薄膜光伏式电池垂直帘可行性研究报告 18页

'薄膜光伏式电池垂直帘研究报告摘要自地球上生命诞生以来，就主要以太阳提供的热辐射能生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，并作为制作食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。在化石燃料日趋减少的情况下，太阳能已成为人类使用能源的重要组成部分，并不断得到发展。太阳能的利用有光热转换和光电转换两种方式，太阳能发电是一种新兴的可再生能源。近年来，我国光伏发电发展迅速。在国家政策的激励和推动下，一批大型光伏电站特许权招标项目、光电建筑应用示范项目、金太阳示范工程先后启动。2010年，新增光伏装机容量50万千瓦，同比增长210%。截至2010年底，光伏装机容量已达到80万千瓦。2011年8月，光伏标杆上网电价政策的出台，必将在一定程度上推动光伏发电的发展。窗帘是一个时代的文化产物，随着人们的生活方式提高和现代住宅的豪华氛围，窗帘成了体现人们品味的替代品。而我们的研究对象就是日常生活中必不可少的窗帘，使它不仅有遮阳的作用，同时还可以利用太阳能，综合这两种功能我们研究了薄膜光伏式电池垂直帘。薄膜光伏电池式垂直帘是一种便于部署成本较低的分布式光伏发电方式的垂直帘。垂窗帘是许多高层写字楼的标配遮阳设备。而薄膜光伏组件是一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置。所以两者可以形成良好的组合，使的垂直帘所遮挡的太阳光的辐射能量能够通过在垂直帘遮阳面覆盖光伏板组件来转化为我们能够直接使用的能源—电力。本研究得到了江西省新余学院新能源科学与工程学院的资助。关键词:垂直帘;薄膜电池片;控制方式;太阳能收集装置第1章太阳能电池的工作原理及垂直帘片的选择18 1.1太阳能电池的工作原理太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，即光电材料吸收光能后发生光电子转化，然后在PN结作用下产生电动势，输出电能。电池器件其实就是一个大面积的PN结。 一块单晶半导体中，一部分掺有受主杂质是P型半导体，另一部分掺有施主杂质是N型半导体时，P型半导体和N型半导体的交界面附近的过渡区称为PN结。P型半导体：如由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的三价元素组成，会在半导体内部形成带正电的空穴；N型半导体：如由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的五价元素组成，会在半导体内部形成带负电的自由电子。这样当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界处区域会形成一个特殊的薄层界面，N型半导体中的一部分电子将扩散到P型半导体中去与空穴复合，P型半导体中的一部分空穴也会扩散到N型半导体中来与电子复合，导致界面的N型一侧带正电，P型一侧带负电，形成了一个由N指向P的内建电场，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了一个特殊的薄层形成电势差，这就是PN结（图1）。图1.PN结的形成当太阳光照射PN结实，如果照射光子能量大于材料的禁带宽度—导带和价带之间的空隙，那么半导体内的原子由于获得光能会释放电子，同时产生电子-18 空穴对，并扩散到PN结中。由于PN结本身存在内电场，方向从N指向P，扩散的光电子会被电场加速而驱向N区，而光生空穴扩散到PN结中后，会被电场驱向P区。于是，就在PN结的附近形成了与内电场方向相反的光生电场。光生电场一部分抵消内电场，其余部分是P型区带正电，N区带负电，于是，在PN结的两端就出现一个稳定的电势差。