引言近年來，隨著電子技術的快速進步，越來越多的電子設備正在向著輕薄化、柔性化和可穿戴的方向發展。全球可穿戴設備出貨量為3.1億臺，比之前增長16.7%，市場規模龐大。而隨著消費升級及AI、VR、AR等技術的逐漸普及，可穿戴設備已從過去的單一功能邁向多功能，同時具有更加便攜、實用等特點。智能可穿戴設備在醫療保健、導航、社交網絡、商務和媒體等許多領域有眾多可開發應用，并能通過不同場景的應用給未來生活帶來改變。目前市場上主要的可穿戴產品形態各異，主要包括智能眼鏡、智能手表、智能手環、意念控制、健康穿戴、體感控制、物品追蹤等。其中，醫療衛生、信息娛樂、運動健康是熱點；產品功能方面，互聯（NFC、Wifi、藍牙、無線）、人機接口（語音、體感）、傳感（骨傳感、人臉識別、地理定位、各類傳感器）是該類產品必不可少的功能。智能可穿戴設備包括,曲面屏手機智能手表、智能手環、3D眼鏡等，其中，智能手表是炙手可熱的數碼產品，可將手表內置智能化系統、搭載智能手機系統而連接于網絡而實現多功能，能同步手機中的電話、短信、郵件、照片、音樂等。而制約柔性智能穿戴設備發展的關鍵因素有兩點，電池技術，柔性技術。傳統的燃料能源正在一天天減少，可再生資源，太陽能、風能、水能、地熱能等是全球關注、重視，利用起來，其中太陽能的發展勢頭最猛，太陽能資源豐富、分布廣泛，是21世紀最具發展潛力的可再生能源。隨著全球能源短缺和環境污染等問題日益突出，\o"太陽能光伏發電"太陽能光伏發電因其清潔、安全、便利、高效等特點，已成為世界各國普遍關注和重點發展的新興產業。在此背景下，全球\o"光伏發電"光伏發電產業增長迅猛，產業規模不斷擴大，產品成本持續下降。我國\o"光伏"光伏發電產業也得到迅速發展，已成為我國為數不多的、可以同步參與國際競爭、并有望達到國際領先水平的行業。第1章課題整體框架 11.1課題任務 11.2課題要求 11.3研究意義 1第2章TracePro軟件簡介 22.1TracePro簡介 2第3章設計分析 43.1太陽能電池片組成部分 43.2組件材料選擇 43.2.1玻璃 43.2.2緩沖墊 43.2.3電池片組 43.2.4背板 43.3設計思路分析 43.4電池片組建模及分析 43.4.1電池片組建模 43.4.2光源設定 43.4.3裸電池片光學模擬及結果 43.5電池片封裝建模及分析 43.5.1背板建模及參數設置 43.5.2緩沖墊1建模及參數設置 43.5.3緩沖墊2建模及參數設置 43.5.4玻璃建模及參數設置 43.5.5電池片組件封裝光學模擬及結果 4第4章原因分析及修改方案制定 44.1原因分析 44.2不同方案設計及結果 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方案分析總結 4第5章總結 28參考文獻 29致謝 30附錄 311.1課題任務隨著科技的發展，柔性智能穿戴設備已經逐步普及，其便攜、科技感，環保，體積小等優點，使其市場應用前景很大，發展趨勢勢不可擋。而制約柔性穿戴設備發展的主要因素之一為電池，本論文將用TracePro軟件設計優化提升太陽能電池片的光利用率，使光利用率最少增加10%以上。1.2課題要求對比分析裸電池片和封裝電池片的光效，以及優化提升使光利用率最少增加10%以上。1.3研究意義太陽能是一種清潔的能源，它的應用正在世界范圍內快速地增長，利用太陽光發電就是一種使用太陽能的方式，太陽能電池板應運而生，太陽能電池片是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉化成電能的裝置，只要被光照到，瞬間就可輸出電壓及電流。在太陽能電池片應用中，柔性穿戴設備的應用越來越多。太陽能電池片的關鍵點因素在于光利用率，因此對提高太陽能光利用率具有重要的意義。隨著電腦的普及和光學設計軟件功能的逐步完善，使很多設計變成了可能，這也有效的推動了太陽能電池的進一步發展。本文借助光學設計軟件Tracepro，采用不同材料，不同結構，來提升光利用率，通過軟件模擬仿真優化設計。2.1仿真軟件簡介TracePro是美國LambdaResearchCo．所開發的一套光學仿真軟件，是一套普遍用于照明系統、光學分析、輻射度分析及光度分析的光學仿真軟件。與其它的光學設計軟件相比，TracePro既具有真實立體模型的建模方法，又兼具強大的光學分析功能。尤為可貴的是，它是第一套以符合工業標準的ACIS(立體模型繪圖軟件)技術為核心的光學軟件。設計一個照明系統，首要任務是建立一個實體模型，TracePro跟3D實體模型的兼容性非常的高，可以將AutoCAD、MechanicalDesktop、CADKEY等機械制圖軟件設計的模型直接導入，也可從非ACIS內核的光學設計程序（OSLO、ZEMAX、CodeV等）導入光學鏡頭。除此之外，你也可以自己創建一立體模型，TracePro自帶的建模功能，可以建立塊，柱，錐，球面和薄板，也允許你建立在光機一體機中常見的光學元件，如菲涅耳透鏡（Fresnellens），反射體（reflector），燈管（tube）等。一些非規則的復雜模型，可通過布爾運算建立，布爾運算包含：相交，相減，聯合。通過Sweep（填充延伸）和Revolve（旋轉）命令對可以模型進行修改。不僅如此，TracePro還具有強大的物件(Object)編輯功能，移動、選裝、縮放、剪切、復制、粘貼、插入等操作都非常方便直觀，操作風格與Windows基本相同。作為光學仿真軟件，實際物體與仿真結果中的光線的分布與光強一致或基本相同，才有實際意義。TracePro用“普適光線追跡”技術來追跡光線，這種技術允許你引入光線到一個模型，而在物件和表面相交處并沒有引起額外的損失。在每個交點，個體光線遵從吸收、反射、折射、衍射和散射定律。符合實際的光路走向，使所設計的模型都能正確的分析出來。TracePro同時還具有強大的光學分析功能。分析菜單提供多種方法來顯示光線追跡數據。DisplayingRays（顯示光線）和RaySorting（選擇光線），讓你觀察數據是否是你期待的結果。IrradianceMaps（光照分析圖）、RayTables（入射光線表格）和PolarizationMaps（光偏正分析圖）提供每一個表面的模擬結果。CandelaPlots（光強分布圖）顯示模型中光線數據的角度分配。VolumeFluxViewer（光通量）能夠觀察模型內部的流量分布。ReportsMenu（報告菜單）幫助你完成分析光線數據和模型的多種報告形式。Tools(工具)菜單包括附加的功能來幫助你完成光線追跡結果。TracePro主要功能1、光強分布

