基于TracePro的LED太阳能电池优化设计

引言近年来，随着电子技术的快速进步，越来越多的电子设备正在向着轻薄化、柔性化和可穿戴的方向发展。全球可穿戴设备出货量为3.1亿台，比之前增长16.7%，市场规模庞大。而随着消费升级及AI、VR、AR等技术的逐渐普及，可穿戴设备已从过去的单一功能迈向多功能，同时具有更加便携、实用等特点。智能可穿戴设备在医疗保健、导航、社交网络、商务和媒体等许多领域有众多可开发应用，并能通过不同场景的应用给未来生活带来改变。目前市场上主要的可穿戴产品形态各异，主要包括智能眼镜、智能手表、智能手环、意念控制、健康穿戴、体感控制、物品追踪等。其中，医疗卫生、信息娱乐、运动健康是热点；产品功能方面，互联（NFC、Wifi、蓝牙、无线）、人机接口（语音、体感）、传感（骨传感、人脸识别、地理定位、各类传感器）是该类产品必不可少的功能。智能可穿戴设备包括,曲面屏手机智能手表、智能手环、3D眼镜等，其中，智能手表是炙手可热的数码产品，可将手表内置智能化系统、搭载智能手机系统而连接于网络而实现多功能，能同步手机中的电话、短信、邮件、照片、音乐等。而制约柔性智能穿戴设备发展的关键因素有两点，电池技术，柔性技术。传统的燃料能源正在一天天减少，可再生资源，太阳能、风能、水能、地热能等是全球关注、重视，利用起来，其中太阳能的发展势头最猛，太阳能资源丰富、分布广泛，是21世纪最具发展潜力的可再生能源。随着全球能源短缺和环境污染等问题日益突出，\o"太阳能光伏发电"太阳能光伏发电因其清洁、安全、便利、高效等特点，已成为世界各国普遍关注和重点发展的新兴产业。在此背景下，全球\o"光伏发电"光伏发电产业增长迅猛，产业规模不断扩大，产品成本持续下降。我国\o"光伏"光伏发电产业也得到迅速发展，已成为我国为数不多的、可以同步参与国际竞争、并有望达到国际领先水平的行业。第1章课题整体框架 11.1课题任务 11.2课题要求 11.3研究意义 1第2章TracePro软件简介 22.1TracePro简介 2第3章设计分析 43.1太阳能电池片组成部分 43.2组件材料选择 43.2.1玻璃 43.2.2缓冲垫 43.2.3电池片组 43.2.4背板 43.3设计思路分析 43.4电池片组建模及分析 43.4.1电池片组建模 43.4.2光源设定 43.4.3裸电池片光学模拟及结果 43.5电池片封装建模及分析 43.5.1背板建模及参数设置 43.5.2缓冲垫1建模及参数设置 43.5.3缓冲垫2建模及参数设置 43.5.4玻璃建模及参数设置 43.5.5电池片组件封装光学模拟及结果 4第4章原因分析及修改方案制定 44.1原因分析 44.2不同方案设计及结果 44.2.1方案一 44.2.2方案二 44.2.3方案三 44.2.4方案四 44.3方案分析总结 4第5章总结 28参考文献 29致谢 30附录 311.1课题任务随着科技的发展，柔性智能穿戴设备已经逐步普及，其便携、科技感，环保，体积小等优点，使其市场应用前景很大，发展趋势势不可挡。而制约柔性穿戴设备发展的主要因素之一为电池，本论文将用TracePro软件设计优化提升太阳能电池片的光利用率，使光利用率最少增加10%以上。1.2课题要求对比分析裸电池片和封装电池片的光效，以及优化提升使光利用率最少增加10%以上。1.3研究意义太阳能是一种清洁的能源，它的应用正在世界范围内快速地增长，利用太阳光发电就是一种使用太阳能的方式，太阳能电池板应运而生，太阳能电池片是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置，只要被光照到，瞬间就可输出电压及电流。在太阳能电池片应用中，柔性穿戴设备的应用越来越多。太阳能电池片的关键点因素在于光利用率，因此对提高太阳能光利用率具有重要的意义。随着电脑的普及和光学设计软件功能的逐步完善，使很多设计变成了可能，这也有效的推动了太阳能电池的进一步发展。本文借助光学设计软件Tracepro，采用不同材料，不同结构，来提升光利用率，通过软件模拟仿真优化设计。2.1仿真软件简介TracePro是美国LambdaResearchCo．所开发的一套光学仿真软件，是一套普遍用于照明系统、光学分析、辐射度分析及光度分析的光学仿真软件。与其它的光学设计软件相比，TracePro既具有真实立体模型的建模方法，又兼具强大的光学分析功能。尤为可贵的是，它是第一套以符合工业标准的ACIS(立体模型绘图软件)技术为核心的光学软件。设计一个照明系统，首要任务是建立一个实体模型，TracePro跟3D实体模型的兼容性非常的高，可以将AutoCAD、MechanicalDesktop、CADKEY等机械制图软件设计的模型直接导入，也可从非ACIS内核的光学设计程序（OSLO、ZEMAX、CodeV等）导入光学镜头。除此之外，你也可以自己创建一立体模型，TracePro自带的建模功能，可以建立块，柱，锥，球面和薄板，也允许你建立在光机一体机中常见的光学元件，如菲涅耳透镜（Fresnellens），反射体（reflector），灯管（tube）等。一些非规则的复杂模型，可通过布尔运算建立，布尔运算包含：相交，相减，联合。通过Sweep（填充延伸）和Revolve（旋转）命令对可以模型进行修改。不仅如此，TracePro还具有强大的物件(Object)编辑功能，移动、选装、缩放、剪切、复制、粘贴、插入等操作都非常方便直观，操作风格与Windows基本相同。作为光学仿真软件，实际物体与仿真结果中的光线的分布与光强一致或基本相同，才有实际意义。TracePro用“普适光线追迹”技术来追迹光线，这种技术允许你引入光线到一个模型，而在物件和表面相交处并没有引起额外的损失。在每个交点，个体光线遵从吸收、反射、折射、衍射和散射定律。符合实际的光路走向，使所设计的模型都能正确的分析出来。TracePro同时还具有强大的光学分析功能。分析菜单提供多种方法来显示光线追迹数据。DisplayingRays（显示光线）和RaySorting（选择光线），让你观察数据是否是你期待的结果。IrradianceMaps（光照分析图）、RayTables（入射光线表格）和PolarizationMaps（光偏正分析图）提供每一个表面的模拟结果。CandelaPlots（光强分布图）显示模型中光线数据的角度分配。VolumeFluxViewer（光通量）能够观察模型内部的流量分布。ReportsMenu（报告菜单）帮助你完成分析光线数据和模型的多种报告形式。Tools(工具)菜单包括附加的功能来帮助你完成光线追迹结果。TracePro主要功能1、光强分布

