CN102496615B - 基于光伏电池和温差电池的组合电池装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光伏电池和温差电池的组合电池装置，用于将激光光能转换为电能，其不同之处在于：其包括至少一个光伏电池、与光伏电池相匹配的温差电池、内部匹配电路模块，所述光伏电池本体与温差电池之间设置有高导热体或高导热部件，光伏电池、温差电池通过内部匹配电路模块构成串联或者并联结构。本发明提高聚光太阳能或者激光供能的光电转换效率。

Description

基于光伏电池和温差电池的组合电池装置

技术领域

本发明涉及电池装置领域，特别是基于光伏电池和温差电池的组合电池装置。

背景技术

目前高电压输配电、深井探测、微波高塔、核电站等许多严酷的场合不能直接采用电源供电，而是通过光纤输送光能，然后通过光电转换获得电能的激光供能方式实现远地供电。激光供能采用大功率半导体激光器光源，将光能用光纤输送到需要供电的远端恶劣环境中，再由光电转换器件(光伏器件)将光能转换为电能，经过稳压后提供稳定的电源输出，可以给传感器供电并将传感信号用光纤送回。由于光纤采用石英材料制作，耐高温、绝缘性好、抗干扰能力很强，杜绝电火花的问题，光纤传输损耗又很低，而且激光二极管的工作特性可以确保光功率在一定温度条件下保持稳定，所以通过光伏器件转换后得到的电源输出功率也相对比较稳定。 这样的电源的纹波小，噪声低，有利于传感器的稳定工作，因此，激光供能方式已经成为多种传感器供电的一种既先进又稳定可靠的解决方案。

普通太阳能电池的光电转化效率只有10-20%。而为激光供能特殊应用设计制作的光伏器件，采用GaAs衬底，针对800~850nm波长，最大转换效率已经超过45%。 

一个单独的光伏电池由于半导体电池材料特性的限制，一般的输出电压比较低，不能满足绝多数的应用环境。因此通常的电池内部都包括了若干个电池单元，它们级联构成一个串联电池组，从而提高了输出电压，满足用户负荷电路所需要的额定电压要求。

此外，光伏电池的最终输出效率和电池的实现结构也有很大关系，反映在最后就是电池的形状因子，目前一般都有70%- 85%左右。但实际工作点一般达不到电池理想的工作点。因此，虽然，目前的电池在商用上已能做到45%以上的最佳理论效率，但这个最佳工作点是在特定的电路负载相匹配的条件下获得的。对一个加工好的电池芯片来说，它的工作点在一定光强下是固定不变的，但实际工作还必须考虑到外部负载的变动。因此外部负载在一定的变动范围内，实际工作效率就会大大下降，严重的情况下会下降到10-15%，这部分能量也以热能的形式消耗掉了。单独的光伏电池不能充分适应外界负载的变动。

特别的，在光伏电池应用中，光的辐射光强过大的时候，电池芯片的温度升高，这又会导致输出饱和电流和输出开路电压都下降，电池的内部电阻特性也会随温度改变，这样会进一步降低了电路中电池的光电转换效能，如果强光辐射，温度上升严重的话，那么效率下降得非常明显，同时其实际工作点又会严重偏离理想的工作点，效率下降，严重的可能只有30%不到。因此利用内部发热量采用温差电池转换为电能从而提高效率是一项改进途径。

而且，在这种严酷环境应用中，激光输送能量是非常宝贵的，不断地提高其供电转换效率是非常必要的。

理论上，通过组合电池装置的光伏电池前表面镀减反射膜或增透膜来降低入射光能的反射损失，那么除了转换为电能的一部分外，没有光能辐射损耗，其余的辐射能量都被电池本体材料晶格吸收和消耗在等效内电阻的发热上，因此光电池本体温度上升，通过传热给温差电池的热端就能够进一步产生电能。对目前最好的商用光伏电池的实测表明，一个商用化的特定激光波长的光伏电池在最佳负荷区大概也有55%的能量是以热能耗散的形式浪费了，而通常实际工作中可能会有70%的热量消耗，如果不能充分利用这部分能量，就非常可惜。

现有的利用光伏和温差效应的组合电池一般是针对太阳能的宽光谱来说，而且利用光伏电池所不能利用的太阳光谱其他光谱区能量透射后来集热发电。而光伏转换区内的能量和光伏电池本体热量没有充分加以利用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有半导体激光光伏电池的效率瓶紧的缺点，提供一种基于光伏电池和温差电池的组合电池装置，能充分、有效地利用光伏转换区内的光谱能量和光伏电池本体热量，提高激光供能的光电转换效率。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：基于光伏电池和温差电池的组合电池装置，用于将激光光能转换为电能，其不同之处在于：其包括至少一个光伏电池、与光伏电池相匹配的温差电池、内部匹配电路模块，所述光伏电池本体与温差电池之间设置有高导热体，光伏电池、温差电池通过内部匹配电路模块构成串联或者并联结构；所述高导热体设置在光伏电池本体的边缘部位；所述光伏电池与温差电池之间还设置有隔热材料；所述光伏电池的光入射面为前端光接受面，所述光伏电池上与前端光接受面相对的侧表面和背面均涂覆有光吸收材料，从而避免入射光对外辐射损耗。

