CN102047432B - 光伏阵列、框架及其安装和使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏阵列，所述光伏阵列具有：框架，所述框架包括多个电气和机械互连的非导电框架元件，所述非导电框架元件被设置成以支撑方式接纳和电气互连多个光伏模块；以支撑方式设置在所述多个框架元件上并与所述多个框架元件电气互连的多个光伏模块，其中每个光伏模块均具有一个或多个限定周边的边缘；以及，介于所述光伏阵列和外部电力负载之间的电连接；并且，其中每个所述框架元件均具有：一对大致平行的轨条和一对大致平行并与所述轨条互连的竖框，其中至少一个轨条和/或竖框为具有内部的非导电中空构件，所述内部限定了全封闭的导轨；设置在至少一个所述导轨内的纵向延伸的导电构件；一个或多个设置在所述至少一个中空构件内部的电连接器；并且，其中所述线材和所述连接器的组合将所述框架元件和所述光伏模块彼此电气互连在一起。所述安装方法和所述使用方法也被包括在本文内。

Description

光伏阵列、框架及其安装和使用方法

本发明要求提交于2007年12月21日的美国临时申请61/015,829、提交于2008年10月13日的美国临时申请61/104,834、提交于2008年10月13日的美国临时申请61/104,838以及提交于2008年10月13日的美国临时申请61/104,841的优先权，这些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框架的光伏阵列、该光伏阵列的组装方法及其使用方法。该光伏阵列可不电气接地。

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。以下文献给出了一些实例：

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，该挤出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和集成在一起的多功能光伏模块框架系统。该系统的某些组件可由塑料制成。接地线夹可直接连接到框架系统。

发明概述

在一个方面，本发明提供了包括多个互连的非导电框架元件的框架，这些元件被设置成以支撑方式接纳和互连多个光伏模块，并且每个框架元件包括：

--一对大致平行的轨条和一对大致平行并与轨条互连的竖框，其中至少一个轨条和/或竖框为具有内部的非导电中空构件，该内部限定了全封闭的导轨；

--一个或多个设置在至少一个导轨内的纵向延伸的导电构件；

--一个或多个设置在所述至少一个中空构件内部的电连接器；

--其中导电构件和所述至少一个连接器的组合被设置成在安装到框架元件内之后将框架元件电气互连到另一个框架元件或一个或多个光伏模块，从而形成光伏阵列。

在另一方面，本发明提供了光伏阵列，其包括：

--具有多个互连的非导电框架元件的框架，其中框架元件被设置成以支撑方式接纳和互连多个光伏模块；

--以支撑方式设置在多个框架元件上并与之互连的多个光伏模块，每个光伏模块均具有一个或多个限定周边的边缘；以及，

--介于光伏阵列和外部电力负载之间的电连接；并且，

其中每个框架元件均包括：

--一对大致平行的轨条和一对大致平行并与轨条互连的竖框，其中至少一个轨条和/或竖框为具有内部的非导电中空构件，该内部限定了全封闭的导轨；

--设置在至少一个导轨内的纵向延伸的导电构件；

--一个或多个设置在所述至少一个中空构件内部的电连接器；并且，

--其中纵向延伸的导电构件和所述至少一个连接器的组合将框架元件和光伏模块彼此电气互连，并且将框架元件和光伏模块电气互连到电气输出连接，该电气输出连接设置成允许将光伏阵列电连接到外部电力负载。

本发明还涉及包括以下步骤的方法：

--以支撑方式将多个光伏模块设置在具有多个互连的非导电框架元件的支撑框架内，其中每个光伏模块均具有一个或多个限定周边的边缘；

--在每个光伏模块和框架或另一个光伏模块之间形成电气互连，从而形成互连的光伏模块的阵列；以及，

--为框架提供电气输出连接以将阵列连接到外部电力负载；其中每个框架元件均包括：

--一对大致平行的轨条和一对大致平行并与轨条互连的竖框，其中至少一个轨条和/或竖框为具有内部的非导电中空构件，该内部限定了全封闭的导轨；

--设置在至少一个导轨内的纵向延伸的导电构件；

--一个或多个设置在所述至少一个中空构件内部的电连接器；并且，

--其中纵向延伸的导电构件和所述至少一个连接器的组合将框架元件和光伏模块彼此电气互连，并且将框架元件和光伏模块电气互连到电气输出连接，该电气输出连接被设置成允许将光伏阵列电连接到外部电力负载。