如果PN结外电路连接，在光照射下，就成了个能够持续提供电能的电源，构成一个电池---光电池（图2）。图2.太阳能电池的工作原理图1.2太阳能电池的种类一般来说太阳能电池可分为硅基太阳能电池、薄膜太阳能电池、新型太阳能电池。1.2.1硅基太阳能电池该种类电池发展最长久、技术也最成熟，又可分为，单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池。⑴单晶硅太阳能电池硅基太阳能电池中，单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也是最为成熟。为了提高其性能，需要高质量单晶硅材料和相关的成熟的加工处理工艺，一般有表面结构化、发射区钝化、分区掺杂等技术。开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。提高转化效率主要靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。北京太阳能研究所研制的平面单晶硅电池（2cm×2cm）转化效率达到19.79%，刻槽埋栅电极单晶硅电池（5cm×5cm）转化效率达8.6%。虽然多晶硅太阳能电池转换效率已经很高，且在工业生产中占据主导地位，但由于受单晶硅材料价格及繁琐的电池工艺影响，成本高居不下。⑵多晶硅太阳能电池18 熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核，如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶粒结合起来，就结晶成多晶硅。多晶硅太阳能电池不仅有单晶硅太阳能电池的高转换效率和长寿命还有制备工艺相对简化的优点，其转换效率一般为15%---17%。而生产这类电池需要消耗大量的高纯硅材料，电耗大，导致成本极高。1.2.2薄膜太阳能电池薄膜太阳能电池在降低成本方面比晶体太阳能电池具有很大的优势：一是薄膜化可极大地节省昂贵的半导体材料；二是薄膜电池的材料制备和电池同时形成，节省了很多的工序。其按材料课分为薄膜硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池和有机薄膜太阳能电池。其中主要的薄膜电池有非晶硅薄膜太阳能电池和碲化镉薄膜太阳能电池。1.2.3新型太阳能电池主要包括染料敏化薄膜太阳能电池（简称DSSC），其是模仿光合作用原理而研制出的一种新型的光电化学电池。染料敏化太阳能电池的工作原理：以染料分子作为吸光的主要材料，当吸收到太阳光时，电子被激发到高能隙层，但激发态是个不稳态，所以电子必须以最快速度传输到紧邻的染料分子的导电层内，同时染料分子所失去的电子也能第一时间从电解质中得到回馈。在染料分子导带中的电子最终经过电极而传到外部回路从而产生光生电流。1.3垂直帘片的选择垂直帘片有两方面的功能；一方面要能起到窗帘的作用，因此，它要挂到窗子上，能在太阳光强时，转动将整个窗子遮住，不让阳光照射，当光弱时，室内需要光照，可以打开窗帘让光照进来。另一方面要能起到发电的作用，因此，必须选用太阳能电池片。所以综合以上两方面垂直帘片必须具有以下特点，重量轻，轻薄，有柔性，可以发电。同时，应市场特点，价格也要便宜，在大多数人可以接受的范围内。我们通过对各种电池片的特点进行仔细的研究。最终选用薄膜太阳能电池，它具有以下特点，很好的满足了我们对垂直帘的要求；⑴具有重量轻、工艺简单、成本低和耗能少。⑵非晶硅具有较高的光吸收系数这是非晶硅材料最重要的特点，也是它能够成为低价格太阳能电池的最主要因素。18 ⑶非晶硅的禁带宽度比单晶硅大，随制备条件的不同约在1.5-2.0eV的范围内变化，这样制成的非晶硅太阳能电池的开路电压高。