按以上方案，所述内部匹配电路模块包括一个或多个调整电阻元件。

本发明原理：光伏电池中包含适合光纤应用的特定波长或者全太阳能光谱的微型光伏电池芯片，其接收激光器输出光纤头发射的光能或者通过内部聚光装置的聚光太阳能（200 倍以上的太阳单位）并转换为电能，光伏电池芯片构成一级电池；而不能被转换的光能在装置内以热能的形式收集形成一定的温度差，然后在内部由高导热体或高导热部件传导到温差电池从而构成二级电池重复利用废热能量并产生电能。两者在内部通过内部匹配电路模块连接并组合起来，从而构成两级电池的串联或者并联结构，这样改善了单独光伏电池或者温差电池的效能较低的不足，并提高输出的总电能功率。

对比现有技术，本发明的有益特点如下： 

1）、该基于光伏电池和温差电池的组合电池装置，因光伏电池本体与温差电池之间设置有高导热体或高导热部件，温差电池能充分收集来自光伏电池本体的热量，以提高聚光太阳能或者激光供能的光电转换效率；

2）、该基于光伏电池和温差电池的组合电池装置，可进行匹配负载的调节，从而使得其在不同光强度或者负载条件下能够工作在最佳工作区域；

3）、所述光伏电池前端光接受面外的其它表面涂覆有光吸收材料，可以避免入射光对外辐射损耗，最大程度的将耗散的热能转换为电能；

4）、将高导热体或高导热部件设置在光伏电池本体的边缘部位有利于提高热传导效率，从而提高聚光太阳能或者激光供能的光电转换效率。

附图说明

图1为本发明基于光伏电池和温差电池的组合电池装置整体结构示意图；

图2为本发明基于光伏电池和温差电池的组合电池装置实施例内部匹配电路并联模式示意图；

图3为本发明基于光伏电池和温差电池的组合电池装置实施例内部匹配电路串联模式示意图；

图4为本发明基于光伏电池和温差电池的组合电池装置实施例光伏电池芯片示意图；

图5为本发明基于光伏电池和温差电池的组合电池装置光伏电池等效原理图；

图6 为本发明基于光伏电池和温差电池的组合电池装置负载供电应用模型图； 

其中：1-光伏电池、2-温差电池、3-隔热材料、4-内部匹配电路模块、5-高导热体。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

请参考图1，本发明基于光伏电池和温差电池的组合电池装置，用于将激光光能转换为电能，其包括至少一个光伏电池1、与光伏电池相匹配的温差电池2、内部匹配电路模块4，所述光伏电池1本体与温差电池2之间设置有高导热体5，光伏电池1、温差电池2通过内部匹配电路模块4构成串联或者并联结构。此处高导热体5也可以使用高导热部件来替换。

具体的，因为光伏电池本体边缘部位的温度较高，所以高导热部件5设置在光伏电池本体的边缘部位其效果较好，此处高导热体5也可以使用高导热部件来替换。

优选的，所述光伏电池1的光入射面为前端光接受面，光伏电池1上与光入射方向相对的侧表面涂覆有光吸收材料，从而避免入射光向侧面逃逸的辐射损耗。

进一步，所述光伏电池1上与前端光接受面相对的背面也可以涂覆有光吸收材料，从而进一步避免入射光对外辐射损耗。

具体的，内部匹配电路模块4包括一个或多个调整电阻元件。

具体的，所述光伏电池1与温差电池2之间还设置有隔热材料3。

在本发明中，由于光伏电池1的侧面会有一定的光能损耗，因此在光伏电池1的侧面采用涂敷或者其他电镀、蒸镀等表面处理工艺以防止光能损耗，在光伏电池1的入射面设置减反射膜，并使用隔热材料3和高导热体5等充分地利用废热能量构成一个理想黑体，从而保证除了极小的反射损耗以外，整个装置内的热量能够完全利用并且95%以上的能量转移到温差电池2中，并产生电能。

本发明中装置内部的两个或者多个电池（至少有一个光伏电池1和温差电池2）通过内部匹配电路模块4来组合两级电池的输出特性，从而能提供满足不同应用场景的输出电压和输出功率要求，通过内部匹配电路模块4的调整可以使用实现的电压和功率输出并能和用户负荷电路匹配。

下面对本发明中的各部件做进一步详细描述： 

1、光伏电池

整个光伏电池除了前表面的光接受部分外，侧面涂覆采用光的吸收材料，避免对外辐射损耗，通过前表面处理来减少发射损耗，从而形成一个理想的黑体，背面也可以在光伏电池本体与高导热体或高导热部件相连接区域以外的部位涂覆采用光的吸收材料；

