CN108565123B - 用于建筑物的分布式太阳能照明供电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于建筑物的分布式太阳能照明供电系统，包括太阳能电池组、太阳能充放电控制器、蓄电池组、逆变器及建筑物照明系统配电箱；所述太阳能电池组为染料敏化太阳能电池，包括光阳极、对电极和电解液，其中光阳极和对电极相对设置，中间夹有液态电解液；其中，所述光阳极包括FTO基底，在FTO基底表面设有TiO2复合薄膜；所述对电极包括Ti金属片、及设于Ti金属片表面的Ti/TiO2纳米管薄膜。

Description

用于建筑物的分布式太阳能照明供电系统
技术领域
本发明涉及建筑照明系统技术领域，尤其涉及一种用于建筑物的分布式太阳能照明供电系统。
背景技术
太阳能作为绿色能源，发电蓄能技术已经比较成熟。利用太阳能发电技术，结合现有配电技术，考虑到太阳能照明技术建设成本与最终施工便利性，考虑给住宅建筑照明系统补充供电可以达到较好的成本与效能结合。利用太阳能，可实现减少电能消耗，低碳减排的目的。
发明内容
本发明旨在提供一种用于建筑物的分布式太阳能照明供电系统，以解决上述提出问题。
本发明的实施例中提供了一种用于建筑物的分布式太阳能照明供电系统，包括太阳能电池组、太阳能充放电控制器、蓄电池组、逆变器及建筑物照明系统配电箱；所述太阳能电池组安装在有阳光直接照射的建筑物外墙面，并通过建筑物预留管路与在室内的太阳能充放电控制器连接，再通过建筑物预留管路将分别有蓄电逻辑与放电逻辑的太阳能充放电控制器分别于配电箱总开关回路与配电箱照明回路连接；还通过建筑物预留管路将太阳能充放电控制器与蓄电池组、逆变器连接；通过建筑物预留管路将逆变器与配电箱照明回路开关连接；所述太阳能电池组为染料敏化太阳能电池，包括光阳极、对电极和电解液，其中光阳极和对电极相对设置，中间夹有液态电解液；其中，所述光阳极包括FTO基底，在FTO基底表面设有TiO2复合薄膜；所述对电极包括Ti金属片、及设于Ti金属片表面的Ti/TiO2纳米管薄膜。
本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明的可实现为住宅照明系统补充供电功能，利用太阳能，实现减少电能消耗，低碳减排的效果。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明的安装结构示意图。
图2是本发明的充放电控制器系统逻辑图。
图3是本发明的充放电控制器蓄电逻辑图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
结合图1，本发明的实施例涉及一种用于建筑物的分布式太阳能照明供电系统，包括太阳能电池组1、太阳能充放电控制器2、蓄电池组3、逆变器4及建筑物照明系统的配电箱5；所述太阳能电池组1是单一太阳能电池经串、并联组成的电池组件。所述太阳能充放电控制器主要功能是整个系统提供逻辑控制。所述逆变器主要功能是把直流电逆变为交流电。所述蓄电池(组)主要功能为系统提供电能存储。所述太阳能电池组安装在有阳光直接照射的建筑物外墙面，并通过建筑物预留管路与在室内的太阳能充放电控制器连接，再通过建筑物预留管路将分别有蓄电逻辑与放电逻辑的太阳能充放电控制器分别于配电箱总开关回路与配电箱照明回路连接；还通过建筑物预留管路将太阳能充放电控制器与蓄电池组、逆变器连接；通过建筑物预留管路将逆变器与配电箱照明回路开关连接。
本发明的工作原理参见图2、3。
太阳能充放电控制器的充放电控制逻辑分为蓄电逻辑与放电逻辑。
充放电控制器蓄电逻辑如下：
1.太阳能电池组(太阳能电池板)产生电能传输至充放电控制器。
2.控制器根据蓄电池(组)电压综合判断充放电情况。
3.当蓄电池(组)电压低于最高电压时为蓄电池(组)充电。
4.当蓄电池(组)电压高于最高电压时停止为蓄电池(组)充电。
充放电控制器放电逻辑如下：
1.当蓄电池(组)电压低于最低放电电压时，充放电控制器联通配电箱总开关与配电箱照明回路开关电源，将市电直接输出给配电箱照明回路，直接由市电为照明系统供电。
