CN101990712A - 光伏阵列和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及包括多个具有第一结构构件的光伏模块的光伏阵列。所述光伏模块设置在多个框架元件上并且连接到所述框架元件。所述框架元件被互连以形成框架。所述框架元件具有非导电的第二结构构件，所述非导电的第二结构构件具有内部设置的电导体。与设置在所述框架元件上的光伏模块的电连接和机械连接和框架元件之间的电连接均在所述框架元件的内部。所述光伏阵列的输出电压可以任意的电压作为基准电压。

Description

光伏阵列和方法
本专利申请要求2007年12月21日提交的美国临时专利申请61/015829和2008年10月13日提交的美国临时专利申请61/104831的优先权，这两个专利申请均以引用方式并入本文。
发明领域
本发明涉及具有互连的非导电的框架的光伏阵列，该光伏阵列不需要电接地。
发明背景
可商购获得的太阳能光伏阵列涉及大量需要接地的导电金属结构组件。
授予Erling等人的美国专利7,012,188公开了用于住宅区屋顶安装式塑封光伏模块的系统。
授予Mapes等人的美国专利6,617,507公开了具有挤出树脂构造的细长轨条的系统，其中树脂构造具有用于固定光伏模块的凹槽。
授予Metten等人的美国专利公布2007/0157963公开了包括通过模塑和挤出工艺制备的复合材料瓦的模块系统、用于连接瓦与屋顶的轨道系统、以及用于将光伏模块集成到轨道和瓦系统的接线系统。
授予Garvison等人的美国专利6,465,724公开了将框架系统与光伏电气系统组合并集成在一起的多用途光伏模块框架系统。该系统的某些组件可由塑料制成。接地线夹可以直接连接到框架系统。
本发明满足了对具有互连的非导电的框架的光伏阵列的需求。框架内容纳有电气组件，并且框架通常由塑料制成。因此，不必进行电气接地，而且不会损害安全性或可操作性。
发明概述
本发明涉及包括多个具有第一结构构件的光伏模块的光伏阵列，其中光伏模块设置在多个框架元件上并且机械连接和电连接到所述多个框架元件；框架元件被机械互连和电互连以形成框架；框架元件包括具有内部设置的电导体的非导电的第二结构构件、与设置在框架元件上的光伏模块的电连接和机械连接、以及框架元件之间的电连接和机械连接；框架包括允许连接到外部电负载的电气输出，其中光伏阵列的输出电压可以任选的未接地电压作为基准电压。
本发明还涉及一种方法，该方法包括用太阳光照亮光伏阵列以由光伏阵列生成电流，其中光伏阵列包括多个具有第一结构构件的光伏模块，光伏模块设置在多个框架元件上并且机械连接和电连接到所述多个框架元件；框架元件被机械互连和电互连以形成框架；框架元件包括具有内部设置的电导体的非导电的第二结构构件、与设置在框架元件上的光伏模块的电连接和机械连接、以及框架元件之间的电连接和机械连接；以及将如此生成的电压施加到外部电负载。
本发明还涉及一种方法，该方法包括将多个光伏模块设置在多个框架元件内，其中每个光伏模块包括第一结构构件，光伏模块配备有电连接器和机械连接器，每个框架元件包括具有内部设置的电导体的第二结构构件、连接到设置在框架元件上的光伏模块的电连接器和机械连接器、以及用于将每个框架元件互连到至少一个其他框架元件从而形成框架的电连接器和机械连接器；将光伏模块电连接和机械连接到框架元件；以及，使框架元件彼此互连以形成光伏阵列，其中光伏阵列的输出电压可以任选的电压作为基准电压。
附图简述
通过下列发明详述并结合作为本专利申请一部分的附图，将会更全面地理解本发明，其中：
图1A示出了其上设置有光伏阵列的住宅屋顶。
图1B示出了构成光伏模块的基本组件。
图1C-1E示出了具有受到结构支撑的光伏模块的实施方案。
图2A-2E示出了连接到住宅屋顶的框架构造和框架连接底板的实施方案。
图3A示出了可见于框架设计中的线束和连接的实施方案。
图3B-3D示出了内置于框架设计中的内部包封跳线和连接器的实施方案。
图4A示出了采用电连接替代方案的框架元件的实施方案。
图4B示出了框架元件上的机械连接器的实施方案。
图4C示出了采用耐候性连接器来实现光伏模块接线盒的电缆至框架元件之间的电连接的实施方案。
图4D示出了内置于框架元件的结构构件中的凹形连接元件，该框架元件适合在光伏模块包括与图示连接元件对齐的内部设置的连接元件的情况下使用。
图4E示出了方法中用于连接到框架元件的光伏模块的实施方案，以及用来实现电连接的可供选择的实施方案。图4E左侧是带电缆的接线盒，图4E右侧是带穿墙安装连接器的接线盒，该连接器与框架元件上的连接器对齐。
图4F示出了方法中用于连接到框架元件的光伏模块的实施方案，其中电连接元件集成到光伏模块框架中。
图4G示出了内置于图4F中框架元件的连接元件的分解实施方案。
图5A示出了串联接线的光伏阵列的实施方案。
图5B示出了以串并联组合方式接线的光伏阵列的实施方案。
图5C-5E示出了线束和线连接。
发明详述
