CN102938571B - 薄膜型光伏充电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种薄膜型光伏充电装置，包括：柔性薄膜衬底，其构造用于粘附至移动电子设备的表面；薄膜型光伏电池组件，其在柔性薄膜衬底上形成，用于利用光伏效应产生电能；和薄膜型稳压电路模块，其在柔性薄膜衬底上形成，与薄膜型光伏电池组件电连接，用于控制薄膜型光伏电池组件的输出电压。本发明的薄膜型光伏充电装置能够在不同的光照强度下输出稳定的电压，实现各类移动电子设备的能源独立。
Description
技术领域
本发明涉及光伏充电装置，特别涉及用于移动电子设备的薄膜型光伏充电装置。
背景技术
自从智能手机(Smartphone)问世以来，各种无线通信模块、导航模块、光、热、声、电、力、温等传感器(Sensor)被集成进来。同时基于这些硬件功能模块开发出来的全新的应用程序和软件正在极大地改变人们的生活方式和思维方式。智能手机已经成为人们采集、接受、传输、处理、存储信息流的最重要工具。当智能手机的功能越来越强大的时候，手机的能耗也在不断增加。另一方面，目前化学电池技术的储能密度没有增加，在不增加体积的条件下，手机化学电池的能量也无法增加。因此需要对智能手机更加频繁地充电，普遍的需要每天充电1次以上。这一问题严重限制智能手机的便携性。
针对这一问题，目前有如下几种解决方案：1)携带足够大容量的化学电池模块。2)无线微波充电，这需要有专门的微波发射装置，而且对人体健康是否有伤害还没有定论。3)光伏充电。因为光资源具有最大的普遍性，且不需要额外的能量发射装置，所以具有其它两种方式不可比拟的优越性。
然而，现在的光伏充电器一般都是配备额外的蓄电池作为缓冲，且是和手机独立的设备，只能在较强的太阳光条件才能对对手机进行充电。这些因素极大削弱了手机光伏充电的便利性，限制了其广泛应用。
另外，对移动电子设备充电要求电压稳定在一定范围内。对光伏电池而言，输出电压和光强的一级近似关系是对数关系：Voc＝VTln(Jph/Jo)。其中Voc是电池开路输出电压，VT在室温条件下(25℃)为0.026V，Jph是光电流密度(和光照强度成正比)，Jo是电池暗电流密度。以砷化镓电池为例，在一个标准太阳光强度AM1.5G(指地平面和太阳光成近45度角的光照强度)条件下，电池的输出电压是1.0V。在室内照明灯照射条件下，电池的输出电压只有0.2V。因此，需要解决在不同的光照条件下稳定光伏电池的输出电压的问题。为了稳定电池输出电压，目前最为普遍的稳压和电压转换技术是采用脉冲宽度调制技术。这类技术一般要用大电感元件或大电容元件，难以做成薄膜结构，难以满足薄膜充电器的要求。
因此，目前迫切需要一种能够在各种照明光照条件(直射太阳光、漫反射太阳光、各种人造灯源等)下稳定工作的薄膜型光伏充电装置，其能够直接贴附于移动电子设备上，实现移动电子设备的即时充电，并且，其工作条件是：1)主要利用人眼可见波段(400nm-800nm)的光；2)可以在很宽的光强范围内工作，例如在直射太阳光下工作或者在室内照明灯下工作。以一个直射太阳光(太阳光线与电池表面垂直)的光照强度AM1.5G为标准单位，室内照明灯发出的光就只有大约1/1000个标准单位，光强变化为10000倍。
发明内容
本发明旨在提供一种高效率的、通用的、便携的，适用于各种光照环境的薄膜型光伏充电装置，为各种移动电子设备提供电能，大大减小设备所需的有线充电次数，或者完全免除电子设备的有线充电，成为一个真正能源独立的电子设备。
为此，本发明提出一种薄膜型光伏充电装置，包括：柔性薄膜衬底，其构造用于粘附至移动电子设备的表面；薄膜型光伏电池组件，其在柔性薄膜衬底上形成，用于利用光伏效应产生电能；和薄膜型稳压电路模块，其在柔性薄膜衬底上形成，与薄膜型光伏电池组件电连接，用于控制薄膜型光伏电池组件的输出电压。