2、系統光效、亮度、照度分布

3、光照實景渲染

4、熒光粉熒光效應

5、在照明和成像系統中光的分布情況

6、系統每個元件及物面上流明的入射、吸收及照度分布情況

7、對照明精確的建模和性能分析

8、界面簡潔直觀，易于操作，友好的設計便于分析師和工程師的運用

9、能與CADSolidworksAutoCadProEngineer等格式3D模塊接TracePro應用范圍TracePro具有廣泛的應用領域能模擬所有的類型的顯示系統、照明系統，從背光到前光、光管、光纖以及LCD投影系統，目前廣泛應用于汽車照明系統（前頭等、尾燈、內部及儀表照明）、望遠鏡、照相機、紅外線成像系統、導光管、投影顯示系統、背光源系統等。TracePro可以同時或個別考慮反射、折射、吸收、雙向散射(BSDF)、體散射(bulkscatter)、漸變折射(gradientindex)、光學薄膜(thinfilmstack)、熒光粉(Fluorescence)及偏振膜(polarization)等光學材料行為。搭配MonteCarlo的統計采樣計算方法，其光線追跡的結果十分可靠，能夠準確地預測光學行為。TracePro是一套與工業設計軟件可以快速而輕易接軌的光學分析軟件，能顯著提升企業對產品研發創新的能力；而其準確可靠的分析能力，使其在全球與臺灣的市場占有率都非常的杰出，并被各項產業廣泛地使用。3設計分析3.1太陽能電池片組成部分太陽能電池片是由一個或多個太陽能電池片片組成成為太陽能電池片。太陽能電池片是具有把光轉換成電特性的一種半導體器件，它可以把照射在其表面的太陽能輻射能轉換成直流電，太陽能電池片板是光伏發電系統/產品中的最基本的組件，也是太陽能光伏發電系統中的核心部分。它的最大作用是將太陽能轉化為電能貯存到蓄電池中。此太陽能電池片主要包含鋼化玻璃、EVA、電池片、背板，以及其他支撐，保護、密封部件。太陽能電池各組件的主要功能如下

