CN206908546U - 一种柔性便携式太阳能电源包 - Google Patents

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张晓锋
颜悦
刘伟明
陈牧
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Abstract

本实用新型属于移动电源技术领域，涉及一种柔性便携式太阳能电源包。太阳能电源包由柔性太阳能电池、柔性全固态薄膜锂电池及管理模块组成，管理模块包括电路转换子模块、过充保护子模块、控温子模块、过放保护子模块、电量输出子模块；电路转换子模块具有两个输入接口和一个输出接口。本实用新型不用以往使用盒子箱子盛放电源包，由于薄膜太阳能电池和全固态薄膜电池均具有较好的柔性，故三部分的集成可实现一个柔性的移动电源包，且使用时可展开，不使用时可卷起来收纳，节省使用空间。该柔性电源包可以便携地安装在背包和衣服上，可以在阳光充足甚至弱光的情况下实时实地收集太阳能，满足野外作业的需求。

Description

一种柔性便携式太阳能电源包
技术领域
本实用新型属于移动电源技术领域，涉及一种柔性便携式太阳能电源包。
背景技术
现代社会生活和军事领域对电力的需求及依赖程度与日俱增，特别是重要部门的电力负荷较高，一旦供电中断会导致严重后果。野外作业的电器设备需要电力供应，而野外作业的供电设施欠佳。一次性充完电后需要再次充电方可使用。携带的移动发电机重量大，噪声大，需要自备燃料，不便于使用。
目前国内外应急电源主要有EPS(Emergent Power System)和UPS(UninterruptedPower System)、独立于正常电源的柴油或汽油发电机、风力发电机等。实际应用中发现：1)以市电为基础的在线EPS或UPS，野外紧急使用时受限于电网覆盖；2) 柴油或汽油发电机也会受到油量储存的限制；3)风力发电机作为应急电源，使用时受到地域、风力、风向等自然因素影响较大且较为笨重。而太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，具有较明显的优势。
太阳能电池是一种自发电的装置，在光照较充足的条件下可将太阳能转化为电能。野外作业的环境要求这种电池具有高质量比功率和环境适应性，否则会严重影响装备的正常使用和性能发挥。第一代太阳能电池是硅基太阳能电池，包括单晶硅、多晶硅、非晶硅及纳米硅等，具有较高的转化率，但其质量比功率较低。第二代薄膜型化合物太阳能电池包括硅基薄膜太阳能电池、碲化镉薄膜太阳能电池、铜铟镓硒薄膜太阳能电池、砷化镓太阳能电池等，这种电池具有活性材料使用量少，转化率高，质量比功率高等优势，其中铜铟镓硒体系的薄膜太阳能电池具有较强的环境适应性，耐候性和抗辐射强，适合作为野外作业的移动便携式充电装置使用。柔性衬底铜铟镓硒薄膜电池，由于具备高效率、高比功率和可弯曲性，使其成为极具前景的薄膜太阳能电池。此外，从第一代太阳能电池演化而来的非晶硅薄膜太阳能电池由于价格优势也具有较大的应用市场，也包括新型的钙钛矿新柔性电池(Energy Environ.Sci.,2015,8,916-921)。
由于太阳能的光照强度随时间变化，故在光照充足的情形下可采用锂电池存储起来，便于夜晚或光照不足时使用电能。为了配合柔性太阳能电池的使用，且兼具较高的比能量密度，因此具有高安全性长寿命的柔性全固态薄膜锂电成为首选。薄膜锂电池主要由柔性基片、正极收集极、阴极、电解质、阳极、负极收集极、封装保护层等组成，所有组成部分均为固态物质。其工作原理与常规锂离子电池相同，其中不同之处在于，固态薄膜锂电池通过固态薄膜电解质传导锂离子，不存在隔膜和电解液，因此更为安全可靠。此外，该电池功能薄膜层的特征厚度仅约10微米，具备更长的循环寿命，更低的自放电率和更宽的环境温度适应性。
虽然美国专利US 4740431很早就提出了将薄膜太阳能电池和薄膜电池集成的装置，但是该专利局限于将薄膜太阳能电池(主要是当时较为流行p-i-n型硅基薄膜太阳能电池)和薄膜锂电池集成制作在一起(分别镀制在衬底两边或在单面叠成镀制，但使用整流接触层隔开)，并没有充分考虑两个组件的工艺兼容性，也没有体现出本发明中便携式电源的柔性特点。