2、系统光效、亮度、照度分布

3、光照实景渲染

4、荧光粉荧光效应

5、在照明和成像系统中光的分布情况

6、系统每个元件及物面上流明的入射、吸收及照度分布情况

7、对照明精确的建模和性能分析

8、界面简洁直观，易于操作，友好的设计便于分析师和工程师的运用

9、能与CADSolidworksAutoCadProEngineer等格式3D模块接TracePro应用范围TracePro具有广泛的应用领域能模拟所有的类型的显示系统、照明系统，从背光到前光、光管、光纤以及LCD投影系统，目前广泛应用于汽车照明系统（前头等、尾灯、内部及仪表照明）、望远镜、照相机、红外线成像系统、导光管、投影显示系统、背光源系统等。TracePro可以同时或个别考虑反射、折射、吸收、双向散射(BSDF)、体散射(bulkscatter)、渐变折射(gradientindex)、光学薄膜(thinfilmstack)、荧光粉(Fluorescence)及偏振膜(polarization)等光学材料行为。搭配MonteCarlo的统计采样计算方法，其光线追迹的结果十分可靠，能够准确地预测光学行为。TracePro是一套与工业设计软件可以快速而轻易接轨的光学分析软件，能显著提升企业对产品研发创新的能力；而其准确可靠的分析能力，使其在全球与台湾的市场占有率都非常的杰出，并被各项产业广泛地使用。3设计分析3.1太阳能电池片组成部分太阳能电池片是由一个或多个太阳能电池片片组成成为太阳能电池片。太阳能电池片是具有把光转换成电特性的一种半导体器件，它可以把照射在其表面的太阳能辐射能转换成直流电，太阳能电池片板是光伏发电系统/产品中的最基本的组件，也是太阳能光伏发电系统中的核心部分。它的最大作用是将太阳能转化为电能贮存到蓄电池中。此太阳能电池片主要包含钢化玻璃、EVA、电池片、背板，以及其他支撑，保护、密封部件。太阳能电池各组件的主要功能如下

