CN102280508A - 用于聚光光伏系统的接收器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于聚光光伏系统的接收器以及用于制造这样的接收器的方法。一种用于聚光光伏系统的接收器可以包括衬底；位于衬底的第一表面上的多个电接触垫；以及多个光伏电池，其中每个光伏电池具有多个导电轨迹，每个导电轨迹电耦合至一个电接触垫。在一些实施方式中，所有导电轨迹可以位于光伏电池的背表面上，用于传导由被照亮时的光伏电池产生的电流。可替换地，导电轨迹还可以位于光伏电池的前表面上，并且可以通过电连接器而电耦合至对应的接触垫。不考虑具体设置，可以使用通常用于电子工业的工业标准焊接技术来制造接收器。

Description

用于聚光光伏系统的接收器及其制造方法

技术领域

本文描述的主题通常涉及光伏系统领域。更具体地，本文公开的主题涉及用于光伏系统的接收器以及用于制造这样的接收器的方法。

背景技术

光伏电池将太阳能转换为电能。一种类型的太阳能光伏收集器是非聚光的收集器，其直接截取太阳辐射，用于转换为电能。由于这样的系统直接接收太阳能而没有任何放大，所以有时将它们称为“一倍太阳强度”系统。用于将光伏电池装配到硬板中以用于利用非聚光的阳光产生能量的传统方法包括多个步骤。首先，通过将挠性扁钢丝(扁平柔性电缆)焊接至单个电池而将它们串列成线性电路。然后将电池串装配成一列或几列平行的二维阵列。将布线阵列放置在由衬底材料、易熔聚合物(例如EVA)和透明盖板组成的夹层中，然后将该夹层真空地层压并安装在框架中。然后将具有旁路二极管的接线盒连接至组合件的后部。该过程是劳动密集型的，并且在每个处理步骤中暴露易碎的电池使其经受损坏的危险。过程的一些阶段(例如串列电池)可以是自动化的，但是自动化设备通常是专用于该任务的，并且因此是相当昂贵的。

比较而言，聚光光伏系统试图通过使用低成本的光学器件(例如镜子或透镜)以使阳光聚焦，而减少光伏电池的总面积，从而减少这些成本中的至少一些。对于使用聚光物的系统，需要开发可替换的太阳能电池板(在聚光光伏应用中典型地称为“接收器”)，与用于“一倍太阳强度”而制造的电池板中所使用的相比，其包括较小的电池和更好的热驱散系统。较小的电池可以管理由聚光的阳光产生的更高的电流密度，并且更好的热量管理系统经常用于驱散大量的废热。可能使用与在“一倍太阳强度”电池板中使用的相同的方法来构成用于聚光光伏系统的这样的较小的接收器。可以对较小的电池施加串列操作，并且可以将熔融的夹层中的衬底材料以适当的比例替换为被动或主动的散热片。

然而，尽管由于用于聚光系统的接收器的较小比例而导致的这些节约，这样的方法可能需要比在“一倍太阳强度”电池板的制造中所使用的甚至更多的专用设备，并且通常不能在电池和散热片之间提供最佳的热接触。此外，一些传统的易熔聚合物在暴露至聚光的阳光下时迅速降解，所以一般使用替代材料。在光伏接收器中的较小元件、更先进的材料和更好的热驱散相结合使得必然经受更高的制造成本的风险，这将会抵消通过减少电池面积而实现的节约中的一些或全部。

因此，存在对于用于聚光光伏系统的接收器和用于制造这样的接收器的方法的需要，使得能够将光伏接收器的材料和组件成本减少至低于“一倍太阳强度”电池板的水平。

发明内容

本文描述的主题包括用于聚光光伏系统的接收器和用于制造这样的接收器的方法。一方面，提供一种用于聚光光伏系统的接收器。该接收器可以包括衬底，其至少一部分是导热的；位于衬底的第一表面上的多个电接触垫；以及多个光伏电池。每个光伏电池可以具有用于在使用过程中暴露至光源的第一表面；和与第一表面相反的第二表面。第二表面可以包括跨过第二表面延伸的多个导电轨迹，其用于传导由被照亮时的光伏电池产生的电流，其中每个导电轨迹的至少一部分电耦合至一个电接触垫。

