專利名稱：基于光伏電池和溫差電池的組合電池裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及電池裝置領域，特別是基于光伏電池和溫差電池的組合電池裝置。
背景技術：
目前高電壓輸配電、深井探測、微波高塔、核電站等許多嚴酷的場合不能直接采用電源供電，而是通過光纖輸送光能，然后通過光電轉換獲得電能的激光供能方式實現遠地供電。激光供能采用大功率半導體激光器光源，將光能用光纖輸送到需要供電的遠端惡劣環(huán)境中，再由光電轉換器件(光伏器件)將光能轉換為電能，經過穩(wěn)壓后提供穩(wěn)定的電源輸出，可以給傳感器供電并將傳感信號用光纖送回。由于光纖采用石英材料制作，耐高溫、絕緣性好、抗干擾能力很強，杜絕電火花的問題，光纖傳輸損耗又很低，而且激光二極管的工 作特性可以確保光功率在一定溫度條件下保持穩(wěn)定，所以通過光伏器件轉換后得到的電源輸出功率也相對比較穩(wěn)定。這樣的電源的紋波小，噪聲低，有利于傳感器的穩(wěn)定工作，因此，激光供能方式已經成為多種傳感器供電的一種既先進又穩(wěn)定可靠的解決方案。普通太陽能電池的光電轉化效率只有10-20%。而為激光供能特殊應用設計制作的光伏器件，采用GaAs襯底，針對80(T850nm波長，最大轉換效率已經超過45%。一個單獨的光伏電池由于半導體電池材料特性的限制，一般的輸出電壓比較低，不能滿足絕多數的應用環(huán)境。因此通常的電池內部都包括了若干個電池單元，它們級聯構成一個串聯電池組，從而提高了輸出電壓，滿足用戶負荷電路所需要的額定電壓要求。此外，光伏電池的最終輸出效率和電池的實現結構也有很大關系，反映在最后就是電池的形狀因子，目前一般都有70%- 85%左右。但實際工作點一般達不到電池理想的工作點。因此，雖然，目前的電池在商用上已能做到45%以上的最佳理論效率，但這個最佳工作點是在特定的電路負載相匹配的條件下獲得的。對一個加工好的電池芯片來說，它的工作點在一定光強下是固定不變的，但實際工作還必須考慮到外部負載的變動。因此外部負載在一定的變動范圍內，實際工作效率就會大大下降，嚴重的情況下會下降到10-15%，這部分能量也以熱能的形式消耗掉了。單獨的光伏電池不能充分適應外界負載的變動。特別的，在光伏電池應用中，光的輻射光強過大的時候，電池芯片的溫度升高，這又會導致輸出飽和電流和輸出開路電壓都下降，電池的內部電阻特性也會隨溫度改變，這樣會進一步降低了電路中電池的光電轉換效能，如果強光輻射，溫度上升嚴重的話，那么效率下降得非常明顯，同時其實際工作點又會嚴重偏離理想的工作點，效率下降，嚴重的可能只有30%不到。因此利用內部發(fā)熱量采用溫差電池轉換為電能從而提高效率是一項改進途徑。而且，在這種嚴酷環(huán)境應用中，激光輸送能量是非常寶貴的，不斷地提高其供電轉換效率是非常必要的。理論上，通過組合電池裝置的光伏電池前表面鍍減反射膜或增透膜來降低入射光能的反射損失，那么除了轉換為電能的一部分外，沒有光能輻射損耗，其余的輻射能量都被電池本體材料晶格吸收和消耗在等效內電阻的發(fā)熱上，因此光電池本體溫度上升，通過傳熱給溫差電池的熱端就能夠進一步產生電能。對目前最好的商用光伏電池的實測表明，一個商用化的特定激光波長的光伏電池在最佳負荷區(qū)大概也有55%的能量是以熱能耗散的形式浪費了，而通常實際工作中可能會有70%的熱量消耗，如果不能充分利用這部分能量，就非常可惜?，F有的利用光伏和溫差效應的組合電池一般是針對太陽能的寬光譜來說，而且利用光伏電池所不能利用的太陽光譜其他光譜區(qū)能量透射后來集熱發(fā)電。而光伏轉換區(qū)內的能量和光伏電池本體熱量沒有充分加以利用。
