一种基于有机光伏电池的多功能发电装置

摘要

本发明公开了一种基于有机光伏电池的多功能发电装置，包括：风扇，所述风扇包括多个扇叶，每一所述扇叶上均设有至少一个有机光伏电池模组，每一所述有机光伏电池模组包括至少一个反式单层元件。采用的新型反式单层元件在光电转换效率、制程加工性、制程可靠性及操作稳定性上较传统的电池获得了显著的提升。并且风扇的整体结构有效提升了扇叶强度、扇叶的运转平稳性，消除了叶尖效应，风能利用率高。即实现了风力发电和光能发电的有效结合，高效且无污染。

权利要求

1.一种基于有机光伏电池的多功能发电装置，其特征在于，包括：风扇，所述风扇包括多个扇叶，每一所述扇叶上均设有至少一个有机光伏电池模组，每一所述有机光伏电池模组包括至少一个反式单层元件，所述反式单层元件包括第一电极、第二电极以及位于二者之间的电子传递层、光活性层和电洞传递层，其中所述第一电极和第二电极中至少一个具有光学透明性；所述第一电极为银金属电极，所述第二电极为ITO电极，所述光活性层由P型高分子半导体材料制备而成。

2.如权利要求1所述的基于有机光伏电池的多功能发电装置，其特征在于：所述光活性层由PV2000材料制备而成。

3.如权利要求1所述的基于有机光伏电池的多功能发电装置，其特征在于：所述光活性层由PV2000:PC60BM材料制备而成。

4.如权利要求1所述的基于有机光伏电池的多功能发电装置，其特征在于：所述光活性层由PV2000:PC70BM材料制备而成。

5.如权利要求1-4任一所述的基于有机光伏电池的多功能发电装置，其特征在于：还包括发电机和电网，所述风扇与所述发电机连接，所述电网包括整流电路、控制器、逆变器控制器、逆变器主电路、滤波电路，所述发电机的输出端通过电线与所述整流电路连接，所述整流电路和所述有机光伏电池模组的输出端与所述控制器连接，所述控制器将直流电分别发送给蓄电机构、直流用电设备和所述逆变器主电路，所述逆变器主电路通过所述滤波电路后将工频交流电发送给交流用电设备和所述逆变器控制器，所述逆变器控制器的输出端与所述逆变器主电路连接。

6.如权利要求5所述的基于有机光伏电池的多功能发电装置，其特征在于：所述控制器包括储存电容、电流检测装置、电压检测装置、过充保护装置、控制电路板和过流保护装置，所述有机光伏电池模组通过储存电容经电流检测装置和电压检测装置分别与控制电路板相连，所述控制电路板通过过充保护装置和过流保护装置与所述蓄电机构相连。

7.如权利要求5所述的基于有机光伏电池的多功能发电装置，其特征在于：还包括一泄荷器，所述泄荷器与所述控制器连接。

8.如权利要求1-7任一所述的基于有机光伏电池的多功能发电装置，其特征在于：所述有机光伏电池模组还包括基板，所述反式单层元件设置在所述基板上。

9.如权利要求8所述的基于有机光伏电池的多功能发电装置，其特征在于：所述基板为PET软性塑料基板。

10.如权利要求1-9任一所述的基于有机光伏电池的多功能发电装置，其特征在于：所述蓄电机构为锂聚合物电池。

说明书

一种基于有机光伏电池的多功能发电装置

技术领域

[0001] 本发明涉及发电技术领域，具体地是涉及一种基于有机光伏电池的多功能发电装置。

背景技术

[0002] 今天，随着不可再生的化石能源大量消耗，已有的不可再生能源储备已经到了临界点，根据当前石油、天然气和煤炭等的年消耗量，目前已经探测的化石能源仅仅能够维持人类消耗几十年，能源危机已成为一个让各个工业发达国家提心吊胆而又无法回避的难题。也许，在可见的未来我们的生活会因为能源危机变得完全不同，在面对这个全球性的难题时，各国的答案也是相同的，那就是可再生能源。无污染可再生能源正在被全世界推崇，在各个行业中，越来越多的设备采用了可再生能源，而越来越多的新技术在加入到可再生能源的推广中。而在诸多的可再生能源中，风能和太阳能取之不尽，用之不竭且没有污染，是最具有发展潜力的可再生能源。