在另一个方面，本发明提供了一种方法，该方法包括用阳光照射光伏阵列，从而从光伏阵列产生电流，该光伏阵列包括：

--具有多个互连的非导电框架元件的框架，其中框架元件被设置成以支撑方式接纳和互连多个光伏模块；

--以支撑方式设置在多个框架元件上并与之互连的多个光伏模块，每个光伏模块均具有一个或多个限定周边的边缘；以及，

--介于光伏阵列和外部电力负载之间的电连接；并且，

其中每个框架元件均包括：

--一对大致平行的轨条和一对大致平行并与轨条互连的竖框，其中至少一个轨条和/或竖框为具有内部的非导电中空构件，该内部限定了全封闭的导轨；

--设置在至少一个导轨内的纵向延伸的导电构件；

--一个或多个设置在所述至少一个中空构件内部的电连接器；并且，

--其中纵向延伸的导电构件和所述至少一个连接器的组合将框架元件和光伏模块彼此电气互连，并且将框架元件和光伏模块电气互连到电气输出连接，该电气输出连接设置成允许将光伏阵列电连接到外部电力负载

以及，

为外部电力负载提供电能。

附图简述

图1A示出了上面设置有光伏阵列的住宅屋顶。

图1B示出了构成光伏板的基本组件。

图1C-1E示出了具有受到结构支撑的光伏板的实施方案。

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示出了将光伏板安装到框架元件上的方法的实施方案以及供选择的电连接替代方案。

图4B示出了框架元件上的机械连接器的实施方案。

图4C示出了一个实施方案，其中采用大致耐候的标准连接器来实现从光伏板接线盒与框架元件的电缆之间的电连接。

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板具有与图示连接元件对齐的内置连接元件的情况下使用。

图4E示出了将光伏板安装到框架元件内的方法的实施方案，以及两个实现电连接的可供选择的实施方案。图左侧可看到带电缆的接线盒，图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和4G示出了将光伏板安装到框架元件内的方法的实施方案，其中电连接元件内置于光伏板的框架内，对应的连接元件内置于框架元件内。

图5A示出了串联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至5E示出了线束和连接件。

发明详述

本发明提供了具有下列组件的框架：被设置成以支撑方式接纳和互连多个光伏模块的多个互连的非导电框架元件，每个框架元件均具有一对大致平行的轨条和一对大致平行并与轨条互连的竖框，其中至少一个轨条和/或竖框为具有内部的非导电中空构件，该内部限定了全封闭的导轨；一个或多个设置在至少一个导轨内的纵向延伸的导电构件；一个或多个设置在所述至少一个中空构件内部的电连接器；并且其中导电构件和所述至少一个连接器的组合被设置成在安装到框架元件内之后，将框架元件电气互连到另一个框架元件或一个或多个光伏模块，从而形成光伏阵列。

在另一方面，本发明提供了具有框架的光伏阵列，该框架包括多个互连的非导电框架元件，这些元件被设置成以支撑方式接纳和互连多个光伏模块；以支撑方式设置在多个框架元件上并与之互连的多个光伏模块，每个光伏模块均具有一个或多个限定周边的边缘；

以及，介于光伏阵列和外部电力负载之间的电连接；并且，其中每个框架元件均具有一对大致平行的轨条和一对大致平行并与轨条互连的竖框，其中至少一个轨条和/或竖框为具有内部的非导电中空构件，该内部限定了全封闭的导轨；设置在至少一个导轨内的纵向延伸的导电构件；一个或多个设置在所述至少一个中空构件内部的电连接器；并且，其中纵向延伸的导电构件和所述至少一个连接器的组合将框架元件和光伏模块彼此电气互连，并且将框架元件和光伏模块电气互连到外部电力负载。