發(fā)明內容本實用新型的目的在于克服現有半導體激光光伏電池的效率瓶緊的缺點，提供一種基于光伏電池和溫差電池的組合電池裝置，能充分、有效地利用光伏轉換區(qū)內的光譜能量和光伏電池本體熱量，提高激光供能的光電轉換效率。為解決以上技術問題，本實用新型的技術方案為基于光伏電池和溫差電池的組合電池裝置，用于將激光光能轉換為電能，其不同之處在于其包括至少一個光伏電池、與光伏電池相匹配的溫差電池、內部匹配電路模塊，所述光伏電池本體與溫差電池之間設置有高導熱體或高導熱部件，光伏電池、溫差電池通過內部匹配電路模塊構成串聯或者并聯結構。按以上方案，所述高導熱體或高導熱部件設置在光伏電池本體的邊緣部位。按以上方案，所述光伏電池與溫差電池之間還設置有隔熱材料。按以上方案，所述光伏電池上沿光入射方向的側面表涂覆有光吸收材料，從而避免入射光向側面逃逸的輻射損耗。按以上方案，所述光伏電池上與前端光接受面相對的背面也涂覆有光吸收材料，從而避免入射光對外輻射損耗。按以上方案，所述內部匹配電路模塊包括一個或多個調整電阻元件。本實用新型原理光伏電池中包含適合光纖應用的特定波長或者全太陽能光譜的微型光伏電池芯片，其接收激光器輸出光纖頭發(fā)射的光能或者通過內部聚光裝置的聚光太陽能(200倍以上的太陽單位)并轉換為電能，光伏電池芯片構成一級電池；而不能被轉換的光能在裝置內以熱能的形式收集形成一定的溫度差，然后在內部由高導熱體或高導熱部件傳導到溫差電池從而構成二級電池重復利用廢熱能量并產生電能。兩者在內部通過內部匹配電路模塊連接并組合起來，從而構成兩級電池的串聯或者并聯結構，這樣改善了單獨光伏電池或者溫差電池的效能較低的不足，并提高輸出的總電能功率。對比現有技術，本實用新型的有益特點如下I)、該基于光伏電池和溫差電池的組合電池裝置，因光伏電池本體與溫差電池之間設置有高導熱體或高導熱部件，溫差電池能充分收集來自光伏電池本體的熱量，以提高聚光太陽能或者激光供能的光電轉換效率；2 )、該基于光伏電池和溫差電池的組合電池裝置，可進行匹配負載的調節(jié)，從而使得其在不同光強度或者負載條件下能夠工作在最佳工作區(qū)域；3)、所述光伏電池前端光接受面外的其它表面涂覆有光吸收材料，可以避免入射光對外輻射損耗，最大程度的將耗散的熱能轉換為電能；4)、將高導熱體或高導熱部件設置在光伏電池本體的邊緣部位有利于提高熱傳導效率，從而提高聚光太陽能或者激光供能的光電轉換效率。

圖I為本實用新型基于光伏電池和溫 差電池的組合電池裝置整體結構示意圖；圖2為本實用新型基于光伏電池和溫差電池的組合電池裝置實施例內部匹配電路并聯模式示意圖；圖3為本實用新型基于光伏電池和溫差電池的組合電池裝置實施例內部匹配電路串聯1旲式不意圖；圖4為本實用新型基于光伏電池和溫差電池的組合電池裝置實施例光伏電池芯片不意圖；圖5為本實用新型基于光伏電池和溫差電池的組合電池裝置光伏電池等效原理圖；圖6為本實用新型基于光伏電池和溫差電池的組合電池裝置負載供電應用模型圖；其中1-光伏電池、2-溫差電池、3-隔熱材料、4-內部匹配電路模塊、5-高導熱部件。
具體實施方式
下面通過具體實施方式
