CN104979475A - 一体化自持复合光电板和其工作方法以及光电板阵列 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一体化自持复合光电板和其工作方法以及光电板阵列，所述一体化自持复合光电板中第一层为发光层，第二层为可控反射/透射层，第三层为光伏层，第四层为控制电路层，第五层为蓄电池层，且各层之间通过相应的泛连接的层间接口相连；自持式复合光电板提供了一种使用太阳能照明的简单方法，即将光伏电池，蓄电池，相关控制电路及发光器件使用印刷，涂敷、自封装、面安装等工艺薄膜化，并用粘合及挤压工艺把各部分组合到一起，组成完整的一体化自持复合光电板，以实现一种板状太阳能照明系统。

Description

一体化自持复合光电板和其工作方法以及光电板阵列

技术领域

本发明涉及光伏领域，尤其涉及一种一体化自持复合光电板及其工作方法以及光电板阵列。

背景技术

太阳能照明是太阳能利用的重要方式之一。太阳能照明是指利用太阳能光伏电池把阳光转换成电能，存储电能并在夜间驱动发光元件照明的过程。太阳能照明系统一般由光伏电池、蓄电池、充放电控制电路及驱动控制电路、发光元件等几个部分组成。光伏电池实现光能到电能的转换，蓄电池存储电能，发光元件把电能转换为光；充放控制电路控制蓄电池的充放电过程，保证电池的安全。现有太阳能照明系统的构造特点是，系统通常由机械和电气两类部件组成，各部件经安装、连接为一个整体，以专用照明装置的方式使用。目前的系统一般含有光伏电池板、铅酸电池或镍氢等蓄电池、LED发光体等部件，占用空间大，安装过程复杂，系统成本较高。

因此，需要设计一种结构简单，使用方便，光电转换、能量存储、发光部件一体化，能够实现自持发光的复合光电板，以解决上述技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种一体化自持复合光电板，本光电板通过多层复合结构将光伏电池，蓄电池，相关控制电路及发光器件集于一体，解决了太阳能照明系统的采集转换，电能存储和发光一体化的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一体化自持复合光电板，所述一体化自持复合光电板为多层复合结构，其包括依次上下叠层设置的发光层、可控反射/透射层、光伏层、控制电路层和蓄电池层，且相邻层之间通过相应的泛连接的层间接口相连；其中，所述发光层，用于发光；所述可控反射/透射层，对射入或射出的复合光电板的光线进行透射或反射控制；所述光伏层，将光能转换为电能；所述控制电路层，分别对发光层、可控反射/透射层和蓄电池层进行相应控制；所述蓄电池层，用于对光伏层产生的电能进行存储。

进一步，为了保证光伏层的薄膜形态及柔性，提高光电转换效率，所述光伏层为采用非晶硅、CIS、CIGS材料中的任一种制成的光电采集板，所述光伏层的上端面与可控反射/透射层的下端面之间粘合有透明EVA胶。

进一步，为保证一体化自持复合光电板具有大容量存储电能的能力，所述蓄电池层为三层复合结构的固态锂离子电池层，其中，上层为铝电极，中间层为固态锂离子电解质，下层为铜电极；或，所述电池层为超级电容电池层，该超级电容电池层包括上、下分布的两块电极板，两块电极板之间均匀分布有适于构成若干密封空腔的网格，各密封空腔内设有电解质，其中，电极板为活性炭混合石墨烯材料制作成的多孔电极板。

进一步，所述发光层为OLED层，且该层为多层复合结构，包括：金属阴极层、有机发射层、有机导电层、金属阳极及OLED基板；且所述OLED层的上端面通过透明EVA胶与保护层的下端面相连。

进一步，为了实现透射或反射控制，以达到白天打开光阀，使阳光投射到光伏电池上，晚上关闭光阀，提供高反射率背景，提高复合光电板的照明效果的目的；所述可控反射/透射层采用高反射率液晶薄膜作为光阀控制光线的反射或透射。

