CN102422432A - 用于光伏组件的散热保护片和密封材料 - Google Patents

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Abstract

提供了一种光伏组件，其阻止或减少封装在组件内的光伏电池温度的无用增加。这是通过将材料并入组件部件而实现，所述组件部件将热量导离位于组件内的太阳能电池。将一种或多种相变材料并入位于最接近太阳能电池的背板的聚合物层。导热材料可并入较接近组件外侧的层和/或组件部件。这些材料可单独使用或彼此结合使用。

Description

用于光伏组件的散热保护片和密封材料
发明背景
相关申请的交叉引用
本申请要求于2009年5月14日提交的第61/178,210号美国临时专利申请的优先权，其全部内容通过引用并入本申请。
技术领域
本发明涉及光伏组件。更具体地，本发明涉及光伏组件的保护片和密封材料。
背景技术
通过光伏组件而利用的太阳能是将在本世纪被耗尽的化石燃料的最有前途的替代品。然而，光伏组件的生产和安装仍然是昂贵的过程。典型的光伏组件由玻璃或柔性的透明前板、太阳能电池、密封材料、保护背板、覆盖组件边缘的保护密封件以及覆盖密封件的铝制边框构成。如图1所示，将前板10、背板20以及密封材料30和30’设计为保护电池阵列40不受天气因素、湿度、机械载荷及碰撞影响。同样地，前板10、背板20以及密封材料30和30’还为人员安全及电流损耗提供电绝缘。保护背板20旨在对光伏组件的使用寿命和效率作出改进，因此减少了每瓦特光伏电的成本。虽然前板10及密封材料30和30’为了高透光性而必须是透明的，但背板通常出于审美目的而具有高遮光度并且出于功能性目的而具有高反射率。对于包括重量减轻的诸多原因、尤其是对于建筑(构建集成的光伏装置)和空间应用以及军事应用(成为军人装备的一部分等)，期望轻薄的太阳能电池组件。此外，轻薄组件还导致成本降低。所消耗材料量的减少使技术“更绿色”，因此节省了更多的自然资源。
制造轻薄太阳能电池的一种装置包括轻薄的背板。然而，背面的覆盖材料还必须具有高防潮性来防止水汽和水的渗透，水汽和水可导致诸如光伏元件、电线和电极的下层部件生锈，并破坏太阳能电池。此外，背板应提供电绝缘、机械保护、紫外线保护，还应粘附至密封材料并能够附接输出引线。
目前使用的保护背板通常(但不总是)为层压板。图2提供了典型的层压背板20的示意图。层压板由聚氟乙烯22(最常见的为Tedlar
Figure BPA00001463201600021
)和聚酯(PET)24的膜和作为关键组分的乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)共聚物26构成。EVA层26与组件中的密封材料层30结合并作为介电层，EVA层26还具有良好的防潮性能。其在尺寸上是稳定的。
由可将入射的太阳能转换为有用电能的效率来表征光伏装置(PV)。采用晶体硅或非晶硅的装置实现了23％或更高的效率。然而，高效的晶体类装置难于制备且制备昂贵。例如，对于1kw的组件输出功率来说，所需硅的量约为20kg，而1kg的电子级硅估计价值约为$20.00。要生产低成本的电力，太阳能电池必须在高效率下运行。
光伏电池(或者称为太阳能电池)对温度非常敏感。已测定在64℃的运行温度下，晶体硅太阳能电池的效率与标准测试条件(25℃)下所测量的效率相比下降了69％。(A.Q.Malik，Salmi Jan Bin Haji Damit“Outdoor testing of single crystal silicon solar cells(单晶硅太阳能电池的户外测试)”Renewable energy，Volume 28，Issue 9，July 2003，P1433-1445)。
