太阳能发电装置及车辆的制作方法

本发明涉及能源技术领域，尤其是涉及一种太阳能发电装置及车辆。

背景技术：

太阳能应用原理是通过空间光(太阳光、人造光、宇宙射线等)辐射能与太阳能接收装置形成模式激励，经由光电转化的方式将光能转为电能。近些年太阳能电池技术飞速发展，使用的场景越来越丰富。太阳能电池又称为“太阳能芯片”或“光电池”，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被满足一定照度条件的光照到，瞬间就可输出电压及在有回路的情况下产生电流。

传统的太阳能发电板，由于空间光的接收角度受限、光电转换效率等问题，存在发展滞碍。传统太阳能接收器的最佳接收角度约为7度，超过最佳区域呈高速衰落，也因此光电转换效率降低至约为17％。

现有技术中通过机械原理的追日系统来得到更好的接收角度，然而这种方式造价昂贵、本益比的回收率低。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种太阳能发电装置及车辆，以较低的成本扩展空间光的接收角度，从而提高太阳能电池板的光电转换效率。

第一方面，本发明实施例提供了一种太阳能发电装置，包括太阳能电池板和牛眼结构光栅，所述牛眼结构光栅覆盖在所述太阳能电池板的上表面；所述牛眼结构光栅的表面刻有周期性的环状细缝，并形成了周期性的光栅结构。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述牛眼结构光栅由多个光栅单元构成，每个所述光栅单元中的多个所述光栅结构成同心圆状排列并向外呈扩散状。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述光栅单元的尺寸为微米级别，每个所述光栅单元的光栅结构的个数大于10。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述牛眼结构光栅包括对应不同的接收角度的多种光栅结构的光栅单元。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，每个所述光栅单元均由对应不同的接收角度的多种光栅结构级联而成。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述牛眼结构光栅的材质包括金属。

结合第一方面的第五种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述牛眼结构光栅的材质包括以下中的任一种：金、银、铜、铁、铝、钛、镍。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述太阳能发电装置还包括蓄电池，所述蓄电池与所述太阳能电池板连接；所述蓄电池用于存储所述太阳能电池板转换的电能。

第二方面，本发明实施例还提供一种车辆，所述车辆的车身上设置有如第一方面或其任一种可能的实施方式所述的太阳能发电装置。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，所述车辆包括混合动力汽车或纯电动汽车。

本发明实施例带来了以下有益效果：

本发明实施例中，太阳能发电装置包括太阳能电池板和牛眼结构光栅，牛眼结构光栅覆盖在太阳能电池板的上表面；牛眼结构光栅的表面刻有周期性的环状细缝，并形成了周期性的光栅结构。由于光栅可以改变入射光的传播方向，所以太阳能发电装置通过光栅的衍射可以扩展空间光的接收角度，并且牛眼结构光栅的这种光栅结构的特殊设计，使得空间光的接收角度可以达到更大的角度谱，与现有的追日系统相比，大大降低了成本。因此，本发明实施例提供的太阳能发电装置及车辆以较低的成本扩展了空间光的接收角度，从而提高了太阳能电池板的光电转换效率。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种太阳能发电装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种牛眼结构光栅的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种太阳能发电装置的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种太阳能发电装置的工作原理示意图；

图5为本发明实施例提供的一种不同光栅结构下接收角度与光电转换效率的对应关系图；

图6(a)为本发明实施例提供的一种光谱响应随光波长的变化示意图；

图6(b)为本发明实施例提供的一种光谱响应随光栅结构个数的变化示意图。

图标：

101-太阳能电池板；102-牛眼结构光栅；103-蓄电池。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

目前太阳能发电板，由于空间光的接收角度受限、光电转换效率等问题，存在发展滞碍，如何实现广角度的接收成为重要核心问题，也因此，太阳能车的发展历史悠久，但实际运用于车载却没有，强烈的影响了太阳能的应用前景。基于此，本发明实施例提供的一种太阳能发电装置及车辆，利用牛眼结构光栅，通过计算不同角的入射光源与光栅结构的激励特性，实现在光能接收上扩展接收角度谱。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种太阳能发电装置进行详细介绍。

