CN101436619A - 高效节能聚焦式太阳能发电装置封装结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高效节能聚焦式太阳能发电装置封装结构，它包括太阳能发电元件以及集成所述太阳能发电元件的底板，在底板的本体设有正负电路，并在正负电路的线路中有与导电插脚相对应的插孔，所述太阳能发电元件包括基板、支架、聚焦透镜与发电硅片，支架在基板上表面通过第一粘结剂层粘结有呈圆环状、竖直设置的支架，在支架的内孔所围区域对应的基板上表面设有发电硅片，在发电硅片与支架的内孔侧壁之间的空隙内充塞有硅胶，支架的顶端面上压盖有透镜，透镜底端面与支架的顶端面之间设有第二粘结剂层，在支架外壁面开设有与内孔连通的灌胶通道，在内孔所围的基板上表面设有与发电硅片相连的第一输电电极，基板上固定连接与第一输电电极导通的导电插脚。

Description

高效节能聚焦式太阳能发电装置封装结构

技术领域

本发明涉及一种太阳能发电装置封装结构，尤其是一种高效节能聚焦式太阳能发电装置封装结构。

背景技术

照射在地球上的太阳能非常巨大，大约40分钟照射在地球上的太阳能，便足以供全球人类一年能量的消费。可以说，太阳能是真正取之不尽、用之不竭的能源。而且太阳能发电绝对干净，不产生公害。所以太阳能发电被誉为是理想的能源。

从太阳能获得电力，需通过太阳电池进行光电变换来实现。它同以往其他电源发电原理完全不同，具有以下特点：①无枯竭危险；②绝对干净(无公害)；③不受资源分布地域的限制；④可在用电处就近发电；⑤能源质量高；⑥使用者从感情上容易接受；⑦获取能源花费的时间短。不足之处是：①照射的能量分布密度小，即要占用巨大面积；②获得的能源同四季、昼夜及阴晴等气象条件有关。但总的说来，瑕不掩瑜，作为新能源，太阳能具有极大优点，因此受到世界各国的重视。

太阳能光伏产业链包括晶体硅原料生产、硅棒与硅片生产、太阳能电池制造、组件封装、光伏产品生产和光伏发电系统等环节。其中硅原料是最重要的生产环节，在业界曾有“拥硅者为王”的说法。目前，世界上太阳能光伏电池90％以上以是单晶硅或多晶硅为原材料生产的。目前摆在多晶硅生产中有四个主要的问题需要解决：降低能耗、减少污染、提高质量、扩大产量。我国太阳能硅材料行业目前绝大部分依赖进口，因此必须提高技术改变受制于人的局面。

全球光伏产业链中，高纯度硅料不仅要求硅的纯度高达7～9个9，而且其中的硼、磷等杂质限制在几十个ppt(万亿分之一)，它是光伏企业生产太阳能电池所需的核心原料。因此，高纯度硅料的合成、精制、提纯、生产也就成为光伏产业集群中最上游的产业。同时如何更有效的利用更纯的硅来提高光能转化效率是更是急切。目前，尽管中国的硅原料矿藏储量占世界总储量的25％，但是国内太阳能电池生产企业(如尚德、天威英利等)所需原材料绝大部分需要从国外进口。这是因为用于太阳能电池生产的硅料主要是通过不同的提炼方式从硅原料中提炼而成的单晶硅和多晶硅。在中国，现有的高纯度硅原料生产技术与西方发达国家相比，在产量和能耗等方面尚有不足之处。如此一来，这不仅大大增加企业的生产成本，更成为制约当前我国光伏产业向上游环节发展难以逾越的“瓶颈“，使我们国家用很低的价格卖出高能耗、高污染的粗原料的同时，用极高的价格购回高纯硅料。