图1A所示为光伏(PV)阵列(101)，该光伏阵列示出了设置用来将太阳光(或其他照明)转化为电能的光伏模块(104)的排列。在一个实施方案中，此类阵列包括单个光伏模块。在另一个实施方案中，光伏阵列涉及多个光伏模块，其中每个光伏模块可以包括共面排列的约50至100个单独的光伏电池，并且这多个光伏模块也共面排列。在一个商业安装实施方案中，单个光伏模块可在24伏的电压下输出30安培电流，光伏阵列可在约500至1000伏的电压下输出30安培电流。如本文所用，短语“太阳能电池板”表示光伏模块的亚型，该亚型具体设计为采用太阳作为能源。术语“光电池”和“光伏电池”同义。
采用现有技术的光伏阵列安全地处理户外商业场所和住宅区内如此量级的电力水平和电压电平需要各种预防措施，包括将所有裸露的金属结构零件接地；以及对所有非耐候连接进行防腐蚀保护。在本发明中，电导体和电连接器部分或完全容纳在非导电的结构构件的外壳内，或者用其自身的非导电的外壳隔离。在一个实施方案中，没有连接器暴露在腐蚀性环境中。本文的光伏阵列的特征在于，其所有内部电气组件(包括光伏电池、旁通二极管、内部引线、内部互连线)均由非导电的框架元件或其他非导电的外壳封闭并支撑。光伏阵列允许在不降低安全性或不使系统完整性受损的情况下，以任何电压为输出电压的基准电压。因此，不需要电接地。
除了与本发明的光伏阵列有关的安装成本和安全性的有益效果外，还具有电气设计灵活性高于现有光伏阵列的有益效果，因为该系统可以在基准电压远高于地电位的条件下安装，而现有系统则无法做到这一点。
如本文所用，框架是由框架元件构成的结构体，这些框架元件以机械方式和电方式相互连接以形成框架。在光伏阵列中，框架元件容纳有机械连接和电连接到框架元件上的光伏模块。
一般来讲，光伏模块(105)包括结构组件、多个以平行共面阵列方式排列的电互连的光伏电池(105pv)，光伏电池具有光学透明保护覆盖层(105tc)和保护背衬层(105pb)；光伏电池夹在并密封在覆盖层与背衬层之间，如图1B所示。在一个实施方案中，光伏模块的结构组件是周边框架(106)(第一结构组件)(图1C)。在一个可供选择的实施方案中，结构组件是下支撑结构(113和115)(图1D和1E)。在另一实施方案中，光伏模块还包括电接线盒(107)(图1C-1E)。在另一个实施方案中，光伏模块包括具有耐候性插头的高压连接电缆。在一个可供选择的实施方案中，光伏模块具有设置在模块结构内的集成式电连接。
任何吸收太阳光的光电池均适于实施本发明。合适的光伏电池包括夹在两层金属导体之间的掺杂硅层和无掺杂硅层。合适的光伏电池将入射的太阳光转化成电子和空穴，电子和空穴再迁移到金属导体以形成电流。本领域的光伏电池有单层、双层、三层等多种类型，只要成型在一起并电气互连以形成发电的光伏模块，任何一种类型均可用于本发明。
本领域内已研发出若干种半导体组合物来用作太阳能电池板的光伏电池。本发明的可操作性以及所期望有益效果的取得并不取决于光伏模块中采用的具体光伏电池。许多有用的光伏模块均可商购获得。代表采用相同光伏电池的设计的光伏模块从太阳能时代开始时就已被使用。
更广泛地讲，光伏电池是吸收并且直接将太阳光的辐射能转化为电能的半导体电连接装置。光伏电池串联和/或并联在一起以达到如光伏阵列中发电所需的电流和电压值。
入射光(例如太阳光)转化为光伏电池中的电能涉及半导体材料对入射光的吸收；电子和空穴的生成、电子和空穴的迁移以形成电压、以及将如此生成的电压施加到负载上以产生电流。光伏电池的中心是电连接，该电连接在通过吸收光而产生电子和空穴后将电子和空穴彼此分开。电连接可以由如下接点形成：金属与半导体的接点(此接点称为肖特基势垒)；液体与半导体的接点，以形成光电化学电池；或两个半导体区域的接点(称为p-n结)。p-n结在光伏电池中是最常见的。
晶体硅和砷化镓是光伏电池的典型材料选择。将掺杂剂掺入到纯化合物中，然后使金属导体沉积在电池的每个表面上：向阳面为薄栅格板，另一面为平板。通常，光伏电池由硅晶锭制成，硅晶锭是具有单晶体原子结构的多晶结构。然后在纯硅内掺入磷和硼以使一个区域产生额外的电子，另一个区域则缺少电子，从而使半导体能够导电。
适用于实施本发明的光伏模块可商购自许多制造商，例如Evergreen Solar，Inc(Marlboro，MA)、Solarworld California(Camarillo，CA)和Mitsubishi Electric Co.(New York，N.Y.)。
安装在组装框架上并且电连接到其上的光伏模块形成能够利用太阳光产生电能的光伏阵列。
包括陶瓷、木材和塑料在内的任何非导电的工程结构材料均可用来形成光伏模块和框架元件的结构构件。如果材料按照UL(美国保险商实验室)、CUL或TUV之类合适的区域性标准组织的规定归类为非导体，则适合在本发明中使用。要获得UL认证，材料必须符合UL 1703(平板光伏模块和面板的安全标准)、UL 498(连接插头和插座)和/或UL 1977(用于数据、信号和电源设备应用的组件连接器)规定，具体视情况而定。有关UL认证的其他信息，参见：http://www.ul.com/dge/photovoltaics/和http://www.ul.com/dge/photovoltaics/tests.html
术语“塑料”包括热塑性或热固性有机聚合物。合适的有机聚合物为最高温度约90℃的刚性固体。术语“塑料”包括非增强聚合物、填充聚合物、短纤维增强聚合物、长纤维增强聚合物、连续纤维增强聚合物(也称为“复合材料”)。任何合适的非导电的强化纤维均可用于上述聚合物或聚合物的组合。复合材料是由两种或多种具有明显不同物理或化学性质的组成材料制成的工程材料，并且组成材料在最终结构内仍保持相互分离和不同。