另一方面，提供一种用于制造用于聚光光伏系统的接收器的方法。该方法可以包括将多个电接触垫定位在衬底的第一表面上；将焊锡膏施加至电接触垫；将多个光伏电池放置在电接触垫上；施加热量以使焊锡膏回流；以及去除所施加的热量以使回流的焊锡膏凝固。每个光伏电池可以具有用于在使用过程中暴露至光源的第一表面；和与第一表面相反的第二表面。第二表面可以包括跨过第二表面延伸的多个导电轨迹，其用于传导由被照亮时的光伏电池产生的电流，其中焊锡膏将每个导电轨迹的一部分连接至一个电接触垫。

再一个方面，提供一种用于聚光光伏系统的接收器。该接收器可以包括衬底，其至少一部分是导热的；在衬底的第一表面上的多个第一电接触垫；在衬底的第一表面上的多个第二电接触垫，第二电接触垫与第一电接触垫间隔开；多个光伏电池，其中的每一个电池包括跨过电池的第一表面延伸的多个第一导电轨迹和跨过电池的第二表面延伸的多个第二导电轨迹；以及微刻蚀的导电突片，其将第一导电轨迹电连接至第二电接触垫。第一导电轨迹可以具有第一极性，并且第二导电轨迹可以具有与第一极性相反的第二极性，其中第一和第二导电轨迹传导由被照亮时的光伏电池产生的电流，并且其中每个第二导电轨迹的一部分电耦合至一个第一电接触垫。

再另一个方面，提供一种用于制造用于聚光光伏系统的接收器的方法。该方法可以包括将多个第一电接触垫和多个第二电接触垫定位在衬底的第一表面上；将焊锡膏施加至第一和第二电接触垫；将多个光伏电池放置在第一电接触垫上。每个光伏电池具有跨过电池的第一表面延伸的多个第一导电轨迹和跨过电池的第二表面延伸的多个第二导电轨迹，其中第一导电轨迹具有第一极性，并且第二导电轨迹具有与第一极性相反的第二极性，其中第一和第二导电轨迹传导由被照亮时的光伏电池产生的电流，并且其中焊锡膏将每个第二导电轨迹的一部分连接至一个第一电接触垫。该方法还包括将微刻蚀的导电突片放置在第二电接触垫上，使其朝向第一导电轨迹延伸；施加热量以使焊锡膏回流；去除所施加的热量以使回流的焊锡膏凝固，这可以将第二导电轨迹连接至第一电接触垫，并且将导电突片连接至第二电接触垫；以及将导电突片焊接至第一导电轨迹。

尽管在上文中已经陈述了本文公开的主题的一些方面，并且通过目前公开的主题整体或部分地实现上述方面，但是随着如下文中最佳描述的实施方式的进行并结合附图，其他方面也将会是明显的。

附图说明

从下面的具体实施方式将会更容易地理解本主题的特征和优点，其中具体实施方式应该结合附图阅读，附图仅以示例性的方式给出，并且是非限制性的实施例。

图1是根据目前公开主题的一个实施方式的用于聚光光伏系统的接收器的透视图；

图2A和2B是图1中示出的接收器的细节透视图；

图3是图1中示出的接收器的分解图；

图4是适用于根据目前公开主题的一个实施方式的用于聚光光伏系统的接收器的电接触装置的透视图；

图5是根据目前公开主题的另一个实施方式的用于聚光光伏系统的接收器的透视图；

图6是图5中示出的接收器的分解图；

图7是图5中示出的接收器的俯视图；

图8是适用于根据目前公开主题的一个实施方式的用于聚光光伏系统的接收器的电接触装置的透视图；以及

图9是适用于根据目前公开主题的一个实施方式的用于聚光光伏系统的接收器的电连接器的透视图。

具体实施方式

本主题提供用于聚光光伏系统的接收器和用于制造这样的接收器的方法。应该注意到，在用于聚光光伏系统的接收器中的元件的物理比例可以与电子电路板和电路元件的比例相似。在这点上，因为用于电子电路的制造方法是高度发展、比较便宜和容易理解的，所以相信光伏接收器的制造可以结合该发展良好的产业的优点，以将接收器的材料和组件成本减少至低于“一倍太阳强度”电池板的水平，从而加强而不是抵消聚光光伏系统固有的成本节约。

