CN112968664A - 一种智能光谱匹配的太阳电池阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能光谱匹配的太阳电池阵列，属于太阳能电池技术领域，其特征在于，至少包括：将太阳能转化为电能的电池阵列；所述电池阵列为多结太阳电池组，其包括M*N个电池；在每个电池的下表面设置有金属凸起；其中：M和N均为大于1的自然数；设置于电池阵列上方的聚光镜；带动电池阵列运动的电机；设置于电池阵列下方限制电池运动的导轨；所述导轨由绝缘材料制成；在所述导轨上表面设置有与所述金属凸起配合的M*N个凹槽；自下而上穿过导轨并与电池连接的导线；控制电池阵列动作的控制器。本发明通过引入聚光系统和太阳电池阵列，可以在不同光谱条件下调用不同的电池工作，实现光谱的最大化利用。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，特别是涉及一种智能光谱匹配的太阳电池阵列。
背景技术
太阳电池是将光吸收转换为电能的装置。半导体材料吸收光子，产生电子-空穴对，电子空穴对在电场的作用下分离分别向两侧电极移动，在外电路中形成电流做功。太阳电池的设计依赖于光谱条件，主要是由于电池吸收光子后能量不能被充分利用，其中热耗散较为严重。对于地面光伏常用的硅材料，蓝紫光光子能量一半以上以热形式耗散。为了减少热耗散，提高电池光电转换效率，人们设计多结电池结构，通过对光线进行分级、分区吸收，使得电池热耗散大幅降低。然而多结电池的设计要求是苛刻的，即太阳电池要在电流匹配或近似电流匹配下工作，否则电池内部载流子的复合会造成严重的能量损失。然而，不同于空间，地面和邻近空间环境复杂，光谱多变。例如大气中的水分、灰尘，环境温度，以及每天的不同时段环境光谱各不相同。传统的单一电池仅能在特定环境下产生较高的光电转换效率，不能满足复杂、多变光谱要求。
发明内容
本发明基于太阳电池利用现状，针对电池对外界光谱依赖性强的问题，提出一种智能光谱匹配的太阳电池阵列，通过引入聚光系统和太阳电池阵列，可以在不同光谱条件下调用不同的电池工作，实现光谱的最大化利用。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案是：
一种智能光谱匹配的太阳电池阵列，至少包括：
将太阳能转化为电能的电池阵列(2)；所述电池阵列(2)为多结太阳电池组，其包括M*N个电池；在每个电池的下表面设置有金属凸起；其中：M和N均为大于1的自然数；
设置于电池阵列(2)上方的聚光镜(1)；
带动电池阵列(2)运动的电机(5)；
设置于电池阵列(2)下方限制电池运动的导轨(3)；所述导轨(3)由绝缘材料制成；在所述导轨(3)上表面设置有与所述金属凸起配合的M*N个凹槽；
自下而上穿过导轨(3)并与电池连接的导线(6)；
控制电池阵列(2)动作的控制器；所述控制器至少包括如下一种控制模式：
互联网智能控制模式：通过对局域网或互联网收集、采集到的信息进行数据处理、分析、计算每个电池各自的输出功率；选择其中最高值并控制电机将对应电池移动到透镜正下方的工作位置；
自追踪智能控制模式：按照预先设置时间间隔或时间点执行扫描指令，测量各个子电池在工作位置时对应的功率输出值，确定其中的最高值并控制电机将对应电池移动到透镜正下方的工作位置；
预设定智能控制模式：按照预先设定的时间点控制电机将目标电池移动到透镜正下方的工作位置。
优选地：所述电池阵列(2)为平面阵列或圆柱阵列。
优选地：在电池阵列(2)的内部还设置二次聚光镜。
优选地：在M*N个凹槽中，仅有中心位置的凹槽为金属凹槽，其他凹槽为绝缘凹槽。其中仅有中央位置电池可以发电，其余电池不能发电。当环境发生变化时，需要改变电池阵列位置进而改变中间位置对应的电池。