本发明还涉及包括下列步骤的方法：在包括多个互连的非导电框架元件的支撑框架内以支撑方式设置多个光伏模块，其中每个光伏模块均具有一个或多个限定周边的边缘；在每个光伏模块和框架或另一个光伏模块之间形成电气互连，从而形成互连的光伏伏块的阵列；以及，为框架提供电气输出连接，该电气输出连接设置成允许将光伏阵列电连接到外部电力负载；其中每个框架元件均具有一对大致平行的轨条和一对大致平行并与轨条互连的竖框，其中至少一个轨条和/或竖框为具有内部的非导电中空构件，该内部限定了全封闭的导轨；设置在至少一个导轨内的纵向延伸的导电构件；一个或多个设置在所述至少一个中空构件内部的电连接器；并且，其中纵向延伸的导电构件和所述至少一个连接器的组合将框架元件和光伏模块彼此电气互连，并且将框架元件和光伏模块电气互连到电气输出连接，该电气输出连接设置成允许将光伏阵列电连接到外部电力负载。

在另一方面，本发明提供了一种方法，该方法采用阳光照射光伏阵列，从而从光伏阵列产生电流，该光伏阵列包括：具有多个互连的非导电框架元件的框架，其中框架元件被设置成以支撑方式接纳和互连多个光伏模块；以支撑方式设置在多个框架元件上并与之互连的多个光伏模块，每个光伏模块均具有一个或多个限定周边的边缘；以及，介于光伏阵列和外部电力负载之间的电连接；并且，其中每个框架元件均包括：一对大致平行的轨条和一对大致平行并与轨条互连的竖框，其中至少一个轨条和/或竖框为具有内部的非导电中空构件，该内部限定了全封闭的导轨；设置在至少一个导轨内的纵向延伸的导电构件；一个或多个设置在所述至少一个中空构件内部的电连接器；并且，其中纵向延伸的导电构件和所述至少一个连接器的组合将框架元件和光伏模块彼此电气互连，并且将框架元件和光伏模块电气互连到电气输出连接，该电气输出连接设置成允许将光伏阵列电连接到外部电力负载；以及为外部电力负载提供电能。

如本文所用，术语“光伏模块”是指光伏电池、相关接线和连接、及其相关支撑和包封结构以一体结构形式存在的预制阵列，该一体结构通常为平坦的刚性板，适于直接安装在框架内并与框架互连，进而与其他光伏模块互连以形成光伏阵列。本领域已知的任何光伏电池均适用于本发明。在本发明的上下文中，术语“接线”涵盖所有形式的互连导体，包括印刷导电通路、母线、单股或多股线、以及用于从一点到另一点导电的导体的任何其他构型。

“大致平行的”一对轨条和一对竖框应理解为这些轨条和竖框共同限定了对边彼此不相交的四边形。在大多数实施方案中，轨条和竖框彼此互连以形成被设置成以支撑方式接纳矩形光伏模块的矩形。在另一个实施方案中，轨条和竖框彼此互连形成正方形。此外，当光伏模块不是矩形时，例如当被加工成梯形时，则可对轨条和竖框进行设置以形成四边形，其中对边不相交，但也不严格平行。本文为了说明起见，术语“轨条”表示组装阵列过程中所用轨条或竖框之间的较长者，但这两个术语也可互换。

术语“纵向延伸的导电构件”是指具有螺纹状导电元件的金属线材、具有刚性杆元件的金属线材、金属母线、印刷导电通路、或者任何其他延伸的导电构件，其中导电构件可设置在被框架元件内的中空构件的内部限定的导轨内，并且该导电构件在中空内部空间的一点与另一点之间提供电连接，如下文所述。

在一个实施方案中，纵向延伸的导电构件为金属线材。在另一个实施方案中，纵向延伸的导电构件为金属母线。

此外，术语“电连接器”是指设置成在纵向延伸的导电构件和某些其他电气装置或构件之间实现电连接的局部装置，包括设置在框架内不同中空构件内部的对应的纵向延伸的导电构件。

在一个实施方案中，电连接器为接线柱。在另一个实施方案中，电连接器为公插座或母插座，其设置成与不同的对应框架元件或光伏模块上相应的母连接器或公连接器互连。这两种类型以及本文未具体指出的其他类型的组合均可用于框架中。