实施例一：

图1为本发明实施例提供的一种太阳能发电装置的结构示意图，如图1所示，该太阳能发电装置包括太阳能电池板101和牛眼结构光栅102，牛眼结构光栅102覆盖在太阳能电池板101的上表面；牛眼结构光栅102的表面刻有周期性的环状细缝，并形成了周期性的光栅结构。

当光遇到光栅之后，光的传播方向将会发生不同程度的改变，即衍射现象。衍射与光栅的材质、光栅常数密切相关，它们都可以改变光的偏转角度和强度。其中，光栅常数p＝细缝宽度a+细缝间距b。通过合理的光栅常数(结构尺寸)的调整，牛眼结构光栅102能够在三维空间实现360度的旋度范围内达到很好的接收效果，能够降低色散效应、提高能量接收等。而光的入射角度和强度决定了太阳能电池板101的光电转换效率，因此，该太阳能发电装置可以提高车载在太阳能方面的应用前景。

可选地，牛眼结构光栅102的材质为金属。由于金属有良好的稳定性和电性能，因此可以提高车载在太阳能方面的应用前景。具体地，牛眼结构光栅是金属结构表层刻蚀有周期性的细缝结构所构成的光学器件，光栅的尺寸一般是nm级，结构紧凑、可大规模集成复制等是最大的优势。

进一步地，牛眼结构光栅102的材质包括以下中的任一种：金、银、铜、铁、铝、钛、镍。

可选地，牛眼结构光栅102的厚度为100-300nm。优选地，牛眼结构光栅102的厚度为150-200nm。

在一些可能的实施例中，牛眼结构光栅102由多个光栅单元构成，每个光栅单元中的多个光栅结构成同心圆状排列并向外呈扩散状。

图2为本发明实施例提供的一种牛眼结构光栅的结构示意图，如图2所示，牛眼结构光栅的每个光栅单元由多个同心圆(细缝或刻痕)组成，选取一定数量的细缝个数与周期比例，将牛眼结构光栅覆盖于太阳能电池板表层。由于牛眼结构光栅辐射状的特殊设计，使得空间光接收角度可达到更大的角度谱。若采用不同的入射光角度进行激励，牛眼结构光栅在环视范围内可达到全角度接收。

本发明实施例中，太阳能发电装置包括太阳能电池板和牛眼结构光栅，牛眼结构光栅覆盖在太阳能电池板的上表面；牛眼结构光栅的表面刻有周期性的环状细缝，并形成了周期性的光栅结构。由于光栅可以改变入射光的传播方向，所以太阳能发电装置通过光栅的衍射可以扩展空间光的接收角度，并且牛眼结构光栅的这种光栅结构的特殊设计，使得空间光的接收角度可以达到更大的角度谱，与现有的追日系统相比，大大降低了成本。因此，本发明实施例提供的太阳能发电装置以较低的成本扩展了空间光的接收角度，从而提高了太阳能电池板的光电转换效率。

图3为本发明实施例提供的另一种太阳能发电装置的结构示意图，如图3所示，该太阳能发电装置还包括蓄电池103，蓄电池103与太阳能电池板101连接；蓄电池103用于存储太阳能电池板101转换的电能。

可选地，蓄电池103包括铅酸蓄电池、镍基电池、锌卤电池和锂电池中的一种或多种。

图4为本发明实施例提供的一种太阳能发电装置的工作原理示意图，如图4所示，以空间光作为基础入射光源，通过表面刻有固定周期细缝的螺纹状光栅(牛眼结构光栅)作为与空间光的接触面，并使空间光照射于光栅表面，其中，螺纹状光栅由多个级联的同心圆组成，并向外呈现扩散状。空间光与牛眼结构光栅依据光栅方程的原理计算，不同折射率变化能够对应不同光角度，达到最佳的接收性能。而无法对应的入射光会经由散射形式回到空间中。当入射光符合对应的折射率时，会产生透射现象。透射光通过牛眼结构光栅到达太阳能电池板。最终，通过太阳能电池板的光电转换形成电能存入蓄电池内。

不同的光栅结构可对应不同的接收角度，例如，对于厚度为200nm的金光栅(材质为金的牛眼结构光栅)，当细缝宽度a为50nm，细缝间距b为150nm，光栅常数p为200nm时，接收角度为30°。

