CN102318081A - 低汇聚性平坦分布光伏模块 - Google Patents
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Abstract
本发明一般的涉及低汇聚性平坦分布光伏模块。光伏模块可以包括柔性后板，所述柔性后板具有多个导电电路元件，所述多个导电电路元件在导电表面上被凸饰或压印以产生光学特征。然后，太阳能电池与导电电路元件电接触，以产生光伏模块。通过对导电电路元件进行凸饰/压印，通常不会到达太阳能电池的入射太阳辐射可以被反射并被太阳能电池所收集。因此，接触到光伏模块的基本全部的太阳辐射被光伏模块的太阳能电池所收集。
Description
技术领域
本发明的实施例一般的涉及低汇聚性光伏模块。
背景技术
用于太阳能转换的光伏模块中的最昂贵组件是太阳能电池。有利的是，使用成本较低的元件来将太阳光汇聚在较少的太阳能电池上，以增大这些最昂贵组件各自的功率输出。因为太阳能电池的电压随着电流呈对数关系增长、并且太阳能电池中的电流与太阳光强度呈线性比例关系，所以增加太阳能电池上的太阳光强度也可以提高转换效率。使用光学元件将太阳光汇聚在太阳能电池上的光伏模块通常称作汇聚器。
汇聚光伏模块通常按其“几何汇聚率”来分类，所述几何汇聚率是光孔与电池面积的比率。更高的光学汇聚性对于给定功率输出使用最小的太阳能电池面积，但是更高的光学汇聚性需要更高质量的光学器件和更高的指向太阳精度(即，通常安装在1轴或2轴跟踪器上)、并且通常只转换太阳光的法向直射分量。非常低汇聚性的系统减小指向精度要求、可以潜在地使用固定方位而不需要跟踪系统、并且可以转换一些或很多漫射(即，非直射)光。
汇聚器光学器件的特征在于增加光伏模块内部的光学路径长度以汇聚辐射。通常，上述特征需要模块具有更大的深度或实体厚度。有利的是把汇聚器模块设计成深度与标准产品相似并且不需要跟踪，从而所述汇聚器模块可以与标准光伏模块可互换地使用。
通常模块中的太阳能电池间隔很近地聚在一起，以使光学损失最小化。然而，光伏模块中的太阳能电池之间需要空间，以适应热膨胀、制造公差和连接线中的应力减小。如果使用镜面反射后板，则入射在太阳能电池之间的光被正常反射并且穿过模块的前表面而消失。因此，入射在太阳能电池之间的大部分光没有转向至邻近的太阳能电池、因而没有转换成电力(参见图1)。用于在光伏模块内部收集上述光的已知方法是：在后板处使光散射并在光伏模块的前表面处通过全内反射来限制光。相反，如图2所示，模块具有多小面反射器(faceted reflector)，入射在所述模块的电池之间的光可以被转向至邻近的太阳能电池。光被多小面反射器反射朝向光伏模块的前表面，然后在所述前表面处由于全内反射，所述光在玻璃空气界面处反射。最终结果是光侧向传输至邻近的太阳能电池表面。因此，通过在后表面上使用多小面反射器，可以增加太阳能电池之间的间隔。据估计，通常的入射辐射在侧向被传输了等于模块的实体厚度的3.4倍的距离。上述估计意味着，更厚的模块可以使光侧向传输更大的距离，并且可以用更小的太阳能电池实现更高的汇聚比率。
在模块层叠步骤(“单体模块组装”)过程中可以将后接触太阳能电池直接组装到柔性电路，这消除了通常光伏模块组件中用于太阳能电池电路的电气组装的额外步骤。对于用于更薄的太阳能电池，单体模块组装在电气性能、组装成本和减小应力方面具有一些优势。
本领域中需要有效地确保入射太阳辐射适当的反射到太阳能电池的光伏模块。
发明内容
本发明一般的涉及低汇聚性光伏模块。光伏模块可以包括柔性后板，所述柔性后板具有多个导电电路元件，所述多个导电电路元件在导电表面上被凸饰或压印以产生光学特征。然后，太阳能电池与导电电路元件电接触，以产生光伏模块。通过对导电电路元件进行凸饰/压印，通常不会到达太阳能电池的入射太阳辐射可以被反射并被太阳能电池所收集。因此，接触到光伏模块的基本全部的太阳辐射被光伏模块的太阳能电池所收集。
在一个实施例中，光伏模块包括后板和耦合到后板的多个导电电路元件。多个导电电路元件具有凸饰表面。多个太阳能电池还可以耦合到导电电路元件的凸饰表面。
