

图中，1：光伏板透光层；2：光伏活性层；4和6：蓄电池基板；5：蓄电池活性层

图7、光伏二次电池结构示意图(无光伏板背板与半边基板蓄电池板合成光伏二次电池)

图中，1：光伏板透光层；2：光伏活性层；4：隔离层；5：蓄电池活性层；6：蓄电池基板

图8、光伏二次电池结构示意图(薄膜光伏电池和薄膜蓄电池形成薄膜光伏二次电池)

图中，1：透光基板；2：防扩散层；3：透明导电层；4：P型层；5：I型层；6：N型层；7：透明导电层；8：集电层；9：薄膜负极；10：固体电解质；11：薄膜正极；12：集电层；13、14：导线。

具体实施方式：

实施例1

利用新奥光伏能源有限公司生产的2.2×2.6m²薄膜Si叠层光伏电池为一体化光伏二次电池的光伏电池来源，其输出特性为：I_SC＝2.6A，V_OC＝260V，FF＝68.35，P＝460W，CE＝9.93％。

利用中信国安盟固利公司生产的锂离子电池作为一体化光伏二次电池中二次电池的来源，其性能为：输出电压＝3.6V，能量密度＝100Ah/m²。

考虑边缘密封等原因，锂离子电池面积选择为2×2.5m²，可以是单片为2×2.5m²，或者数片结合为2×2.5m²。

薄膜硅光伏电池和锂离子电池匹配特性分析，锂离子电池容量：1.8kWh；光伏电池输出功率：460W；最大充电速率约1C，可满足1-2天光伏发电需求。

控制器匹配需求分析，控制器的作用有两方面，一是将光伏电池的输出电压等特性与锂离子电池要求的充电特性进行匹配；二是根据负载要求对锂离子电池的输出特性进行管理和监测。具体到本实例的核心要求：控制器需要将光伏电池输出的约260V转化为单片锂离子电池的充电电压约4V。控制器实际输出电压转化方式如：将260V电压加于65个串联的电容器上，这样每个电容器的电压为4V，将该电容器的输出端与锂离子电池的充电输入端连接，实现光伏电池对锂离子电池的充电。

具体生产过程分为：光伏电池板生产、锂离子电池板生产、光伏二次电池一体化生产，分别如下：

光伏电池板生产过程简述：(1)透明导电玻璃板准备，清洗，激光划线；(2)PECVD沉积叠层硅膜作为光伏活性层，激光划线；(3)PVD沉积背电极等，激光划线；(4)镀层性能检验与修复，焊接电极引线，得到光伏活性板；(5)加PVB膜、背板玻璃进行层压，装接线盒，得到独立光伏电池板。

锂离子电池板生产过程简述：(1)电极极片、正负极材料准备，(2)在两张极片上分别涂布正负极材料，(3)正极极片、隔膜、负极极片压合，放入电解液池中化成，(4)焊接电极引线、加绝缘层、形成锂离子电池薄片，(5)多片锂离子电池薄片叠加、压实、装入保护、包装盒内，形成独立锂离子电池板。

光伏一体化生产过程简述：(1)将独立光伏电池板与锂离子电池板利用框架机械连接、固定，加装控制器，形成一体化光伏二次电池(如图4)；(2)将独立光伏板、锂离子电池薄片、背板叠层、层压，利用框架固定，加装控制器，形成一体化光伏二次电池(如图5)；(3)将光伏活性板、独立锂离子电池板层压、利用框架固定，加装控制器，形成一体化光伏二次电池(如图6)；(4)将光伏活性板、绝缘隔离膜、锂离子电池薄片层压，利用框架固定，加装控制器，形成一体化光伏二次电池(如图7)。

实施例2

采用与实施例1相似的一体化光伏二次电池的制备方式，所不同的是，光伏电池采用多晶硅、单晶硅或者CIS、CIGS、CdTe等为基础光伏作用形成的光伏板替代实施例1的薄膜Si叠层光伏电池。蓄电池分别采用铅酸电池、镉镍电池、镍氢电池、液流电池或者超级电容器等可以多次充放电的二次电池代替实施例1的锂离子电池。

并且，以上光伏电池及蓄电池的替换可以以排列组合方式进行组合，同样可实现本发明的目的。

实施例3

1)利用石英玻璃作为基片1，利用自制的、具有溅射、蒸发、PECVD等多项功能的气相沉积设备进行后续薄膜沉积；2)利用溅射技术沉积SiO₂膜、AZO膜分别作为防扩散膜2和透明导电膜3；3)接着利用PECVD技术沉积B掺杂非晶硅膜4、纯硅膜5、P掺杂硅膜6，形成光伏活性层；4)溅射沉积AZO和Ag膜分别作为透明导电膜7和集电极8；5)蒸发沉积C膜9、LiONP膜10、Li₂MnO₂膜11，形成二次电池活性层；6)最后溅射沉积Cu膜作为集电极12。7)利用超声焊接将透明导电层3和集电极12连接并形成引线13，以及在集电极8上焊接引线，进行相关封盖、包装。最终得到薄膜光伏二次电池。

Claims

1.一种光伏二次电池，其特征在于：将光伏电池和蓄电池合二为一。

2.根据权利要求1所述的光伏二次电池，其特征在于：光伏电池是多晶硅、单晶硅、薄膜硅或者CIS、CIGS、CdTe为基础光伏作用形成的光伏板。

3.根据权利要求1所述的光伏二次电池，其特征在于：蓄电池是铅酸电池、镉镍电池、镍氢电池、锂离子电池、固体电解质电池、液流电池或者超级电容器。

4.根据权利要求1所述的光伏二次电池，其特征在于：光伏电池和蓄电池具有等同面积、近似等同面积、或者二者面积之间互为整数倍关系或近似整数倍关系。

5.根据权利要求1所述的光伏二次电池，其特征在于：光伏电池和/或蓄电池是独立的薄板型成品，或者是其中间品。

6.根据权利要求1所述的光伏二次电池，其特征在于：光伏电池和蓄电池通过粘结、螺栓连接、框架连接或者完全气相沉积形成一体结构。

7.根据权利要求1所述的光伏二次电池，其特征在于：采用单节薄膜光伏电池与单节薄膜蓄电池形成光伏二次电池或几组薄膜光伏二次电池串联与一组薄膜蓄电池连接形成光伏二次电池。

8.根据权利要求1所述的光伏二次电池，其特征在于：光伏板与蓄电池为薄片结构或条状结构。

9.根据权利要求1所述的光伏二次电池，其特征在于：在一体化光伏二次电池之外，存在独立的控制器，用于匹配光伏电池产生的电能与蓄电池要求的充放电性能、负载对蓄电池的性能要求，并对蓄电池、光伏电池的性能进行监测。

10.根据权利要求1～9所述的任意一种光伏二次电池在BIPV、光伏照明、光伏电站、光伏驱动、光伏蓄电池器件、光伏动力中的应用。