一般光伏电池1中设置有电池芯片，由多个子电池单元串联而成，由半导体工艺制作而成。常用聚光电池结构可能是单结或者多结的，后者一般是为聚光太阳能应用而设计的。

2、高导热体或高导热部件：发明中包括了高导热体或高导热部件，因为这部分能量是本发明装置要利用废热发电，改善光源效能的核心。

3、温差电池：温差电池是将聚热转换为电能的电池元件，是利用耗散的热能产生电能并改善光电转换效能的主要部件。

4、内部匹配电路模块：主要用于将两级电池组合匹配从而向外部供应电能，可根据用户需求来选择串并联形式，并联连接的形式来实现一定的电流匹配，串联连接的形式来实现一定的电压匹配。

5、此外，构成整个装置需要高电导的金属引线，外封状管壳和管座，保证整个产品外观的完整和密封性能，此外为了保证热电池工作稳定性，必要的外散热结构在实用化产品中也是必要的。

总之，以上部件构成的装置能够实现效率提升的目的。提高量的多少，其关键还取决于温差电池2的效率，目前的温差电池2材料效率可以达到10-15% ,那么实际提升效率可能达到7-9%左右。

两种电源组合的基本电路形式是串联和并联，见图2和图3。其中包括了调节元件，一般是电阻或者二极管。一般说，电阻是必须的，二极管包括反向的稳压管或者正向用的二极管是可选的，可起到对外恒压或者恒流输出的作用。在图2和图3中还可能扩展电源部件到三个或者更多，比如光伏电池1或者温差电池2可以使用超过一个数量来分离的串联或者并联使用，这种扩展都包含在本发明中。

光伏电池1在目前实用化阶段中是主要的供能电源，可以采用太阳能应用的聚光太阳能电池，或者激光供能应用中的适合光纤输送的特定波段化合物光电池。图4是激光供能用光伏电池芯片的典型结构，内部包含了多个单元串联来提高输出电压，可以通过半导体工艺实现一体化的结构，全部受光区是有减反射膜的，为了实现热量有效收集，可以采用合适的芯片封装工艺或者混合集成电路工艺等制作成一体结构。

本发明能按照应用需要改善光能利用效率，具有比单独的光伏电池更多的实用性和灵活性。因为外界太阳或者激光器或者光纤输送供应的光能在内部能够通过光路调整来改善光伏发电和温差发电的分配。比如改变光斑光伏电池受光区域的光辐射面积，或者合理控制光束入射角度来调整。此外，通过合理的结构设计优化，可以减少对光学元件对准的严格要求并保证能量利用效率的最大化。本发明在应用上还是可以等效为一个标准的电压源或者电流源，参见图5和图6。如图5所示，左边的虚线框中表示的是本发明装置的等效电压源或者电流源，右边的虚线框中的电阻代表负载。

整个基于光伏电池1和温差电池2的组合电池装置在工艺制备上可以采用分离器件的封状结构或者多质材料单片集成工艺或者混合工艺，这些都可以在现有技术条件下实现。

上述实施例中应用的光吸收材料的光谱主要考虑内部反射的光或者可能二次激发的其他光波，现有的材料分析技术可以用于找到最佳性能的匹配材料。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.基于光伏电池和温差电池的组合电池装置，用于将激光光能转换为电能，其特征在于：其包括至少一个光伏电池、与光伏电池相匹配的温差电池、内部匹配电路模块，所述光伏电池本体与温差电池之间设置有高导热体，光伏电池、温差电池通过内部匹配电路模块构成串联或者并联结构；所述高导热体设置在光伏电池本体的边缘部位；所述光伏电池与温差电池之间还设置有隔热材料；所述光伏电池沿光入射方向的前端为光接受面，在光伏电池的入射面设置减反射膜，所述光伏电池上与前端光接受面相对的侧表面和背面均涂覆有光吸收材料，从而形成一个理想的黑体来避免入射光对外辐射损耗；光伏电池中包含适合光纤应用波长或者全太阳能光谱的微型光伏电池芯片，其接收激光器输出光纤头发射的光能或者通过内部聚光装置的聚光太阳能并转换为电能，光伏电池芯片构成一级电池；而不能被转换的光能在装置内以热能的形式收集形成一定的温度差，然后在内部由高导热体或高导热部件传导到温差电池从而构成二级电池重复利用废热能量并产生电能；一级电池、二级电池两者在内部通过内部匹配电路模块连接并组合起来，从而构成两级电池通过半导体工艺实现一体化的串联或者并联结构。

2.如权利要求1的基于光伏电池和温差电池的组合电池装置，其特征在于：所述内部匹配电路模块包括一个或多个调整电阻元件。