温度依赖性可用数学方式来表达。带隙能量的温度依赖性由以下方程建模：
E G ( T ) = E G ( 0 ) - α T 2 T + β
其中，EG(0)为T＝0时的能量带隙，α和β为每个半导体特定的常量。
由于温度的增加总是导致光伏转换效率的下降，所以有必要保持太阳能电池温度尽可能地接近其最高运行温度，从而提高转换效率。对于不同的电池，最高运行温度是不同的，但所有目前可用的光伏电池会在阳光充足的白天被加热超过其最高运行温度。因此，经常必须应用外部装置以降低电池的温度或防止温度上升过高。实现了上述情况的一种方式为将冷却装置应用于太阳能电池，其反过来需要能量。
为了提高太阳能电池的转换效率，期望寻找一种更高效的太阳能热管理的装置。期望存在一种不需要外部冷却装置或外部冷却源的管理太阳能电池热量的装置。
发明内容
本发明提供了用于改进太阳能电池转换效率的方法和装置。通过向太阳能电池的背板、前盖和/或密封材料增加散热性能来实现转换效率。这样有助于控制太阳能电池的温度以及由此提高(或维持)太阳能电池的转换效率。更具体地，改进的背板、前盖和密封材料作用于防止太阳能电池的无用温度增加，由此防止了由过热而导致的效率降低。
在一个实施方式中，通过将相变材料(PCM)并入背板或密封材料来将散热性能添加至背板或密封材料。优选地，将PCM并入最接近太阳能电池的部件。在多个层构建的背板中，将PCM并入邻近太阳能电池的层。
在另一实施方式中，通过将导热填充物并入围绕太阳能电池的一个或多个部件(即背板、密封材料和前盖)来实现PVM的散热性能。这可通过单独并入PCM或组合地并入PCM来完成。在优选的实施方式中，将导热填充物并入与含PCM的层邻近的层，以及并入前盖。
在另一实施方式中，通过增加导热涂层来实现散热性能。例如氮化硼、金属、金属氧化物、氮化钛等的涂层涂覆在背板的不同层上或涂覆在密封材料上以用于将热量从太阳能电池导离。此外或可替换地，导热粘合剂和连接层可单独使用或与本文所述的构建光伏组件的其它方法组合使用。
在另一实施方式中，将排热涂层涂覆在背板和/或前板的外层上以提供散热性能并控制太阳能电池的温度。此外，这类排热涂层可单独使用或与本文所述的构建光伏组件的其它方法组合使用。
附图说明
为了更好地理解本发明，可以参考附图。
图1示出典型光伏组件的组成部分的展开图。
图2示出典型背板的一个实施方式。
图3为示出相变材料的典型行为的曲线图。
具体实施方式
概述
提供了一种光伏组件，其阻止或减少封装在组件内的光伏电池温度的无用增加。这是通过将材料并入组件部件中来实现，该组件部件将热量导离位于组件内的太阳能电池。
优选地，将一种或多种相变材料并入放置在最接近太阳能电池的背板(或称为背板(backing sheet))的聚合物层。可将导热材料并入较接近组件外侧的层和/或组件部件。这些材料可单独使用或彼此结合使用。
相变材料是经受从液态可逆相转变至固态的材料。PCM的典型行为在图3中示出。在转变温度下，材料熔化时吸热而结晶时放热。这些材料包括但不限于石蜡、脂肪酸、盐水合物以及低共熔且微囊化的PCM、化学改性的PCM等。
散热背板和密封材料
在一个实施方式中，将一种或多种相变材料并入光伏组件的背板或密封材料。当相变材料熔化时(或从固体转变至液体状态时)，为吸热过程，所以材料将吸收热量。当液体材料结晶转向固体状态时，为放热过程，所以将释放热量。当并入光伏组件时，相变材料起到在热量到达电池前吸收热量并从电池释放热量的作用。因此，抑制太阳能电池的温度升高，而不使用外部冷却装置。
当在背板或密封材料中包含相变材料的组件开始到达某一温度时，相变材料将在热量到达太阳能电池之前吸收热量。