2.当蓄电池(组)电压高于最低放电电压时，切断配电箱总开关与配电箱照明开关链接，控制蓄电池(组)回路联通逆变器回路，由逆变器输出电能至照明配电箱开关，为照明系统供电。
优选实施方式中，所述太阳能电池组1为一种染料敏化太阳能电池。目前，作为第一代太阳能电池的硅基太阳能电池产业已占有了光伏产业90％的市场，单晶硅太阳能电池的光电转换效率很高，但是由于硅材料的短缺，及复杂的制作工艺，造成的环境污染，限制了其广泛应用；第二代太阳能电池是基于薄膜技术的非晶硅，CdTe和CIGS等化合物太阳能电池，其缺点在于毒性大，有温度依赖性，材料缺乏等；第三代太阳能电池中，染料敏化太阳能电池的优势十分突出，成为一种低成本、高效率太阳能电池的研究方向。
染料敏化太阳能电池通常由光阳极、对电极以及电解液构成一种三明治式结构的有机无机复合型光电化学太阳能电池；对光阳极、对电极的材料及结构的改进能够有效提高电池的光电转换效率。
基于上述，基于传统染料敏化太阳能电池，本发明的技术方案公开了一种染料敏化太阳能电池，在结构方面，其包括光阳极、对电极和电解液，其中光阳极和对电极相对设置，中间夹有液态电解液。
关于光阳极，本申请的技术方案对光阳极进行了改进，该光阳极包括FTO基底，在FTO基底表面设有TiO2复合薄膜；
具体来说，该TiO2复合薄膜中包括BaTiO3/MoS2/TiO2纳米片异质结构和TiO2纳米颗粒；该TiO2复合薄膜是这样形成的：通过在FTO基底表面丝网印刷TiO2复合浆料，从而形成该TiO2复合薄膜。
二氧化钛是一种直接带隙半导体过渡金属氧化物，其在传统领域，比如颜料、光电化学、传感器等领域使用广泛，现阶段由于TiO2具有较好的物理化学稳定性，耐强酸碱腐蚀，而且纳米尺寸的TiO2在电荷传输分离、染料吸附等方面都显示出优异的性能，因此，染料敏化太阳能电池的光阳极中一直用二氧化钛浆料作为主要物质；而在本发明技术方案中，创造性的将BaTiO3/MoS2/TiO2纳米片异质结构和TiO2纳米颗粒混合作为光阳极，其具有利于电子传输的通道，且，利于染料的吸附，减少电子的湮灭，取得了意料不到的有益效果。
优选地，该BaTiO3/MoS2/TiO2纳米片异质结构和TiO2纳米颗粒的质量比例为5:3。
优选地，该TiO2纳米颗粒的粒径为40nm。
优选地，所述BaTiO3/MoS2/TiO2纳米片异质结构中，该TiO2为纳米片，BaTiO3、MoS2均为纳米颗粒；TiO2纳米片边长为120nm，该BaTiO3纳米颗粒粒径为20nm，该MoS2纳米颗粒粒径为100nm。
进一步优选地，所述BaTiO3/MoS2/TiO2纳米片异质结构中，BaTiO3、MoS2、TiO2的摩尔比为1:1:4。
在上述摩尔质量控制下，BaTiO3、MoS2、TiO2结合能够发挥最佳的技术效果，提高电子传输效率、减小电子湮灭。
在现有技术中，将BaTiO3/MoS2/TiO2纳米片异质结构应用于光阳极的技术方案不多，本发明技术方案中，创造性的将BaTiO3、MoS2、TiO2结合，能够提高电子的传输效率，并且，提高光阳极的散射能力，从而提高了光电转换的效率，起到了意料不到的技术效果。
优选地，该TiO2复合薄膜的厚度为20μm。
关于对电极，本申请的技术方案对对电极进行了改进，该对电极包括Ti金属片、及设于Ti金属片表面的Ti/TiO2纳米管薄膜。该Ti金属片的厚度为0.2mm，纯度为≥99.7％。该Ti金属片表面的Ti/TiO2纳米管薄膜的形成过程为：首先，采用阳极氧化金属钛片制备二氧化钛纳米管阵列，然后采用磁控溅射Ti，对二氧化钛纳米管阵列进行掺杂处理，形成Ti/TiO2纳米管薄膜。
上述Ti/TiO2纳米管薄膜厚度为1μm；
上述Ti/TiO2纳米管的壁厚为50nm，纳米管直径为100nm；
通常是采用铂作为对电极材料，但是其成本较高，限制了其产业上的应用，本发明技术方案中，将Ti/TiO2纳米管薄膜替代铂修饰层，其具有良好的导电性，化学性质稳定，催化活性高，取得了积极的技术效果，为铂对电极提供了一种良好的替代材料。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