1、玻璃:主要起到保护电池片和透光作用。

2、缓冲层:主要起到缓冲、粘贴及透光作用。

3、电池片:主要作用就是发电。

4、背板:主要起支撑、密封、保护作用。太阳能电池组成3.2组件材料选择3.2.1玻璃玻璃:主要起到透光作用和保护电池片的作用。透光率是太阳光线照射到电池片的第一部分，其透光率影响光能利用，透光率越高越有利，而目前市场上有两种玻璃，即浮法玻璃和超白玻璃，浮法玻璃目前应用最广泛，其透光率一般在82-83%；而超白玻璃透过率一般在91-93%；所以超白玻璃目前在太阳能电池技术上被大量采用。3.2.2缓冲层缓冲层:主要起到缓冲、粘贴及透光作用。为达到透光及粘接作用，缓冲层的主要材料为EVA，EVA是Polyethylene

vinylacetate,聚乙烯-聚醋酸乙烯酯共聚物的简称，由于EVA胶膜在粘着力、耐久性、光学特性等方面具有的优越性，使得它被越来越广泛的应用于电流组件以及各种光学产品，其透光率大于90%。3.2.3电池片组主要作用就是发电，是由单个或者多个电池片组成，目前太阳能产业市场主流的是晶体硅太阳电池片、薄膜太阳能电池片，两者各有优劣。晶体硅太阳能电池片，设备成本相对较低，但消耗及电池片成本很高，但光电转换效率也高，在室外阳光下发电比较适宜。薄膜太阳能电池，相对设备成本较高，但消耗和电池成本很低，但光电转化效率相对晶体硅电池片一半多点，但弱光效应非常好，在普通灯光下也能发电，如计算器上的太阳能电池。柔性太阳能电池，是薄膜太阳能电池的一种，而且技术先进、性能优良、成本低廉、用途广泛。3.2.4背板