优选地：还包括绝缘材料制成的支撑部件(4)，所述支撑部件(4)的上表面开设有安装槽，所述导轨(3)位于安装槽的底部，所述安装槽的侧壁开设有环形槽，所述聚光镜(1)的侧壁环形槽卡接。
优选地：所述电机(5)包括驱动电池阵列(2)在X轴方向运动的X轴电机、驱动电池阵列(2)在Y轴方向运动的Y轴电机。
优选地：所述绝缘材料为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯多种聚合物中的一种。
本发明具有的优点和积极效果是：
1.本申请采用多结太阳电池组。相较于硅太阳电池，多结电池对光谱进行分段吸收，从而降低光电转换过程中发生的热损耗，提升光电转换效率。
2.本申请可以通过改变透镜正下方工作位置对应的电池来实现对光谱的适应。单一的多结电池只能针对某一特定的太阳光谱实现。通过设计太阳电池阵列，提高太阳电池的光谱适应性，同时拓展其使用范围。
3.本申请可以通过环境和网络数据的实时反馈，借助大数据手段进行电池的选择。一方面可以根据历史数据和天气预测数据来对电池阵列的运动进行提前设定，在当天的某一时刻进行电池阵列的移动；另一方面电池自身的电流/电压数据可以上传到服务器，既可以作为发电量的监控，也可以印证环境模型和天气预测的准确性，建立某一地区环境相关的大数据体系。
4、通过连接控制器或者计算机可以实现离线的智能选择。只需要在特定的时间间隔或时间点下分别测量M*N个不同位置下的电流电压特征，通过程序选择最佳功率输出所对应的电池位置。时间间隔可以为1小时、2小时、3小时等。
附图说明
图1是本发明优选实施例中电池阵列上表面的结构图；
图2是本发明优选实施例中电池阵列下表面的结构图；
图3是本发明优选实施例中电池阵列和导轨之间连接示意图；
图4是本发明优选实施例的第一整体结构示意图；
图5是本发明优选实施例的第二整体结构示意图；
图6是本发明优选实施例中传动部分的结构图；
图7是本发明优选实施例中电池阵列和电机相对位置图；
图8是本发明优选实施例中互联网智能控制模式的流程图；
图9是本发明优选实施例中自追踪智能控制模式的流程图；
图10是本发明优选实施例中预设定智能控制模式的流程图。
其中：1、聚光镜；2、电池阵列；3、导轨；4、支撑部件；5、电机；6、导线；7、滑动平台；8、X轴电机、9、滚珠丝杠；10、Y轴丝杠。
具体实施方式
为进一步说明本发明的内容、特点和功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
太阳电池需要具备随光谱而进行自我调节的能力。由于太阳电池结构相对固定，不易改变，因此本申请采用电池阵列模式。在电池上方引入聚光镜，实现对光线的汇聚进而准确汇聚到某一个电池上。通过移动电池阵列相对位置，实现光线照射到不同电池的目标，进而实现电池效率随时间的变化。
电池阵列的变化可以通过程序控制，也可以通过人工进行手动控制。程序控制的好处是可以根据地方天气预报监测，以及传感器采集数据实时结果进行调整，不需要人力参与。
请参阅图1～8：
一种智能光谱匹配的太阳电池阵列，包括：
将太阳能转化为电能的电池阵列2；所述电池阵列2为多结太阳电池组，其包括M*N个电池；在每个电池的下表面设置有金属凸起；其中：M和N均为大于1的自然数；
设置于电池阵列2上方的聚光镜1；
带动电池阵列2运动的电机5；
设置于电池阵列2下方限制电池运动的导轨3；所述导轨3由绝缘材料制成；在所述导轨3上表面设置有与所述金属凸起配合的M*N个凹槽；
自下而上穿过导轨3并与电池连接的导线6；
控制电池阵列2动作的控制器；所述控制器至少包括如下一种控制模式：