据了解，虽然我国硅料工业起步较早(20世纪50年代)，但由于生产规模小、工艺技术落后、环境污染严重、消耗大、成本高，绝大部分企业因亏损而相继停产或转产。到2004年我国只剩下峨眉半导体材料厂和洛阳单晶硅有限公司两家生产企业，其生产能力仅为100吨/年，且能满足太阳能电池生产需要的硅料实际产量只有80吨。专家预计，2010年我国用于太阳能电池生产的硅料需求量将达到4365吨，2015年为1.62万吨。若不以自主知识产权改变国内多晶硅的生产现状，我国硅料工业受制于国际市场的状况将无法改变，这将危及我国光伏产业的进一步发展。

要使太阳能发电真正达到实用水平，一是要提高太阳能光电变换效率并降低其成本，二是要实现太阳能发电同现在的电网联网。

目前，太阳电池主要有单晶硅、多晶硅、非晶态硅三种。单晶硅太阳电池变换效率最高，已达20％以上，非晶态硅太阳电池变换效率最低5％，今后最有希望用于一般发电的将是这种单晶硅电池。但它的单晶硅大面积组件导致它的成本居高不下，这里最大的难题是如何来降低单晶硅的使用量，同时提高他的光电转换率，如何将每瓦发电设备价格降到0.4～1美元这个水平，便足以同现在的发电方式竞争。

同时在本发明中所提出的水晶晶体的封装材料，也是有一定的理解误区。本发明中所述的水晶晶体封装材料并不是高铅玻璃或光学玻璃，所述的光学玻璃与水晶玻璃，内部多含有二氧化硅，但其本质还是玻璃的范畴，由其水晶玻璃在我国的浙江省浦江县有这大规模的生产和应用，其中所谓水晶片、水晶灯、水晶杯、水晶茶具、水晶象棋等等基本上都是高铅玻璃制品，也不是什么“人造水晶”，水晶是一种天然的透明的石英矿物晶体；人造水晶是一种高纯的(SiO₂)在高压釜内装入掺有矿化剂的水溶液。将压碎的天然石英置于容器的底部。石英溶解。并进行对流。晶体形成于高压釜上部的仔晶上，也叫水热生长法。反而玻璃呢，则是一种人工制造的非晶质体。即使是石英玻璃和水晶二者化学成分都是二氧化硅，又都是透明体，然而从二者的内部结构看却有着本质上不同。

近代应用X射线分析的方法，具体揭示了大量晶体的内部结构。现已证明，一切晶体不论其外形如何，它的内部质点(原子、离子和分子)都是作规律排列的，这种规律主要表现为质点的周期重复，从而构成了所谓格子状构造。因此，按照现代的概念，物质中凡是质点做规律排列，即具有格子构造者称为结晶质。结晶质在空间的有限部分即为晶体。由此，我们可以对晶体下定义为：晶体是具有格子构造的固体。

水晶是具有格子构造的固体，所以称它为晶体。而石英玻璃状似固体，但其内部质点不作规律排列，即不具格子构造，所以称它为非晶质或非晶质体。具体地说，在水晶晶体中每个硅原子周围的氧原子的排列是一样的，这种规律叫做近程规律；不但如此，在水晶晶体中硅和氧的这种排列方式在空间作有规律的重复而形成格子构造，这种规律称为远程规律。但在石英玻璃的结构中只有近程规律，则没有远程规律，也就不能形成格子构造，而称为非晶质体。

由于水晶与石英玻璃二者的内部结构不同，因此它们的物理性质也不同。详见下表：

 

名称	偏光性	折光率	硬度	密度	导热率
						人造水晶晶体	非均质体	1.544-1.533	7	2.65g/cm3	140-264
石英玻璃	非晶质体	1.460	6.5	2.20g/cm3	33
						光学玻璃K9	非晶质体	1.516	5.2	2.0g/cm3	7-20
高铅玻璃	非晶质体	1.46-1.7	4.65	2.1g/cm3	10-22

在以上的图表中可以得到结论，水晶晶体与玻璃是有着本质上的不同的。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种散热效果高、光能向电能转化的效率较高、可大大降低发电成本的聚焦式太阳能发电装置封装结构。