美国专利US 5644207和美国专利US 6608464 B1公开了一种太阳能电池与固态聚合物电池贴合，再整体贴合到带有电池充电管理电路的基板上的技术。这个集成的电源可以附着在房屋或某些结构上。但是其所用固态聚合物电池，其寿命和柔性均受到限制，且整体贴合不利于便携。
中国专利CN 100377467C较全面阐述了太阳能电池与锂电池结合作为野外作业电源包的设计理念，特别提到通过多种途径给移动电源供电，并具有多个规格的输出接口，但该专利对储能装置描述仅限于锂电池组，并没有对其构成详加描述，且该移动电源没有柔性。
中国专利CN 202602352 U报道薄膜太阳电池是由若干个功率为10W的AscentSolar Mobile CIGS柔性薄膜太阳能电池单元排列起来，所述专用锂离子电池为 12V60Ah的磷酸铁锂电池组。该发明使用常规锂离子电池，因而无法与薄膜型太阳能电池组合成柔性的移动电源整体，且显著增加了移动电源的重量。
发明内容
本实用新型的目的是针对上述现有技术中存在的问题，提出一种具有能量收集和存储功能的柔性便携式太阳能电源包。本实用新型的技术解决方案是，太阳能电源包由柔性太阳能电池、柔性全固态薄膜锂电池及管理模块组成，管理模块包括电路转换子模块、过充保护子模块、控温子模块、过放保护子模块、电量输出子模块；电路转换子模块具有两个输入接口和一个输出接口，其中一个输入接口与柔性太阳能电池输出接口连接，另一个输入接口与外部电源连接，电路转换子模块的输出接口与过充保护子模块输入接口相接；过充保护子模块输出接口与柔性全固态薄膜锂电池的输入端相接；控温子模块同时与柔性太阳能电池和柔性全固态薄膜锂电池相接；过放保护子模块的输入端口与柔性全固态薄膜锂电池的输出端相接，过放保护子模块的输出端与电量输出子模块输入端相接；电量输出子模块输出端与外部用电器相接；柔性太阳能电池正面朝上且置于柔性全固态薄膜锂电池的上方。
所述柔性太阳能电池的类型包括以铜铟镓硒为吸收层的薄膜太阳能电池。
所述柔性太阳能电池为多个区域，每个区域之间串联或并联连接后，再与管理模块的电路转换子模块的输入端相接。
所述柔性全固态薄膜锂电池为1～100层，每层之间串联或并联连接后，再与管理模块的过充保护子模块的输出端相接，且与管理模块的过放保护子模块的输入端相接。
所述柔性全固态薄膜锂电池的电解质为无机固态电解质。
所述柔性全固态薄膜锂电池为多个区域，每个区域之间串联或并联连接后，再与管理模块的过充保护子模块的输出端相接，且与管理模块的过放保护子模块的输入端相接。
所述柔性太阳能电池分区域制备，每个区域之间串联或并联连接后，再集成与管理模块的电路转换子模块的输入端相接；所述柔性全固态薄膜锂电池分区域制备，每个区域之间串联或并联连接后，再集成与管理模块的过充保护子模块的输出端相接，且与管理模块的过放保护子模块的输入端相接。
本实用新型具有的优点和有益效果
使用柔性全固态薄膜锂电池作为该移动电源的储能装置，使用柔性薄膜太阳能电池作为该移动电源的能力捕集装置，并使用电源包管理系统监控柔性薄膜太阳能电池及柔性全固态薄膜锂电池的工作状态，且该电源包具有使用时展开，不使用时卷起的特点。
此外，多种电器装置的集成需要进一步的精细管理，特别是锂电池需要严格防范过充过放过热等非正常工作状态，因此需要配置电池管理系统管理柔性薄膜太阳能电池和柔性全固态薄膜电池，保证电池包的协同工作。
本实用新型不用以往使用盒子箱子盛放电源包，由于薄膜太阳能电池和全固态薄膜电池均具有较好的柔性，故三部分的集成可实现一个柔性的移动电源包，且使用时可展开，不使用时可卷起来收纳，节省使用空间。该柔性电源包可以便携地安装在背包和衣服上，可以在阳光充足甚至弱光的情况下实时实地收集太阳能，满足野外作业的需求。
附图说明
图1为本实用新型外观示意图
图2为本实用新型便携式太阳能电源包示意图
图3为本实用新型柔性薄膜太阳能电池一种结构形式的示意图
图4为本实用新型柔性全固态薄膜锂电池一种结构形式的示意图
图5为本实用新型便携式柔性电池包卷曲收起示意图
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作详细说明。