相变材料的选择依赖于多个因素。在相变材料的选择中最重要的因素是材料或多种材料具有低于或接近PV组件中使用的特定太阳能电池的最高运行温度的转变(熔化)温度。
本发明的背板可由任何材料制造，通常为一般用于生产背板的聚合物。在一个实施方式中，将一种或多种相变材料的组合并入聚合物基体以形成膜或板。在另一实施方式中，背板通过向聚合物膜涂覆包含一种或多种相变材料的涂层而制备。可能为多种布置。背板的主要特性为其包含相变材料。优选地，相变材料接近太阳能电池。如下面的进一步讨论，在一个实施方式中通过将相变材料并入最接近太阳能电池的背板的层，这是容易且简单实现的。
在许多光伏组件中，背板或前盖为层压板，其包括被层压在一起的多于一层的膜。当使用层压板时，相变材料优选地并入较接近太阳能电池的层。可替换地，相变材料可包括最接近太阳能电池的层，或相变材料能以包含材料的涂层形式被涂覆至最接近太阳能电池的膜或层。
相变材料将吸收热量并将热量传递(释放)至优选地具有散热性能的下一层，由此将热量从太阳能电池移走。当将有创造性的背板用作PV组件的保护背板时，其用于避免太阳能电池温度的无用增加并在延长的使用期间保持审美上的满意度，提供对PV组件中生成电流的有效保护并显出高介电强度。
在一个实施方式中，层压板包括(a)为耐候膜的第一外层；(b)至少一层中间层；以及(c)第二外层(或者称为内层)。优选地，相变材料并入内层或甚至涂覆至内层表面。当用在光伏组件中时，层压板的第一外层暴露于环境，内层暴露于或面对太阳能电池和太阳辐射。内层可由任意材料制造，但通常由一种或多种聚合物制造。在一个实例中，内层由乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)制造。EVA的乙酸乙烯酯含量一般约为从2至33的重量百分比，优选地为2至8的重量百分比。在另一实例中，内层为包含相变材料的可溶于有机溶剂和/或可水分散的、可交联的无定形含氟聚合物的基体。特殊的实施方式包括四氟乙烯(TFE)和具有活性羟基官能的烯烃的共聚物。层还可包括与含氟聚合物混合的交联剂。
交联剂用于保护涂层的形成，包括获取不溶于有机溶剂的无粘性膜。优选的交联剂包括但不限于DuPont Tyzor
Figure BPA00001463201600061
有机钛酸盐、硅烷、异氰酸酯、三聚氰胺等。脂肪族异氰酸酯优选地用于确保耐候性，因为当这些膜通常旨在户外使用超过30年。
在可替换的实施方式中，通过包括在层压背板中的能够散热的一个层或多个层来增加层压板的综合散热性能。例如，在上述的层压板中，第一外层和/或中间层还与一种或多种导热填充物集成。当这样的布置与内层中的相变材料组合使用时，导致较大的净散热和较大的组件效率以及功率输出。可替换地，导热填充物的使用可由自身作为从PV组件消散热量的装置而有效。除了导热填充物之外，导热粘合剂、连接层和/或涂层也可用于进一步提高层压板的净散热性能。
导热填充物包括但不限于氮化硼、金属氧化物、金属、石墨、硼化钙、氮化钛、氮化铝、二硼化钛、碳化硅、碳纳米管及其组合的粉末和纳米颗粒。已知氮化硼粉末和纳米颗粒可改进聚合物的热导性。它们还具有极好的电绝缘性能。导热涂层包括但不限于氮化硼、金属、金属氧化物、氮化钛。这些涂层可涂覆在背板的一个或多个不同的层上。
本发明的层压板的单独层可被结合在一起。可选地，可使用导热粘合剂。形成本发明的层压板的具体方式将根据层的组成和所产生的层的期望性能以及使用背板的最终应用而变化。
除了层压板之外，光伏组件的其它组成部分还包含提高组件散热的材料。例如，密封材料和/或前盖还可包含导热填充物。当然，前盖必须传递某些波长的太阳辐射，以运行太阳能电池。因此，在制备前盖时，由上述考虑来指导与填充物的类型、粒度、浓度等有关的填充物的选择。