塑料组合物还可包含工程聚合物领域常用的添加剂，例如无机填料、紫外线吸收剂、增塑剂、抗氧化剂、阻燃剂、颜料等。
光伏模块暴露在入射太阳光下的面积通常为0.5平方英尺至约15平方英尺(0.05至1.4m2)。大型商用模块可容纳约50至100个通常共面排列的晶体硅光电电池以便入射太阳光落在光电池上。多个光伏模块设置在通常呈共面阵列的框架元件内。
在一个实施方案中，如图1A所示，本发明提供了包括多个光伏模块(104)的光伏阵列(101)，其中光伏模块设置在安装在住宅屋顶(100)上的多个框架元件(103)内并且机械连接和电连接到所述多个框架元件。框架元件被机械互连和电互连以形成框架(102)。框架元件包括结构构件(第二结构构件)。至少一些结构构件具有完全包封电导体的导轨。周期性地，导体将穿过框架元件的结构构件中的开口进行端接。此处为导体与光伏模块的电连接配合的地方。每个框架元件电互连和机械互连到至少一个其他框架元件。电连接被包封在至少一些结构构件内。结构构件由非导电的材料制成。框架还具有用于连接到外部电负载的电气输出。
在典型实践中，首先构造包括多个框架元件的框架，然后引入多个光伏模块以形成光伏阵列。将面板固定到框架元件上，在光伏模块与框架元件之间进行电连接，然后再连接到外部负载。
非导电的结构构件构成了框架的外表面。在一个实施方案中，光伏模块和框架均具有塑料结构构件。在另一个实施方案中，光伏模块具有金属结构构件，因此金属构件必须进行塑封。任何塑封方式均符合要求，例如涂布、挤出、层压、粘结、电镀，但前提条件是包装应具有耐候性。
电导体可为任何方便的形式，例如电线、导电条(如母线)、印刷电路等等。在一个实施方案中，框架元件之间的机械连接由塑料制成并且各元件扣合在一起。机械连接可以是可拆卸的以便于更换损坏部件。合适的机械连接包括但不限于：按扣式、弹簧支撑式、直角回转式、卡口式、互锁式和快速插/拔式的组件，例如离散部件制造业所用的那些类型。
框架元件之间的电连接可方便地采用常规高压连接器实现，其中公连接器位于一个组件上并且设置为与设置在其所连接的组件上的母组件相配。合适的连接器优选地经诸如UL和TUV之类组织批准可以在光伏应用中使用。
每个光伏模块均设置在框架元件内并且电连接和机械连接到该框架元件。光伏模块具有机械连接器和电连接器，这些连接器与设置在与其连接的框架元件内的互补连接器相配。设置在光伏模块内的合适机械连接包括以按扣方式连接到框架元件上的接纳轨道中的框架、以及光伏模块上框架内的用于安装到框架元件的通孔。当采用通孔时，安装螺钉和配合扣件(例如螺纹柱、铆钉、插件或螺母)与塑料制成的框架元件之间是绝缘或隔离的，可以通过涂覆以绝缘表面、加盖绝缘罩或二者的组合方式进行绝缘或隔离。电连接器应通过相关认证，以在有阳光照射的室外潮湿环境下使用(即抗紫外线辐射)。与光伏模块和框架一起使用的电源连接器应设计得足够耐用，可以在UL 498和UL 1977规定的过负载条件下作为直流断路装置使用。
在一个实施方案中，光伏模块(104)具有连接到安装在光伏模块背部的接线盒(107)上的输出导体，接线盒继而提供末端具有耐候性连接器的高压输出线，如图4E左侧所示。输出高压线接入框架接线内。
在另一个实施方案中，输出高压线被换成穿墙安装在接线盒上的高压连接器并且可以直接插入到安装在框架元件上的互补连接器中，如图4E右侧所示。
在另一个实施方案中，光伏模块没有外接线。相反，输出线在面板框架内连接到与框架内的通孔重合的连接器上，该通孔与框架元件上的安装柱相配，从而可以同时达到机械固定和电连接的目的，如图4F和4G所示。
框架具有多个带有结构构件的框架元件，框架元件不需要接地和完全包封所有电导体和电连接。在一个实施方案中，结构构件由塑料制成。本文适用的具体类型塑料的选择在很大程度上取决于应用的类型和位置。例如，将塑料构件固定到屋顶椽的屋顶安装可能允许使用非增强的热塑性或热固性工程塑料。在另一方面，涉及平屋顶或地面阵列的商业安装通常以成约15至40度的角度升高，具体取决于纬度和季节。在此类应用中，框架需要在较宽泛的条件范围内自我支承。在这种情况下，非增强塑料可能会由于在炎热沙漠环境下机械强度不足、出现过大的长期蠕变、或因紫外线降解引起物理特性损失而变得不适合，但包括短纤维增强聚合物、长纤维增强聚合物和连续纤维增强聚合物在内的增强塑料将是适合的。
术语“短纤维增强聚合物”是本领域所用的术语，其表示以小于约5mm的长度为特征的聚合物和强化纤维的共混物，其中纤维分散在聚合物的连续基质中。术语“长纤维增强聚合物”是专门术语，其表示以大于约5mm至50mm的长度为特征的聚合物和强化纤维的共混物，其中纤维分散在聚合物的连续基质中。连续纤维增强聚合物也称为复合材料。连续纤维增强聚合物一般涉及与纤维所掺入的制品的长度相当的纤维。
短纤维和长纤维增强聚合物可通过挤出共混来制备并通过注塑进行制作。连续纤维增强聚合物必须通过纱涂覆、聚合物熔入纱束等方法制备。制作方法可以涉及真空模塑、拉挤成型和本领域已经开发的用于复合材料成型的此类其他方法。