在另一实施例中，制造光伏模块的方法包括以预定图案将多个导电电路元件设置在后板上。多个导电电路元件具有第一表面和凸饰表面，第一表面与后板接触，凸饰表面与第一表面相反。该方法还包括将多个太阳能电池设置在多个导电电路元件上，从而暴露出多个导电电路元件的至少一部分。
附图说明
为了可以详细理解本发明的上述特征，参考实施例可以对上面简要概述的本发明进行更具体的描述，一些实施例在附图中示出。但是，应当注意，附图示出的仅仅是本发明的典型实施例，不应将附图视作对本发明范围的限制，因为本发明可以采用其他等效实施例。
图1是在通常的太阳能电池模块中的光反射的示意图。
图2是在具有多小面反射器的太阳能电池模块中的光反射的示意图。
图3是光伏模块的放大视图。
图4是光伏模块的示意性截面视图。
图5是柔性电路光伏模块后板的实施例的截面视图，所述柔性电路光伏模块后板包括在电路层中凸饰的光学特征。
图6是具有非对称光学汇聚性的模块的示意图。
图7是设置在凸饰的导电电路元件上的多个太阳能电池的示意图。
具体实施方式
本发明一般的涉及低汇聚性光伏模块。光伏模块可以包括柔性后板，所述柔性后板具有多个导电电路元件，这些导电电路元件受到凸饰(emboss)或压印(imprint)以在导电表面中产生光学特征。然后，太阳能电池与导电电路元件电接触，以产生光伏模块。通过对导电电路元件进行凸饰/压印，通常不会到达这些太阳能电池的入射太阳辐射可以被反射并被太阳能电池所收集。因此，接触到光伏模块的基本全部的太阳辐射被光伏模块的太阳能电池所收集。
图3是光伏模块的放大视图。图3示出了导电电路元件302，这些导电电路元件302被预先图案化(或放置)到后板304的表面上。后板304提供光伏模块中的多项功能，例如环境保护、防剪切、耐机械磨损、电绝缘。后板通常由不同的材料层组成以提供这些功能。例如，后板304可以包括聚氟乙烯外层，用粘结剂将所述聚氟乙烯外层滚压层压在聚酯上。导电电路元件302的图案根据待制造的模块的电气需求来选择，部分地由模块上要使用的太阳能电池的尺寸来规定。具体的，定位导电电路元件302，以使得当通过太阳能电池306来连接导电电路元件302时产生能够发电的电路。与如何精确地构造电路和将导电电路元件302彼此精确地放置在何处相关的决定可以根据用户的需求来调整。
后接触太阳能电池306放置在导电电路元件302之上，从而太阳能电池306的触点使电路完整。在太阳能电池触点与后板304上的导电电路元件302之间设置导电材料，以使光伏模块的电路完整。将聚合物封装板放置在太阳能电池306和后板304的表面之上。最后，将玻璃盖308放置在组装的元件之上。然后，使用适合于所选择的具体聚合物封装材料的热封、压力密封或其他密封方法来密封模块。
图4是光伏模块的示意性截面视图。光伏模块包括后板402和多个导电电路元件404，所述多个导电电路元件404以预定图案设置在后板402上。如下将描述的，导电电路元件404是受到凸饰的。如果需要确保导电电路元件404和太阳能电池408之间充分粘结，则可以在导电电路元件404之上提供导电保护层406。保护层406用于防止导电电路元件404接触导电电路元件404会氧化和失去导电性的环境。同样有用的是，选择具有与电连接材料相似的化学特性的涂层以避免腐蚀。在一个实施例中，保护层406可以包括银，并且保护层406可以具有高达约1000埃的厚度。可以通过任意已知沉积方法(例如，电化学沉积)来沉积保护层406。
为了将导电电路元件404电连接和粘结到太阳能电池408，可以提供导电连接层410。在太阳能电池的、被设计用于电连接的具体部分(“端子”)上使用导电连接层410。这些端子提供太阳能电池408上的、用于电连接到导电电路元件404的区域。导电连接层410可以包括导电粘结剂，例如中间具有导电颗粒(例如，银、碳、具有低液相线温度的金属合金等)的环氧类材料。或者，导电连接层410可以是焊料。可以在保护层406的整个表面上提供导电连接层410(只要粘结层对保护层406的反射能力没有负面影响)。在一个实施例中，可以在太阳能电池408和保护层406之间的选择位置上提供导电连接层410。还提供封装材料412和盖410。相邻的太阳能电池408可以由间隙416隔开，从而可以暴露出导电电路元件404或粘结层406(如果存在的话)。