[0003] 太阳能发电和风力发电发展速度较快，市场上有较多成熟产品，但这2种各具有本身固有的缺点，例如，在夜晚就不能进行太阳能发电，在没有较好风力的深林、山谷或村庄就不能进行风力发电，这些固有的缺点就限制了风力发电和太阳能发电的大力推广和普及。

[0004] 因此，本发明的发明人亟需构思一种新技术以改善其问题。

发明内容

[0005] 本发明旨在提供一种基于有机光伏电池的多功能发电装置，其实现了风力发电和光能发电的有效结合，高效且无污染。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

[0007] 一种基于有机光伏电池的多功能发电装置，包括：风扇，所述风扇包括 多个扇叶，每一所述扇叶上均设有至少一个有机光伏电池模组，每一所述有机光伏电池模组包括至少一个反式单层元件，所述反式单层元件包括第一电极、第二电极以及位于二者之间的电子传递层、光活性层和电洞传递层，其中所述第一电极和第二电极中至少一个具有光学透明性；所述第一电极为银金属电极，所述第二电极为ITO电极，所述光活性层由P型高分子半导体材料制备而成。

[0008] 优选地，所述光活性层由PV2000材料制备而成。

[0009] 优选地，所述光活性层由PV2000:PC60BM材料制备而成。

[0010] 优选地，所述光活性层由PV2000:PC70BM材料制备而成。

[0011] 优选地，还包括发电机和电网，所述风扇与所述发电机连接，所述电网包括整流电路、控制器、逆变器控制器、逆变器主电路、滤波电路，所述发电机的输出端通过电线与所述整流电路连接，所述整流电路和所述有机光伏电池模组的输出端与所述控制器连接，所述控制器将直流电分别发送给蓄电机构、直流用电设备和所述逆变器主电路，所述逆变器主电路通过所述滤波电路后将工频交流电发送给交流用电设备和所述逆变器控制器，所述逆变器控制器的输出端与所述逆变器主电路连接。

[0012] 优选地，所述控制器包括储存电容、电流检测装置、电压检测装置、过充保护装置、控制电路板和过流保护装置，所述有机光伏电池模组通过储存电容经电流检测装置和电压检测装置分别与控制电路板相连，所述控制电路板通过过充保护装置和过流保护装置与所述蓄电机构相连。

[0013] 优选地，还包括一泄荷器，所述泄荷器与所述控制器连接。

[0014] 优选地，所述有机光伏电池模组还包括基板，所述反式单层元件设置在所述基板上。

[0015] 优选地，所述基板为PET软性塑料基板。

[0016] 优选地，所述蓄电机构为锂聚合物电池。

[0017] 采用上述技术方案，本发明至少包括如下有益效果：

[0018] 本发明所述的基于有机光伏电池的多功能发电装置，采用的新型反式单层元件热稳定性可达110℃以上，于80℃/65％RH大气测试环境下，无明显劣化现象发生；模拟光源元件稳定性测试大于20,000小时，相当于七年使用寿命。即该电池在光电转换效率、制程加工性、制程可靠性及操作稳定性上较传统的电池获得了显著的提升。并且风扇的整体结构有效提升了扇叶强度、扇叶的运转平稳性，消除了叶尖效应，风能利用率高。即实现了风力发电和光能发电的有效结合，高效且无污染。

附图说明

[0019] 图1为本发明所述的有机光伏电池模组的结构示意图；

[0020] 图2为反式单层元件的热稳定性测试结果图；

[0021] 图3为反式单层元件于80℃/65％RH稳定性测试结果图；

[0022] 图4为反式单层元件的光浸泡老化测试结果图；

[0023] 图5为本发明所述的基于有机光伏电池的多功能发电装置的电气原理图；

[0024] 图6为本发明所述的基于有机光伏电池的多功能发电装置的结构示意图；

[0025] 图7为图6所述的扇叶的结构示意图。

[0026] 其中：1.第一电极，2.第二电极,3.电子传递层,4.光活性层，5.电洞传递层，6.有机光伏电池模组，7.风扇，70.风扇本体，71.风扇转动轴，72.扇叶固定部，721.扇叶，722.第一固定部，723.第二固定部，73.支撑轴,74.支撑套，75.弹性件，8.发电机。