合适的强化纤维包括玻璃纤维、聚芳族聚酰胺纤维、陶瓷纤维和能在加工与制作过程中保留其独特纤维特性的其他非导电的纤维。纤维增强聚合物是本领域非常熟知的。有关其组成、制备、制造和特性的具体描述，参见Garbassi等人发表于J.Poly.Sci.and Tech.的DOI10.1002/0471440264.pst406和Goldsworthy等人发表于J.Poly.Sci.and Tech.的DOI 10.1002/0471440264.pst074。
就聚合物的选择而言，在极干燥的气候下，例如在沙漠中，尼龙聚酰胺可提供所期望的特性组合。在温带气候、雨季和高湿度条件下，尼龙会出现尺寸不稳定和水解情况。对许多用途而言，拉挤的正方形横截面中空纤维增强聚对苯二甲酸乙二醇酯树脂是非常令人满意的并且具有高性价比。
合适的塑料在经受高达90至120℃的连续工作温度时，需要表现出尺寸稳定性。许多塑料(例如聚烯烃)在该温度以下会软化。不论是从保持光伏模块和构成它的光伏电池的共面性角度，还是从抗挠性、抗剪强度和抗扭强度角度来看，软化都是不可接受的。适合实施本发明的塑料包括但不限于：聚酰胺，例如尼龙；聚酯例如聚对苯二甲酸乙二醇酯；聚碳酸酯；聚醚酮，包括PEK、PEEK、PEKK等；聚酰胺酰亚胺、环氧化物以及聚酰亚胺。得自DuPont的
Figure BPA00001206503200091
聚对苯二甲酸乙二醇酯聚酯树脂可满足大部分实施方案。
在另一方面，本发明提供了一种方法，该方法包括用太阳光照亮光伏阵列，其中光伏阵列包括多个光伏模块，光伏模块设置在多个框架元件内并且机械连接和电连接到这些框架元件。框架元件被机械互连和电互连以形成框架。框架元件包括第二结构构件。结构构件具有容纳电导体的通道。周期性地，导体将穿过框架元件的结构构件中的开口进行端接。此处为导体与光伏模块的电连接配合的地方。每个框架元件电互连和机械互连到至少一个其他框架元件。电连接被包封在至少一些结构构件内。结构构件由非导电的材料制成。框架还具有用于连接到外部电气负载以及将输出连接到外部负载的电气输出。
当可通过将光伏阵列的输出连接到电负载来实践本发明时，预期一般来说将以多种方式对输出进行处理以使输出更加适合使用。在典型应用中，光阵列的直流电流(DC)输出连接到直流-交流逆变器，然后再连接到变压器，以在经过调节之后进行高压长距离输电，或变为低压供当地使用。
光伏阵列的输出可通过输出电缆硬接线而输送至逆变器之类的外部电气组件，以将光伏电池产生的高压直流转换为可用的并网电压、频率和周波(美国的单相120vAC/60hz或三相480vAC/60hz)。作为另外一种选择，光伏阵列可具有连接到外部电缆的高压输出隔离开关。作为另外一种选择，光伏阵列的输出可用来对贮电装置进行充电。
根据该方法采用光伏阵列时，光伏阵列设置在接收最多太阳光的地方时最有效。在温带地区，光伏阵列相对于水平面的角度保持在15至40°的范围内。优选的是，在天空中太阳的角度随着季节而改变时，不时地调节光伏阵列相对于水平面的角度。
在本发明的另一实施方案中提供了一种方法，该方法包括将多个具有电连接和机械连接的光伏模块设置到多个框架元件内。每个框架元件包括第二结构元件，至少一些第二结构元件包封电导体。用于连接光伏模块的电连接器和机械连接器设置在框架的结构元件内。电连接器和机械连接器设置在框架的结构元件内以用于将每个框架元件互连到至少一个其他框架元件。在一些实施方案中，电连接器被包封在结构构件内。在一些实施方案中，电连接器被完全包封。在一些实施方案中，结构构件是成型的塑料制品。光伏模块以电方式和机械方式连接到框架元件并且各框架元件彼此互连。
上述电连接器和机械连接器、结构构件、和定义同样适用于该方法。
在本发明的一个实施方案中，整个阵列的所有电连接和接线均包封在结构构件内。在一个可供选择的实施方案中，除耐候性高压连接之外，整个阵列的所有电连接和接线均包封在光伏模块与和光伏模块相关联的框架元件之间的结构构件内。在这两个实施方案中，均不需要接地，因为没有接地部件。
在其中整个阵列的所有电连接和接线均包封在结构构件内的实施方案中，在对阵列进行机械组装的同时进行电连接。当采用接线盒和耐候性高压电缆时，仍然需要现场安装某些接线。
在一个实施方案中，取消了接线盒上的输出电缆，而是将耐候性高压连接器直接安装在接线盒上，并且将接线盒放置为使得在将光伏模块安装入框架元件中时连接器与框架元件扣合。
在可供选择的实施方案中，彻底取消接线盒，并且光伏模块的接线完全驻留在光伏模块结构内。在该实施方案中，电连接和机械连接可合并到单个部件中，从而允许同时对面板进行电连接和机械连接。
图1至5示出了这些实施方案以及其他实施方案。在下列发明详述中，类似的附图标号表示所有附图中类似的元件。应当理解，如多张图所示的本发明的结构和操作的多个细节均是示意性的，某些部分被放大或夸大完全是为了便于举例说明和方便理解。
图1至5示意性地示出有关光伏阵列装置和组装方法的若干个联系紧密的实施方案。在这些实施方案中，就像美国许多地方常见的那样，光伏阵列安装在住宅的坡面屋顶上。附图仅仅反映了按照本发明可能存在的许多框架/光伏模块几何形状中的几种。
可以设想出属于本发明范围内的许多其他实施方案，这些实施方案包括但不限于在平屋顶和地面上安装的情形。其他实施方案包括但不限于这样的实施方案：每个框架元件都单独建造，然后再现场按扣到一起以形成阵列。