实施例1
本实施例中，所述染料敏化太阳能电池包括光阳极、对电极和电解液，其中光阳极和对电极相对设置，中间夹有液态电解液。
该光阳极包括FTO基底，在FTO基底表面设有TiO2复合薄膜；该TiO2复合薄膜中包括BaTiO3/MoS2/TiO2纳米片异质结构和TiO2纳米颗粒；该TiO2复合薄膜是这样形成的：通过在FTO基底表面丝网印刷TiO2复合浆料，从而形成该TiO2复合薄膜。
具体的，BaTiO3/MoS2/TiO2纳米片异质结构中，该TiO2为纳米片，BaTiO3、MoS2均为纳米颗粒；BaTiO3、MoS2、TiO2的摩尔比为1:1:4；TiO2纳米片边长为120nm，BaTiO3纳米颗粒粒径为20nm，MoS2纳米颗粒粒径为100nm；
该TiO2纳米颗粒的粒径为40nm；
该BaTiO3/MoS2/TiO2纳米片异质结构和TiO2纳米颗粒的质量比例为5:3；。
该TiO2复合薄膜的厚度为20μm。
该对电极包括Ti金属片、及设于Ti金属片表面的Ti/TiO2纳米管薄膜；该Ti金属片的厚度为0.2mm，纯度为≥99.7％；该Ti金属片表面的Ti/TiO2纳米管薄膜的形成过程为：首先，采用阳极氧化金属钛片制备二氧化钛纳米管阵列，然后采用磁控溅射Ti，对二氧化钛纳米管阵列进行掺杂处理，形成Ti/TiO2纳米管薄膜。
具体的，上述Ti/TiO2纳米管薄膜厚度为1μm；
上述Ti/TiO2纳米管的壁厚为50nm，纳米管直径为100nm。
如下为本发明所述染料敏化太阳能电池的制备步骤：
步骤1，制备光阳极
a)制备TiO2纳米片
通过水热法制备TiO2纳米片：在室温下，取10ml钛酸四丁酯，将其放入50ml的聚四氟乙烯反应釜中，然后，在搅拌情况下加入1.4ml的49wt.％氢氟酸溶液，在200℃下保温24h，得到白色沉淀，然后将其依次用超纯水和乙醇离心清洗，得到产物在70℃下干燥24h，得到所述TiO2纳米片；
b)制备MoS2
将0.3g的钼酸钠、0.4g的硫代乙酰胺和0.5g的草酸分别溶解在20ml去离子水中，磁力搅拌15min，分别形成均匀溶液；
然后，将20ml的硫代乙酰胺溶液缓慢倒入20ml的钼酸钠溶液中，同时磁力搅拌10min，形成混合溶液A，然后将20ml的草酸溶液和混合溶液A混合，超声20min，使溶液充分反应，形成混合溶液B；
将混合溶液B转移到100ml高压反应釜中并完好密封，将反应釜放入200℃的温度下保温30h；待反应结束后，离心收集反应釜中生成的沉淀物，清洗后，再在真空干燥箱中将沉淀在60℃下干燥10h，然后在氩气保护下，630℃退火75min，得到MoS2；
c)制备BaTiO3/MoS2/TiO2
将氢氧化钡完全溶于超纯水中，配置成浓度为14mM、60ml的溶液，然后将其加入到反应釜中，按照摩尔比例，向反应釜中加入上述得到的TiO2纳米片和MoS2，磁力搅拌50min后，再210℃保温35h，待反应完毕后自然冷却至室温，所得产物用0.1M的盐酸溶液和去离子水洗涤多次，然后干燥得到所述的BaTiO3/MoS2/TiO2纳米片异质结构；
d)制备光阳极
首先，将BaTiO3/MoS2/TiO2纳米片异质结构和TiO2纳米颗粒配置成TiO2复合浆料；光阳极基底为FTO基底，将其切割，清洗干净，然后配置0.04M的TiCl4水溶液，将清洗干净的FTO基底放入TiCl4水溶液中，在80℃下保持1h，取出，用去离子水反复冲洗，然后将FTO基底放入马弗炉中，在400℃退火1h；
采用丝网印刷法将TiO2复合浆料涂覆在处理过的FTO基底上，达到所需厚度后，将旋涂好浆料的FTO基底在260℃干燥5h，然后在290℃煅烧40min、310℃煅烧15min、360℃煅烧50min、450℃煅烧30min、500℃煅烧20min；将煅烧后的FTO基底浸入到0.05mM染料N-719的乙腈和叔丁醇混合溶液中，乙腈和叔丁醇体积比为1:1，停留24h，取出后晾干，得到所述的光阳极；
步骤2，制备对电极
