Designing Indoor Solar Products

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出版者:John Wiley & Sons Inc
作者:Randall, Julian
出品人:
页数:198
译者:
出版时间:2005-9
价格:1235.00 元
装帧:HRD
isbn号码:9780470016619
丛书系列:
图书标签:
  • 太阳能
  • 室内设计
  • 产品设计
  • 可再生能源
  • 照明
  • 能源效率
  • 可持续设计
  • 建筑技术
  • 创新产品
  • 绿色建筑
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具体描述

Photovoltaic technology - or the direct conversion of light into electricity - is the fastest growing means of electricity generation today, however it is generally used outdoors. Relatively little attention has been focused on the many obstacles to overcome when designing efficient indoor products. As a result, indoor products are more often than not limited to low power."Designing Indoor Solar Products" bridges this gap by showing where AES (Ambient Energy Systems) based on photovoltaic cells may be used for higher power devices. Motivated by both financial and ecological arguments, this book: co-ordinates a wide-reaching range of scientific information regarding photovoltaic technologies and their application to indoor spaces; analyses power management, power availability, technological selection and design methodologies; uses real-life examples and case studies to demonstrate the arguments made; and, presents information in such a way as to make it accessible even to engineers with basic electrical knowledge."Designing Indoor Solar Products" pulls together a wealth of information on photovoltaic technologies and their applications. It will be of practical interest to engineers and designers of sensor systems planning on using photovoltaic technology for power, whilst the theoretical approach will appeal to those in academia in the related areas of environmental engineering, sustainable development as well as building and product design.