互联网智能控制模式：通过对局域网或互联网收集、采集到的信息进行数据处理、分析、计算每个电池各自的输出功率；选择其中最高值并控制电机将对应电池移动到透镜正下方的工作位置；
自追踪智能控制模式：按照预先设置时间间隔或时间点执行扫描指令，测量各个子电池在工作位置时对应的功率输出值，确定其中的最高值并控制电机将对应电池移动到透镜正下方的工作位置；
预设定智能控制模式：按照预先设定的时间点控制电机将目标电池移动到透镜正下方的工作位置。
绝缘材料制成的支撑部件4，所述支撑部件4的上表面开设有安装槽，所述导轨3位于安装槽的底部，所述安装槽的侧壁开设有环形槽，所述聚光镜1的侧壁环形槽卡接；
上述技术方案主要包括四大部分：聚光镜、电池阵列、运动部件和支撑部件。
聚光镜：普通光学玻璃聚光镜，能够实现不同倍数的聚光效果。聚光镜焦距根据样品和受限空间需求变化范围为1cm到8cm，镜面直径根据使用情况以及环境情况变化范围为2cm到20cm。聚光镜固定在镜框中，并且焦距正好可以落在电池上方。
在电池阵列2内部还可以设置二次聚光镜进一步提高聚光度。
电池阵列，根据形状可以分为平面阵列或圆柱阵列。所谓平面阵列即电池按照N*N网格排布，每个网格或者多个网格共同对应于一个电池；通过调整X轴和Y轴实现电池位置的变化。圆柱阵列即电池网格分布于一个1/4圆柱面或者更小的圆柱面，通过在圆柱内表面内部移动电池的位置实现工作电池的变化。
圆柱方案电池主要用于无人机等不能进行对日跟踪的条件下。由于晨光/暮光具有倾斜入射、富红光等特征，使得直接应用三结电池面临顶电池严重电流。在这种情况下，设计柱状电池阵列，其中底端为常规光谱设计的电池，侧面为根据晨光、暮光优化的电池。
运动部件，包括导轨3、电机5和传动构件；其中：小型电机5为两个，一个电机为驱动电池阵列2在X轴方向运动的X轴电机、另一个电机为驱动电池阵列2在Y轴方向运动的Y轴电机。X轴电机8通过滚珠丝杠9与电池阵列2连接，X轴电机位于滑动平台7上，Y轴电机通过Y轴丝杠10带动X轴运动部运动；在人工手动调控时，主要通过人力使得电池阵列在导轨上移动并进行锁定。当电动调控时，在电池阵列底部或侧面安装微小型电机实现对电池阵列横向和纵向的控制。当电机连接电脑时可以实现对电池阵的离线控制或远程控制(联网)；当电脑安装相关控制程序时，电池可以实现智能化调节来适应环境光谱的变化。
导轨上有M*N凹槽与电池阵列背面M*N凸起相对应，实现对电池阵列位置的固定。电池阵列背面每个凸起分别与相对应的电池背电极相连，凸起均为可导电的金属，如铜或铝等。各个小电池的上电极连接在一起成为公共上电极。导轨上的凹槽只有中间位置为金属，可以与对应位置电池的凸起契合形成电流通道。其他位置凹槽均绝缘不能通过电流，仅起到固定作用。
小型电机用于控制电池阵列的相对位置，可以用电池或外加电源实现，该电机输出功率小，仅需要在调整电池阵列位置时才得以使用。可以通过RS232或者USB等接口连接计算机或控制器。在本发明中，电池输出电能足以支撑电机运动所需能量。
支撑部件，包括材料的绝缘外壳等，起到固定、支撑等作用。
图1为电池阵列3*3阵列示意图。根据应用可以拓展到3*4,4*4或者压缩到2*2,2*3等多个不同的规格；图2为电池阵列背部示意图，每个电池与一个凸起(图中圆形位置)相对应(如图中箭头所示)，之间通过导线连通。除凸起和导线其余部分均为绝缘材料。图3为电池阵列和导轨之间连接示意图，电池下侧的凸起与导轨上的凹槽可以契合并在底部形成接触；
表1一种可行的M*N(M＝3,N＝3)电池方案为：
上述优选实施例的制造过程为：
1.通过采购或者自己生产得到多种电池片。电池片尺寸应为正方形或接近正方形，X和Y方向尺寸均不大于2cm(对应于总尺寸10cm×10cm规格)。对于不同的规格，电池的尺寸要求可以按照比例增加或缩小。