例如，在图1-4中示出的一个方面中，本主题提供一种用于聚光光伏系统的接收器，通常附图标记为100，其可以包括被包含在多层部件中的光伏电池101(“太阳能电池”)的串列。例如，接收器100可以包括多个光伏电池101，它们通过使用印刷电路板102连接成电路。例如，电路板102可以是金属电路卡，例如铝或铜电路卡，其具有一个或多个绝缘介质层(即不导电层)，以及在电路板102的前表面上蚀刻或电镀的用于电连接的铜轨迹。这样的可大量生产的电路卡通常用于需要热传导至热驱散设备的电源，因为这种电路卡可以提供优良的热传导。例如，许多制造商(例如Bergquist、Alpine、ACS)提供这些卡作为标准产品。可替换地，电路板102可以是玻璃纤维电路板，其中在电路板102的前表面上具有粘结的铜线和保形涂布的焊接掩膜。这样的玻璃纤维电路板通常成本较低并且比金属电路卡提供更高的热阻。大量的制造商提供这种性质的低成本印刷电路板，甚至为订货产品提供短的交货时间。

不考虑为电路板102选择的材料，电路板102的整个背表面可以用铜涂布，并且通过电镀的通孔(“通路”)而热连接至前表面。这些孔可以与前表面上的电路绝缘，以便它们提供热通路，而不会将电源短接至电路板102的背表面。电路板102还可以热耦合至放热底板103。参考图2A和2B，接收器100还可以包括入射光传感器104，电阻器105以及正和负电源线107和108。

可以在底板103的末端上连接端盖106以形成盘架。如图3所示，由底板103和端盖106形成的该盘架可以填充有在光伏电池101上面的一层防水防尘的密封剂109。例如，密封剂109可以是充分干燥的硅树脂密封剂，其可以作为接收器100的外层光学前表面。接收器100还可以包括热耦合至底板103的一个散热片或一组散热片110，并且可以将盖111定位在光伏电池101上方，其具有位于光伏电池101和入射光传感器104周围的切口。

参考图4，每个光伏电池101可以具有用于在使用过程中暴露至光源的前表面，和与前表面相反的背表面。每个光伏电池101的背表面可以具有正极接点101A和负极接点101B的图案，它们可以例如通过焊接而电连接至印刷电路板102上的对应的正极轨迹102A和负极轨迹102B。如图4所述，例如，可以以交替的、错开的模式设置这些正极和负极接点101A和101B。在任何设置中，接点可以在光伏电池101的背表面上整体地耦合至轨迹。例如，当光伏电池101连接至电路板102时，可以进行这些连接。因此，可以在单个制造步骤中将光伏电池101连接至电路板102。

正极接点和负极接点101A和101B在光伏电池101的背表面上的定位可以提供许多优点。例如，在光伏电池101的背表面上整体地形成这些连接避免了对于在光伏电池101的边缘上的、用以将正极和负极互相交叉的轨迹分别连接在一起的带子需要。同样地，在背表面的中心区域上或其附近形成这些连接可以将正极接点和负极接点101A和101B中的串联电阻最多减少到四分之一。此外，在背表面上的这些连接可以实现提供电连接以及增加从光伏电池101到电路板102和/或底板103的热传导的双重目的。

在图5-9中示出的目前公开的主题的替换实施方式中，本主题提供用于聚光光伏系统的接收器的另一种结构，通常附图标记为200，其同样可以包括使用印刷电路板202被连接成电路的光伏电池201的串列。与上面讨论的结构同样地，接收器200可以包括入射光传感器204，电阻器205，旁路二极管206，以及正和负电源线207和208，它们都在一层防水防尘的密封剂209下面并且热耦合至一个散热片或一组散热片210。