进一步，为了实现各层之间的控制，所述控制电路层包括：微控制器单元、电池充放电控制单元、发光控制单元、光阀控制单元和光控单元，其中，所述电池充放电控制单元适于将光伏层转换的电能传输至蓄电池层中存储，并控制输入、输出电流，防止蓄电池过充、过放；所述发光控制单元包括：恒流驱动电路，且该恒流驱动电路适于控制所述OLED层发光；所述微控制器单元适于分别与所述光控单元、光阀控制单元相连，且该微控制器单元适于根据光控单元的感光信号通过相应的层间接口实现控制光阀控制单元、恒流驱动电路以及电池充放电控制单元；即，若微控制器单元根据感光信号判定为晚上时，则控制光阀控制单元使可控反射/透射层的光阀关闭以变为反射层，并控制恒流驱动电路启动OLED层发光；若微控制器单元根据感光信号判定为白天时，则控制光阀控制单元使可控反射/透射层的光阀打开以变为透射层，并控制电池充放电控制单元启动，以将电能传输至蓄电池层中存储。

进一步，为了实现各层之间的连接，所述层间接口采用位于上、下层间的FPC膜电路，所述FPC膜电路包括：若干对连接点，各对连接点上、下分别成对位于上层的下端面和下层的上端面，且上、下连接点之间通过导电胶相连。

另一方面，本发明在上述一体化自持复合光电板的基础上还提供了一种光电板阵列，本光电板阵列充分利用一体化自持复合光电板结构紧凑、散热好、发光均匀的优点，对一体化自持复合光电板进行组合拼接，可以构成了一种任一面积的光电板阵列，使这种一体化自持复合光电板能够应用于大面积照明场合。

本发明提供的光电板阵列，所述光电板阵列采用若干如权利要求1所述的一体化自持复合光电板拼接而成。

又一方面，本发明在上述一体化自持复合光电板的基础上还提供了一体化自持复合光电板的工作方法，以解决光电板发光、光电转换之间切换的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种一体化自持复合光电板的工作方法，所述控制电路层包括：微控制器单元、电池充放电控制单元、发光控制单元、光阀控制单元和光控单元，其中，所述电池充放电控制单元适于将光伏层转换的电能传输至蓄电池层中存储并控制电流的输出；所述发光控制单元包括：恒流驱动电路，且该恒流驱动电路适于控制所述OLED层发光。

所述工作方法包括：

所述微控制器单元适于分别与所述光控单元、光阀控制单元和接口控制电路相连，且该微控制器单元适于根据光控单元的感光信号通过相应的层间接口实现控制光阀控制单元、恒流驱动电路以及电池充放电控制单元。

若微控制器单元根据感光信号判定是晚上时，则控制光阀控制单元使可控反射/透射层的光阀关闭以变为反射层，并控制恒流驱动电路启动OLED层发光；若微控制器单元根据感光信号判定是白天时，则控制光阀控制单元使可控反射/透射层的光阀打开以变为透射层，并控制电池充放电控制单元启动，将电能传输至电池层中存储。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：自持式复合光电板提供了一种使用太阳能照明的简单方法，即将光伏电池，蓄电池，相关控制电路及发光器件使用印刷，涂敷、自封装、面安装等工艺薄膜化，并用粘合及挤压工艺把各部分组合到一起，组成完整的一体化自持复合光电板，以实现板状太阳能照明系统。本光电板可以实现独立的光-电-光转换过程，白天自动处于发充电状态，把太阳光能转换为电能，并对蓄电池充电；当环境亮度低于规定的阈值时，自动打开发光部件照明；本光电板不需要任何外部支持就能够提供长时间的自持照明；本光电板的小功率单元化结构保证了使用的安全性；本光电板可以在现有工艺条件下大规模生产，降低照明系统成本，提供高质量的太阳能照明系统。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是一体化自持复合光电板的主要分层的结构示意图；