图1为本实用新型所述便携式柔性太阳能电源包在外观示意图，图2为其结构图。太阳能电源包由柔性太阳能电池1、柔性全固态薄膜锂电池2及管理模块3组成，管理模块3其作用是检测1和2的状态，提供对柔性全部固态薄膜电池的过充电和过放电保护以及所存储的电量显示。管理模块3包括过电保护模块、电路转换模块和柔性全固态薄膜锂电池2电量输出模块，电路转换模块上设置有柔性太阳能电池1输入接口和交流电源输入接口，柔性太阳能电池1输出接口与电路转换模块的柔性太阳能电池1输入接口相接，电路转换模块的输出端通过过电保护模块与柔性全固态薄膜锂电池2的输入端相接，柔性全固态薄膜锂电池2的输出端与柔性全固态薄膜锂电池2电量输出模块的输入端相接，柔性太阳能电池1置于柔性全固态薄膜锂电池2的上方。
所述柔性全固态薄膜锂电池2为1～100层。
所述柔性太阳能电池1的类型包括以铜铟镓硒为吸收层的薄膜太阳能电池。
所述柔性太阳能电池1分区域制备，每个区域之间串联或并联连接后，再集成与管理模块3电路转换模块的输入端相接。
所述柔性全固态薄膜锂电池2分区域制备，每个区域之间串联或并联连接后，再集成与管理模块3电路的柔性全固态薄膜锂电池2电量输出模块的输入端相接。
所述柔性太阳能电池1分区域制备，每个区域之间串联或并联连接后，再集成与管理模块3电路转换模块的输入端相接；所述柔性全固态薄膜锂电池2分区域制备，每个区域之间串联或并联连接后，再集成与管理模块3电路的柔性全固态薄膜锂电池2电量输出模块的输入端相接。
本发明针对野外作业需求，提出一种柔性便携式太阳能电源包。
本发明使用柔性薄膜太阳能电池片1作为移动电源包的能量捕集装置，使用柔性全固态薄膜锂电池2作为移动电源包的能量储存装置，并使用电源包管理系统3，提供一种便携式柔性电源包的解决方案。
进一步地，该柔性薄膜太阳能电池片可实现太阳光能向电能的转换，该柔性薄膜太阳能电池片将包括铜铟镓硒薄膜太阳能电池、碲化镉薄膜太阳能电池、非晶硅薄膜太阳能电池、钙钛矿型薄膜太阳能电池，但不限于这些电池。但优先推荐使用高效率且耐环境性能好的铜铟镓硒薄膜太阳能电池，其截面示意图如图3所示。其基本结构层包括柔性衬底10、背反射层11、吸收层12、窗口层13、减反层14和栅格顶电极15等。
进一步地，该柔性薄膜太阳能电池具有较大的柔韧性，可以实现一定程度的卷曲，便于与柔性全固态薄膜锂电池2底层，如图5。
进一步地，该柔性全固态薄膜锂电池2可实现能量存储，其截面结构如图4所示，具体包括：柔性衬底20、正极收集极21、正极22、固态无机电解质23、负极 24、负极收集极25以及包装层等。
进一步地，该柔性全固态薄膜电锂池2的衬底材料20一般选择耐高温的材料，如不锈钢箔、聚酰亚胺等，厚度为10-500微米。
进一步地，该柔性全固态薄膜锂电池2的正极22为结晶材料，包括六方结构的钴酸锂(LiCoO2)、尖晶石结构的锰酸锂(LiMn2O4)、橄榄石结构的磷酸铁锂 (LiFePO4)，但不限于这些种类的材料，其厚度为1-50微米。
进一步地，该柔性全固态薄膜锂电池2的电解质23包括掺氮的磷酸锂(LiPON)，氯氧化锂(Li3OCl)，但不限于此，其厚度为1-5微米。
进一步地，该柔性全固态薄膜锂电池2的负极24可使用金属锂及其合金化产物、硅及其合金化产物、氧化锡等，其厚度为1-50微米。
进一步地，该柔性全固态薄膜锂电池2的正负极的收集极使用金属铝和金属铜，如图4中11和15。
进一步地，该柔性全固态薄膜锂电池2的能量来源既可来自柔性薄膜太阳能电池1，亦可来自外部电源，如家用交流电、车载电源等。
进一步地，该柔性全固态薄膜锂电池2，如果单层存储容量不足时可使用多层串联和/或并联的方式组成叠层电池组，实现较大能量的存储(容量和电压的增加)，其接口可汇集起来。
柔性薄膜太阳能电池1与柔性全固态薄膜锂电池2通过移动电源包管理系统3 连接，并提供对外输出接口，如图2。
进一步地，移动电源包管理系统支持热插拔，便于携带和操作。使用可快捷与柔性薄膜太阳能电池1与柔性全固态薄膜锂电池2连接。
进一步地，移动电源包管理系统3实现柔性薄膜太阳能电池1和柔性全固态薄膜锂电池2的开启与关闭，并使用电路控制防止柔性全固态薄膜锂电池或叠层电池组2的过充电或过放电，延长柔性全固态薄膜锂电池或叠层电池组2的寿命。
进一步地，考虑到柔性薄膜太阳能电池1和柔性全固态薄膜锂电池2制备工艺的兼容性较差，如图5，该便携太阳能移动电源包的柔性薄膜太阳能电池1和柔性全固态薄膜锂电池2可以叠层放置，并非如US4740431所述将1与2制备在同一块基板上的两面或同侧。
进一步地，如图5该柔性移动电源使用时可展开放置，不使用时卷曲放置。
该便携太阳能移动电源包具备简易的安装措施，便于移动电源包固定于衣物、箱包等野外作业的物品上，如挂钩等。