本发明的薄膜型光伏充电装置作为即贴即用的薄膜，能够方便地贴附于移动电子设备的表面，并且能够在不同的光照强度下输出稳定的电压，实现各类移动电子设备的能源独立。
根据本发明的一个实施例，所述薄膜型光伏电池组件包括多个电池单元，所述薄膜型稳压电路模块包括开关矩阵，所述开关矩阵配置为根据薄膜型光伏电池组件中的单个电池单元的输出电压的大小来确定所述多个电池单元之间的电连接关系，从而使整个薄膜型光伏电池组件输出稳定的电压。
根据本发明的一个实施例，所述薄膜型稳压电路模块还包括模拟数字转换器和编码转换器，所述模拟数字转换器连接至所述薄膜型光伏电池组件中的一个电池单元，用于采集所述电池单元的电压信号并将其转换成数字信号输入到编码转换器，所述编码转换器根据所述电压信号产生对应的一组编码，以触发开关矩阵，从而确定各个电池单元之间的电连接关系。
根据本发明的一个实施例，所述薄膜型稳压电路模块还包括充电保护装置，所述充电保护装置配置用于限制薄膜型光伏充电装置的输出电压或电流超出预定值。
根据本发明的一个实施例，所述的薄膜型光伏充电装置还包括通用电源输出接口，用于将薄膜型光伏电池组件产生的电力输出给移动电子设备。
根据本发明的一个实施例，所述薄膜型光伏电池组件包括有机物薄膜电池。
根据本发明的一个实施例，所述薄膜型光伏电池组件包括无机物薄膜电池。
所述无机物薄膜电池可以从砷化镓薄膜电池、非晶硅(amorphous-Si)薄膜电池、碲化镉(CdTe)薄膜电池、铜铟镓硒(CIGS)薄膜电池、铜锌锡硫(CZTS)薄膜电池、磷化铟(InP)薄膜电池中选择，优选砷化镓薄膜电池。
根据本发明的一个实施例，所述薄膜型光伏电池组件包括6个电池单元。
根据本发明的一个实施例，所述薄膜型光伏电池组件包括12个电池单元。
附图说明
附图示意地示出了根据本发明的示例性实施例。其中各个附图中，相同的附图标记表示相同的部件。并且，为了清楚起见，各个附图不一定按比例绘制。附图只是用于示意本发明的实施例，而非用于限制发明。
图1是根据本发明的一个实施例的薄膜型光伏充电装置的结构示意图。
图2示出图1所示的薄膜型光伏充电装置中的光伏电池组件中的一个最基本的电池单元。
图3是示出图1所示的薄膜型光伏充电装置的内部电路逻辑关系的方框图。
图4-9示出根据本发明的示例性实施例的包括12个电池单元的光伏电池组件中的电池单元的电连接方式。
具体实施方式
以下参照附图说明根据本发明的示例性实施例的用于智能手机充电的薄膜型光伏充电装置的结构和工作原理。注意，附图和具体实施例的描述只是为了更好地理解本发明，本发明不局限于所描述的实施例。
图1是根据本发明的一个实施例的薄膜型光伏充电装置的结构示意图。如图1所示，薄膜型光伏充电装置的基本构造包括柔性薄膜衬底1、薄膜型光伏电池组件2和薄膜型稳压电路模块3。柔性薄膜衬底1构造用于粘附至移动电子设备如智能手机的表面上。薄膜型光伏电池组件2在柔性薄膜衬底上形成，用于利用光伏效应产生电能，用于为移动电子设备提供电力。薄膜型稳压电路模块3也在柔性薄膜衬底上形成，与薄膜型光伏电池组件2电连接，用于控制薄膜型光伏电池组件的输出电压，以便为移动电子设备提供相对稳定的输出电压。
可以在柔性薄膜衬底1上提供通用电源输出接口4，用于与移动电子设备电连接，以将薄膜型光伏电池组件2产生的电力输出给移动电子设备。
薄膜型光伏电池组件2可以为有机物薄膜电池，包括高分子材料有机电池，如PCBM/P3HT电池；小分子材料有机电池，如CuPc/C60电池，染料敏化电池等。
薄膜型光伏电池组件2也可以为无机物薄膜电池，例如砷化镓(GaAs)薄膜电池、非晶硅(amorphous-Si)薄膜电池、碲化镉(CdTe)薄膜电池、铜铟镓硒(CIGS)薄膜电池、铜锌锡硫(CZTS)薄膜电池、磷化铟(InP)薄膜电池。