1、玻璃:主要起到保護電池片和透光作用。

2、緩沖層:主要起到緩沖、粘貼及透光作用。

3、電池片:主要作用就是發電。

4、背板:主要起支撐、密封、保護作用。太陽能電池組成3.2組件材料選擇3.2.1玻璃玻璃:主要起到透光作用和保護電池片的作用。透光率是太陽光線照射到電池片的第一部分，其透光率影響光能利用，透光率越高越有利，而目前市場上有兩種玻璃，即浮法玻璃和超白玻璃，浮法玻璃目前應用最廣泛，其透光率一般在82-83%；而超白玻璃透過率一般在91-93%；所以超白玻璃目前在太陽能電池技術上被大量采用。3.2.2緩沖層緩沖層:主要起到緩沖、粘貼及透光作用。為達到透光及粘接作用，緩沖層的主要材料為EVA，EVA是Polyethylene

vinylacetate,聚乙烯-聚醋酸乙烯酯共聚物的簡稱，由于EVA膠膜在粘著力、耐久性、光學特性等方面具有的優越性，使得它被越來越廣泛的應用于電流組件以及各種光學產品，其透光率大于90%。3.2.3電池片組主要作用就是發電，是由單個或者多個電池片組成，目前太陽能產業市場主流的是晶體硅太陽電池片、薄膜太陽能電池片，兩者各有優劣。晶體硅太陽能電池片，設備成本相對較低，但消耗及電池片成本很高，但光電轉換效率也高，在室外陽光下發電比較適宜。薄膜太陽能電池，相對設備成本較高，但消耗和電池成本很低，但光電轉化效率相對晶體硅電池片一半多點，但弱光效應非常好，在普通燈光下也能發電，如計算器上的太陽能電池。柔性太陽能電池，是薄膜太陽能電池的一種，而且技術先進、性能優良、成本低廉、用途廣泛。3.2.4背板