⑷材料和制造工艺成本低、设备简单；而且非晶硅薄膜厚度仅有数千埃，不足非晶硅太阳电池硅基薄膜太阳电池有机电池薄膜太阳能电池，砷化稼薄膜太阳电池，CdTe薄膜太阳电池，CuInSe薄膜太阳电池，化合物半导体薄膜太阳电池，染料敏化太阳电池，多晶硅太阳电池晶体硅太阳电池厚度的百分之一，大大降低了硅原材料的成本；沉积温度为100～300ºC。⑸由于非晶硅没有晶体所要求的周期性原子排列，可以不考虑制备晶体所必须考虑的材料与衬底间的晶格失配问题。因而它几乎可以淀积在任何衬底上，如不锈钢、塑料甚至廉价的玻璃衬底。⑹易于形成大规模的生产能力，这是因为非晶硅适合制作特大面积、无结构缺陷的薄膜，生产可全流程自动化，显著提高劳动生产率。（最大1100mm*1250mm单结晶非晶硅太阳电池）⑺多品种和多用途，不同于晶体硅，在制备非晶硅薄膜时，只要改变原材料的气相成分或气体流量，便可使非晶硅薄膜改性，制备出新型的太阳电池结构；并且根据器件功率、输出电压和输出电流的要求，可以自由设计制造，方便地制作出适合不同需求的多品种产品。⑻易实现柔性电池，非晶硅可以制备在柔性的衬底上，而且其硅原子网络结构的力学性能特殊，因此，它可以制备成轻型、柔性太阳电池，易于与建筑集成。⑼制备非晶硅太阳能电池能耗少，约100千瓦小时，能耗的回收年数比单晶硅电池短得多。第2章垂直帘的结构及控制方式2.1垂直帘的结构18 电动垂直帘采用摆页式结构，页片可180度旋转，通过电机机械传动方式来实现窗帘的调光及收放，既能随意调节室内光线，亦可通风透气，又能达到遮阳目的。电动垂直帘集实用性,时代感和艺术感受于一体，因其温馨、优雅大方而成为写字楼、政府机构和公共场所的首选。　　电动垂直帘替代了传统垂直帘片手拉的方式，从而改进了垂直帘的传动方式，使其操作时更加轻便和随意，根据用户的需求可选用手动、遥控、集群控制或智能控制。电动垂直帘由交流同步窗轨电机和垂直帘机构组装而成，用交流同步电机作为动力，通过行星减速的传动以及行星变速系统控制电机的运转，多头螺旋旋转传动棒控制帘片开合，十字传动棒控制帘片转向，从而实现帘片行程和转向的控制，既可使帘片左右运动，实现垂帘的收放，也可使帘片转向，对尺寸较大的垂帘特别适用，无需长时间的拉绳操作。轨道采用优质质铝合金型材，开合流畅，表面经氧化磨沙处理，细腻光滑，耐用持久；导轨四级齿轮调节杆由直径为5mm的铝芯构成，采用纯铜螺帽和工程塑料固定，是家居办公室不错的选择。⑴薄膜光伏电池帘片，薄膜光伏电池垂直帘采用194×60毫米薄膜光伏电池叶片，超轻，超薄，柔软可弯曲，不锈钢衬底柔性好，组件封装采用了UV固化聚合物，防水性能出色，重量轻，柔性好，保证了很高的耐用性。⑵轨道：采用优质质铝合金型材，开合流畅，表面经氧化磨沙处理，细腻光滑，耐用持久；导轨四级齿轮调节杆由直径为5mm的铝芯构成，采用纯铜螺帽和工程塑料固定，是家居办公室不错的选择。轨道可分：直路轨和弯轨。⑶滑箱组:采用ABS及POM原材料精制而成，能经受五万次的拉动或转动而不变形，精确度高。叶片打开时，角度一致富有线条感；叶片闭合时，重叠部分均匀一致，整齐简洁。⑷下摆珠链:采用高强度，低摩擦系数聚甲醛工程塑料，呈乳白色，美观大方。⑸薄膜电池片的规格：厚：约0.8毫米长宽：194*60毫米质量：24克⑹垂直帘结构中的主要部件：帘片：薄膜太阳电池片横杆：不锈钢铝合金直线导轨:是自动控制时走珠的滑动轨道走珠：在直线导轨里面滑动、带动帘片运动的滑动器18 限位沟：防止走珠的不平衡移动定位块：限定走珠的移动距离侧装码：防止走珠滑出轨道挂钩：在直线导轨下面滑动和链接帘片运动的钩子电机：带动帘片的开合组合终端适配器：调节自动控制系统和控制帘片采用纯铜螺帽和工程塑料固定，是家居办公室不错的选择。结构示意图如下图所示：图3.垂直帘结构示意图2.2垂直帘控制方式选择和控制系统设计垂直帘的控制方式有手动，电动，智能三种方式。手动:这种方式需要通过人手拉动，来改变窗帘的开合，是一种传统的控制方式，对于大型窗帘，使用起来较为麻烦。电动:这种方式需要借用电机动力来驱动，可以通过遥控来控制电机，操作起来更加方便和随意。现在大多数都采用这种控制方式。