主要起支撑、密封、保护作用。材料一般都用TPT、TPE等材质。3.3设计分析思路通过TracePro软件建模，先分析裸电池片的光利率，再分析封装后的电池片的光利用率，最后通过材料、结构上优化设计封装电池片3.4电池片组建模及分析3.4.1电池片组建模电池片组有多个小的电池片组成，此次分析采用披萨饼形状，分六块小电池片，在TracePro中建立电池片组模型。打开TracePro，创建电池片组第一步●从“插入”下拉菜单中，选择“几何物件”命令。●选择“圆柱/圆锥”模型，勾选圆柱，输入主半径20，长度1，中心位置（0,0,18.3）点击“插入”创建圆柱模型，如下图。第二步●从“插入”下拉菜单中，选择“几何物件”命令。●选择“方块”模型，输入宽度X=1.5，Y=50，Z=2，中心位置（0,0,18.3）点击“插入”创建方块，如下图。第三步旋转阵列复制方块●选择“方块”模型，点击右键“旋转”，旋转角度为120度，旋转轴对应于Z轴，点击复制，依次创建两个方块的旋转排布，如下图。第四步方块求和●求交集，选择第一个方块，按住Ctrl键，选择复制个方块，最后点击交并集，求和，如下图第五步求差●求差集，选择圆柱电池片，按住Ctrl键，选择求和后的方块，最后点击交差集，求差，如下图。3.4.2光源设定由于柔性穿戴设备采用采用太阳能来驱动，那么光源肯定为太阳，由于太阳距离地球很远，太阳发出的光线，到达地球时可以看做是平行光线，●点击左侧导航区下方的“光源”，点击格点光源，并点击红色“X”图标激活格点光源，如下图。●在格点光源对话框中，选择圆形格点光源，外半径输入20，内半径输入0，环数输入100环，选择光度学，总光通量输入100流明，出光方向为Z向，如下图。3.4.3裸电池片光学模拟及结果查看●点击“光线追迹”命令，等待完成，如下图。●选择单一电池片表面为接受面，并点击“辐照度分析图”命令，查看照度分布，如下图。名称电池片1电池片2电池片3电池片4电池片5电池片5光通量14.23514.23514.22714.23514.23514.227合计86.39lm通过以上对裸电池片组的光学模拟光析，当太阳发出的光通量为100流明时，实际上只有86.39流明照射到了电池片上，其裸电池片组的光利用率只有86.39%。3.5电池片封装建模及分析3.5.1背板建模及参数设置在TracePro中建立背板模型●从“插入”下拉菜单中，选择“几何物件”命令。●选择“圆柱/圆锥”模型，勾选圆柱，输入主半径20，长度1，中心位置（0,0,20）点击“插入”创建背板模型，如下图。●背板属性设置，背板材料一般选用黑色TPE材料，属性参数中需要设置背板的表面参数即可。点击刚刚创建好的玻璃圆柱表面（粘贴EVA面），点击右键，选择“属性”命令，在应用特性“表面”中，目录选择“Default”，名称选择“BlackPaint”,点击应用，完成背板属性设置，如下图。3.5.2缓冲垫1建模及参数设置●从“插入”下拉菜单中，选择“几何物件”命令。●选择“圆柱/圆锥”模型，勾选圆柱，输入主半径20，长度0.7，中心位置（0,0,19.3）点击“插入”创建缓冲垫1模型，如下图。●缓冲垫1属性设置，为保证有很好的光学特性，缓冲垫材质选择超EVA材料。第一步创建材料●从“定义”下拉菜单中，选择“编辑材质”中的“材料材质”命令。●目录选择“Plastic”并点击新增特性，特性名称输入“EVA”，点击确认，分别输入波长、折射率、吸收，最后点击保存，如下图。第二步属性设置选择创建好的玻璃圆柱，点击右键，选择“属性”命令，在应用特性“材料”中，目录选择“Plastic”，名称选择“EVA”,点击应用，完成缓冲垫1属性设置，如下图。3.5.3缓冲垫2建模及参数设置●从“插入”下拉菜单中，选择“几何物件”命令。●选择“圆柱/圆锥”模型，勾选圆柱，输入主半径20，长度0.7，中心位置（0,0,17.6）点击“插入”创建缓冲垫2模型。●缓冲垫2属性设置，同上，点击右键，选择“属性”命令，在应用特性“材料”中，目录选择“Plastic”，名称选择“EVA”,点击应用，完成缓冲垫2属性设置。3.5.4玻璃建模及参数设置●从“插入”下拉菜单中，选择“几何物件”命令。●选择“圆柱/圆锥”模型，勾选圆柱，输入主半径20，长度1，中心位置（0,0,20）点击“插入”创建玻璃模型。●玻璃属性设置，为保证有很好的光学特性，玻璃材质选为超白玻璃材料。选择创建好的玻璃圆柱，点击右键，选择“属性”命令，在应用特性“材料”中，目录选择“SCHOTT”，名称选择“BAFN10”,点击应用，完成玻璃属性设置。3.5.5电池片组件封装光学模拟及结果查看●点击“光线追迹”命令，等待完成，如下图。●选择单一电池片表面为接受面，并点击“辐照度分析图”命令，查看照度分布，如下图。名称电池片1电池片2电池片3电池片4电池片5电池片5光通量13.63813.63813.64413.64613.63213.643合计81.84lm通过分析得知，太阳能电池片组封装后的光利用率为81.84%，小于裸电池片组的光利用率86.39%，两者都没有将太阳光全部利用起来，光利用率不是很高。4原因分析及修改方案制定4.1原因分析从裸电池片组分析得知，太阳发出的光线，只有86.39%被电池片吸收，其余光线从电池片之间的间隙中损失；当将电池片、玻璃背板、缓冲垫等封装后，其光利用率更小，只有81.84%，那么，有没有一种方法，使从电池片之间损失的光线也被电池片吸收利用呢？以下通过不同材料以及不同结构方案来优化设计，提高光利用率。4.2不同方案设计及结果确认4.2.1方案一；封装电池片组背板粘贴缓冲垫面喷白色漆。分析结果如下名称电池片1电池片2电池片3电池片4电池片5电池片5光通量13.76713.73913.72613.75113.7613.732合计82.48lm通过分析得知，封装电池片背板表面设置为白色后，当太阳发出的光通量为100流明时，实际上有82.48流明被吸收，光利用率由81.84%增加到82.48%，有所提升，但不是很理想。4.2.2方案二；进一步增加背板的反射光线能力，将封装电池片组的背板粘贴缓冲垫面镜面处理。分析结果如下名称电池片1电池片2电池片3电池片4电池片5电池片5光通量13.77813.75113.7513.76213.77113.757合计82.57lm通过分析得知，封装电池片背板表面设置为白色后，当太阳发出的光通量为100流明时，实际上有82.57流明被吸收，光利用率由81.84%增加到82.57%，结果和方案一相同，都不理想，由此可以看到，由于小的电池片之间间隙原因，不管怎么增强反射光线的能力，但是还是有一部分光线损失，只有将电池片之间损失的光线利用起来，才会增加光利用率。4.2.3方案三；在方案一的基础上，将背板在电池片间隙处做反射面，将间隙处损失的光线反射到电池片上反射原理如下，并更新模型后分析。分析结果如下。名称电池片1电池片2电池片3电池片4电池片5电池片5光通量14.58914.51214.51414.48414.54214.478合计87.12lm通过分析得知，封装电池片背板增设反射面，并将反射表面设置为白色后，当太阳发出的光通量为100流明时，实际上有87.12流明被吸收，光利用率由81.84%增加到87.12%，光利用率有明显提升，提升6.45%4.2.4方案四；在方案二的基础上，将背板在电池片间隙处做反射面，将间隙处损失的光线反射到电池片上，并更新模型后分析结果如下，名称电池片1电池片2电池片3电池片4电池片5电池片5光通量15.38815.35815.36215.3