2.通过模具制备电池阵列衬底以及导轨、支撑结构等。材料可以为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等多种聚合物材料。
3.在聚合物材料中通过挖孔等方式接入电极和导线，在电池阵列支撑体背部凸起位置蒸镀金属，在导轨中央位置凹槽位置蒸镀金属。
4.放入导轨，将导线引出。
5.放入小型电机，数据线和电源线引出。
6.放入电池，连接电池电极和导线。其中上电极导线接在一起并引出，下电极导线与对应位置的已蒸镀金属的凸起相连。
5.安装聚光镜，调整聚光镜高度角度使得焦点正好落在中央电池位置。
6.通过计算机和PLC等控制电机运动，编写程序实现智能控制效果。
上述优选实施例的工作原理为：
在不同的环境下不同电池输出的功率并不相同，例如在晨/暮光环境下长波光子能量更高，应采用适应红光的电池结构；在阴天环境下光强较低可以通过二次聚光提高其输出功率；通过智能控制，针对环境因素选择最优化的工作电池，实现电池阵列最大功率输出。具体的工作流程见图8到图10。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种智能光谱匹配的太阳电池阵列，其特征在于，至少包括：
将太阳能转化为电能的电池阵列(2)；所述电池阵列(2)为多结太阳电池组，其包括M*N个电池；在每个电池的下表面设置有金属凸起；其中：M和N均为大于1的自然数；
设置于电池阵列(2)上方的聚光镜(1)；
带动电池阵列(2)运动的电机(5)；
设置于电池阵列(2)下方限制电池运动的导轨(3)；所述导轨(3)由绝缘材料制成；在所述导轨(3)上表面设置有与所述金属凸起配合的M*N个凹槽；
自下而上穿过导轨(3)并与电池连接的导线(6)；
控制电池阵列(2)动作的控制器；所述控制器至少包括如下一种控制模式：
互联网智能控制模式：通过对局域网或互联网收集、采集到的信息进行数据处理、分析、计算每个电池各自的输出功率；选择其中最高值并控制电机将对应电池移动到透镜正下方的工作位置；
自追踪智能控制模式：按照预先设置时间间隔或时间点执行扫描指令，测量各个子电池在工作位置时对应的功率输出值，确定其中的最高值并控制电机将对应电池移动到透镜正下方的工作位置；
预设定智能控制模式：按照预先设定的时间点控制电机将目标电池移动到透镜正下方的工作位置。
2.根据权利要求1所述的智能光谱匹配的太阳电池阵列，其特征在于：所述电池阵列(2)为平面阵列或圆柱阵列。
3.根据权利要求1所述的智能光谱匹配的太阳电池阵列，其特征在于：在电池阵列(2)的内部还设置二次聚光镜。
4.根据权利要求1所述的智能光谱匹配的太阳电池阵列，其特征在于：在M*N个凹槽中，仅有中心位置的凹槽为金属凹槽，其他凹槽为绝缘凹槽。
5.根据权利要求1所述的智能光谱匹配的太阳电池阵列，其特征在于：还包括绝缘材料制成的支撑部件(4)，所述支撑部件(4)的上表面开设有安装槽，所述导轨(3)位于安装槽的底部，所述安装槽的侧壁开设有环形槽，所述聚光镜(1)的侧壁环形槽卡接。
6.根据权利要求1所述的智能光谱匹配的太阳电池阵列，其特征在于：所述电机(5)包括驱动电池阵列(2)在X轴方向运动的X轴电机、驱动电池阵列(2)在Y轴方向运动的Y轴电机。
7.根据权利要求1-6任一项所述的智能光谱匹配的太阳电池阵列，其特征在于：所述绝缘材料为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯多种聚合物中的一种。
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