具体实施方式

[0027] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而 不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0028] 如图1所示，为符合本发明的一种基于有机光伏电池的多功能发电装置，包括：风扇7，所述风扇7包括多个扇叶721，每一所述扇叶721上均设有至少一个有机光伏电池模组6，每一所述有机光伏电池模组6包括至少一个反式单层元件，所述反式单层元件包括第一电极1、第二电极2以及位于二者之间的电子传递层3、光活性层4和电洞传递层5，其中所述第一电极1和第二电极2中至少一个具有光学透明性；所述第一电极1为银金属电极，所述第二电极2为ITO电极，所述光活性层4由P型高分子半导体材料制备而成。其基本原理在于：吸收光能后产生激子(电洞和电子对)，而后电洞和电子对分离，传送至相应的电极。

[0029] 优选地，所述光活性层4由PV2000材料制备而成。PV2000具有良好的大气制程稳定性，可采用各种湿式印刷制程技术，涂布在软性PET塑胶基材上，由于达成最佳性能表现的薄膜厚度可达到250-300nm，在溶液涂布制程上具有良好的均匀性控制及再现性。PV2000所制作的单层元件热稳定性可达110℃以上，于80℃/65％RH大气测试环境下，无明显劣化现象发生；模拟光源(1,000W/m2)元件稳定性测试大于20,000小时，相当于七年使用寿命。以狭缝涂布方式所完成PV2000:PC70BM的元件模组(有效面积23.7cm2)，经美国Newport认证可达7.56％。由于在光电转换效率、制程加工性、制程可靠性及操作稳定性上获得显著的提升，PV2000无论在产品性能、价格及普遍应用性均可得到全方位的竞争优势，也将促使有机薄膜光伏电池成为迎向绿色环保能源的新一扇窗。PV2000是现有技术中的一种材料，该材料已经投放市场，如美商Polyera公司已经在销售该材料。

[0030] 优选地，还包括基板，所述反式单层元件设置在所述基板上。

[0031] 优选地，还包括阻水氧保护层，其设置在所述第一电极1上。

[0032] 优选地，所述基板为PET软性塑料基板。软性塑料基板的使用也使得电池整体的柔韧性更强，适合各种弯曲场合的需要。

[0033] 优选地，所述第一电极1和所述第二电极2均具有光学透明性。两面透光在保证光能充分吸收的前提下，对于一些光照需求较高的场合尤为适用。

[0034] 优选地，所述反式单层元件的厚度在250-300nm之间。

[0035] 为了提高光电转换效率，本实施例采用P型及N型有机半导体混掺方式，借以提高吸收光能量后所产生的激子(电子-电洞对)更容易扩散至界面形成电荷分离，来克服有机半导体电子-电洞对低生命期的问题。为了提高元件稳定性，主要以反式单层元件结构为主，以ITO为阴极，加上电子传递层3后，然后涂上光活性层4及电洞传递层5，最后再镀上较稳定的银金属作为阳极；相较于正型元件以钙金属或铝金属作为电极，反式元件具有更佳的元件寿命及效率稳定性。

[0036] 为了实现真正绿色环保，并且提高元件制作再现性，天光材料科技公司以低能隙P型高分子半导体材料技术为主体，开发出一系列新颖性P型高分子半导体材料，其中PV2000搭配PC60BM或PC70BM，即PV2000:PC60BM或PV2000:PC70BM材料(是现有技术中的已知材料，该材料已经投放市场，如美商Polyera公司、德国Belectric公司已经在销售和使用该材料)，采用不含氯溶剂所制作的反式单层元件，本实施例优选使用。其经美国Newport认证光2
电转换效率可达10.36％(Voc 0.81V、Jsc 17.1mA/cm、FF 0.75)，可在大气下进行元件制作，墨水及基材均不需加热，可适用于旋转涂布(spin coating)，刮涂(blade coating)，狭缝涂布(slot die coating)等制程，因采用相对较厚的薄膜250-300nm，在薄膜制程控制上更具有可靠性及竞争力；特别是PV2000可使用的分子量分布范围特别宽广，且在材料合成制造上可采用连续式生产流程，所生产的材料及元件具备极佳再现性及稳定性，整体而言更具成本竞争性。