每个光伏电池201的正极接点201A可以位于光伏电池201的背表面上，这些正极接点201A电连接至印刷电路板上的对应的正极轨迹202A。然而与上述结构相反地，光伏电池201的负极接点201B可以位于光伏电池201的前表面上。这些负极接点201B可以通过电连接器203而电连接至印刷电路板上的对应的负极轨迹202B，该电连接器203可以是被蚀刻的或显微机械加工的铜突片。由于光伏电池201和电路板202可以由不同的材料构成，所以电连接器203可以设计为提供一定程度的应变消除，以解决不同材料的热膨胀的差异。具体地，例如，如图9所示，电连接器203可以具有从中心部分203A延伸的多个独立连接器臂，该中心部分203A具有应变消除的几何结构。例如在不均匀热膨胀过程中，应变消除的几何结构和独立连接器臂都可以允许光伏电池201的边缘相对于电路板202移动。

不考虑部件的具体结构，可以使用在电子工业中通常使用的工业标准焊接技术来执行接收器100或200的制造。下面的典型制造过程的讨论除了另外指出的以外，将参考关于接收器100的上述部件，但是应该理解，关于接收器200可以使用相同的制造方法。可以将铜的电路轨迹印刷在电路板102上，并且除了暴露的铜焊接垫以外，使其覆盖有电介质，其中暴露的铜焊接垫起到轨迹102A和102B的作用，光伏电池101和其他接收器部件可以与其接触。可以例如通过使用电子工业标准筛选设备将焊锡膏施加至这些垫。可以使用为电路板制造业开发的标准“拾取并放置”设备(例如真空拾取并放置)将光伏电池101和其他部件放置在垫上。

一旦将需要的部件装配好，可以使电路板102经过一个回流焊炉，以将光伏电池101的背表面上的接点101A和101B熔化至电路卡上的暴露的轨迹102A和102B。在上面讨论的关于接收器100的结构中，光伏电池101可以在光伏电池101的背表面上具有正极接点101A和负极接点101B，这可以在经过回流阶段以后提供光伏电池101的完全电连接。比较而言，在讨论的关于接收器200的结构中，还可以提供前侧连接，其可以通过第二步骤而完成，在该第二步骤中将电连接器203放置为使得它们从光伏电池201的前表面上的母线(即负极接点201B)桥接至电路板上的分别暴露的垫(即负极轨迹202B)。可以使用相同的标准设备放置和回流焊接电连接器203。可以与光伏电池201同时地放置并焊接包括旁路二极管、柔韧铜辫(pigtail)或表面安装的电源连接器、光传感器和表面安装技术(SMT)电阻器的分离电路元件。

除了通过在传统的接收器制造方法中的该过程可以实现的制造的相对容易之外，公开的方法还可以改善光伏电池101到其他部件(例如电路板102)的连接。具体地，在回流过程中，结晶的光伏电池和它们的金属背表面接点的不均匀热膨胀倾向于卷曲。取决于怎样将部件固定在一起，该不均匀膨胀可能引起应变，其可能导致光伏电池101的损坏。例如，如果正极和负极接点101A和101B在光伏电池101的不同边缘上连接至对应的轨迹102A和102B，则光伏电池101相对于电路板102的膨胀的差异可能导致光伏电池101弯曲并潜在地破裂。

为了帮助避免这样的问题，可以选择接点的设置以预先考虑部件的不均匀膨胀。例如，在上面讨论的关于接收器100的结构中，可以将正极和负极接点101A和101B都提供在光伏电池101的背表面的中心区域上或其附近。在该结构中，光伏电池101在回流焊炉中的卷曲可以导致光伏电池101的边缘升高而远离下面的衬底(例如电路板102)，这可以为焊接连接提供空隙，从而在部件之间构建紧固互连。另外，通过热弛豫和部件的冷却，光伏电池101的边缘可以压回而抵靠电路板102，这可以引起机械应力，从而在电路板102上将悬臂状的电池边缘保持为平坦。