本说明书讨论的实施例描述了把多小面反射器、衍射光栅或其他光学结构集成在柔性电路后板材料中以进行单体(monolithic)模块组装。这种方法的优点在于，因为柔性电路通常已经需要有高反射性金属层，所以将这些光学元件结合成模块几乎没有附加成本。用于柔性电路后板的附加处理步骤通常包括将光学特征印刷或凸饰在金属电路表面中。如贯穿说明书和权利要求书所使用的，术语“凸饰”表示生成特征的任意方法，包括但不限于压印、机械刻制、蚀刻、镀层和化学纹理化。金属电路优选地包括铜或铝，具有优选在约25微米和约125微米之间的厚度。金属电路层通常涂覆有可连接材料(例如，银)，该材料被设置在金属电路层中以改进用导电粘结剂或焊料将太阳能电池连接到柔性电路。可连接材料还用于防止金属电路层接触腐蚀性环境。该可连接涂层优选是高反射性的金属。凸饰特征的厚度优选小于金属电路层的厚度，以免对凸饰特征作为太阳能电池之间的电气连接的主要作用造成干扰。因此，特征尺寸优选在约0.5微米和约50微米之间。图5中示出了上述柔性电路的典型截面。几乎不需要改变处理即可将上述具有凸饰光学特征的柔性电路用于使用后接触太阳能电池的光伏模块的单体模块组装。
具有120度夹角的简单多小面反射器具有约25度的接收角。更精密的光学结构(包括将光学结构增加到玻璃表面)可以具有更大的接收角。光学器件可以设计成与各种太阳能电池尺寸和形状一起工作，以实现对模块定向具有不同灵敏性的不同汇聚率。下面讨论本发明的一些典型示例。
对于大太阳能电池的低汇聚性
硅太阳能电池的典型尺寸是156毫米乘156毫米。后板上的光学元件优选地使得电池间隔能够增加到约14.8毫米，14.8毫米的电池间隔对应于1.2倍的几何汇聚率。因为侧向传输距离超过15毫米(光伏模块的约5毫米厚度的3.4倍)，所以多小面反射器的光学效率可以非常高。
与准正方形和任意形状太阳能电池一起使用
单晶硅锭的生长通常产生晶锭。从上述圆锭切下的方形晶片通常具有圆角，所述圆角损失由方形尺寸所包括的面积的约0.5％到2.7％。多小面反射器和/或其他光学元件可以用于补偿很多损失的光。此外，多小面反射器可以用于增强任意形状太阳能电池的性能。因此，可以使用圆形或半圆形电池。
与小面积太阳能电池一起使用
光学辐射的侧向传输受到模块厚度的限制。因此，通过使用较小的电池来使几何汇聚率最大化。几何汇聚率为约1.2倍(对于大面积电池)到超过2倍(对于小面积电池)。在这种情况下，电池的边沿尺寸优选地选择为与光学辐射的侧向传输距离大致相等，例如，如果使用具有约5毫米的总厚度的模块则大致为15毫米。因为辐射的侧向传输光学效率随着偏离法线入射而降低，所以上述方法可能针对跟踪系统而受到优化。
非对称光学汇聚
太阳入射角是太阳位置与模块的表面法线之间的角度。太阳入射角是以模块的位置(纬度)、模块定向和太阳位置为变量的函数，太阳位置是当前时刻和季节的函数。太阳位置的最大改变(高达180度)产生于每天的日出和日落之间(“太阳方位”)，角度相对于地平线(“太阳高度”)的季节性波动较慢并且变动范围更有限。通过位置的纬度来确定高度的季节性波动范围。当太阳入射角超出光学汇聚器的接收角范围时，模块的发电量急剧降低。
将模块安装在跟踪太阳位置的结构上会使汇聚光学效率和发电量最大化。但是，为了有最广的应用，有利的是把模块设计成安装在固定位置。通过使用非对称设计来使光学汇聚性和接收角对于高度和方位而言不同，可以设计光学汇聚器以使由有限的接收角和固定定向造成的影响最小化。在方位方面具有较大的接收角与较少的光学汇聚性会使由于方位在一天中的变化造成的发电量损失最小，而在变化范围较小的高度方面可以使用较大的汇聚性与较小的接收角。或者，如果使用单轴跟踪系统，则可以使用相反的情况(即，与高度相比，在方位方面汇聚性较大)。实际上，这种非对称性表示使用多小面光学汇聚使太阳能电池在一个维度上相比于相反维度进一步分隔开。如图6所示，垂直方向上的宽间隔(A)比水平轴上的较窄间隔(B)具有更大的光学汇聚性。模块优选安装成使垂直轴处于垂直方向，以对于不进行跟踪的系统实现这种优势。