图2是一体化自持复合光电板中蓄电池层的结构示意图；

图3是一体化自持复合光电板中蓄电池层的另一种实施方式的结构示意图；

图4是控制电路层的电路原理框图；

图5是层间接口的结构示意图。

其中，发光层1、可控反射/透射层2、光伏层3、控制电路层4、蓄电池层5、层间接口6、保护层7、基底8、铝电极501、铜电极502、固态锂离子电解质503、网格504、连接点601。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明的一体化自持复合光电板提供了一种使用太阳能照明的简单方法。与现有的太阳能照明系统不同，自持复合光电板将光伏电池，蓄电池，相关控制电路及发光器件使用印刷，涂敷、自封装、面安装等工艺薄膜化，并用粘合及挤压工艺把各部分组合到一起，组成完整的一体化板状太阳能照明系统。本光电板可以实现独立的光-电-光转换过程，白天自动处于发充电状态，把太阳光能转换为电能，并对蓄电池充电；当环境亮度低于阈值时，自动打开发光部件照明。系统不需要任何外部支持就能够提供长时间的自持照明。本光电板的小功率单元化结构保证了系统使用的安全性。光电板可以在现有工艺条件下大规模生产，降低照明系统成本，提供高质量的太阳能照明系统。

实施例1

图1示出了一体化自持复合光电板中主要层的结构示意图。

如图1所示，一体化自持复合光电板，所述一体化自持复合光电板为多层复合结构，其中，第一层为发光层1，第二层为可控反射/透射层2，第三层为光伏层3，第四层为控制电路层4，第五层为蓄电池层5依次上下叠层，且各层之间通过相应的泛连接的层间接口6相连；其中，所述发光层1，用于发光；所述可控反射/透射层2，对射入或射出的复合光电板的光线进行反射或透射控制；所述光伏层3，将光能转换为电能；所述控制电路层4，分别对发光层1、可控反射/透射层2和蓄电池层5进行相应控制；所述蓄电池层5，用于对光伏层3产生的电能进行存储。

优选的，所述光伏层3为采用非晶硅、CIS、CIGS中的任一种制成的光电采集板，使所述光伏层3具有柔性，所述光伏层3的上端面与可控反射/透射层2的下端面之间粘合有透明EVA胶。具体的光伏层3有多种材料可以选用，不同材料可以形成不同特性的光电板。为保证复合光电板的薄形结构及转换效率、结构重量、结构柔性的综合要求，复合光电板选用非晶硅、CIS（铜铟硒）、CIGS （铜铟镓硒化物）中任一种作为基本的光伏层3的材料。上述材料制成的薄膜光伏层可以获得系统柔性及更薄的结构。CIS/CIGS薄膜光伏层具有更宽的波段范围，可以有更长的光电转换时间。且CIS/CIGS薄膜光伏层的宽带特性和累积效应能有效的提高光电转换效率。其中，CIGS薄膜最高转换率已经达到20.8%[ NREL BRCE] ,光谱范围覆盖0.01μm 到1.5μm波段，在0.3μm-0.7μm可见光段吸收率达到90%，CIS/CIGS的柔性基材能满足光电板的技术要求。也可以选用单晶硅、多晶硅光伏电池板获得刚性光伏层，同时获得更高的光电转换效率。

图2示出了一体化自持复合光电板中蓄电池层5的结构示意图。

所述蓄电池层5包括两种可选的实施方式。

如图2所示，例如，所述蓄电池层5为三层复合结构的固态锂离子电池层5，其中，上层为铝电极501，中间层为固态锂离子电解质503，下层为铜电极502。具体的固态锂离子电池层5是用锂系电解质涂覆在金属电极内面，经固化后成为固态电解质形成的新型锂离子电池，具有锂离子电池的高比能特征，同时具有结构柔性及可剪裁性。固态锂离子电池同时有较好的安全性，在剪切，冲击、刺穿条件下不燃不爆，能够满足复合光电板系统的结构、容量及安全性要求。