在一个实施方案中，所有轨条和竖框均为非导电中空构件。轨条和竖框可由任何所需非导电材料制成，包括但不限于陶瓷、木材、硅酸盐玻璃和塑料。在一个实施方案中，轨条和竖框由塑料制成。

术语“塑料”涵盖热塑性或热固性有机聚合物。适用于本文的所有有机聚合物在至多90℃或以上的温度下均为刚性固体。术语“塑料”应理解为涵盖未增强聚合物、颗粒填充聚合物、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(复合材料)。适于形成纤维增强聚合物的任何非导电强化纤维都适合在本文中使用。合适的纤维包括但不限于玻璃、芳族聚酰胺和陶瓷。

术语“短纤维增强聚合物”为本领域所用术语，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其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制备并通过注塑加工。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。制造方法可涉及真空模塑、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造过程中保留其独特纤维特性的其他非导电纤维。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。

适用于本文的任何塑料组合物还可包含工程聚合物领域常用的添加剂，包括无机填料、紫外线吸收剂、增塑剂、抗氧化剂、阻燃剂、颜料等。

当放在暴露于阳光下的表面上，经受高达90至120℃的持续沙漠温度时，合适的塑料应表现出尺寸稳定性和良好的机械保持性。许多塑料在低于该温度的温度下软化。不论是从保持光伏模块和构成它的太阳能电池的共面性角度，还是从抗挠性、抗剪强度和抗扭强度角度，软化都是不可接受的。合适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。

具体选择何种塑料树脂制造框架应视具体使用环境及成本而定。在沙漠那样的极为干燥气候下，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。由于多种原因，长纤维增强聚对苯二甲酸乙二酯树脂具有较高的性价比和使用满意度。在一个实施方案中，采用得自杜邦公司的PET聚酯树脂来制造轨条和竖框。

术语“光伏阵列”是指一个或多个具有上述定义的光伏模块的排列，这些光伏模块设置成将阳光(或其他光能)转化为电能。在现有的典型光伏阵列中，多个光伏模块以共面阵列形式排列。在典型商业设备中，接收充分阳光照射的单个光伏模块在24伏下输出4至5安培电流，而光伏阵列则可在500至1000伏下输出30安培电流。

在室外商业环境和住宅环境下，安全控制太阳能阵列的电能水平和电压水平要求所有裸露金属部件接地，并且需要对电连接采取防腐保护。在本发明中，此类连接或完全地容纳在由框架元件的非导电中空构件限定的内部中，或者用其自身非导电外壳隔离。不得将连接器暴露于腐蚀性环境中。

光伏阵列的特征在于其所有内部电子组件(包括光伏电池、旁路二极管、电导体和互连接头)均装入非导电框架元件、模块上的非导电框架段或其他非导电外壳内，并由这些部件提供支撑。光伏阵列允许在不降低安全性或不损害系统完整性的情况下以任何电压为输出电压的基准电压。不需要电气接地。除了与光伏阵列有关的安装成本和安全性的有益效果外，还存在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。但也不排除将基准电位设为地电位的情形。

适用于光伏阵列的光伏模块包括结构组件、通常排列为平行共面阵列并且具有光学透明保护罩的多个电气互连的光伏电池、和保护背衬；其中光伏电池以密封方式夹在覆盖层和背衬层之间。在一个实施方案中，结构组件为圆周式框架。在一个可供选择的实施方案中，结构组件为底层支撑结构。

在一个实施方案中，光伏模块还包括电气接线盒，在该接线盒内接入光伏电池的输出线，并从该接线盒引出高压电缆，将高压电缆连接到穿墙式安装在一个或多个中空构件上的耐候性连接器上，并且光伏模块之间的电连接由位于中空构件的至少一部分内的电导体提供。

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。在可供选择的实施方案中，光伏模块具有位于模块结构内的一体化电连接，如下所述。

在另一个实施方案中，每个轨条和竖框均由塑料制成，每个光伏模块还包括包围周边至少一部分的框架段构件，该框架段构件用来容纳电能输出连接；并且，其中将光伏模块彼此互连的所有电导体和电连接均位于中空构件和框架段构件的至少一部分内。