可以以预定图案来布置多个导电电路元件，从而模块中至少存在二乘二的太阳能电池阵列(当太阳能电池布置在导电电路元件上时)。如图4和图5所示，太阳能电池没有设置在整个导电电路元件之上，从而通过太阳能电池来覆盖导电电路元件。相反，将太阳能电池放置成暴露出导电电路元件的至少一部分，从而太阳辐射会对导电电路元件产生影响。如图6所示，第一太阳能电池与第一相邻太阳能电池在水平方向上分隔开第一距离“B”，并且第一太阳能电池还与第二相邻太阳能电池在垂直方向上分隔开第二距离“A”，第二距离大于第一距离。太阳能电池可以被分隔开，以使得非线性布置的三个太阳能电池可以分隔开不同的距离。
因为太阳能电池之间的间隔被高反射性的导电电路元件填充(从太阳的角度)，所述高反射性导电电路元件将反射对导电电路元件产生影响的太阳辐射，所以相邻太阳能电池之间的间隔可以增大。因此，可以聚集可能对光伏模块产生影响的几乎全部太阳辐射。很容易理解，因此，光伏模块的总表面积可以增加(由于相邻太阳能电池之间增大的间隔)并且太阳能电池的效率可以增大(由于太阳能电池聚集对导电电路元件产生影响的太阳辐射的能力)。此外，凸饰的导电电路元件可以使得光伏模块能够使用较小的太阳能电池甚至不同尺寸的太阳能电池来制造光伏模块，这可以减低光伏模块的制造成本。凸饰的导电电路元件还可以使得要制造的光伏模块具有除矩形之外的形状。
图7是在凸饰的导电电路元件之上设置的多个太阳能电池的示意图。如图7所示，太阳能电池702设置在导电电路元件704之上。在一个实施例中，导电电路元件704包括铜、铝或这两者的组合。应当理解，也可以使用其他材料。
导电电路元件704可以涂覆有层706，所述层706比导电电路元件704反射性更好并且还更适合于经受所处的环境。例如，铜在暴露于光伏模块内部的空气或湿气时易于氧化，可能容易地降低太阳能电池702和导电电路元件704之间的导电性。因此，当铜作为导电电路元件704的材料时，防止铜暴露于空气或湿气是有利的。对于层706特别有利的一种材料是银。银可以涂覆在导电电路元件704的所有表面上甚至凸饰部分708上。应当理解，除了银之外的材料也可以用于层706。例如可以使用具有低熔点的合金。可以使用粘结材料或焊料将太阳能电池702结合到层706。
如图7所示，导电电路元件704在设置太阳能电池702的表面上具有凸饰部分708和大致平坦(相对于凸饰部分708而言)部分。此外，与凸饰表面相反的表面也相对于凸饰部分708是大致平坦的。应当理解，整个上表面都可以是凸饰的，从而太阳能电池与凸饰表面结合。
太阳能电池702设置在大致平坦部分之上而并非在凸饰部分708之上。平坦部分相对于凸饰部分708具有在太阳能电池702与导电电路元件704之间增大的接触面积，这会产生太阳能电池702和导电电路元件704之间的更好的电接触。凸饰部分708设置成与太阳能电池702的边沿邻近，从而光可以从凸饰部分708反射并最终被太阳能电池702所收集。
通过给导电电路元件形成凸饰，没有被太阳能电池直接收集到的太阳辐射可以反射回到太阳能电池。高反射性材料将太阳辐射向上反射到光伏模块的前表面，太阳辐射在所述前表面处被反射从而被太阳能电池所收集。凸饰表面使得太阳辐射能够朝向前表面倾斜反射回去，从而太阳辐射将倾斜入射到前表面，然后倾斜反射回到太阳能电池。当然，导电电路元件的高反射性材料、用于可选粘结层的高反射性材料、前表面的高反射性背侧可以不反射全部的太阳辐射，但是被反射并最终被太阳能电池收集的任意太阳辐射将会比没有凸饰表面的情况下多。因此，凸饰导电电路元件提高了光伏功率输出。
尽管以上所述针对的是本发明的实施例，但是在不脱离本发明基本范围的情况下可以得出本发明其他的和进一步的实施例，本发明的范围由权利要求书来确定。