将铂修饰的石墨电极作为为阴极，将Ti金属片作为阳极，施加电压为60V，在氟化氨的质量百分比含量为0.1％的乙二醇溶液中在室温下阳极氧化12h，得到附着在Ti金属片上的TiO2纳米管阵列；将上述附着有TiO2纳米管阵列的Ti金属片放入磁控溅射仪中，磁控溅射Ti；其中，本底真空为5Pa，氩气速率为22sccm，磁控溅射功率为360W，磁控溅射电压为230V，磁控溅射时间为25s；得到所述Ti/TiO2纳米管薄膜，即得到所述对电极；
步骤3，封装
将光阳极与对电极对置，在两电极之间注入电解液，共同组成一个三明治结构的电池，两电极之间进行封装，得到所述染料敏化太阳能电池；其中，电解液应用碘/碘三负离子电解液，首先称取100ml的乙腈溶液，向其中加入0.1M的碘化锂，0.1M单质碘，0.6M 4-叔丁基吡啶和0.6M的四丁基碘化铵，避光超声5min，使其充分溶解；然后称取5g的Ag纳米颗粒，将其加入混合溶液中，充分混合。
染料敏化太阳能电池的光电性能主要是由测定电池的短路电流密度-开路电压来表现，测试是在模拟标准太阳光照射下进行的，在AM1.5的标准光源下，对所得染料敏化太阳能电池性能进行测试。经测定，本实施例得到的染料敏化太阳能电池开路电压为0.79V，短路电流密度为19.56mA/cm2，光电转换效率高达12.1％；
可以看到，本实施例中，由于该TiO2复合薄膜中包含BaTiO3/MoS2/TiO2纳米片异质结构，该对电极中包括Ti/TiO2纳米管薄膜，该BaTiO3、MoS2、TiO2、Ti/TiO2纳米管结合能够发挥最佳的技术效果，提高电子传输效率、减小电子湮灭，进而体现在提高了光电转换效率。
实施例2
本实施例中，所述染料敏化太阳能电池包括光阳极、对电极和电解液，其中光阳极和对电极相对设置，中间夹有液态电解液。
该光阳极包括FTO基底，在FTO基底表面设有TiO2复合薄膜；该TiO2复合薄膜中包括BaTiO3/TiO2纳米片异质结构和TiO2纳米颗粒；该TiO2复合薄膜是这样形成的：通过在FTO基底表面丝网印刷TiO2复合浆料，从而形成该TiO2复合薄膜。
具体的，BaTiO3/TiO2纳米片异质结构中，该TiO2为纳米片，BaTiO3为纳米颗粒；BaTiO3、TiO2的摩尔比为1:4；TiO2纳米片边长为120nm，BaTiO3纳米颗粒粒径为20nm；
该TiO2纳米颗粒的粒径为40nm；
该BaTiO3/TiO2纳米片异质结构和TiO2纳米颗粒的质量比例为5:3；。
该TiO2复合薄膜的厚度为20μm。
该对电极包括Ti金属片、及设于Ti金属片表面的Ti/TiO2纳米管薄膜；该Ti金属片的厚度为0.2mm，纯度为≥99.7％；该Ti金属片表面的Ti/TiO2纳米管薄膜的形成过程为：首先，采用阳极氧化金属钛片制备二氧化钛纳米管阵列，然后采用磁控溅射Ti，对二氧化钛纳米管阵列进行掺杂处理，形成Ti/TiO2纳米管薄膜。
具体的，上述Ti/TiO2纳米管薄膜厚度为1μm；
上述Ti/TiO2纳米管的壁厚为50nm，纳米管直径为100nm。
染料敏化太阳能电池的光电性能主要是由测定电池的短路电流密度-开路电压来表现，测试是在模拟标准太阳光照射下进行的，在AM1.5的标准光源下，对所得染料敏化太阳能电池性能进行测试。经测定，本实施例得到的染料敏化太阳能电池开路电压为0.71V，短路电流密度为17.88mA/cm2，光电转换效率高达9.4％；
可以看到，本实施例中，相较实施例1，由于该TiO2复合薄膜中包含BaTiO3/TiO2纳米片异质结构，该对电极中包括Ti/TiO2纳米管薄膜，光电转换效率有所降低。
以上所述仅为本发明的较佳方式，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.用于建筑物的分布式太阳能照明供电系统，其特征在于，包括太阳能电池组、太阳能充放电控制器、蓄电池组、逆变器及建筑物照明系统配电箱；所述太阳能电池组安装在有阳光直接照射的建筑物外墙面，并通过建筑物预留管路与在室内的太阳能充放电控制器连接，再通过建筑物预留管路将分别有蓄电逻辑与放电逻辑的太阳能充放电控制器分别于配电箱总开关回路与配电箱照明回路连接；还通过建筑物预留管路将太阳能充放电控制器与蓄电池组、逆变器连接；通过建筑物预留管路将逆变器与配电箱照明回路开关连接；所述太阳能电池组为染料敏化太阳能电池，包括光阳极、对电极和电解液，其中光阳极和对电极相对设置，中间夹有液态电解液；其中，所述光阳极包括FTO基底，在FTO基底表面设有TiO2复合薄膜；所述对电极包括Ti金属片、及设于Ti金属片表面的Ti/TiO2纳米管薄膜；