图3示出了一体化自持复合光电板中蓄电池层5的另一种实施方式的结构示意图。

如图3所示，所述蓄电池层5的另一种可选的实施方式是，所述蓄电池层5为超级电容电池层5，该超级电容电池层5包括上、下分布的两块电极板，两块电极板之间均匀分布有适于构成若干密封空腔的网格504，各密封空腔内设有电解液，其中，电极板为活性炭混合石墨烯材料制作成的多孔电极板。所述电解液通过各网格504以及上、下电极板密封起来，形成若干个并联连接的超级电容。所述网格504的形状不限于图3中的正方形，也可以成蜂窝状网格分布。

所述发光层1为OLED层，且该层为多层复合结构，包括：金属阴极层、有机发射层、有机导电层、金属阳极及OLED基板；优选的，所述OLED层的上端面通过透明EVA胶与保护层7的下端面相连，以保证透光率。OLED是通过在玻璃、聚酯膜等片基上涂覆有机薄层及透明金属电极，构成有机二极管。当在有机二极管两端施加电压时，有机材料会激发出光线，其机理与常见的LED发光相似。OLED的透明、超薄及面发光特性使它成为光电板最理想的发光层1材料；且OLED是平面发光，光线柔和，没有炫目现象；光谱完全落在可见光区，光色接近日光，显色性好。OLED的薄膜厚度小于1毫米，有良好的柔性。OLED可以容易地实现彩色发光。复合光电板以OLED作为发光层1材料，能够满足光电板在结构，性能上的要求。可选的，OLED层也可以采用面封装的LED阵列来替代，进一步，所述LED阵列的LED发光芯片稀疏排列，芯片之间有较大间隔，以便于光线穿过发光层。

优选的，所述可控反射/透射层2采用高反射率液晶薄膜，该液晶薄膜作为光阀控制光线的透射或反射。具体的，由于本一体化自持复合光电板中存在光伏层3与发光层1两种层，需要使用可控反射/透射层2协调两层的关系。可控反射/透射层2位于发光层1和光伏层3之间。可控反射/透射层2使用光阀实现反射或透射控制，所述可控反射/透射层2可以采用高反射率液晶薄膜制成。利用高反射液晶薄膜在没有电压施加在两端时呈现透明，有电压时呈现高反射率特征。

所述可控反射/透射层2的作用是，白天在控制电路层4的作用下打开光阀，使阳光投射到光伏电池上；晚上关闭光阀，提供高反射率背景，提高复合光电板的照明效果。

图4示出了控制电路层4的电路原理框图。

如图4所示，所述控制电路层4包括：微控制器单元、电池充放电控制单元、发光控制单元、光阀控制单元和光控单元；其中，所述电池充放电控制单元适于将光伏层3转换的电能传输至蓄电池层5中存储；所述发光控制单元包括：恒流驱动电路，且该恒流驱动电路适于控制所述OLED层发光；所述微控制器单元适于分别与所述光控单元、光阀控制单元相连，且该微控制器单元适于根据光控单元的感光信号通过相应的层间接口6实现控制光阀控制单元、恒流驱动电路以及电池充放电控制单元；即，若微控制器单元根据感光信号判定为晚上时，则控制光阀控制单元使可控反射/透射层2的光阀关闭以变为反射层，并控制恒流驱动电路启动OLED层发光；若微控制器单元根据感光信号判定为白天时，则控制光阀控制单元使可控反射/透射层2的光阀打开以变为透射层，并控制电池充放电控制单元启动，以将电能传输至蓄电池层5中存储。具体的，所述控制电路层4为FPC薄膜控制电路层4，其中的各单元电路均采用ASIC电路或者利用相应的ASIC芯片。所述光控单元可以采用光敏电阻或光敏传感器来实现。可选的，所述控制电路层4还包括：接口控制模块，所述控制电路层4适于通过该接口控制模块实现与外电路通讯，程序下载等功能。具体的，所述微控制器单元也可以超小超低功耗微控制器，例如ST公司的STM8S 系列低成本8位MCU，其采用UFPQFPN 20脚小体积封装，体积为3*3*0.5 毫米；或STM8L系列超低功耗8位MCU ，其采用 UFQFPUN20小体积封装，体积为3*3*0.5 毫米；也可以采用Lapis 公司的ML610Q101/102 系列超低功耗8位MCU, 其采用SSOP16小体积封装，体积为5*4*1.3毫米。