主要起支撐、密封、保護作用。材料一般都用TPT、TPE等材質。3.3設計分析思路通過TracePro軟件建模，先分析裸電池片的光利率，再分析封裝后的電池片的光利用率，最后通過材料、結構上優化設計封裝電池片3.4電池片組建模及分析3.4.1電池片組建模電池片組有多個小的電池片組成，此次分析采用披薩餅形狀，分六塊小電池片，在TracePro中建立電池片組模型。打開TracePro，創建電池片組第一步●從“插入”下拉菜單中，選擇“幾何物件”命令。●選擇“圓柱/圓錐”模型，勾選圓柱，輸入主半徑20，長度1，中心位置（0,0,18.3）點擊“插入”創建圓柱模型，如下圖。第二步●從“插入”下拉菜單中，選擇“幾何物件”命令。●選擇“方塊”模型，輸入寬度X=1.5，Y=50，Z=2，中心位置（0,0,18.3）點擊“插入”創建方塊，如下圖。第三步旋轉陣列復制方塊●選擇“方塊”模型，點擊右鍵“旋轉”，旋轉角度為120度，旋轉軸對應于Z軸，點擊復制，依次創建兩個方塊的旋轉排布，如下圖。第四步方塊求和●求交集，選擇第一個方塊，按住Ctrl鍵，選擇復制個方塊，最后點擊交并集，求和，如下圖第五步求差●求差集，選擇圓柱電池片，按住Ctrl鍵，選擇求和后的方塊，最后點擊交差集，求差，如下圖。3.4.2光源設定由于柔性穿戴設備采用采用太陽能來驅動，那么光源肯定為太陽，由于太陽距離地球很遠，太陽發出的光線，到達地球時可以看做是平行光線，●點擊左側導航區下方的“光源”，點擊格點光源，并點擊紅色“X”圖標激活格點光源，如下圖。●在格點光源對話框中，選擇圓形格點光源，外半徑輸入20，內半徑輸入0，環數輸入100環，選擇光度學，總光通量輸入100流明，出光方向為Z向，如下圖。3.4.3裸電池片光學模擬及結果查看●點擊“光線追跡”命令，等待完成，如下圖。●選擇單一電池片表面為接受面，并點擊“輻照度分析圖”命令，查看照度分布，如下圖。名稱電池片1電池片2電池片3電池片4電池片5電池片5光通量14.23514.23514.22714.23514.23514.227合計86.39lm通過以上對裸電池片組的光學模擬光析，當太陽發出的光通量為100流明時，實際上只有86.39流明照射到了電池片上，其裸電池片組的光利用率只有86.39%。3.5電池片封裝建模及分析3.5.1背板建模及參數設置在TracePro中建立背板模型●從“插入”下拉菜單中，選擇“幾何物件”命令。●選擇“圓柱/圓錐”模型，勾選圓柱，輸入主半徑20，長度1，中心位置（0,0,20）點擊“插入”創建背板模型，如下圖。●背板屬性設置，背板材料一般選用黑色TPE材料，屬性參數中需要設置背板的表面參數即可。點擊剛剛創建好的玻璃圓柱表面（粘貼EVA面），點擊右鍵，選擇“屬性”命令，在應用特性“表面”中，目錄選擇“Default”，名稱選擇“BlackPaint”,點擊應用，完成背板屬性設置，如下圖。3.5.2緩沖墊1建模及參數設置●從“插入”下拉菜單中，選擇“幾何物件”命令。●選擇“圓柱/圓錐”模型，勾選圓柱，輸入主半徑20，長度0.7，中心位置（0,0,19.3）點擊“插入”創建緩沖墊1模型，如下圖。●緩沖墊1屬性設置，為保證有很好的光學特性，緩沖墊材質選擇超EVA材料。第一步創建材料●從“定義”下拉菜單中，選擇“編輯材質”中的“材料材質”命令。●目錄選擇“Plastic”并點擊新增特性，特性名稱輸入“EVA”，點擊確認，分別輸入波長、折射率、吸收，最后點擊保存，如下圖。第二步屬性設置選擇創建好的玻璃圓柱，點擊右鍵，選擇“屬性”命令，在應用特性“材料”中，目錄選擇“Plastic”，名稱選擇“EVA”,點擊應用，完成緩沖墊1屬性設置，如下圖。3.5.3緩沖墊2建模及參數設置●從“插入”下拉菜單中，選擇“幾何物件”命令。●選擇“圓柱/圓錐”模型，勾選圓柱，輸入主半徑20，長度0.7，中心位置（0,0,17.6）點擊“插入”創建緩沖墊2模型。●緩沖墊2屬性設置，同上，點擊右鍵，選擇“屬性”命令，在應用特性“材料”中，目錄選擇“Plastic”，名稱選擇“EVA”,點擊應用，完成緩沖墊2屬性設置。3.5.4玻璃建模及參數設置●從“插入”下拉菜單中，選擇“幾何物件”命令。●選擇“圓柱/圓錐”模型，勾選圓柱，輸入主半徑20，長度1，中心位置（0,0,20）點擊“插入”創建玻璃模型。●玻璃屬性設置，為保證有很好的光學特性，玻璃材質選為超白玻璃材料。選擇創建好的玻璃圓柱，點擊右鍵，選擇“屬性”命令，在應用特性“材料”中，目錄選擇“SCHOTT”，名稱選擇“BAFN10”,點擊應用，完成玻璃屬性設置。3.5.5電池片組件封裝光學模擬及結果查看●點擊“光線追跡”命令，等待完成，如下圖。●選擇單一電池片表面為接受面，并點擊“輻照度分析圖”命令，查看照度分布，如下圖。名稱電池片1電池片2電池片3電池片4電池片5電池片5光通量13.63813.63813.64413.64613.63213.643合計81.84lm通過分析得知，太陽能電池片組封裝后的光利用率為81.84%，小于裸電池片組的光利用率86.39%，兩者都沒有將太陽光全部利用起來，光利用率不是很高。4原因分析及修改方案制定4.1原因分析從裸電池片組分析得知，太陽發出的光線，只有86.39%被電池片吸收，其余光線從電池片之間的間隙中損失；當將電池片、玻璃背板、緩沖墊等封裝后，其光利用率更小，只有81.84%，那么，有沒有一種方法，使從電池片之間損失的光線也被電池片吸收利用呢？以下通過不同材料以及不同結構方案來優化設計，提高光利用率。4.2不同方案設計及結果確認4.2.1方案一；封裝電池片組背板粘貼緩沖墊面噴白色漆。分析結果如下名稱電池片1電池片2電池片3電池片4電池片5電池片5光通量13.76713.73913.72613.75113.7613.732合計82.48lm通過分析得知，封裝電池片背板表面設置為白色后，當太陽發出的光通量為100流明時，實際上有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；進一步增加背板的反射光線能力，將封裝電池片組的背板粘貼緩沖墊面鏡面處理。分析結果如下名稱電池片1電池片2電池片3電池片4電池片5電池片5光通量13.77813.75113.7513.76213.77113.757合計82.57lm通過分析得知，封裝電池片背板表面設置為白色后，當太陽發出的光通量為100流明時，實際上有82.57流明被吸收，光利用率由81.84%增加到82.57%，結果和方案一相同，都不理想，由此可以看到，由于小的電池片之間間隙原因，不管怎么增強反射光線的能力，但是還是有一部分光線損失，只有將電池片之間損失的光線利用起來，才會增加光利用率。4.2.3方案三；在方案一的基礎上，將背板在電池片間隙處做反射面，將間隙處損失的光線反射到電池片上反射原理如下，并更新模型后分析。分析結果如下。名稱電池片1電池片2電池片3電池片4電池片5電池片5光通量14.58914.51214.51414.48414.54214.478合計87.12lm通過分析得知，封裝電池片背板增設反射面，并將反射表面設置為白色后，當太陽發出的光通量為100流明時，實際上有87.12流明被吸收，光利用率由81.84%增加到87.12%，光利用率有明顯提升，提升6.45%4.2.4方案四；在方案二的基礎上，將背板在電池片間隙處做反射面，將間隙處損失的光線反射到電池片上，并更新模型后分析結果如下，名稱電池片1電池片2電池片3電池片4電池片5電池片5光通量15.38815.35815.36215.3