按照本发明提供的技术方案，高效节能聚焦式太阳能发电装置封装结构，它包括太阳能发电元件以及集成所述太阳能发电元件的底板，在底板的本体设有正负电路，并在正负电路的线路中有与导电插脚相对应的插孔，所述太阳能发电元件包括基板、支架、聚焦透镜与发电硅片，支架在基板上表面通过第一粘结剂层粘结有呈圆环状、竖直设置的支架，在支架的内孔所围区域对应的基板上表面设有发电硅片，在发电硅片与支架的内孔侧壁之间的空隙内充塞有硅胶，支架的顶端面上压盖有透镜，透镜底端面与支架的顶端面之间设有第二粘结剂层，在支架外壁面开设有与内孔连通的灌胶通道，在内孔所围的基板上表面设有与发电硅片相连的第一输电电极，基板上固定连接与第一输电电极导通的导电插脚。

基板、支架与透镜均由高纯透明的水晶晶体或石英制成。发电硅片与基板间有一层高导热率的银胶。所述的内孔为圆锥形。在基板下表面开设有散热沟渠。

所述导电插脚包括支架上表面设置有与第一输电电极相连的上钩体，插入底板的插孔内的导电插脚为下钩体，所述下钩体的引导斜面自下而上指向发电硅片的中心部。

所述灌胶通道为灌胶槽体或者灌胶孔。第一粘结剂层与第二粘结剂层为环氧树脂。在底板上设有正负导电线，所述导电线将太阳能发电元件的正负导电插脚相引导串联。

对应发电硅片下方的基板上、下表面之间开设有若干散热孔。

本发明的优点：

1、本发明的突破性的采用了水晶晶体作为封装结构元件。得到了高效的散热效果。

2、本发明根据水晶晶体的具有高透光性，良好的折射率特性，利用透镜聚光特性，提高了单晶硅的光能向电能转化的效率，

3、本发明中同时利用透镜聚光特性极大的减少了单晶硅的使用量，使硅片的使用量极大的降低，因此发电成本大大的降低。

4、本发明将发电硅片小型化，并使用与这一硅片封装结构相配合底板可以更灵活的将太阳能发电装置，应用于更加广阔的范围。

附图说明

图1是本发明中太阳能发电元件的结构示意图。

图2是本发明太阳能发电装置封装结构的外形图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图所示：本发明主要由基板1、支架2、聚焦透镜3、发电硅片4、第一粘结剂层5、内孔6、硅胶7、第二粘结剂层8、灌胶通道9、底板10、导电插脚11、上钩体11a、下钩体11b、插孔12、第一输电电极13、银胶层14、散热沟渠15、导电线16与散热孔17等构成。

本发明的高效节能聚焦式太阳能发电装置封装结构，它包括太阳能发电元件以及集成所述太阳能发电元件的底板10，在底板10的本体设有正负电路，并在正负电路的线路中有与导电插脚11相对应的插孔12，所述太阳能发电元件包括基板1、支架2、聚焦透镜3与发电硅片4，支架在基板1上表面通过第一粘结剂层5粘结有呈圆环状、竖直设置的支架2，在支架2的内孔6所围区域对应的基板1上表面设有发电硅片4，在发电硅片4与支架2的内孔6侧壁之间的空隙内充塞有硅胶7，支架2的顶端面上压盖有聚焦透镜3，聚焦透镜3底端面与支架2的顶端面之间设有第二粘结剂层8，在支架2外壁面开设有与内孔6连通的灌胶通道9，在内孔6所围的基板1上表面设有与发电硅片4相连的第一输电电极13，基板1上固定连接与第一输电电极13导通的导电插脚11。

基板1、支架2与聚焦透镜3均由高纯透明的水晶晶体或石英制成。发电硅片4与基板1间有一层高导热率的银胶层14。所述的内孔6为圆锥形。在基板2下表面开设有散热沟渠15。