結合附圖對本實用新型作進一步詳細說明。 請參考圖I，本實用新型基于光伏電池和溫差電池的組合電池裝置，用于將激光光能轉換為電能，其包括至少一個光伏電池I、與光伏電池相匹配的溫差電池2、內部匹配電路模塊4，所述光伏電池I本體與溫差電池2之間設置有高導熱部件5，光伏電池I、溫差電池2通過內部匹配電路模塊4構成串聯或者并聯結構。此處高導熱部件5也可以使用高導熱體來替換。具體的，因為光伏電池本體邊緣部位的溫度較高，所以高導熱部件5設置在光伏電池本體的邊緣部位其效果較好，此處高導熱部件5也可以使用高導熱體來替換。優(yōu)選的，光伏電池I上沿光入射方向的側面表涂覆有光吸收材料，從而避免入射光向側面逃逸的輻射損耗。進一步，所述光伏電池I上與前端光接受面相對的背面也可以涂覆有光吸收材料，從而進一步避免入射光對外輻射損耗。具體的，內部匹配電路模塊4包括一個或多個調整電阻元件。具體的，所述光伏電池I與溫差電池2之間還設置有隔熱材料3。在本實用新型中，由于光伏電池I的側面會有一定的光能損耗，因此在光伏電池I的側面采用涂敷或者其他電鍍、蒸鍍等表面處理工藝以防止光能損耗，在光伏電池I的入射面設置減反射膜，并使用隔熱材料3和高導熱部件5等充分地利用廢熱能量構成一個理想黑體，從而保證除了極小的反射損耗以外，整個裝置內的熱量能夠完全利用并且95%以上的能量轉移到溫差電池2中，并產生電能。[0038]本實用新型中裝置內部的兩個或者多個電池(至少有一個光伏電池I和溫差電池2)通過內部匹配電路模塊4來組合兩級電池的輸出特性，從而能提供滿足不同應用場景的輸出電壓和輸出功率要求，通過內部匹配電路模塊4的調整可以使用實現的電壓和功率輸出并能和用戶負荷電路匹配。下面對本實用新型中的各部件做進一步詳細描述I、光伏電池整個光伏電池除了前表面的光接受部分外，側面涂覆采用光的吸收材料，避免對外輻射損耗，通過前表面處理來減少發(fā)射損耗，從而形成一個理想的黑體，背面也可以在光伏電池本體與高導熱體或高導熱部件相連接區(qū)域以外的部位涂覆采用光的吸收材料。一般光伏電池I中設置有電池芯片，由多個子電池單元串聯而成，由半導體工藝制作而成。常用聚光電池結構可能是單結或者多結的，后者一般是為聚光太陽能應用而設計的。 2、高導熱體或高導熱部件實用新型中包括了高導熱體或高導熱部件，因為這部分能量是本實用新型裝置要利用廢熱發(fā)電，改善光源效能的核心。3、溫差電池溫差電池是將聚熱轉換為電能的電池元件，是利用耗散的熱能產生電能并改善光電轉換效能的主要部件。4、內部匹配電路模塊主要用于將兩級電池組合匹配從而向外部供應電能，可根據用戶需求來選擇串并聯形式，并聯連接的形式來實現一定的電流匹配，串聯連接的形式來實現一定的電壓匹配。5、此外，構成整個裝置需要高電導的金屬引線，外封狀管殼和管座，保證整個產品外觀的完整和密封性能，此外為了保證熱電池工作穩(wěn)定性，必要的外散熱結構在實用化產品中也是必要的。總之，以上部件構成的裝置能夠實現效率提升的目的。提高量的多少，其關鍵還取決于溫差電池2的效率，目前的溫差電池2材料效率可以達到10-15%，那么實際提升效率可能達到7-9%左右。兩種電源組合的基本電路形式是串聯和并聯，見圖2和圖3。其中包括了調節(jié)元件，一般是電阻或者二極管。一般說，電阻是必須的，二極管包括反向的穩(wěn)壓管或者正向用的二極管是可選的，可起到對外恒壓或者恒流輸出的作用。在圖2和圖3中還可能擴展電源部件到三個或者更多，比如光伏電池I或者溫差電池2可以使用超過一個數量來分離的串聯或者并聯使用，這種擴展都包含在本實用新型中。光伏電池I在目前實用化階段中是主要的供能電源，可以采用太陽能應用的聚光太陽能電池，或者激光供能應用中的適合光纖輸送的特定波段化合物光電池。