智能:这种方式需要采用温度传感器，光线采集装置，单片机18 ，电机等。通过室内光线明暗，温度的大小来控制窗帘的开合。就以上三种控制方式而言，手动方式过于传统，并且不方便，智能控制技术含量较高，并且普及度不高，考虑的经济和实用等方面，我们选用电动控制方式，电动垂直帘:针对现有窗帘的升降或开合主要通过人手拉动的方式,使用起来麻烦的不足,提供一种电动垂直帘,该电动垂直帘采用电机驱动的方式,同时配置智能遥控装置,可控制多个窗帘,使用方便,轻松，能满足现代人追求高品质生活。电动垂直帘由交流同步窗轨电机和垂直帘机构组装而成，用交流同步电机作为动力，通过行星减速的传动以及行星变速系统控制电机的运转，多头螺旋旋转传动棒控制帘片开合，十字传动棒控制帘片转向，从而实现帘片行程和转向的控制，既可使帘片左右运动，实现垂帘的收放，也可使帘片转向，对尺寸较大的垂帘特别适用，无需长时间的拉绳操作。电动垂直帘的同步电机由单片机控制，通过单片机编写相应的程序，设置垂直帘片旋转角度，共分为90和180度。电机的输出切换由控制器控制，电动垂直帘还配置有控制器，及配合控制器的遥控器，控制器设置有遥控接收装置，控制器与电机电连接，遥控器设置有信号发射装置，通过遥控器发射信号，控制器接收信号，触发对应的输出电路，启动电机，控制窗帘的开合。通过遥控开关，可以控制帘片按相应的角度旋转。第3章太阳能收集系统的设计及蓄能3.1收集系统的设计光伏太阳能收集系统是依托可调式控制系统的多角度太阳能收集装置，整个系统由硬件和软件共同作用而运作，因此设计可以分为两部分:3.1.1硬件部分通过三个部骤来实现：芯片以及电路元件，连接电路，电路主要包括以下几个方面：18 ⑴可调式控制系统电路的设计:该电路以单片机控制单元为核心,需要控制转向电机的正反转,当电机接收到由按钮发出的信号之后做出判断,然后控制电动机的正反转。⑵电池片的连接电路：为了实现电路的正常运转，输出需要一定的电压和电流，因此各个电池片之间需要一定的串联、并联。如图4所示。示意地表示A和B并联，C和D并联，而再将两个并联组块进行串联。上端的挂环及横杆是金属质的，可以以此作为负极，减少连线实际的操作中，我们还将考虑采用印刷电路加软线的方式进行连接。图4.电池片的连接3.1.2软件部分垂直帘控制方式选择和控制系统设计：垂直帘的控制方式有手动，电动，智能三种方式。手动:这种方式需要通过人手拉动，来改变窗帘的开合，是一种传统的控制方式，对于大型窗帘，使用起来较为麻烦。电动:这种方式需要借用电机动力来驱动，可以通过遥控来控制电机，操作起来更加方便和随意。现在大多数都采用这种控制方式。智能:这种方式需要采用温度传感器，光线采集装置，单片机，电机等。通过室内光线明暗，温度的大小来控制窗帘的开合。18 就以上三种控制方式而言，手动方式过于传统，并且不方便，智能控制技术含量较高，并且普及度不高，考虑的经济和实用等方面，我们选用电动控制方式，电动垂直帘:针对现有窗帘的升降或开合主要通过人手拉动的方式,使用起来麻烦的不足,提供一种电动垂直帘,该电动垂直帘采用电机驱动的方式,同时配置智能遥控装置,可控制多个窗帘,使用方便,轻松，能满足现代人追求高品质生活。电动垂直帘由交流同步窗轨电机和垂直帘机构组装而成，用交流同步电机作为动力，通过行星减速的传动以及行星变速系统控制电机的运转，多头螺旋旋转传动棒控制帘片开合，十字传动棒控制帘片转向，从而实现帘片行程和转向的控制，既可使帘片左右运动，实现垂帘的收放，也可使帘片转向，对尺寸较大的垂帘特别适用，无需长时间的拉绳操作。电动垂直帘的同步电机由单片机控制，通过单片机编写相应的程序，用遥控器远程控制垂直帘片旋转。电机的输出切换由控制器控制，控制器设置有遥控接收装置，控制器与电机电连接，遥控器设置有信号发射装置，通过遥控器发射信号，控制器接收信号，触发对应的输出电路，启动电机，控制窗帘的开合。通过遥控开关，可以控制帘片按相应的速度旋转。以下是仿真图：18 图5.