同样地，在上面讨论的关于接收器200的结构中，可以将正极接点201A都提供在光伏电池201的背表面的中心区域上或其附近。在正极接点201A与对应的正极轨迹202A的回流结合过程中，这样的设置可以允许光伏电池201的热膨胀和收缩。一旦通过该电连接将光伏电池201固定至电路板202，可以将电连接器203连接为使得负极接点201B与对应的负极轨迹202B电连接。

为了耐久性和耐气候性，可以例如通过将密封剂109沉积在光伏电池101上而将最终产品封装，例如采用以透明液体硅树脂为基剂的化合物。此外，印刷电路板制造技术可以提供对于该问题的简便解决方案。例如，可以将电路板102装配至底板103(例如模压的或机械加工的金属壳体)，并且使用导热的化合物将电路板102的背表面热耦合至底板103。可以经由通过底板103的NEMA连接器而形成对电路板102的电源和光传感器连接。可以注入液体硅树脂(灌注)的密封剂以覆盖并密封所有光伏电池101和电子部件，同时提供透明的光耦合至光伏电池101和它们的防反射表面。

可替换地，当在所述壳体中时，用于为电子器件施加保形绝缘涂层的同一喷射设备可以用于为电池组件的整个前侧施加透明保形密封剂的厚层(例如大约0.030英寸厚)。通过具体实施例的方式，该涂层可以是Dow 1-2620保形涂层。与本文讨论的许多处理步骤一样，可以用于喷射或灌注配剂的设备通常可用于制造和组装电路卡的相同类型的装置中，从而允许在单个电子器件加工厂中的端到端的生产。

如上所述，可以使用导热润滑脂、环氧膜或粘合膜进一步地将底板103装配至散热片110。可替换地，散热片110可以与底板103是整体的，从而消除在散热片110和底板103之间的接合点中的热阻。可替换地，散热片110可以与电路板102本身是整体的，并且在散热片110的前表面上形成轨迹102A和102B的图案，从而消除在电路板102和底板103之间以及在底板103和散热片110之间的热传递接合点。进一步可替换地，电路板102可以直接装配至散热片110的前表面，从而消除底板103和一个热传递接合点，并且利用电路板102的喷射封装而无需灌注。

另外，为了发展和质量保证，电子工业标准X射线检验设备可以用于检查光伏电池101的接点与电路板102的轨迹之间的隐蔽连接(例如焊接点)。因此，用于制造用于低倍至中倍聚光光伏系统的太阳能接收器100的方法不仅采用超过十年的为电子工业开发的制造材料和方法，其还允许使用通常可用于制造场所的标准测试设备对最终产品进行测试和评估。在电子工业领域中有经验的人员或太阳能电池板产品领域的技术人员将会明白在处理、封装、质量保证、产品收得率和记录技术中的许多其他优点。

本主题可以以其他形式实施，而不会背离其精神和本质特征。因此描述的实施方式应考虑为在各个方面的说明性的而不是限制性的。尽管已经根据一些优选的实施方式描述了本主题，但是对于本领域技术人员显而易见的其他实施方式也包含在本主题的保护范围中。

Claims (20)

1.一种用于聚光光伏系统的接收器，所述接收器包括：

衬底，其至少一部分是导热的；

位于衬底的第一表面上的多个电接触垫；以及

多个光伏电池，每个光伏电池具有用于在使用过程中暴露至光源的第一表面以及与第一表面相反的第二表面，其中第二表面包括跨过第二表面延伸的多个导电轨迹，其用于传导由被照亮时的光伏电池产生的电流，其中每个导电轨迹的至少一部分电耦合至一个电接触垫。