单独或与本文所述的一种或多种其它方法组合控制组件热量的另一方法为在背板的外层上或前盖上涂覆排热涂层。选择排热涂层的原理与选择导热材料的原理相同。也就是说，涂层起到防止太阳能电池过热的作用，与此同时并不妨碍电池的性能。涂层不应损害背板或前盖的性能。所以在前盖上的排热涂层必须仍允许适当的量和类型的太阳辐射穿过前盖到达太阳能电池。
与用于提高效率的其它方法的组合
光伏组件的散热材料和方法可与用于提高光伏组件效率的其它方法组合。例如，一种或多种白色颜料和/或一种或多种光致发光材料可并入在背板中使用的一个膜或多个膜的聚合物基体。在一个实施方式中，背板层压板包括为光致发光且包含相变材料的内层。光致发光层能够吸收广阔范围的太阳光波长(紫外光、红外光和可见光)并将所吸收的太阳辐射转换为光子，光子能量等于或大于相应半导体的带隙能量。
可选地，通过包括能吸收多种波长的太阳辐射并将所吸收的太阳辐射转换为光子的多于一个的层来增加背板层压板的综合反射率，其中所述光子具有等于或大于相应半导体的带隙能的能量。例如，第一外层和/或中间层还以与内层相同的方式并入一种或多种白色颜料以及一种或多种光致发光材料。这样的布置导致净反射率的较大增加以及较大的组件效率/功率输出。可选地，如上所述，导热填充物、粘合剂、连接层的添加物还并入第一外层和/或中间层。
任意的白色颜料可用于增加背板的反射率。例如，二氧化钛(例如，如由DuPont制造的Ti-Pure系列二氧化钛)、碳酸钙、锌钡白、硫酸锌、铝氧化物、氮化硼等可基于应用而使用。此外，基于应用，通常向内层的聚合物添加白色颜料至包含约20-60的重量百分比。其中，二氧化钛由于其现有的可用性而为优选的。
优选地，向内层以与白色颜料结合的方式添加光致发光材料。然而，这些材料可在没有颜料的情况下添加，和/或可被添加至层压板的多于一个层或背板的所有层。向多层添加光致发光材料增加了层压板的净反射率。光致发光为光的吸收和再发射的完全过程。普通的颜料吸收并反射能量，而光致发光材料吸收、反射并再发射。它们通常添加至内层以包含约0.01至30.0的重量百分比。
光致发光材料的一个实例为荧光增白剂。荧光增白剂发荧光并特别优选地用于背板中。荧光增白剂(例如Ciba
Figure BPA00001463201600072
UVITEX
Figure BPA00001463201600073
OB)吸收紫外光并将其作为可见光再发射。对于具有不同能量间隙的不同半导体，其它具有匹配特征的光致发光材料易于识别且被并入背板。
光致发光材料的另一实例为BASF制造的染料(香豆素和二萘嵌苯类)或Lightleader有限公司制造的材料。例如，YG-1F。在图3中示出典型的激发(左)和光致发光光谱(右)。可替换地，可使用非线性光学材料，例如金属氟化物磷光体。这些磷光体可用于将红外(IR)辐射增频率转换为多种形式的可见光。
在又一实施方式中，内层为包含相变材料和白色颜料和/或光致发光材料的可溶于有机溶剂和/或可水分散的、可交联的非晶体含氟聚合物的基体。特殊的实施方式包括四氟乙烯(TFE)和具有活性羟基官能的烯烃的共聚物。层还可包括与含氟聚合物混合的交联剂。
在可替换的实施方式中，染为白色的聚氟乙烯(例如DuPont出售的Tedlar聚氟乙烯)用作内层。要实现期望的光致发光，使用包含光致发光材料的薄的光反射膜涂装所述层，并且所述涂层可任选地包含白色颜料。优选地，白色涂层包含重量百分比为40％至50％的白色颜料和重量百分比为0.01％至2.0％的荧光增白剂，并可选地包含相变材料。
用于薄的光反射涂层的基体可选自多种聚合物，例如丙烯酸聚合物、聚氨酯、聚酯、含氟聚合物、氯代含氟聚合物、环氧聚合物、聚酰亚胺、胶乳、热塑性弹性体以及尿素。薄的光反射涂层可通过膜涂层制造领域的技术人员已知的多种方法中的任意一种方法涂覆至第二外层。优选的方法包括通过喷涂、浸涂和刷涂的涂层应用。