所述导电插脚11包括支架2上表面设置有与第一输电电极13相连的上钩体11a，插入底板10的插孔12内的导电插脚11为下钩体11b，所述下钩体11b的引导斜面自下而上指向发电硅片4的中心部。

所述灌胶通道9为灌胶槽体或者灌胶孔。第一粘结剂层5与第二粘结剂层8为环氧树脂。在底板10上设有正负导电线16，所述导电线16将太阳能发电元件的正负导电插脚11相引导串联。

本发明中所使用高纯透明的(SiO₂)水晶晶体作为封装的材料，具有高导热率、高透光性与良好的折射率等这样的材料特性。同时本发明中所述的封装结构使用聚焦透镜3聚光的特性，从而极大的减少了发电硅片4的使用量降低了生产成本。因为水晶晶体具有很好导出热源和散发热源的特性，使通过透镜聚集日光后，而产生的热能可以及时的向外散发，加速了从光能向电能的转化。同时因为有良好的散热效率从而使硅片的使用寿命得到了延长，同时也将发电硅片4转换光能发电效率很好的稳定在其最佳状态下。同时通过本发明所提供的技术方案，可以将太阳能发电装置小型化，扩大了太阳能发电的应用领域增加了它的附加值。在本发明中所提到的太阳能发电元件，可以根据不同的使用环境跟条件，任意的组合并集成在底板10上，以适用其使用要求。

水晶晶体聚焦透镜3本体可以是任意的外形，优选的设计为一个具有通过折射率，而实现汇聚光线作用的半球透镜。其聚焦透镜3外形可以根据不同的使用目的，设计成半球或整球。在这一聚焦透镜3的边缘制备一个水晶晶体支架本体，也可以起到聚焦透镜3的支撑作用，并在封装过程中通过第一粘结剂层5、第二粘结剂层8与聚焦透镜3、基板1相粘连。并在支架2的本体内有一内孔6。发电硅片4放置在这一内孔6内。并支架2本体与聚焦透镜3相粘合的那个面的高度高与发电硅片4的高度。支架2优选的外形是一个长方体的外观，其长度小于基板1的长度。并在这一长方体的中间部位有一个内孔6，这一个内孔6用于放置发电硅片4。并在这支架2本体制备有一条横贯支架本体2二侧的灌胶通道9，形成一个用于在封装过程中注入硅胶7的通道。并支架2本体的高度大于所需要封装的发电硅片4的高度。

水晶晶体基板1本体也可以是任意的外形，并在基板1的本体上制备有第一输电电极13，第一输电电极13可以根据不同的使用要求设制不同的线路。在第一输电电极13的分布上优选的是在发电硅片4的二侧各有一个与硅片相对应的正、负电极。以上所述的第一输电电极13的线路制备在基板1本体上。

将发电硅片4固定在支架2的内孔6内，发电硅片4上的采电线路通过金属线将发电硅片4与这一在发电硅片4上的相对应的基板1本体的电极线路相连，将通过发电硅片4所转换出的电能传导出去。基板1本体的下表面有由多个通过加工基板1本体所得到的散热沟渠15，这一散热沟渠15加大了基板1本体的散发热源的面积，达到了更好的散热目地，延长了这一封装结构的使用寿命，同时更有效的保护内部的电气系统。

或者，在基板1的本体上制备有一组沟渠用于导电插脚11的插入，插入导电插脚11的方案支架也可以是与基板1相同的外形，用于压住导电插脚11，同时起到固定导电插脚11的作用。插入基板的导电插脚11本体部分与沟渠表面相对应的正负一组电极，与发电硅片4线路相对应的电极连通，形成一个将电源导出的电源线。