为了使电池能够在各种照明光照条件下工作，本发明优选采用在单晶衬底上外延生长的砷化镓薄膜电池。这类电池具有以下优点：a)具有最好的材料质量，能够最有效地控制电池的暗电流，从而使其能够在弱光条件下(如室内照明，光照强度为1/1000个直射太阳光的光照强度)稳定工作；b)砷化镓电池能够吸收的光的波段和照明光源的发射光谱400nm-800nm重合，从而能够获得最大输出电流并保持输出电压也最大，因此能够获得最大的光电转换效率。
图2示出构成图1所示的薄膜型光伏充电装置中的光伏电池组件2的一个最基本的电池单元5。薄膜型光伏电池组件2可以包括多个如图2所示的电池单元5。如图2所示，每个电池单元5根据需要可以由1个或1个以上的电池5.1-5.n串联而成(n是大于等于2的整数)，从而每个电池单元5能够通过输入端口5a和输出端口5b与其它电池单元串联或并联。
图3是示出图1所示的薄膜型光伏充电装置的内部电路逻辑关系的方框图。如图3所示，薄膜型光伏电池组件2、薄膜型稳压电路模块3和通用电源输出接口4顺序电连接。薄膜型稳压电路模块3用于控制薄膜型光伏电池组件2输出基本稳定的电压，然后输出的基本稳定的电压通过通用电源输出接口4提供给移动电子设备，用于为移动电子设备充电。
根据一个实施例，薄膜型稳压电路模块3的功能可通过开关矩阵31来实现。如图3所示，薄膜型光伏电池组件2中的电池单元都连接到开关矩阵31。开关矩阵31配置为根据薄膜型光伏电池组件2中的单个电池单元的输出电压的大小来确定所述多个电池单元之间的电连接关系，从而使整个薄膜型光伏电池组件2输出稳定的电压。
以下根据图3所示的实施例说明利用开关矩阵31实现电压控制的方式。如图3所示，薄膜型稳压电路模块3可以包括模拟数字转换器32和编码转换器33。所述模拟数字转换器32电连接至薄膜型光伏电池组件2中的一个电池单元5，用于采集所述电池单元5的电压信号并将其转换成与电压大小成比例的数字信号输入到编码转换器33。编码转换器33根据所述电压信号产生对应的一组数字编码输入到开关矩阵31中，以触发开关矩阵31中的不同开关，从而确定各个电池单元50之间的串并联关系，保证整个薄膜电池组件输出期望的基本稳定的电压。
另外，如图3所示，薄膜型稳压电路模块3还可以包括充电保护装置34，所述充电保护装置34连接到开关矩阵31的输出端上，用于限制薄膜型光伏充电装置1的输出电压或电流超出移动电子设备的额定值。
上述模拟-数字转换器(ADC)、开关矩阵(Switch Matrix)、编码转换器(Code Convertor)，充电保护装置(Voltage-Current Protection)等电路都可以用成熟的硅集成电路芯片实现。
以下通过例子说明利用开关矩阵31控制薄膜型电池组件2的电压输出的过程。
以由6个电池单元5构成的薄膜型光伏电池组件为例。如果单个电池单元5因为环境光强不同输出的电压在0.5V到1V之间变化，并且要求6个电池单元的组件输出目标电压是3V。则当电池单元5输出电压在1V时，通过开关矩阵31使每3个电池单元串联，获得3V的输出电压。而当电池单元5输出的电压在0.5V时，通过矩阵开关使6个电池单元全部串联，同样获得3V的输出电压。
图4-9示出了根据本发明的另一个示例性实施例的包括12个电池单元的光伏电池组件中的电池单元的电连接方式。其中，图4示出12个电池单元采用2x6的排列方式，即，将12个电池单元分成6组，每组2个电池单元串联，6组电池单元并联。图5示出12个电池单元采用3x4的排列方式，即，将12个电池单元分成4组，每组3个电池单元串联，4组电池单元并联。图6示出12个电池单元采用4x3的排列方式，即将12个电池单元分成3组，每组4个电池单元串联，3组电池单元并联。图7示出12个电池单元采用6x2的排列方式，即，将12个电池单元分成2组，每组6个电池单元串联，2组电池单元并联。图8示出12个电池单元采用10x1的排列方式，即10个电池单元串联，共1组，2个电池单元空置。图9示出12个电池单元采用12x1的排列方式，即每组12个电池单元串联，共1组。