在可由附图所示元件建造的一个实施方案中，所有电导体和电连接均完全容纳在框架内。
图1A示出了安装在住宅屋顶100上的光伏阵列101的一个实施方案。光伏阵列101包括框架102，每个框架元件103均机械连接到另一个框架元件，并且在一些实施方案中通过内部电互连器电连接到另一个框架元件。每个框架元件103均用来固定光伏模块104。
图1B示出了描绘普通光伏模块的基本夹层结构105，其中光伏电池阵列105pv位于透明防护顶层105tc和防护底层105pb之间。此外，图1C至1E示出了多种类型的光伏模块：116、110和114。每种类型的光伏模块均包括一个或多个结构构件，例如图1C所示的框架106，在其他实施方案中为撑横梁，如图1D所示的为113和图1E所示的为115。在一个实施方案中，光伏模块的结构构件为塑料，例如纤维增强塑料。光伏模块的结构构件包括但不限于框架、背衬、横梁或将多层光伏模块固定到一起并防止挠曲所需的其他此类元件。在一个实施方案中，光伏模块116具有周边支撑结构框106，该结构框利用光伏模块周围的刚性厚挤出件获得足够的刚度。作为另外一种选择，利用轻型支撑框和结合到光伏模块110背面的结构加强肋113也可以达到相同的结构支撑强度。作为另外一种选择，模块114具有一体化的背面支撑结构115。任何情况下，如果要保持光伏模块的输出在所期望的寿命期内完好无损，易损坏的脆性光伏电池均应受到足够支撑和保护以免在恶劣的气候条件下出现微裂缝。
图2A和2B(图2B为图2A的分解图，其图中编号与图2A相同)示出了用于将框架元件阵列103直接安装到光伏阵列101内的方法的一个实施方案，第一末端构件201由5cm×5cm(2×2)横截面的中空纤维增强塑料(FRP)管材制成，其形成框架的一侧；第二末端构件204形成框架200的相对侧。第一末端构件201与多个矩形横截面的中空FRP管材横跨构件205互连。每个横跨构件205的另一端进一步与矩形横截面的中空FRP管材的中间构件203相连，其中中间构件203具有塑料互连器202。与上述末端构件不同，中间构件203具有面向相反方向的塑料互连器，以便中间构件203能与中间构件两侧的横跨构件205互连。
图2C至2E示出了包括安装底板207的矩阵的实施方案，其中安装底板207在预先测量的位置209至214处连接到屋顶100上，以便通过固定到某些或全部塑料互连器202下面的安装底座208来固定框架构件201、203、204和205。在一个实施方案中，底座可以为塑料的。在图2E所示实施方案中，安装底座208为底部有开口槽230的U形件，其与每个对应安装底板207上的安装在屋顶的配合舌状物220接合。
参见图3A，各构件201、203或204(未示出)可包含内部电互连线束301。在一个实施方案中，示出了容纳接线的全封闭的中空内部327。使用该线束可不必通过现场接线将光伏模块互连到电气阵列内。由于本发明没有裸露的金属部件，因此无需在阵列的任何位点接地。为清楚起见，在图3B1和图3B2中将线束301单独分解，并以部件303、304、305和306示出。如果需要，可以在远离光伏阵列现场安装地点的遥远位置(例如车间)将图中所示线束的组件组装成线束。如图所示，图中线束包括电导体回线303、圆形穿孔增强管304、相邻框架元件之间的跳线305，所有元件都按扣到非导电的隔板306上。在一个实施方案中，使用高压连接器(例如光伏阵列领域当前使用的高压连接器)对跳线进行端接。在一个可供选择的实施方案中，跳线成形为线圈305a(参见图3C)并且纳入到集成式机电连接器内，如下文所述。
在一个实施方案中，可按以下步骤形成本文所用内部线束，但本发明并不受限于任何具体的结构构件成型方法：将图3B2所示隔板306滑动到15至20英尺长的优选圆形横截面的、优选穿孔的、优选塑料的非导电的刚性管304上，并沿管材滑至预定点处，以预先设置在将要在光伏模块上形成的电连接所处位置。然后通过任何合适的方式将隔板永久固定，固定方式包括但不限于热粘合、溶剂粘合或粘合剂粘合。接着，将导电互连线303和305成形为各具体应用的具体接线图规定的形状。成型可通过将工具在工作台上弯曲，然后按扣到预先设置的隔板306上的正确位置处来实现，但并非必须如此。
接着如图3A所示，将组装后的线束插入适当的末端构件201、204或中间构件203。在一个实施方案中，插入线束之后，将末端构件和中间构件的内部用泡沫或其他方式密封，以免水分、氧气、昆虫和碎屑进入其中。
当安装了具有内部连接器设计的光伏模块时，该内部线束可以避免在光伏模块之间现场互连接线。图3D示出了一个实施方案。
参见图3D，在一些实施方案中，框架横跨构件205包含内部电互连线束309。使用该线束可以避免像其他实施方案所要求的那样进行某些现场接线。
在图3D所示实施方案中，线束(309)由设置为连接框架构件201和203的一个或两个电气跳线310组装而成，其中框架构件具有耐候性高压连接器307(穿墙式)或308(插头式)，二者均紧固到非导电的隔板/固定器306上。对应的耐候性连接器307(穿墙式)安装在每个框架互连构件202上，并且电连接到图3B1和3B2所示内部线束301。组装到屋顶之后，框架横跨构件205末端的对应插头与构件201、203或204内的线束形成连续的电连接。