Claims (7)

1.一种柔性便携式太阳能电源包，其特征是，太阳能电源包由柔性太阳能电池(1)、柔性全固态薄膜锂电池(2)及管理模块(3)组成，管理模块(3)包括电路转换子模块(301)、过充保护子模块(302)、控温子模块(303)、过放保护子模块(304)、电量输出子模块(305)；电路转换子模块(301)具有两个输入接口和一个输出接口，其中一个输入接口与柔性太阳能电池(1)输出接口连接，另一个输入接口与外部电源连接，电路转换子模块(301)的输出接口与过充保护子模块(302)输入接口相接；过充保护子模块(302)输出接口与柔性全固态薄膜锂电池(2)的输入端相接；控温子模块(303)同时与柔性太阳能电池(1)和柔性全固态薄膜锂电池(2)相接；过放保护子模块(304)的输入端口与柔性全固态薄膜锂电池(2)的输出端相接，过放保护子模块(304)的输出端与电量输出子模块(305)输入端相接；电量输出子模块(305)输出端与外部用电器相接；柔性太阳能电池(1)正面朝上且置于柔性全固态薄膜锂电池(2)的上方。
2.根据权利要求1中所述的一种柔性便携式太阳能电源包，其特征是：所述柔性太阳能电池(1)的类型包括以铜铟镓硒为吸收层的薄膜太阳能电池。
3.根据权利要求1中所述的一种柔性便携式太阳能电源包，其特征是：所述柔性太阳能电池(1)为多个区域，每个区域之间串联或并联连接后，再与管理模块(3)的电路转换子模块(301)的输入端相接。
4.根据权利要求1中所述的一种柔性便携式太阳能电源包，其特征是：所述柔性全固态薄膜锂电池(2)为1～100层，每层之间串联或并联连接后，再与管理模块(3)的过充保护子模块(302)的输出端相接，且与管理模块(3)的过放保护子模块(304)的输入端相接。
5.根据权利要求1中所述的一种柔性便携式太阳能电源包，其特征是：所述柔性全固态薄膜锂电池(2)的电解质为无机固态电解质。
6.根据权利要求1中所述的一种柔性便携式太阳能电源包，其特征是：所述柔性全固态薄膜锂电池(2)为多个区域，每个区域之间串联或并联连接后，再与管理模块(3)的过充保护子模块(302)的输出端相接，且与管理模块(3)的过放保护子模块(304)的输入端相接。
7.根据权利要求1中所述的一种柔性便携式太阳能电源包，其特征是：所述柔性太阳能电池(1)分区域制备，每个区域之间串联或并联连接后，再集成与管理模块(3)的电路转换子模块(301)的输入端相接；所述柔性全固态薄膜锂电池(2)分区域制备，每个区域之间串联或并联连接后，再集成与管理模块(3)的过充保护子模块(302)的输出端相接，且与管理模块(3)的过放保护子模块(304)的输入端相接。
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CN110335982A (zh) * 2019-07-28 2019-10-15 电子科技大学 一种微纳集成固态薄膜锂电池及其制备方法

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