[0037] 在稳定性方面，图2系PV2000:PC60BM材料所制作的反式单层元件，使用加热板在空气中加热(湿度约60-70％RH)，在目标温度下稳定5分钟后，在STC 1 sun光照条件下所收集的数据，由测试结果显示，所制作的反式元件可耐热达100℃以上。图3系PV2000:PC60BM所制作的反式元件于80℃/65％RH大气测试环境下，在STC 1sun光照条件下所收集的数据，由测试结果显示，经10小后仍无明显的劣化现象发生。图4为PV2000:PC70BM所制作反式元件经上下玻璃封装后，在金属卤化物灯100mW/cm2连续照射下，所完成的光浸泡老化(light soaking)试验，由测试结果显示，经20,000小时仅衰减约10％，以一天7-8小时照射时间来计算，相当于七年使用寿命。

[0038] 在一实施例中，在PET软性基板上所完成的PV2000:PC60BM半透明软性有机薄膜光电池，有效面积29.25cm2，光电转换效率可达5％。诸如采用PV2000:PC60BM所制作OPV模组,OPV模组系由10个反式单层元件串联连接而成,有效面积123.5cm2,电能通过OPV模组产生并储存在锂聚合物电池中,于STC 1 Sun测试条件下,输出功率近似于600mW(6V/100mA),于1000Lux测试下近似于5.5mW(5.5V/1mA)。

[0039] 本实施例所述的有机光伏电池模组6(OPV)具有轻薄、大面积、可挠曲、不易破裂、室内光源能正常运作等特性。特别是在节能减碳及环保议题方面，OPV材料无毒，且制造过程中不需所使用酸碱蚀刻剂及有毒铅等，对环境的伤害可以降到最低；因制程环境不需高温及高真空，可大幅减少能源消耗并降低二氧化碳等温室气体排放量。

[0040] 优选地，如图5所示，还包括发电机8和电网，所述风扇7与所述发电机8连接，所述电网包括整流电路、控制器、逆变器控制器、逆变器主电路、滤波电路，所述发电机8的输出端通过电线与所述整流电路连接，所述整流电路和所述有机光伏电池模组6的输出端与所述控制器连接，所述控制器将直流电分别发送给蓄电机构、直流用电设备和所述逆变器主电路，所述逆变 器主电路通过所述滤波电路后将工频交流电发送给交流用电设备和所述逆变器控制器，所述逆变器控制器的输出端与所述逆变器主电路连接。

[0041] 优选地，所述控制器包括储存电容、电流检测装置、电压检测装置、过充保护装置、控制电路板和过流保护装置，所述有机光伏电池模组6通过储存电容经电流检测装置和电压检测装置分别与控制电路板相连，所述控制电路板通过过充保护装置和过流保护装置与所述蓄电机构相连。发电机8输出交流电，经整流后变成直流电，同时和有机光伏电池模组6的直流电经控制器的控制，对蓄电机构进行充电。控制器除了控制发电机8和有机光伏电池模组6对蓄电机构的充电外，还包括对蓄电机构向负载放电的管理。本实施例采用变速恒频控制方式，发动机采用永磁同步发电机8，不仅能够提供稳定连续的电能，并且能够提供工频交流220V和380V两种类型的电能，实用性更强。