横跨构件205内的内部线束使得在屋顶上安装过程中不必在光伏模块之间进行某些互连接线。由于横跨构件205中存在接线，安装过程中只需要机械连接框架元件，即可同时进行线连接。
在图3A-3D所示的实施方案中，塑料互连器202以中空矩形管形式存在，其尺寸适合安装到横跨构件的中空矩形孔内。在本发明的实践中，对于塑料互连器的具体形式没有要求。例如，其可以为圆锥形，也可以为截短的正方棱锥形、棱柱、或任何允许将末端构件或中间构件与横跨构件迅速互连的形状。
例如，塑料互连器202可由以中空矩形棱柱形式存在的合适尺寸的管材制成，该管材被切割成一定长度并结合到末端构件或中间构件。作为另外一种选择，塑料互连器可注塑而成。本领域已知的任何结合方法均符合要求，其中包括机械紧固、胶粘；热粘合；电介质粘合；或超声粘合。末端构件和中间构件也可通过注塑或压塑而与集成式互连器制造在一起。
获得同样可拆卸的坚固可靠的连接的一种可供选择的方式是使用模塑或以其他方式连接到管材外表面的弹簧指250(如图3A所示)。当横跨构件205在互连器202的开放面上方向预定位置滑动时，弹簧指被向内推动；当横跨构件到达预定位置时，压缩的弹簧指向外弹出到横跨构件205上对应的孔251内，从而将这两个框架构件锁定到一起。在另一个实施方案中，该孔并未穿透横跨构件表面。如果希望拆卸框架，可以压下弹簧指251，以便对应的横跨构件205可以滑离对应的塑料互连器202。这样省却了常规金属框架所需的所有钻孔和机械紧固操作，从而大大缩短了在屋顶上的组装和安装时间。
图4A示出了设置为固定一个光伏模块的单框架元件的实施方案。图4A所示为两个可供选择的电连接以及光伏模块和框架元件之间的机电式互连的框架细节，其中两个可供选择的电连接的放大剖视图在图4C和4D中给出。还示出了内螺纹导电支脚，如图4B的401，这些支脚结合在构成框架元件的塑料结构构件205上，从而使预期的光伏模块贴在框架元件的顶部。固定光伏模块的内螺纹支脚401的细节在图4B的放大剖视图中示出。通过使用热螺纹尖端加热支脚并利用粘合剂粘合、溶剂粘合或超声粘合对其进行结合，可以将支脚安装到塑料结构构件内钻出的安装孔内，从而将支脚连接到框架元件上。
由图4C所示放大剖视图可知，从可见于光伏模块(图4C未示出模块)背面的接线盒107(如图4A所示)引出的高压电缆108被插入穿墙连接器307，以通过安装在框架元件的构件201上的穿墙连接器完成具有线束301(如图4A所示)的电路。在一个实施方案中，将高压穿墙连接器通过硬线连接到远处的线束内的接线元件305的末端，再运输到安装现场并紧固到对应的框架元件201、203或204(未示出)上，然后再将光伏模块设置在框架元件上并固定。
图4D和4G的放大剖视图示出了线圈305a缠绕在跳线305或电导体回线303的末端的实施方案，线圈305a内径处为具有绝缘帽的内螺纹导电支脚401。当光伏模块具有上述内部接线的框架段构件时，通过将线圈305a设置在合适的导电支脚401下方，并将适当长度的导电固定螺钉405经401穿入线圈，机械支脚还可充当从内部线束301到光伏模块104(参见图4F)的电连接。
图4E和4F各自示出了通过机电式支脚401固定一个光伏模块104的单框架元件。
图4E示出了一个实施方案，其中光伏模块具有接线盒107、互连线108和耐候性连接器109。框架元件具有配合的耐候性穿墙连接器307。在该实施方案中，在将光伏模块固定到框架元件之前，先将插头式连接器109与对应的穿墙连接器308相连。在进行了电连接之后，将面板设置在框架元件上，并使用预先设置的机械支脚401和连接螺钉将面板与框架元件相连。
图4E右侧还示出了光伏模块接线盒107的安装情况，其中接线盒安装在足够靠近框架元件203的位置，使得只需要耐候性连接器109即可将接线盒107连接到配合的耐候性穿墙连接器307，从而节省了使用互连线108带来的成本。
图4G示出了在不使用连接器的情况下与线束301相连的实施方案的细节。这种无连接器电连接发明省去了光伏模块互连线108，该互连线具有防水连接器307和109以及接线盒107，所有组件都在图4E中示出。这些组件价格不菲，并且当长时间直接暴露于恶劣的室外环境中时还经常出现故障。
在图4F和4G所示实施方案中，所有导体和连接器均全封闭在光伏阵列的结构构件内。不使用接线盒。在图4F中，光伏模块104安装在由结构构件201、203和205限定的框架元件上，其中框架元件是通过将横跨构件205的末端按扣到设置在构件201和203上的附件202上而形成的。光伏模块具有周边框106，周边框内容纳有接线409和与模块相关联的连接器409a，其中接线409包括本领域常用的隔离二极管(未示出)。在图4G所示情况下，连接器只是成形于线材409a末端的线圈。参见图4F，框架具有一系列沿其表面布置的安装孔450，这些安装孔的位置与设置在框架元件上表面的安装支脚401对齐。安装支脚为设置在螺纹金属元件405上的绝缘帽，螺纹金属元件405设置为接纳安装螺钉405a。参见图4G，通过将导电的安装螺钉405a插入光伏模块104的框架106内的安装孔450可以实现电连接，其中金属螺钉405a与框架内的连接409a电接触并被旋入到螺纹金属元件405内，而螺纹金属元件405又与连接器305a电接触，从而在409a和305a之间形成电连接。这种电气端接方法代替了接线盒107、互连线108和连接器109，既大大节约了成本，又确保了长期可靠性。