圖4是激光供能用光伏電池芯片的典型結構，內部包含了多個單元串聯來提高輸出電壓，可以通過半導體工藝實現一體化的結構，全部受光區(qū)是有減反射膜的，為了實現熱量有效收集，可以采用合適的芯片封裝工藝或者混合集成電路工藝等制作成一體結構。本實用新型能按照應用需要改善光能利用效率，具有比單獨的光伏電池更多的實用性和靈活性。因為外界太陽或者激光器或者光纖輸送供應的光能在內部能夠通過光路調整來改善光伏發(fā)電和溫差發(fā)電的分配。比如改變光斑光伏電池受光區(qū)域的光福射面積，或者合理控制光束入射角度來調整。此外，通過合理的結構設計優(yōu)化，可以減少對光學元件對準的嚴格要求并保證能量利用效率的最大化。本實用新型在應用上還是可以等效為一個標準的電壓源或者電流源，參見圖5和圖6。如圖5所示，左邊的虛線框中表示的是本實用新型裝置的等效電壓源或者電流源，右邊的虛線框中的電阻代表負載。整個基于光伏電池I和溫差電池2的組合電池裝置在工藝制備上可以采用分離器件的封狀結構或者多質材料單片集成工藝或者混合工藝，這些都可以在現有技術條件下實現。上述實施例中應用的光吸收材料的光譜主要考慮內部反射的光或者可能二次激 發(fā)的其他光波，現有的材料分析技術可以用于找到最佳性能的匹配材料。以上內容是結合具體的實施方式對本實用新型所作的進一步詳細說明，不能認定本實用新型的具體實施只局限于這些說明。對于本實用新型所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬于本實用新型的保護范圍。
權利要求1.基于光伏電池和溫差電池的組合電池裝置，用于將激光光能轉換為電能，其特征在于其包括至少一個光伏電池、與光伏電池相匹配的溫差電池、內部匹配電路模塊，所述光伏電池本體與溫差電池之間設置有高導熱體或高導熱部件，光伏電池、溫差電池通過內部匹配電路模塊構成串聯或者并聯結構。
2.如權利要求I所述的基于光伏電池和溫差電池的組合電池裝置，其特征在于所述高導熱體或高導熱部件設置在光伏電池本體的邊緣部位。
3.如權利要求I所述的基于光伏電池和溫差電池的組合電池裝置，其特征在于所述光伏電池與溫差電池之間還設置有隔熱材料。
4.如權利要求I所述的基于光伏電池和溫差電池的組合電池裝置，其特征在于所述光伏電池上沿光入射方向的側面表涂覆有光吸收材料，從而避免入射光向側面逃逸的輻射損耗。
5.如權利要求4所述的基于光伏電池和溫差電池的組合電池裝置，其特征在于所述光伏電池上與前端光接受面相對的背面也涂覆有光吸收材料，從而避免入射光對外輻射損耗。
6.如權利要求I至5中任意一項的基于光伏電池和溫差電池的組合電池裝置，其特征在于所述內部匹配電路模塊包括一個或多個調整電阻元件。
專利摘要本實用新型涉及一種基于光伏電池和溫差電池的組合電池裝置，用于將激光光能轉換為電能，其不同之處在于其包括至少一個光伏電池、與光伏電池相匹配的溫差電池、內部匹配電路模塊，所述光伏電池本體與溫差電池之間設置有高導熱體或高導熱部件，光伏電池、溫差電池通過內部匹配電路模塊構成串聯或者并聯結構。本實用新型提高聚光太陽能或者激光供能的光電轉換效率。
文檔編號H01L25/16GK202384339SQ201120554648
公開日2012年8月15日 申請日期2011年12月23日 優(yōu)先權日2011年12月23日
發(fā)明者劉 文, 盧小榮, 彭定敏, 文濤, 方兵 申請人:武漢烽火富華電氣有限責任公司