控制电路图以下是程序：#include"reg52.h"#defineGPIO_MOTORP1sbitK1=P2^0;sbitK2=P2^1;sbitK3=P2^2;sbitK4=P2^3;unsignedcharcodeFFW[8]={0xf1,0xf3,0xf2,0xf6,0xf4,0xfc,0xf8,0xf9};unsignedcharcodeFFZ[8]={0xf9,0xf8,0xfc,0xf4,0xf6,0xf2,0xf3,0xf1};voidDelay(unsignedintt);voidMotor();voidmain(void){unsignedchari;while(1){18 if(K1==1){for(i=0;i<8;i++){GPIO_MOTOR=FFW[i];Delay(1);}}else{if(K2==1){for(i=0;i<8;i++){GPIO_MOTOR=FFZ[i];Delay(1);}}else{if(K3==1){for(i=0;i<8;i++){GPIO_MOTOR=FFW[i];Delay(1);}}else18 {if(K4==1){for(i=0;i<8;i++){GPIO_MOTOR=FFZ[i];Delay(1);}}}}}}}voidDelay(unsignedintt){unsignedintj;while(t--){for(j=0;j<90;j++);}}3.2蓄电池储能装置18 由于光伏发电受环境条件影响很大，其输出功率在不同时段会变化很大，因而要实现有效而稳定的利用，还需要控制装置及储能装置。目前市场上广泛使用的太阳能控制器可以有效控制输出电压，同时还可以对充电过程进行控制，防止过充等现象的发生。一些锂离子电池具有很好的浮充效应，因此很适合做本系统的储能装置。收集到的电流首先通过控制器，然后再通过蓄电池输出给负载。负载可以是电子灭蚊灯、负离子空气净化器等，也可以给独立式台灯充电，或驱动智能家庭微生态系统。控制器也可以直接驱动一些需要连续工作但对功率要求不严的负载，如音响，LED灯等等。3.3使用说明3.3.1实物主要构件介绍（1）、非晶硅薄膜太阳能电池。（2）、LED彩灯。（3）、遥控器接收器。（4）、垂直帘帘片。（5）、可充电小音箱。（6）、温度计。（7）、模拟光源。（8）、窗帘钢架。（9）、台签展示牌。（10）、模拟窗户外形。（11）、遥控器。18 图6.实物展示图18 3.3.2实物细节部分介绍帘片挂钩四棱导杆插孔走珠履带槽轴承电机驱动板步进电机控制器18 遥控器杜邦线12V转5V变压器12V可充点电锂离子电池3.3.3工作原理LED彩灯市电供电模拟光源单片机控制电路太阳能充电控制器电机薄膜光伏式垂直帘18 12V转5V变压器电机外接电源插头电机遥控发射器充电音响遥控器3.3.4具体操作过程简介模拟光源接通市电，薄膜太阳能电池片处于工作状态，此时垂直帘片也处于工作状态，成缜密排列。薄膜太阳能电池吸收阳光，产生电流，在太阳能充电控制器的作用下给蓄电池充电。蓄电池处于工作状态。当需要阳光射进屋内时，用遥控器操作使得垂直片转动，角度可以自己控制。遥控器A、C按钮控制帘片的逆时针旋转，A、D按钮控制帘片的顺时针转动，遥控器是电动控制，在转动的工程中需要一直按住。12V转5V变压器器将12V蓄电池的电能转换为5V直流电压，给电机提供电能。家用小负载为可充点电音响，可直接用变压器的输出电流。LED等也直接用变压的电能。变压器有两个USB接口，负载可以轮流换用充电。4.结束语就我们的研究而言，这种薄膜光伏式垂直帘既能起到窗帘的作用，又能减少资源浪费，在现阶段国家大力支持光伏产业的良好形势下。具有很大的发展前景。但是，就目前对薄膜光伏式垂直帘的发展，有很多的缺点，比如;太阳能电池帘的面积较小，转化效率低等。因此对于以后的发展我们应该从电池帘的转化效率，采用哪种材料能更好的，更大面积的生产电池片等方面努力。18'