目前商用的光伏模块是构成平板的光伏电池的共面阵列。相似地，目前商用的光伏阵列通常是以平板光伏模块的平坦共面阵列形式存在。然而，在本发明可行的实施方案中，模块内的光伏电池或模块自身可形成弯曲表面，而不是平面。

将阳光转化为电能的任何光伏电池都适用。广泛商用的典型光伏电池包括夹在两层金属导体之间的掺杂硅层和未掺杂硅层。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。光伏电池串联和/或并联在一起，以达到在光伏阵列中发电所需的电流和电压值。

已经开发出可用作太阳能模块中的光伏电池的若干种半导体组合物。非晶硅和晶体硅以及晶体砷化镓都是太阳能电池的常用材料。通过本领域熟知的方式，将掺杂剂加入纯化合物并将金属导体沉积到各表面上：向阳面为薄格栅板，另一面通常为平板。通常，太阳能电池由硅晶锭制成，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，包括EvergreenSolar，Inc.(Marlboro，MA)、Solarworld California(Camarillo，CA)和Mitsubishi Electric Co.(New York，N.Y.)。

包括陶瓷、木材和聚合物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htt p://www.ul.com/dge/photovoltaics/tests.html

在一个实施方案中，光伏模块具有塑料结构构件。在另一个实施方案中，光伏模块具有金属结构构件，使得本来裸露的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。

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为按扣式连接类型。机械连接可以是可拆卸的以方便更换损坏部件。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，并且被设置成与设置在与其相连组件上的母组件相配。合适的连接器优选地经诸如UL和TUV之类组织批准可在光伏应用中使用。

在一个实施方案中，每个光伏模块均设置在由轨条和竖框构成的框架元件内，并电连接和机械连接到该框架元件上。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的机械连接包括但不限于以按扣方式连接到框架元件上的接纳轨道的框架、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(例如螺母柱、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，可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，可在UL 498和UL 1977规定的过负荷条件下作为直流断路装置使用。

在一个实施方案中，光伏模块具有目前广泛商用的设计，其特征在于连接到光伏模块背部安装的接线盒上的具有高压输出线的输出导体，导体末端具有如图3D所示的耐候性连接器(308和307)。输出高压线接入框架接线内。

在另一个实施方案中，诸如当前商用产品中所存在的类型的输出高压线被换成刚好安装到接线盒上的高压连接器，可直接插入框架元件上安装的互补连接器中，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，输出线在模块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，从而可同时达到机械固定和电连接的目的，如图4F和4G所示。

在大多数应用中，光伏阵列需要某种支撑面以便在上面构建框架。合适的支撑面包括屋顶、混凝土垫块和地面。利用本领域目前采用的已知方法，可将框架安装在活动的子结构上，从而使光伏阵列可“随着天空中的太阳旋转”。

在一个实施方案中，所有轨条和竖框均为非导电中空构件。

在一个实施方案中，轨条和竖框由塑料制成。

在一个实施方案中，塑料为玻璃增强聚对苯二甲酸乙二酯。

在一个实施方案中，纵向延伸的导电构件为金属线材。

在一个实施方案中，纵向延伸的导电构件为金属母线。

在一个实施方案中，光伏模块之间的电连接包括从连接到电气接线盒的光伏模块引出的输出线，以及从连接到穿墙式安装在一个或多个中空构件上的耐候性连接器的接线盒引出的高压输出电缆，并且光伏模块之间的电连接由位于中空构件的至少一部分内的电导体提供。

在一个实施方案中，每个轨条和竖框均由塑料制成，每个光伏模块还包括包围周边至少一部分的框架段构件，该框架段构件用来容纳电能输出连接；并且，其中将光伏模块彼此互连的所有电导体和连接器均位于中空构件和框架段构件的至少一部分内。

在一个实施方案中，光伏阵列的输出直接连接到电力负载。在一个可供选择的实施方案中，通过某个步骤对输出端进行加工和处理，然后再连接到外部负载。在一个实施方案中，光伏阵列的直流(DC)输出连接到逆变器以将直流输出转化为交流，然后再连接到变压器变为高压长距离输电，或变为低压供当地使用。