室内太阳能产品设计:原理、实践与未来趋势 本书深入探讨了室内太阳能产品的设计、实现与市场应用,旨在为工程师、设计师以及相关领域的专业人士提供一套全面且实用的指导框架。我们聚焦于如何在受限的室内环境中,有效地捕捉、转换和利用环境光能,从而驱动低功耗电子设备,实现可持续的室内能源解决方案。 本书的结构围绕三大核心支柱展开:基础理论与技术选型、产品设计与工程实践,以及集成、测试与未来展望。 第一部分:基础理论与技术选型 本部分奠定了理解室内光能特性的理论基础,并对当前主流的室内光伏(Indoor Photovoltaics, IPV)技术进行了详尽的分析和比较。 第 1 章:室内光照环境的定量分析 室内光环境与室外光环境存在本质区别,这直接影响了太阳能电池的选择和性能。本章详细剖析了室内光的特性: 1. 光谱分布的差异性: 探讨了不同人造光源(如LED、荧光灯、白炽灯)的色温、光谱功率密度(SPD)曲线,以及它们与传统硅基太阳能电池最适响应光谱的匹配程度。重点分析了缺乏蓝光和高红外辐射的室内环境对转换效率的影响。 2. 照度与光通量的测量标准: 介绍了室内设计中常用的光照度单位(勒克斯, Lux)与光通量(流明, lm)的测量方法,并强调了如何将这些环境参数转化为光伏阵列的有效输入功率。 3. 动态光照场景建模: 模拟了日常生活中光照的动态变化,包括窗边光、阴影遮挡、以及不同时间段内光源强度的波动,为后续的能量存储和管理策略提供输入模型。 第 2 章:室内光伏(IPV)材料与器件技术 室内光伏技术是实现室内能源采集的关键。本章对比了多种适用于低照度环境的半导体材料。 1. 非晶硅(a-Si:H)薄膜技术: 阐述了非晶硅在低光照条件下表现出的相对优势,包括其对漫射光的敏感性、较低的生产成本,以及在柔性基板上的应用潜力。详细分析了影响其在室内环境效率的关键缺陷密度和载流子迁移率。 2. 有机光伏(OPV)与染料敏化太阳能电池(DSSC): 深入研究了OPV和DSSC如何通过调控吸收光谱,实现对室内LED光源峰值的优化捕获。对比了它们的柔韧性、透明度与长期工作稳定性在室内应用中的权衡。 3. 新型窄带隙材料的探索: 介绍了量子点(Quantum Dots, QDs)和钙钛矿(Perovskites)在吸收室内特定波段光能方面的最新进展,并讨论了其在商业化进程中面临的稳定性挑战。 第 3 章:性能评估指标与标准 为了有效比较不同IPV器件的性能,本章定义和解析了关键的评估参数。 1. 低照度效率(Low-Irradiance Efficiency): 区别于标准测试条件(STC),本章着重探讨了100 Lux至2000 Lux范围内的能量转换效率(PCE)。 2. 光照衰减率(Light-Induced Degradation): 分析了室内光照(特别是紫外线较少的环境)对不同材料寿命的影响,并提出了加速老化测试方法。 3. 成本效益分析(Cost-Benefit Analysis): 引入了“每平方米输出功率成本”的概念,用以评估IPV技术在实际产品中的经济可行性。 --- 第二部分:产品设计与工程实践 本部分将理论转化为可执行的设计方案,重点关注如何将光伏组件有效地嵌入到最终产品结构中,并确保能量的有效管理。 第 4 章:集成式能源采集系统(IES)的结构设计 室内太阳能产品的设计核心在于最大化光捕获面积与维持产品美观度的平衡。 1. 形态因子的优化: 讨论了将光伏单元融入外壳、标签、或PCB板上的策略。包括透明集成、曲面集成和隐形集成技术。 2. 光学耦合设计: 详细介绍了如何利用微透镜阵列(MLA)和光导板(LGP)将入射光线均匀导向吸收层,即使光线来自非垂直角度。 3. 散热管理: 尽管室内光功率密度远低于室外,但长时间工作仍会导致组件温度升高。本章探讨了如何通过材料选择和结构设计进行被动散热,以避免效率损失。 第 5 章:室内能量存储与管理(ESS) 收集到的微弱能量需要高效地存储和释放,以满足设备的瞬时功率需求。 1. 微型储能器件选型: 对比了超薄型锂离子电池、固态电容器(Supercapacitors)以及薄膜二次电池在能量密度、循环寿命和体积上的适用性。重点分析了超级电容器在短时、高频充放电场景下的优势。 2. 最大功率点跟踪(MPPT)算法的定制: 传统MPPT算法针对高辐照度优化,本章提出了适用于室内低光照条件的轻量化、低功耗MPPT策略,例如基于电压阈值的开关控制。 3. 能量采集电源管理集成电路(PMIC): 详细介绍了专为低输入电压(mV级)设计的升压转换器和稳压电路,确保即使在极低照度下也能启动充电过程。 第 6 章:产品应用案例分析与结构实现 本章通过具体产品的设计流程,演示了前述理论和技术的实际应用。 1. 智能传感器供电方案: 以环境监测节点为例,分析了如何根据预期的传感器唤醒周期和数据传输功率,反推所需的PV面积和电池容量。涵盖了从概念到原型制作的完整流程。 2. 电子价签(ESL)与可穿戴设备: 探讨了超低功耗应用中,如何仅依靠室内光能维持设备长期运行的“能量中性”设计原则。 3. 人机交互接口设计: 如何将光能采集模块与按键、触摸板等用户界面进行功能整合,实现用户操作同时进行能源补充。 --- 第三部分:集成、测试与未来展望 最后一部分关注产品的可靠性验证、认证流程,以及该领域的前沿研究方向。 第 7 章:可靠性测试与环境适应性验证 室内产品虽然避免了极端天气,但仍需面对温度波动和特定化学环境的考验。 1. 加速寿命测试(ALT)的室内化: 制定了针对室内环境(例如办公环境的温湿度范围)的可靠性测试规程,重点关注电极的界面迁移和封装材料的黄变问题。 2. 电磁兼容性(EMC)的考量: 能源管理电路的开关噪声可能会干扰敏感的无线通信模块(如BLE, Zigbee),本章提供了EMI/EMC的滤波和布局建议。 3. 行业标准与法规符合性: 概述了室内电子产品在安全(如IEC 62133针对储能)和无线通信(如FCC, CE)方面必须满足的规范。 第 8 章:室内能源生态系统的未来趋势 展望下一代室内太阳能产品的技术发展方向。 1. 多源异构能量采集: 探讨将光能与其他室内能源(如热电效应TEG、压电效应)进行集成,实现全天候供能的可能性。 2. 自适应智能电源管理: 利用机器学习预测用户行为和光照变化,动态调整设备的功耗模式,实现能源使用的最优化。 3. 可持续制造与回收: 讨论如何设计易于拆解、材料可回收的IPV产品,以减少电子垃圾对环境的影响。 本书的最终目标是提供一套经过时间检验和技术验证的设计哲学,指导读者克服从微观材料到宏观系统集成的所有挑战,成功开发出高效、可靠且面向未来的室内太阳能供电产品。

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