所述TiO2复合薄膜中包括BaTiO3/MoS2/TiO2纳米片异质结构和TiO2纳米颗粒；所述BaTiO3/MoS2/TiO2纳米片异质结构和TiO2纳米颗粒的质量比例为5:3；所述TiO2复合薄膜是这样形成的：通过在FTO基底表面丝网印刷TiO2复合浆料，从而形成该TiO2复合薄膜。
2.根据权利要求1所述的分布式太阳能照明供电系统，其特征在于，所述BaTiO3/MoS2/TiO2纳米片异质结构中，该TiO2为纳米片，BaTiO3、MoS2均为纳米颗粒；BaTiO3、MoS2、TiO2的摩尔比为1:1:4。
3.根据权利要求2所述的分布式太阳能照明供电系统，其特征在于，所述TiO2纳米片边长为120nm，BaTiO3纳米颗粒粒径为20nm，MoS2纳米颗粒粒径为100nm；所述TiO2纳米颗粒的粒径为40nm。
4.根据权利要求1所述的分布式太阳能照明供电系统，其特征在于，TiO2复合薄膜的厚度为20μm。
5.根据权利要求1所述的分布式太阳能照明供电系统，其特征在于，所述Ti/TiO2纳米管薄膜厚度为1μm；所述Ti/TiO2纳米管的壁厚为50nm，纳米管直径为100nm。
6.根据权利要求1所述的分布式太阳能照明供电系统，其特征在于，所述染料敏化太阳能电池的制备步骤：
步骤1，制备光阳极
a)制备TiO2纳米片
b)制备MoS2
将0.3g的钼酸钠、0.4g的硫代乙酰胺和0.5g的草酸分别溶解在20ml去离子水中，磁力搅拌15min，分别形成均匀溶液；
然后，将20ml的硫代乙酰胺溶液缓慢倒入20ml的钼酸钠溶液中，同时磁力搅拌10min，形成混合溶液A，然后将20ml的草酸溶液和混合溶液A混合，超声20min，使溶液充分反应，形成混合溶液B；
将混合溶液B转移到100ml高压反应釜中并完好密封，将反应釜放入200℃的温度下保温30h；待反应结束后，离心收集反应釜中生成的沉淀物，清洗后，再在真空干燥箱中将沉淀在60℃下干燥10h，然后在氩气保护下，630℃退火75min，得到MoS2；
c)制备BaTiO3/MoS2/TiO2
将氢氧化钡完全溶于超纯水中，配置成浓度为14mM、60ml的溶液，然后将其加入到反应釜中，按照摩尔比例，向反应釜中加入上述得到的TiO2纳米片和MoS2，磁力搅拌50min后，再210℃保温35h，待反应完毕后自然冷却至室温，所得产物用0.1M的盐酸溶液和去离子水洗涤多次，然后干燥得到所述的BaTiO3/MoS2/TiO2纳米片异质结构；
d)制备光阳极；
步骤2，制备对电极
将铂修饰的石墨电极作为为阴极，将Ti金属片作为阳极，施加电压为60V，在氟化氨的质量百分比含量为0.1％的乙二醇溶液中在室温下阳极氧化12h，得到附着在Ti金属片上的TiO2纳米管阵列；将上述附着有TiO2纳米管阵列的Ti金属片放入磁控溅射仪中，磁控溅射Ti；其中，本底真空为5Pa，氩气速率为22sccm，磁控溅射功率为360W，磁控溅射电压为230V，磁控溅射时间为25s；得到所述Ti/TiO2纳米管薄膜，即得到所述对电极；
步骤3，封装
将光阳极与对电极对置，在两电极之间注入电解液，共同组成一个三明治结构的电池，两电极之间进行封装，得到所述染料敏化太阳能电池；其中，电解液应用碘/碘三负离子电解液，首先称取100ml的乙腈溶液，向其中加入0.1M的碘化锂，0.1M单质碘，0.6M4-叔丁基吡啶和0.6M的四丁基碘化铵，避光超声5min，使其充分溶解；然后称取5g的Ag纳米颗粒，将其加入混合溶液中，充分混合。
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