图5示出了层间接口6的结构示意图，其中，图（a）为层间接口6的上层或下层中各连接点的示意图，图（b）为FPC膜电路的侧视图。

如图5所示，所述层间接口6采用位于上、下层间的FPC膜电路，所述FPC膜电路包括：若干对连接点601，各对连接点601上、下分别成对位于上层的下端面和下层的上端面，且上、下连接点601之间通过导电胶相连。具体的，层间接口6是上下层间的连接点601。该接口是使用附属各层的FPC膜电路实现的，以提供层间的广泛连接，简称泛连接；该层提供连接电路布线及泛连接的连接点601，以满足复合光电板的电气性能及电气结构需要。泛连接的概念是指在连接层，同一对电连接点601会反复出现在连接面的不同位置。重复接点均匀分布在整个接口层上，接点数量根据功率大小和电路特点决定。泛连接层使用真空低温胶接工艺连接。泛连接接口可以在层间提供更好的连接质量和可靠性，满足PV、OLED、蓄电池层5等功率元件的使用要求。

实施例2

在实施例1基础上的一种光电板阵列，所述光电板阵列采用若干所述的一体化自持复合光电板拼接而成。其中，可根据一体化自持复合光电板的拼接数量决定光电板阵列的面积，即可构成一大面积的光电板阵列。

具体的，光电板阵列通过若干一体化自持复合光电板作为光电板单元拼接而成，单个一体化自持复合光电板的功率小，但是每块都是一个完整的光电系统，因此，制成的光电板阵列具有发光均匀的特点，并且，由于功率小，所以很好的解决了散热问题。可选的，每个光电板单元提供约1W的输出功率，能够满足大多数照明需求。可选的，各一体化自持复合光电板可以为正方形，且边长在5-20cm之间；优选的，当边长为10厘米时，散热效果最好。各一体化自持复合光电板也可以是长方形或者其他任意形状。

所述光电板阵列在典型安装条件及典型光照条件下每平方米可以提供约50瓦到100瓦的照明功率，能够满足室外夜间一般照明需要，如地灯、安全灯、室外发光标志、交通标志等装置的照明要求。

另外，还可以修改系统参数增加一体化自持复合光电板的亮度，构成中高亮度系统，以满足公共场合通用面发光照明及广告照明等较高要求的照明功能。

实施例3

在实施例1基础上的一体化自持复合光电板的工作方法，该工作方法中包含的控制过程由自持复合光电板中的控制电路层4实现。具体的，所述控制电路层4包括：微控制器单元、电池充放电控制单元、发光控制单元、光阀控制单元和光控单元，其中，所述电池充放电控制单元适于将光伏层3转换的电能传输至蓄电池层5中存储，并控制电流的输出，防止过充过放；所述发光控制单元包括：恒流驱动电路，且该恒流驱动电路适于控制所述OLED层发光。

所述工作方法包括：

所述微控制器单元适于分别与所述光控单元、光阀控制单元和接口控制电路相连，且该微控制器单元适于根据光控单元的感光信号通过相应的层间接口6实现控制光阀控制单元、恒流驱动电路以及电池充放电控制单元；若微控制器单元根据感光信号判定是晚上时，则控制光阀控制单元使可控反射/透射层2的光阀关闭以变为反射层，并控制恒流驱动电路启动OLED层发光；若微控制器单元根据感光信号判定是白天时，则控制光阀控制单元使可控反射/透射层2的光阀打开以变为透射层，并控制电池充放电控制单元启动，将电能传输至蓄电池层5中存储。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (9)

1.一体化自持复合光电板，其特征在于包括依次上下叠层设置的发光层、可控反射/透射层、光伏层、控制电路层和蓄电池层，且相邻层之间通过相应的泛连接的层间接口相连；其中，