在本发明的实践中，通过对框架元件进行电连接和机械连接而形成集成式光伏阵列。所有阵列接线和互连工作均可以在现场安装之前在远处进行。在图4E所示实施方案中，需要进行从光伏板至框架构件的电缆连接。在图4F至4G所示的实施方案中，不需要进行电缆连接，并且机械连接和电连接同时进行而不需要在现场接线。由于不存在裸露接线，也不存在裸露金属部件，因此不可能因接触裸露金属部件而造成短路，从而也没必要像通常那样为框架大范围接地。
可采用多种接线方式来形成光伏阵列。图5A示出了以串联方式与框架构件201和203内的线束互连的光伏模块200。在该接线方案中，框架元件204内不需要线束。互连接线位于下方的横跨构件205内。
在可供选择的实施方案中，图5B示出了从左至右串联、从上至下并联的光伏模块200。框架构件201和204内有线束501，而框架构件203则具有介于彼此直接相邻的机电式扣件401之间的短导电连接件502(参见图5E)。在车间将这些连在一起的支脚502插入到竖式框架元件203内，而不是插入单个支脚401，从而在本实施方案中完全避免框架元件203使用线束301或501。如图5D所示，503表示可以单列形式插入框架构件内的等间距布置的支脚对。这实际上避免了所有面板互连接线工作，体现了最简单的实施方案。
图5C和5D示出了用于将相邻光伏模块连接到一起的方法的实施方案。在图5C中，母线501代替了图3B1所示线束301。图5D示出了图5B所示“跳线接线头”502。这些跳线接线头安装在每个内侧竖式框架元件203上，大大简化了光伏阵列的内部接线，并降低了相关的制造成本。
图5E示出了图5D所示“跳线接线头”502的细节，该接线头由两个螺纹支脚401组成，二者通过导电连接件507电连接在一起。
附图说明
●100-住宅屋顶
●101-组装的光伏(PV)阵列
●102-安装在屋顶上的组装框架
●103-共同构成框架(102)的各框架元件
●104-普通光伏(PV)模块
●105-基本PV模块层状结构，其包括透明防护顶层105tc、防护底层105pb、和夹在这二者之间的光伏电池阵列105pv
●106-围绕层状PV结构105的周边支撑结构框架
●107-连接PV模块内部接线到高压电引线108的PV板背面的电气接线盒
●108-连接接线盒107到耐候性插头109的高压电引线
●109-连接高压电引线108到安装在框架元件上的穿墙连接器的耐候性插头
●110-合适的PV模块的一个实施方案，其由经过安装孔112的轻型支撑框111和结合到光伏模块105背面的结构加强肋113提供结构支撑
●111-围绕基本层状PV结构105的轻型周边支撑框
●112-轻型周边支撑框内的安装孔
●113-结合到PV板110背面的结构加强肋
●114-可供选择的PV板，其具有结合到背面的一体化的背面支撑结构、框架或背衬115
●115-面板的一体化背面支撑结构115
●116-具有周边支撑框的PV板的实施方案
●200-框架
●201-形成框架一侧的框架末端构件
●202-结合到201、203和204的框架机械互连构件
●203-框架中间构件
●204-形成框架相对侧的框架末端构件
●205-框架横跨构件
●207-紧固到屋顶用来支撑框架的安装底板
●208-紧固到框架元件的安装底座，其与每个对应安装底板207上的安装到屋顶的配合舌状物接合
●209-最左侧框架构件201紧固到屋顶上的位置
●210-最右侧框架构件204紧固到屋顶上的位置
●211-框架构件201、203和204的最上方底座紧固到屋顶上的位置
●212-框架构件201、203和204的最下方底座紧固到屋顶上的位置
●213-框架构件203紧固到屋顶上的位置
●214-各排框架元件201、203和204紧固到屋顶上的位置
●点(209，211)-框架阵列最左上角安装底座的位置
●点(210，211)-框架阵列最右上角安装底座的位置
●点(209，212)-框架阵列最左下角安装底座的位置
●点(210，212)-框架阵列最右下角安装底座的位置
●250-弹簧指
●251-弹簧指孔
●301-框架元件内部电互连线束，位于框架元件201、202和203内部
●303-电导体回线
●304-圆形穿孔增强管
●305-相邻框架元件之间的跳线
●305a-形成连接器的内部电线的线圈
●306-非导电的隔板/线材固定器
●307-与308相配的高压穿墙电连接器
●308-与307相配的高压插头式电连接器
●309-框架横跨构件205内的内部电互连线束，其连接框架元件201、203或204内的线束并由组件306、307、308和/或310组成
●310-框架横跨构件205内的线束内的跳线，其与两个相邻光伏模块连接
●327-中空的包封内部
●401-加盖在位于框架元件内的机械扣件405b上的绝缘支脚，其与穿过安装孔450的配合扣件405a一起将模块固定到框架元件上
●405a-经导电孔450、绝缘支脚401和螺纹元件405连接模块与框架元件的导电螺钉，当采用电连接409a和305a时，螺钉405a也起电连接作用
●405-设置为接纳螺钉405a的螺纹导电元件
●409-从光伏模块105经周边塑料框106到达2个安装孔450的电引线