图5为本发明实施例提供的一种不同光栅结构下接收角度与光电转换效率的对应关系图。如图5所示，接收角度θ为0°、10°时的光栅结构对应的光电转换效率η在30％至35％之间，接收角度θ为20°、30°时的光栅结构对应的光电转换效率η约为30％。

光栅可以改变光的偏转角度并提高透射系数，根据不同的光栅结构对应不同的接收角度可以实现高效接收，激励条件与光栅的材质、光栅常数、周期等密切相关。而空间光的入射角度和波长范围直接影响了空间光接收的转化效率，因此通过合理计算与接收波长叠加，可以最大效益地提高太阳能发电装置的接收率。

图6(a)为本发明实施例提供的一种光谱响应随光波长的变化示意图，如图6(a)所示，通过有限元法(fem，finiteelementmethod)计算可以得到，周期性的牛眼结构光栅结构能够实现宽谱接收，同时接收率(光谱响应-sr，spectralresponse)也能够保持一定水平。

图6(b)为本发明实施例提供的一种光谱响应随光栅结构个数的变化示意图，如图(b)所示，光栅结构的个数n(图2中同心圆的个数)大于10时光谱响应趋近于平坦，这表示牛眼结构光栅的结构尺寸可缩限于微米级别，其工艺简单，可大量集成。基于此，上述光栅单元的尺寸为微米级别，每个光栅单元的光栅结构的个数大于10。

为了进一步扩展太阳能发电装置的接收角度，在一些可能的实施例中，上述牛眼结构光栅包括对应不同的接收角度的多种光栅结构的光栅单元。这样实现了多接收角度的太阳能发电装置。

例如，将对应接收角度为0°的光栅结构的光栅单元a、对应接收角度为10°的光栅结构的光栅单元b、对应接收角度为20°的光栅结构的光栅单元c和对应接收角度为20°的光栅结构的光栅单元d组合在一起构成牛眼结构光栅，该牛眼结构光栅可以实现对0°、10°、20°、30°的入射光的接收。

在另一些可能的实施例中，每个光栅单元均由对应不同的接收角度的多种光栅结构级联而成。这样每个光栅单元均可以实现对照射到该光栅单元上的多种入射角度的入射光的接收。

例如，每个光栅单元均由对应接收角度为0°的光栅结构a、对应接收角度为10°的光栅结构b、对应接收角度为20°的光栅结构c和对应接收角度为20°的光栅结构d级联而成，该牛眼结构光栅也可以实现对0°、10°、20°、30°的入射光的接收。

综上可知，本发明实施例提供的太阳能发电装置具有以下有益效果：(1)实现大角度的的空间光接收；(2)提升太阳能的获取量；(3)适用多种电性金属材料；(4)成本低，实用价值高。

实施例二：

基于上述实施例一，本发明实施例还提供了一种车辆，该车辆的车身上设置有如实施例一的太阳能发电装置。

可选地，上述车辆可以但不限于为混合动力汽车或纯电动汽车。

具体地，将上述太阳能发电装置作为汽车车身结构的复合性材料(应用不仅限于此)，能够在含有光源的处所，将车身接收到的光能转化为电能，进而为汽车供电，节约能源。

本发明实施例中，太阳能发电装置包括太阳能电池板和牛眼结构光栅，牛眼结构光栅覆盖在太阳能电池板的上表面；牛眼结构光栅的表面刻有周期性的环状细缝，并形成了周期性的光栅结构。由于光栅可以改变入射光的传播方向，所以太阳能发电装置通过光栅的衍射可以扩展空间光的接收角度，并且牛眼结构光栅的这种光栅结构的特殊设计，使得空间光的接收角度可以达到更大的角度谱，与现有的追日系统相比，大大降低了成本。因此，本发明实施例提供的包括太阳能发电装置的车辆以较低的成本扩展了空间光的接收角度，从而提高了太阳能电池板的光电转换效率。

本发明实施例提供的车辆，与上述实施例提供的太阳能发电装置具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的车辆的具体工作过程，可以参考前述太阳能发电装置实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。