所述发光层，用于发光；

所述可控反射/透射层，对射入或射出的复合光电板的光线进行反射或透射控制；

所述光伏层，将光能转换为电能；

所述控制电路层，分别对发光层、可控反射/透射层和蓄电池层进行相应控制；

所述蓄电池层，用于对光伏层产生的电能进行存储。

2.根据权利要求1所述的一体化自持复合光电板，其特征在于，所述光伏层为采用非晶硅、CIS、CIGS材料中的任一种制成的光电采集板，

所述光伏层的上端面与可控反射/透射层的下端面之间粘合有透明EVA胶。

3.根据权利要求2所述的一体化自持复合光电板，其特征在于，所述蓄电池层为三层复合结构的固态锂离子电池层，其中，上层为铝电极，中间层为固态锂离子电解质，下层为铜电极；

或，所述蓄电池层为超级电容电池层，该超级电容电池层包括上、下分布的两块电极板，两块电极板之间均匀分布有适于构成若干密封空腔的网格，各密封空腔内设有电解液，其中，电极板为活性炭材料制作成的多孔电极板。

4.根据权利要求3所述的一体化自持复合光电板，其特征在于，所述发光层为OLED层，且该层为多层复合结构，包括：金属阴极层、有机发射层、有机导电层、金属阳极及OLED基板；且所述OLED层的上端面通过透明EVA胶与保护层的下端面相连。

5.根据权利要求4所述的一体化自持复合光电板，其特征在于，所述可控反射/透射层采用光阀控制光的反射或透射。

6.根据权利要求5所述的一体化自持复合光电板，其特征在于，所述控制电路层包括：微控制器单元、蓄电池充放电控制单元、发光控制单元、光阀控制单元和光控单元，其中，

所述电池充放电控制单元适于将光伏层转换的电能传输至蓄电池层中存储；

所述发光控制单元包括：恒流驱动电路，且该恒流驱动电路适于控制所述OLED层发光；

所述微控制器单元适于分别与所述光控单元、光阀控制单元相连，且该微控制器单元适于根据光控单元的感光信号通过相应的层间接口实现控制光阀控制单元、恒流驱动电路以及电池充放电控制单元；即

若微控制器单元根据感光信号判定为晚上时，则控制光阀控制单元使可控反射/透射层的光阀关闭以变为反射层，并控制恒流驱动电路启动OLED层发光；

若微控制器单元根据感光信号判定为白天时，则控制光阀控制单元使可控反射/透射层的光阀打开以变为透射层，并控制电池充放电控制单元启动，以将电能传输至蓄电池层中存储。

7.根据权利要求6所述的一体化自持复合光电板，其特征在于，所述层间接口采用位于上、下层间的FPC膜电路，

所述FPC膜电路包括：若干对连接点，各对连接点上、下分别成对位于上层的下端面和下层的上端面，且上、下连接点之间通过导电胶相连。

8.一种光电板阵列，其特征在于，所述光电板阵列采用若干如权利要求1所述的一体化自持复合光电板拼接而成。

9.一种根据权利要求1所述的一体化自持复合光电板的工作方法，其特征在于，所述控制电路层包括：微控制器单元、电池充放电控制单元、发光控制单元、光阀控制单元和光控单元，其中，

所述电池充放电控制单元适于将光伏层转换的电能传输至电池层中存储；

所述发光控制单元包括：恒流驱动电路，且该恒流驱动电路适于控制所述OLED层发光；

所述工作方法包括：

所述微控制器单元适于分别与所述光控单元、光阀控制单元和接口控制电路相连，且该微控制器单元适于根据光控单元的感光信号通过相应的层间接口实现控制光阀控制单元、恒流驱动电路以及电池充放电控制单元；

若微控制器单元根据感光信号判定是晚上时，则控制光阀控制单元使可控反射/透射层的光阀关闭以变为反射层，并控制恒流驱动电路启动OLED层发光；

若微控制器单元根据感光信号判定是白天时，则控制光阀控制单元使可控反射/透射层的光阀打开以变为透射层，并控制电池充放电控制单元启动，将电能传输至蓄电池层中存储。