目前智能手机的蓄电池基本上采用锂电池。锂电池的充电电压是3-4V。因此，以锂电池作为参照，说明本发明的以面积为1cmx1cm的砷化镓薄膜电池作为基本结构的电池组件的设计。
砷化镓薄膜电池在强光条件下(10倍太阳光)，输出电压是1V；在弱光条件下，如室内照明灯，输出电压为0.15V。在本实施例中，以2个砷化镓电池5.1和5.2串联为一个电池单元5(图2)。这样，每个电池单元5的输出电压(Vcell)范围在0.3V和2V之间。并且，以12个电池单元为一组。对一组12个电池单元的排列组合按照如下方式设计：
1.当Vcell＞＝0.3V，＜＝0.33V，通过开关矩阵使12个基本单元串联(图9)，输出电压在3.6V和3.96V之间；
2.当Vcell＞0.33V，＜＝0.36V，通过开关矩阵使11个基本单元串联，1个基本单元空置，输出电压在3.63V和3.96V之间；
3.当Vcell＞0.36V，＜＝0.4V，通过开关矩阵使10个基本单元串联，2个基本单元空置(图8)，输出电压在3.6V和4V之间；
4.当Vcell＞0.4V，＜＝0.44V，通过开关矩阵使9个基本单元串联，3个基本单元空置，输出电压在3.6V和3.96V之间；
5.当Vcell＞0.44V，＜＝0.5V，通过开关矩阵使8个基本单元串联，4个基本单元空置，输出电压在3.52V和4.0V之间；
6.当Vcell＞0.5V，＜＝0.6V，通过开关矩阵使6个基本单元串联，0个基本单元空置，可以排列成2组并联(图7)，输出电压在3.0V和3.6V之间；
7.当Vcell＞0.6V，＜＝0.8V，通过开关矩阵使5个基本单元串联，2个基本单元空置，可以排列成2组并联，输出电压在3.0V和4.0V之间；
8.当Vcell＞0.8V，＜＝1.0V，通过开关矩阵使4个基本单元串联，0个基本单元空置，可以排列成3组并联(图6)，输出电压在3.2V和4.0V之间；
9.当Vcell＞1.0V，＜＝1.33V，通过开关矩阵使3个基本单元串联，0个基本单元空置，可以排列成4组并联(图5)，输出电压在3.0V和3.99V之间；
10.当Vcell＞1.33V，＜＝1.5V，通过开关矩阵使3个基本单元串联，0个基本单元空置，可以排列成4组并联(图5)，输出电压在3.99V和4.5V之间，这时必须通过过压过流保护电路34来使其输出电压稳定在大约4.0V；
11.当Vcell＞1.5V，＜＝2.0V，通过开关矩阵使2个基本单元串联，0个基本单元空置，可以排列成6组并联(图4)，输出电压在3.0V和4.0V之间。
总结上述设计，电池单元的排列方式和电池单元的输出电压的关系如下表。
表1
由上表可知，在不同的光照条件下，根据本发明的薄膜型光伏充电装置均可以获得与锂电池类似的适用于移动电子设备的基本稳定的输出电压。
电池单元的输出电压由环境光强决定。假定电池组件工作在不同光强条件下的几率是一致的，电池组件中电池单元的平均利用率是95.7％。
即：电池单元平均利用率＝∑(每一电压区间的电池单元的利用率×该电压区间)/电池单元的电压总区间
具体计算如下：
电池单元平均利用率＝(0.33-0.3)×100％+(0.36-0.33)×91.7％+(0.4-0.36)×83.33％+(0.44-0.4)×75％+(0.5-0.44)×66.67％+(0.6-0.5)×100％+(0.8-0.6)×83.88％+(1.0-0.8)×100％+(1.33-1.0)×100％+(1.5-1.33)×100％+(2.0-1.5)×100％＝95.7％
因此本发明的薄膜电池组件具有较高的电池利用率。
实践中，薄膜型光伏电池组件中所包括的电池单元的个数以6的整数倍为最佳选择，这是因为6是可以被一组连续的数组{1，2，3}整除的最小整数，12是可以被一组连续的数组{1，2，3，4}整除的最小整数，从而，如果电池单元的个数选择6的整数倍，易于对电池单元进行排列和组合，使得每个电池单元都能够尽可能地被充分利用。