导电插脚11可以根据基板1与底板10的不同是任意的外形。其优选的是导电插脚11包括支架2上表面设置有与第一输电电极13相连的上钩体11a，插入底板10的插孔12内的导电插脚11为下钩体11b，所述下钩体11b的引导斜面自下而上指向发电硅片4的中心部，上钩体11a一侧沿基板1的灌胶通道9插入支架2的内孔6内，与基板1上相对应的第一输电电极13相连。下钩体11b插入底板10的对应的插孔12内。其导电插脚11的本体是由金属材料制成。

底板1可以是任意的结构或外形，底板1可以采用不具有导电性能的材料，并在其本体上制备正负导电线16，并有在导电线16的正负级的其线路本体上有相对应导电插脚11的下钩体11b的插孔12，用于对插导电插脚11。这一插孔12的侧面与反面都有金属导电线16。在导电插脚11的下钩体11b插入插孔12后，在底板10的反面通过焊接的方式将太阳能发电元件固定在底板10上。在其本体的电极线路可以行的排列，并在每一行的一端有一孔，用于与另一底板10的电极相连，或与蓄电池相连。并根据不同面积排列不同的列数。在导电插脚11插入底板10后，在底板10的反面将导电插脚11与底板10根据使用条件的不同，也可以在太阳能发电元件与底板10相贴的底板10本体上有可以使封装基板1不紧贴底板10的凸点，并这一方案可以使用不同面积的底板相拼接，以达到大面积有排布的目的。这一方案可以将太阳能挂在屋脊上或室外的外墙体上等多种环境下使用。

实施例1

水晶晶体制成的聚焦透镜3为一个6mm的外径的单凸实心透镜，聚焦透镜3本体高度为3mm，聚焦透镜3采用高透明的无色水晶晶体。

水晶晶体制成的支架2外形是一个长方体，外形有长度为10mm、宽度是8mm、厚度为2mm，支架2本体中有一个向基板1沿方向处延伸的圆锥体内孔6，这一圆锥内孔6用于放置发电硅片4，内孔6的直径为5mm，发电硅片4的直径是4mm，发电硅片4上布有四条金属线。用于引导正负电子，同时在这一空间内使用金属线将发电硅片4上的金属线与基板1上制备的第一输电电极13相连，将电源导出。支架2的本体与聚焦透镜3相粘连的面有一条径向的灌胶通道9，用于灌注硅胶7。

水晶晶体制成的基板1本体外形是一个长方体，外形的长度为12mm、宽度是8mm、厚度是3mm，基板1与发电硅片4相粘连处的基板本体上有数个细小的散热孔17，散热孔17穿透基板1本体，散热孔17的内径小于0.5mm，这些散热孔17用于加速导出热源，基板1的本体也有一贯穿基板本体的径向灌胶通道9，它也为导电插脚11的插入渠，基板1的本体上有通过蚀刻工艺得到的电气线路并根据需要形成正负电极，这一沟渠状灌胶通道9与基板1本体上的第一输电电极13相连，导电插脚11的一组支脚各从一端插入，且导电插脚11并不连接，并同时在基板1的外露二端也形成相对应的正负电极，以确保导电插脚11与相对应的第一输电电极13相连接，也可通过导电插脚11与基板1的外露端用焊接的方式加以固定。基板1本体的与底板10相接触面有多条纵横的散热沟渠15，用于加速散发热源。

安装时，先将发电硅片4用银胶层14将其发电硅片4本体固定在基板1的中心部位，且这一中心部位基板1上有无数个散热孔17。在发电硅片4上布4根金属线，通过这一组金属线，将发电硅片4上的正负电子引导出来，并将这一组金属线与基板1本体的第一输电电极13相焊连。这时，将一组金属支脚通过各自的正负方向通过基板1本体上的沟渠状灌胶通道9内插入，与各自的第一输电电极13相连通，并通过电焊的方式加以固定。待固定后，支架2通过第一粘结剂层5与基板2相粘合。发电硅片4与金属线在支架2的内孔6内，且支架2的高度高于发电硅片4的高度。等支架2与基板1粘合后，在支架2的上方粘合聚焦透镜3。等第二粘结剂层8的环氧胶固化后，在通过支架2的沟渠灌注硅胶7，封闭内孔6。形成一个完整的太阳能发电元件。