[0042] 优选地，还包括一泄荷器，所述泄荷器与所述控制器连接。泄荷器的主要作用是为了防止蓄电机构过充，也有一定的限速的作用，相当于负载量增大了。

[0043] 在一优选实施例中，如图6和图7所示，所述风扇7包括风扇本体70和设置在所述风扇本体70内的风扇转动轴71，所述风扇7的一端设置有扇叶固定部72，所述扇叶固定部72包括多个扇叶721、第一固定部722和第二固定部723，所述多个扇叶721沿圆周方向均布排列并安装于所述第一固定部722和所述第二固定部723上，所述第一固定部722固定在所述风扇转动轴71上，所述第二固定部723为圆台状结构，沿远离所述风扇本体70的方向所述第一固定部722的横截面直径大小不变或者均匀减少，沿远离所述风扇本体70的方向所述第二固定部723的横截面直径均匀增大，所述所有扇叶721圆弧方向一致，所述所有扇叶721的叶倾角方向一致。所述扇叶固定部72的设置可以具有较大的受风面积，所述第二固定部723同时起到了对风流整流和积聚 风能的作用，整体结构有效提升了扇叶721强度、扇叶721的运转平稳性，消除了叶尖效应，结构简单，风能利用率高。所述扇叶721通过所述第一固定部722和所述第二固定部723紧固，使得所述扇叶固定部72的整体抗弯曲、阻扰性能好，相对于大流体风能能量，不易折断，推力均匀，旋转效果好，由于叶尖包裹固定，没有划流效应，相对噪音小，有一定的稳定性和使用寿命。

[0044] 所述风扇本体70的中部设置有向下延伸的支撑轴73，所述支撑轴73通过轴承固定在支撑套74内，所述支撑轴73可相对于所述支撑套74做周向转动，所述支撑套74的下端固定在地面或护栏2上用于支撑所述风扇7，所述支撑轴73与所述扇叶固定部72之间设置有弹性件75，所述弹性件75的上端固定在所述风扇本体70上，所述弹性件75的下端固定在所述支撑套74或地面上，所述弹性件75、所述风扇转动轴71及所述支撑轴73的轴线所共同形成的平面垂直于地面，所述风扇7的扇叶固定部72迎向气流方向设置。

[0045] 由于风扇7通过支撑轴73固定在支撑套74内，整个风扇7可以支撑轴73为轴心周向转动，当机动车行驶过程中产生的风力过大时，风扇7可绕轴转动一定角度，进而缓冲风力对整个风扇7产生的扭力作用，降低支撑轴73、支撑套74及风扇本体70的内部应力，进而延长风力发电装置的寿命；而通过设置弹性件75，并将弹性件75、风扇转动轴71及支撑轴73的轴线所共同形成的平面垂直于地面，则只有当风扇7处于预设的迎向机动车开来的方向时，弹性件75的延伸长度最短，风扇7在风力的作用下无论是向左还是向右转动均会带动风扇7转向，进而使弹性件75的延伸长度被拉伸，弹性件75的弹力变大，以克服过大的风力，并使风扇7的扇叶恰当地对准风力方向，提高发电效率，一旦风力作用在风扇7上的周向扭力小于弹性件75施加在风扇7上的扭力时，风扇7恢复至原始位置，因此本发明的风力发电装置其风扇7能够根据风力的大小而自行调整迎风方向，降低风扇7风扇本体70 及支撑轴73的周向扭力和内应力，延长使用寿命，并能优化扇叶的迎风角度，提高发电效率。

[0046] 优选地，所述扇叶721的叶倾角为30°～60°。更为优选地，所述扇叶721的叶倾角为40°。众所周知，所述叶倾角为叶片腹面的法线与天顶轴的夹角。本实施例所述扇叶721采用大圆弧、大角度形状，增加了受风面积，提高了排风能力，消除了气流积聚，由于气流流动通畅，扇叶721后方气压相对稳定，提高了整体平稳性。通过合理的设置所述第一固定部722和所述第二固定部723的结构和扇叶721的叶倾角可以更大限度的提高了整体平稳性，提高了风能利用率。

[0047] 优选地，所述第二固定部723为中空的圆台状结构，其远风扇本体70端的横截面直径与近风扇本体70端的横截面直径比在1.1:1至1.5:1之间。经过试验验证，所述第一固定部722和所述第二固定部723的结构设置可以增加受风面积，提高排风能力。

[0048] 本实施例所述的基于有机光伏电池的多功能发电装置，采用的新型反式单层元件热稳定性可达110℃以上，于80℃/65％RH大气测试环境下，无明显劣化现象发生；模拟光源元件稳定性测试大于20,000小时，相当于七年使用寿命。即该电池在光电转换效率、制程加工性、制程可靠性及操作稳定性上较传统的电池获得了显著的提升。并且风扇7的整体结构有效提升了扇叶强度、扇叶的运转平稳性，消除了叶尖效应，风能利用率高。即实现了风力发电和光能发电的有效结合，高效且无污染。

[0049] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。