涂层可涂覆至任何背板以提供期望的光致发光。也就是说，任何本领域已知的背板可通过用光致发光涂层、优选包含白色颜料的光致发光涂层涂装背板而转变为功率改善的背板。选择具体光致发光材料时的主要考虑是将最高发射波长(即等于最高发射波长或接近最高发射波长)与期望的光伏装置内的半导体材料的带隙相匹配。
背板还可包括附加层。附加层可应用于具有或不具有粘合剂的含氟聚合物层。可选的附加层可包括诸如聚酯、EVA、聚碳酸酯、聚烯烃、聚氨酯、液晶聚合物、ACLAR、铝、喷涂的铝氧化物聚酯、喷涂的二氧化硅聚酯、喷涂的铝氧化物聚碳酸酯、喷涂的二氧化硅聚碳酸酯、喷涂的具有可交联官能团的铝氧化物含氟聚合物、喷涂的具有可交联官能团的氧化硅含氟聚合物。
所公开的发明的多种修改、调整和应用对本领域技术人员而言是显而易见的，本申请旨在覆盖这样的实施方式。尽管已在本文中通过某些优选实施方式描述了本发明，但本发明的全部范围旨在通过参考随后的权利要求的范围来确定。
本文中所提及的各种出版物、专利文献和专利申请公开通过引用将其全部内容并入本文。

Claims (18)

1.用于光伏组件的背板，其包括：
并入所述背板的相变材料。
2.如权利要求1所述的背板，其中，所述背板至少包括内层和外层，并且所述相变材料并入所述内层。
3.如权利要求2所述的背板，其中，所述内层为聚合物层且所述聚合物基体并入所述相变材料中。
4.如权利要求2所述的背板，还包括并入所述外层的导热填充物。
5.如权利要求1所述的背板，其中，所述背板为层压板，所述层压板包括(a)耐候膜的第一外层；(b)至少一中间层；以及(c)内层，其中，所述相变材料并入所述内层或涂覆至所述内层的表面。
6.如权利要求5所述的背板，其中，所述内层包含乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)，并且所述EVA的乙酸乙烯酯含量约为2至33的重量百分比。
7.如权利要求5所述的背板，其中，所述第一外层和/或中间层包含导热填充物。
8.如权利要求5所述的背板，其中，所述第一外层具有导热涂层、排热涂层或二者。
9.光伏组件，其包括：
背板，其包括并入所述背板的相变材料；以及
一个或多个太阳能电池，其中，所述太阳能电池的运行温度与所述相变材料的转变温度大致相同。
10.如权利要求9所述的光伏组件，其中，所述背板至少包括内层和外层，并且所述相变材料并入所述内层。
11.如权利要求10所述的光伏组件，其中，所述内层为聚合物层且所述相变材料并入所述聚合物基体中。
12.如权利要求11所述的光伏组件，其还包括并入所述外层的导热填充物。
13.如权利要求9所述的光伏组件，其中，所述背板为层压板，所述层压板包括(a)耐候膜的第一外层；(b)至少一个中间层；以及(c)内层，其中，所述相变材料并入所述内层或涂覆至所述内层的表面。
14.如权利要求13所述的光伏组件，其中，所述内层包含乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)，并且所述EVA中乙烯乙酸酯的含量约为2至33重量百分比。
15.如权利要求13所述的光伏组件，其中，所述第一外层和/或中间层包含导热填充物。
16.如权利要求13所述的光伏组件，其中，所述第一外层具有导热涂层、排热涂层或二者。
17.防止光伏组件中太阳能电池过热的方法，其中所述光伏组件包括背板，所述方法包括：
将一种或多种相变材料并入所述背板。
18.如权利要求17所述的防止光伏组件中太阳能电池过热的方法，还包括将导热材料并入所述光伏组件的背板或密封材料。
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