2.根据权利要求1所述的接收器，其中衬底包括印刷电路板。

3.根据权利要求2所述的接收器，包括放热底板，其耦合至衬底的与第一表面相反的第二表面。

4.根据权利要求1所述的接收器，其中导电轨迹位于第二表面的中心区域上或其附近。

5.根据权利要求1所述的接收器，其中导电轨迹包括交替的正极和负极轨迹。

6.根据权利要求1所述的接收器，其中将每个导电轨迹的至少一部分焊接至一个电接触垫。

7.根据权利要求1所述的接收器，包括不导电层，其覆盖衬底的第一表面的除了设置有电接触垫的位置以外的至少一部分。

8.根据权利要求1所述的接收器，包括密封层，其位于多个光伏电池的上方。

9.一种用于制造用于聚光光伏系统的接收器的方法，所述方法包括：

将多个电接触垫定位在衬底的第一表面上，衬底的至少一部分是导热的；

将焊锡膏施加至电接触垫；

将多个光伏电池放置在电接触垫上，每个光伏电池具有用于在使用过程中暴露至光源的第一表面以及与第一表面相反的第二表面，其中第二表面包括跨过第二表面延伸的多个导电轨迹，其用于传导由被照亮时的光伏电池产生的电流，其中焊锡膏将每个导电轨迹的一部分连接至一个电接触垫；

施加热量以使焊锡膏回流；以及

去除所应用的热量以使回流的焊锡膏凝固，并且将导电轨迹连接至电接触垫。

10.根据权利要求9所述的方法，其中焊锡膏将每个导电轨迹的位于第二表面的中心区域上或其附近的一部分连接至一个电接触垫。

11.一种用于聚光光伏系统的接收器，所述接收器包括：

衬底，其至少一部分是导热的；

在衬底的第一表面上的多个第一电接触垫；

在衬底的第一表面上的多个第二电接触垫，第二电接触垫与第一电接触垫间隔开；

多个光伏电池，每个光伏电池具有用于在使用过程中暴露至光源的第一表面以及与第一表面相反的第二表面，其中第一表面包括跨过第一表面延伸的多个第一导电轨迹，并且第二表面包括跨过第二表面延伸的多个第二导电轨迹，其中第一导电轨迹具有第一极性，并且第二导电轨迹具有与第一极性相反的第二极性，其中第一和第二导电轨迹传导由被照亮时的光伏电池产生的电流，并且其中每个第二导电轨迹的一部分电耦合至一个第一电接触垫；以及

微刻蚀的导电突片，其将第一导电轨迹电连接至第二电接触垫。

12.根据权利要求11所述的接收器，其中衬底包括印刷电路板。

13.根据权利要求12所述的接收器，包括放热底板，其耦合至衬底的与第一表面相反的第二表面。

14.根据权利要求11所述的接收器，其中第二导电轨迹位于第二表面的中心区域上或其附近。

15.根据权利要求11所述的接收器，其中将每个第二导电轨迹焊接至一个第一电接触垫。

16.根据权利要求11所述的接收器，其中微刻蚀的导电突片包括多个连接器臂和应变消除部分。

17.根据权利要求11所述的接收器，包括不导电层，其覆盖衬底的第一表面的除了设置有第一电接触垫和第二电接触垫的位置以外的至少一部分。

18.根据权利要求11所述的接收器，包括密封层，其位于多个光伏电池的上方。

19.一种用于制造用于聚光光伏系统的接收器的方法，所述方法包括：

将多个第一电接触垫和多个第二电接触垫定位在衬底的第一表面上，衬底的至少一部分是导热的；

将焊锡膏施加至第一和第二电接触垫；

将多个光伏电池放置在第一电接触垫上，每个光伏电池具有用于在使用过程中暴露至光源的第一表面以及与第一表面相反的第二表面，其中第一表面包括跨过第一表面延伸的多个第一导电轨迹，并且第二表面包括跨过第二表面延伸的多个第二导电轨迹，其中第一导电轨迹具有第一极性，并且第二导电轨迹具有与第一极性相反的第二极性，其中第一和第二导电轨迹传导由被照亮时的光伏电池产生的电流，并且其中焊锡膏将每个第二导电轨迹的一部分连接至一个第一电接触垫：

将微刻蚀的导电突片放置在第二电接触垫上，使其朝向第一导电轨迹延伸；

施加热量以使焊锡膏回流；

去除所应用的热量以使回流的焊锡膏凝固，从而将第二导电轨迹连接至第一电接触垫，并且将导电突片连接至第二电接触垫；以及

将导电突片焊接至第一导电轨迹。

20.根据权利要求19所述的方法，其中焊锡膏将每个第二导电轨迹的位于第二表面的中心区域上或其附近的一部分连接至一个第一电接触垫。

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