●409a-成形于导体409a末端用作电连接器的线圈
●450-模块框架内的安装孔
●501-代替线束301的电母线
●502-框架元件203内的跳线接线头短导电连接件，用来在每排光伏阵列内的相邻模块之间形成串联的电连接
●503-框架构件203内的一列短导电连接件502
●506-示出短导电连接件507连接框架元件203内的两个相邻机械扣件401的实施方案的细节的放大视图
●507-短导电连接件

Claims (25)

1.包括多个具有第一结构构件的光伏模块的光伏阵列，所述光伏模块设置在多个框架元件上并且机械连接和电连接到所述多个框架元件；所述框架元件被机械互连和电互连以形成框架；所述框架元件包括具有内部设置的电导体的非导电的第二结构构件、与设置在所述框架元件上的光伏模块的电连接和机械连接、和所述框架元件之间的电连接和机械连接；所述框架包括允许连接到外部电负载的电气输出，并且其中所述光伏阵列的输出电压可以任意的未接地电压作为基准电压。
2.权利要求1的光伏阵列，其中所述非导电的第二结构构件基本上由塑料组成。
3.权利要求1的光伏阵列，其中所述第一结构构件基本上由塑料组成。
4.权利要求1的光伏阵列，其中所述光伏模块包括容纳在所述第一结构构件内的输出连接。
5.权利要求1的光伏阵列，其中所述框架元件还包括在光伏模块与框架元件之间的机电连接。
6.权利要求3的光伏阵列，其中所有电连接和电导体均在所述第一和第二结构构件的内部。
7.权利要求1的光伏阵列，其中所述光伏模块还包括连接到电接线盒的输出线材，所述输出线材是从所述接线盒伸出的连接到穿墙安装在所述第二结构构件上的非导电的耐候性连接器的高压输出电缆。
8.权利要求1的光伏阵列，其中所述第一和第二结构构件基本上由塑料组成；其中所述光伏模块包括容纳在所述第一结构构件内的输出连接；其中所述框架元件还包括在光伏模块与框架元件之间的机电连接；并且其中所述电连接和电导体均在所述第一和第二结构构件的内部。
9.包括用太阳光照亮光伏阵列以由所述光伏阵列生成电流的方法，所述光伏阵列包括多个具有第一结构构件的光伏模块，所述光伏模块设置在多个框架元件上并且机械连接和电连接到所述多个框架元件；所述框架元件被机械互连和电互连以形成框架；所述框架元件包括具有内部设置的电导体的非导电的第二结构构件、与设置在所述框架元件上的光伏模块的电连接和机械连接、和所述框架元件之间的电连接和机械连接；以及将如此生成的电压施加到外部电负载。
10.权利要求9的方法，其中所述非导电的第二结构构件基本上由塑料组成。
11.权利要求9的方法，其中所述第一结构构件基本上由塑料组成。
12.权利要求9的方法，其中所述光伏模块包括容纳在所述第一结构构件内的输出连接。
13.权利要求9的方法，其中所述框架元件还包括在光伏模块与框架元件之间的机电连接。
14.权利要求11的方法，其中所有电连接和电导体均在所述第一和第二结构构件的内部。
15.权利要求9的方法，其中所述光伏模块还包括连接到电接线盒的输出线材，所述输出线材是从所述接线盒伸出的连接到穿墙安装在所述第二结构构件上的非导电的耐候性连接器的高压输出电缆。
16.权利要求9的方法，其中所述第一和第二结构构件基本上由塑料组成；其中所述光伏模块包括容纳在所述第一结构构件内的输出连接；其中所述框架元件还包括在光伏模块与框架元件之间的机电连接；并且其中所有电连接和电导体均在所述第一和第二结构构件的内部。
17.权利要求9的方法，其中所述输出电压以非地电位作为基准电压。
18.包括将多个光伏模块设置在多个框架元件内的方法，每个所述光伏模块包括第一结构构件，所述光伏模块配备有电连接器和机械连接器，每个所述框架元件包括具有内部设置的电导体的第二结构构件、连接到设置在所述框架元件上的光伏模块的电连接器和机械连接器、和用于将每个框架元件互连到至少一个其他框架元件上的电连接器和机械连接器；将所述光伏模块电连接和机械连接到所述框架元件；以及，使所述框架元件彼此互连以形成光伏阵列，其中所述光伏阵列的输出电压可以任选的电压作为基准电压。
19.权利要求18的方法，其中所述非导电的第二结构构件基本上由塑料组成。
20.权利要求18的方法，其中所述第一结构构件基本上由塑料组成。
21.权利要求18的方法，其中所述光伏模块包括容纳在所述第一结构构件内的输出连接。
22.权利要求18的方法，其中所述框架元件还包括在光伏模块与框架元件之间的机电连接。
23.权利要求20的方法，其中所述电连接和电导体均在所述第一和第二结构构件的内部。
24.权利要求18的方法，其中所述光伏模块还包括连接到电接线盒的输出线材，所述输出线材是从所述接线盒伸出的连接到穿墙安装在第二结构构件上的非导电的耐候性连接器的高压输出电缆。
25.权利要求18的方法，其中所述第一和第二结构构件基本上由塑料组成；其中所述光伏模块包括容纳在所述第一结构构件内的输出连接；其中所述框架元件还包括在光伏模块与框架元件之间的机电连接；并且其中所述电连接和电导体均在所述第一和第二结构构件的内部。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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