底板10材料选用胶木板材，并根据使用环境和条件选择不同的外形，在这选用的是长：300mm、宽300mm、高4mm正方形板，在其本体上有根据太阳能发电元件中伸出外露的导电插脚11相对应的正负极插孔12，这一接插孔12上排布有将这一行相连接的导电线16，并在这一行导电线16的一端有一个孔洞用于，将这一行太阳能发电元件所发出的电与另一个底板10，组成一个底板10的阵列或与蓄电池相连，底板10的与水晶晶体接触的面有多个细小的凸点，使底板10与基板1不相互紧贴。

将封装完的太阳能发电元件根据导电插脚11插入相对应的底板10的插孔12。并在其支脚的伸出底板端，用焊接的方式将其封装结构件本体与底板相连接固定。

Claims (10)

1、一种高效节能聚焦式太阳能发电装置封装结构，其特征是：它包括太阳能发电元件以及集成所述太阳能发电元件的底板(10)，在底板(10)的本体内设有正负电路，并在正负电路的线路中有与导电插脚(11)相对应的插孔(12)，所述太阳能发电元件包括基板(1)、支架(2)、聚焦透镜(3)与发电硅片(4)，支架在基板(1)上表面通过第一粘结剂层(5)粘结有呈圆环状、竖直设置的支架(2)，在支架(2)的内孔(6)所围区域对应的基板(1)上表面设有发电硅片(4)，在发电硅片(4)与支架(2)的内孔(6)侧壁之间的空隙内充塞有硅胶(7)，支架(2)的顶端面上压盖有聚焦透镜(3)，聚焦透镜(3)底端面与支架(2)的顶端面之间设有第二粘结剂层(8)，在支架(2)外壁面开设有与内孔(6)连通的灌胶通道(9)，在内孔(6)所围的基板(1)上表面设有与发电硅片(4)相连的第一输电电极(13)，基板(1)上固定连接与第一输电电极(13)导通的导电插脚(11)。

2、如权利要求1所述的高效节能聚焦式太阳能发电装置封装结构，其特征是：基板(1)、支架(2)与聚焦透镜(3)均由高纯透明的水晶晶体或石英制成。

3、如权利要求1所述的高效节能聚焦式太阳能发电装置封装结构，其特征是：发电硅片(4)与基板(1)间有一层高导热率的银胶层(14)。

4、如权利要求1所述的高效节能聚焦式太阳能发电装置封装结构，其特征是：所述的内孔(6)为圆锥形。

5、如权利要求1所述的高效节能聚焦式太阳能发电装置封装结构，其特征是：在基板(2)下表面开设有散热沟渠(15)。

6、如权利要求1所述的高效节能聚焦式太阳能发电装置封装结构，其特征是：所述导电插脚(11)包括支架(2)上表面设置有与第一输电电极(13)相连的上钩体(11a)，插入底板(10)的插孔(12)内的导电插脚(11)为下钩体(11b)，所述下钩体(11b)的引导斜面自下而上指向发电硅片(4)的中心部。

7、如权利要求1所述的高效节能聚焦式太阳能发电装置封装结构，其特征是：所述灌胶通道(9)为灌胶槽体或者灌胶孔。

8、如权利要求1所述的高效节能聚焦式太阳能发电装置封装结构，其特征是：第一粘结剂层(5)与第二粘结剂层(8)为环氧树脂。

9、如权利要求1所述的高效节能聚焦式太阳能发电装置封装结构，其特征是：在底板(10)上设有正负导电线(16)，所述导电线(16)将太阳能发电元件的正负导电插脚(11)相引导串联。

10、如权利要求1所述的高效节能聚焦式太阳能发电装置封装结构，其特征是：发电硅片(4)下方的基板(1)上、下表面之间开设有若干散热孔(17)。

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