本发明的薄膜型光伏充电装置具有如下优点：
1)采用高效率薄膜光伏电池，如薄膜GaAs电池，其具有高的光电转换效率，单个太阳光条件下转换效率达到25％，在各种弱光条件下(比如室内台灯光照等)转换效率达到30％以上，因此易于保证电子设备的充电需求，实现各类移动电子设备的能源独立。
2)宽的光照工作范围，可以满足在各种光照条件下的稳压要求。稳定电压输出的光照强度变化范围在一万倍以上。即可以在0.001倍的太阳光强度(相当于1支20瓦的日光灯管在面积为20平方米，高为3米的房间里产生的光强)到10倍太阳光强度条件下稳定输出电压，对移动电子设备充电。
3)易于集成。本发明的薄膜型光伏充电装置是一张基于柔性电子学的即贴即用的薄膜；可以粘附在任何表面，比如手机等任何电子设备的表面，因此，易于和包括智能手机在内的各种电子设备集成为一体。
根据本发明的教导，本领域技术人员可以设想其它的变形实施方式，只要不偏离本发明实质，它们均落入本发明的保护范围。本发明的保护范围由其权利要求书限定。
Claims (8)
1.一种薄膜型光伏充电装置，包括：
柔性薄膜衬底，其构造用于粘附至移动电子设备的表面；
薄膜型光伏电池组件，其在柔性薄膜衬底上形成，用于利用光伏效应产生电能；和
薄膜型稳压电路模块，其在柔性薄膜衬底上形成，与薄膜型光伏电池组件电连接，用于控制薄膜型光伏电池组件的输出电压；
其中，所述薄膜型光伏电池组件包括多个电池单元，所述薄膜型稳压电路模块包括开关矩阵，所述开关矩阵配置为根据薄膜型光伏电池组件中的单个电池单元的输出电压的大小来确定所述多个电池单元之间的电连接关系，从而使整个薄膜型光伏电池组件输出稳定的电压；
其中，所述薄膜型稳压电路模块适于在不同的光照条件下稳定薄膜型光伏电池组件的输出电压；
其中，所述薄膜型稳压电路模块还包括模拟数字转换器和编码转换器，所述模拟数字转换器连接至所述薄膜型光伏电池组件中的一个电池单元，用于采集所述一个电池单元的电压信号并将其转换成数字信号输入到编码转换器，所述编码转换器根据所述电压信号产生对应的一组编码，以触发开关矩阵，从而确定各个电池单元之间的电连接关系。
2.根据权利要求1所述的薄膜型光伏充电装置，其中，所述薄膜型稳压电路模块还包括充电保护装置，所述充电保护装置配置用于限制薄膜型光伏充电装置的输出电压或电流超出预定值。
3.根据权利要求2所述的薄膜型光伏充电装置，还包括通用电源输出接口，用于将薄膜型光伏电池组件产生的电力输出给移动电子设备。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的薄膜型光伏充电装置，其中，所述薄膜型光伏电池组件包括有机物薄膜电池。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的薄膜型光伏充电装置，其中，所述薄膜型光伏电池组件包括无机物薄膜电池。
6.根据权利要求5所述的薄膜型光伏充电装置，其中，所述无机物薄膜电池从砷化镓(GaAs)薄膜电池、非晶硅(amorphous-Si)薄膜电池、碲化镉(CdTe)薄膜电池、铜铟镓硒(CIGS)薄膜电池、铜锌锡硫(CZTS)薄膜电池、磷化铟(InP)薄膜电池中选择。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的薄膜型光伏充电装置，其中，所述薄膜型光伏电池组件包括6个电池单元。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的薄膜型光伏充电装置，其中，所述薄膜型光伏电池组件包括12个电池单元。
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