在一个实施方案中，光伏阵列的输出经硬接线输送至逆变器之类外部电气组件，以将太阳能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)。在一个可供选择的实施方案中，光伏阵列具有连接到外部电缆的高压输出隔离开关。在另一个实施方案中，光伏阵列的输出用来对铅酸蓄电池之类蓄电装置充电以储存电能。

在一个实施方案中，光伏阵列被设置成可接收最充足的阳光。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。在另一个实施方案中，该角度经调节，使得当天空中太阳的角度随季节变化时，光伏阵列全年都可保持最充足的阳光照射。

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埋在光伏模块框架段内的、或框架元件中空构件内的结构内。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埋在光伏模块与和光伏模块相连的框架元件之间的结构中。在这两个实施方案中，均不需要电气接地连接。

在整个阵列的所有电连接和接线均埋在光伏模块框架段构件内或框架元件中空构件内的结构中的实施方案中，在机械组装阵列时安装电连接。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。

图1至5示出了这些实施方案以及其他实施方案。在下文发明详述中，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形式的，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一些。

可设想到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：每个框架元件均单独建造，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都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都用来固定光伏模块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。每种光伏模块均包括一个或多个结构构件，例如图1C所示框架106以及在其他实施方案中的图1D中所示为113和图1E中所示为115的支撑梁。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都应具有足够支撑和保护，以免在恶劣的气候条件下出现微裂。

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，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固定框架构件201、203、204和205。在一个实施方案中，底脚可为塑料的。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金属部件，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隔板306上。在一个实施方案中，跳线末端为高压连接器，例如光伏阵列领域当前使用的高压连接器。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)，并纳入一体化机电连接器内，如下文所讨论。

在一个实施方案中，可按以下步骤形成本文所用的内部线束，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在15至20英尺长的优选圆形横截面的、优选穿孔的、优选塑料的非导电刚性管304上滑动，并沿管材滑至预定点处，其中管材预先设置在将要在光伏模块上安装的电连接所处位置。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。成型可通过以下方式实现，但也不必如此：将工具在工作台上弯曲，然后按扣到预先设置的隔板306上正确的位置。

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，以防止水分、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)由设置成连接框架构件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内存在接线，安装过程中只需要机械连接框架元件，即可同时进行接线连接。

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，其可为圆锥形，也可为截短的正方棱锥形、棱柱或允许将末端构件或中间构件与横跨构件迅速互连的任何形状。

例如，塑料互连器202可由以中空直角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与一体化互连器制造在一起。

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，可压下弹簧指251，以便对应的横跨构件205可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示出了设置成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。图4B中还示出了内螺纹导电支脚401，该支脚被结合到构成框架元件的塑料结构构件205，以将所需光伏模块固定到框架元件顶部。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。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进行结合，可将其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的单个框架元件。

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。进行电连接之后，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所示的实施方案中，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所示的情况下，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设置成接纳安装螺钉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可实现电连接，其中，金属螺钉405a与框架内的连接器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，通过电连接和机械连接框架元件形成一体化的光伏阵列。所有阵列接线和互连工作都可在现场安装之前在远处进行。在图4E所示的实施方案中，需要制备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，不需要安装电缆连接，机械连接和电连接同时安装，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，因而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可避免框架元件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。该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

·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-被设置成接纳螺钉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 (12)

1.包括多个机械和电气互连的非导电框架元件的框架，所述非导电框架元件被设置成以支撑方式接纳和电气互连多个光伏模块，每个所述框架元件包括：

--一对大致平行的轨条和一对大致平行并与所述轨条互连的竖框，其中所述轨条对和所述竖框对各自为包含非导电纤维增强塑料且具有内部的非导电中空管材构件，限定了大体上延伸所述轨条对和所述竖框对中的每一个的长度的全封闭的导轨；

--一个或多个设置在所述轨条对和所述竖框对中的所述轨条或所述竖框的至少一个的所述非导电中空管材构件的所述封闭导轨内的纵向延伸的导电构件；

--一个或多个设置在所述中空构件内部的电连接器，纵向延伸的导电构件被设置在所述中空构件中；

--其中所述导电构件和所述一个或多个电连接器的组合被设置成将所述框架元件彼此电气互连形成所述框架，其中所述多个光伏模块的电气互连是通过所述框架元件的所述非导电中空管材构件实现的。