Claims (15)
1.一种光伏模块，其包括：
后板；
耦合到所述后板的多个导电电路元件，多个所述导电电路元件具有包含凸饰部分的表面；和
多个太阳能电池，多个所述太阳能电池耦合到所述导电电路元件的、包含所述凸饰部分的表面。
2.根据权利要求1所述的光伏模块，其中，所述多个导电电路元件以预定图案来布置，从而在所述光伏模块中至少存在二乘二的太阳能电池阵列，其中，第一太阳能电池与第一相邻太阳能电池分隔开第一距离，所述第一太阳能电池与第二相邻太阳能电池分隔开第二距离，所述第二距离大于所述第一距离。
3.根据权利要求1所述的光伏模块，其中，每个所述导电电路元件具有所述凸饰部分和一个或多个其他部分，所述其他部分相对于所述凸饰部分而言是大致平坦的。
4.根据权利要求3所述的光伏模块，其中，多个所述太阳能电池中的至少一个太阳能电池耦合到所述一个或多个其他部分中的至少一个部分。
5.根据权利要求1所述的光伏模块，其中，所述至少一个太阳能电池的边沿设置成与所述凸饰部分相邻，其中，每个所述导电电路元件涂覆有比下面的所述导电电路元件反射率更高的材料，其中，所述多个导电电路元件包括从由铜、银和这两者的组合组成的群组中选出的材料。
6.根据权利要求1所述的光伏模块，其中，带有凸饰的所述多个导电电路元件的特征尺寸在约0.5微米到约50微米之间。
7.根据权利要求6所述的光伏模块，其中，所述多个导电电路元件以预定图案来布置，从而在所述光伏模块中至少存在二乘二的太阳能电池阵列，其中，第一太阳能电池与第一相邻太阳能电池分隔开第一距离，所述第一太阳能电池与第二相邻太阳能电池分隔开第二距离，所述第二距离大于所述第一距离。
8.一种制造光伏模块的方法，包括如下步骤：
将多个导电电路元件以预定图案设置在后板上，所述多个导电电路元件具有第一表面和第二表面，所述第一表面与所述后板接触，所述第二表面与所述第一表面相反，所述第二表面具有凸饰部分；和
将多个太阳能电池设置在所述多个导电电路元件上，从而暴露出所述多个导电电路元件的至少一部分。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括如下步骤，
给所述多个导电电路元件形成凸饰。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，形成凸饰的步骤发生在将所述多个导电电路元件设置在所述后板上之前。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述预定图案被布置成使得所述光伏模块中至少存在二乘二的太阳能电池阵列，其中，第一太阳能电池与第一相邻太阳能电池分隔开第一距离，所述第一太阳能电池与第二相邻太阳能电池分隔开第二距离，所述第二距离大于所述第一距离。
12.根据权利要求8所述的方法，其中，每个所述导电电路元件具有所述凸饰部分和一个或多个其他部分，所述其他部分相对于所述凸饰部分而言是大致平坦的，所述多个太阳能电池中的至少一个太阳能电池耦合到所述一个或多个其他部分中的至少一个部分。
13.根据权利要求8所述的方法，其中，所述至少一个太阳能电池的边沿设置成与所述凸饰部分相邻，其中，每个所述导电电路元件涂覆有比下面的所述导电电路元件反射率更高的材料，其中，所述多个导电电路元件包括从由铜、银和这两者的组合组成的群组中选出的材料。
14.根据权利要求8所述的方法，其中，带有凸饰的所述多个导电电路元件的特征尺寸在约0.5微米到约50微米之间。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述多个导电电路元件以预定图案来布置，从而在所述光伏模块中至少存在二乘二的太阳能电池阵列，其中，第一太阳能电池与第一相邻太阳能电池分隔开第一距离，所述第一太阳能电池与第二相邻太阳能电池分隔开第二距离，所述第二距离大于所述第一距离。
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