2.权利要求1的框架，其中所述轨条和竖框由玻璃纤维增强塑料制造。

3.权利要求2的框架，其中所述塑料为玻璃增强聚对苯二甲酸乙二酯。

4.权利要求1的框架，其中所述纵向延伸的导电构件为金属线材。

5.权利要求1的框架，其中所述纵向延伸的导电构件为金属母线。

6.光伏阵列，所述光伏阵列包括：

--包括多个电气和机械互连的非导电框架元件的框架，所述非导电框架元件被设置成以支撑方式接纳和电气互连多个光伏模块；

--以支撑方式设置在所述多个框架元件上并与所述多个框架元件电气互连的多个光伏模块，每个光伏模块均具有一个或多个限定周边的边缘；

以及，

--介于所述光伏阵列和外部电力负载之间的电连接；并且，

其中每个所述框架元件均包括：

--一对大致平行的轨条和一对大致平行并与所述轨条互连的竖框，其中所述轨条对和所述竖框对各自为包含非导电纤维增强塑料且具有内部的非导电中空管材构件，限定了大体上延伸所述轨条对和所述竖框对中的每一个的长度的全封闭的导轨；

--设置在所述轨条对和所述竖框对中的所述轨条或所述竖框的至少一个的所述非导电中空管材构件的所述封闭导轨内的纵向延伸的导电构件；

--一个或多个设置在所述至少一个中空构件内部的电连接器，纵向延伸的导电构件被设置在所述中空构件中；并且，

--其中所述纵向延伸的导电构件和设置在所述框架元件的所述非导电中空管材构件内的所述一个或多个电连接器的组合将所述框架元件和所述光伏模块彼此电气互连在一起。

7.权利要求6的光伏阵列，其中所述框架元件的所述轨条和竖框由玻璃纤维增强塑料制造。

8.权利要求7的光伏阵列，其中所述塑料为玻璃增强聚对苯二甲酸乙二酯。

9.权利要求6的光伏阵列，其中所述框架元件的所述纵向延伸的导电构件为金属线材。

10.权利要求6的光伏阵列，其中所述框架元件的所述纵向延伸的导电构件为金属母线。

11.权利要求6的光伏阵列，其中所述光伏模块之间的电连接包括来自连接到电气接线盒的所述光伏模块的输出电连接，以及来自连接到安装在一个或多个所述中空管材构件上的耐候性连接器的所述接线盒的高压输出电缆，并且光伏模块之间的电连接由位于所述中空管材构件的至少一部分内的电导体实现。

12.一种包括用阳光照射光伏阵列，从而从所述光伏阵列产生电流的方法，所述光伏阵列包括：

--具有多个互连的非导电框架元件的框架，所述框架元件被设置成以支撑方式接纳和互连多个光伏模块；

--以支撑方式设置在所述多个框架元件上并与所述多个框架元件互连的多个光伏模块，每个光伏模块均具有一个或多个限定周边的边缘；

以及，

--介于所述光伏阵列和外部电力负载之间的电连接；并且，

其中每个所述框架元件均包括：

--一对大致平行的轨条和一对大致平行并与所述轨条互连的竖框，其中所述轨条对和所述竖框对各自为包含非导电纤维增强塑料且具有内部的非导电中空管材构件，限定了大体上延伸所述轨条对和所述竖框对中的每一个的长度的全封闭的导轨；

--设置在所述轨条对和所述竖框对中的所述轨条或所述竖框的至少一个的所述非导电中空管材构件的所述封闭导轨内的纵向延伸的导电构件；

--一个或多个设置在所述至少一个中空构件内部的电连接器，纵向延伸的导电构件被设置在所述中空构件中；并且，

--其中纵向延伸的导电构件和所述一个或多个电连接器的组合将所述框架元件和所述光伏模块彼此电气互连，并且将所述框架元件和所述光伏模块电气互连到电气输出连接，所述电气输出连接被设置成允许将所述阵列电连接到外部电力负载；

以及，

为所述外部电力负载提供电能。

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