CN102473739A - 光伏组件与光伏设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种可装入一光伏设备的光伏组件(PVM)，其中，所述光伏组件(PVM)中设有多个太阳能电池串(ST)，所述太阳能电池串分别由一定数量的串联太阳能电池构成，其中，所述太阳能电池串(ST)容置在一由多个组件部件(FRM，GLP，BP)构成的外壳(E)内，所述组件部件(FRM，GLP，BP)采用导电设计且彼此相连，从而使所述外壳(E)构成所述至少一个太阳能电池串(ST)的能产生静电效应的包封结构。为了避免所述外壳(E)内部产生高场强，所述外壳(E)配有至少一个接触元件(R；EBM)，以便在所述能产生静电效应的包封结构与至少一个明确的电位之间建立电位连接(PA；PA′)。

Description

光伏组件与光伏设备
技术领域
本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的光伏组件和一种如并列权利要求前序部分所述的包含多个此种光伏组件的光伏设备。本发明特定而言涉及一种光伏组件，这种光伏组件可装入适于通过高压直流输电线路为用电设备供电的光伏设备并且可用来构建这种光伏设备，其中，所述用电设备可远离光伏设备布置，或者也可靠近光伏设备布置。
背景技术
光伏设备或光伏机组越来越多地应用于所谓的光伏电站，光伏电站主要设立在光照充裕的地区，其任务是为通常都相隔较远的现有用电端供电网络集中发电。这类光伏设备优选采用大面积设计，例如设立在荒漠地区，主要是用太阳能发电。这类机组又称“超大规模光伏系统”，简称VLS-PV系统，例如在《FVS-Themen 2002(2002 FVS专题)》特刊第67-70页Rudolf Minder博士的《Very Large Scale PV-Systems(超大规模PV系统)》(德国柏林太阳能研究协会出版，网页地址为www.fv-sonnenenergie.de)一文中有相关介绍。此文提出了以模块化结构组建多个PV组件的方法，但并未加以详细说明。关于已获得电能的输送，该文提出了不同的输送技术，其中也包括高压直流输电，简称
Figure BPA00001496892800011
DE 39 35 826 A1、US 5 542 988 A和US 2006/0196 535 A1均与光伏组件有关。
在先申请DE 10 2009 004 679提出一种用由光伏组件构成的光伏设备或光伏机组进行特别高效的供电的方法。将多个用于产生直流电压的光伏组件(PV组件)以适合用高压直流输电技术
Figure BPA00001496892800012
输送已产生直流电压的方式进行并联和/或串联连接。每个PV组件均具有多个构成多个太阳能电池串的外壳的组件部件。这些组件部件包括框架、前玻璃板和后壁。通过将多个太阳能电池串接在一起，单独一个组件就能产生大约70-120伏的电能。如果再将多个PV组件连接成模块或组列，就能产生数千伏及以上高压范围的直流电压。如此一来，在光伏设备所在地的发电端就已经能产生足够高的直流电压，这部分直流电压随后可以直接送入
Figure BPA00001496892800013
线路并输往用电端。到达
Figure BPA00001496892800014
线路终点后，只需将输送过来的直流电压转换成符合要求的交流电压。由于多个PV组件相接在一起，光伏设备所产生的直流电压例如处于1kV至2MV的高压范围，可能超过单个PV组件的耐电强度(目前最高约为1kV)数倍。
用上述专利申请所提出的技术所产生的直流电压很快就会超过约为1kV的普通耐电强度。特别是当PV组件或PV模块采用绝缘架设安装方式时，因为在此情况下，嵌入式太阳能电池串与外壳或组件封装结构(由面板、背膜或背板以及框架构成)之间不会出现闪络。所以，应当采取相应措施来防止高电压电位所引发的场效应，从而避免太阳能电池的功能受到不良影响，避免封装材料受损，避免出现电晕放电现象以及因电晕放电而产生的不可忽略的功率损失。因此，最好能提供一种允许将大量组件串联、又不会因电压电位太高而引发问题的组件设计。这种新设计还应当非常适于将多个PV组件连接成模块和/或组列。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是对前述类型的光伏组件进行改进，使其不再具有上述缺点。特定而言，本发明的目的是使得改进后的光伏组件适用于组列电压处于2kV至2MV范围的长串联连接。本发明的另一目的是提供一种特别适于将所产生的电压直接送入
Figure BPA00001496892800021
线路的光伏设备。
本发明用以达成上述目的的解决方案为一种具有权利要求1所述特征的光伏组件和一种具有并列权利要求所述特征的光伏设备。
据此，本发明提出如下方案：所述组件部件采用导电设计且彼此相连，从而使所述外壳构成所述至少一个太阳能电池串的能产生静电效应的包封结构，所述外壳配有至少一个接触元件，以便在所述能产生静电效应的包封结构与至少一个明确的电位之间建立电位连接。
借此将所述外壳构建成能产生静电效应的包封结构，并且具有至少一种实现接触的途径。这样就能使该包封结构处于明确的电位，例如处于太阳能电池串的某个连接点的电位，如太阳能电池所构成的串联连接的起点、终点或中点处的电位。举例而言，这一点可以通过分立式的高阻值电阻而实现。所述至少一种实现接触的途径也可以通过高阻值的包埋材料或充填材料而实现，该材料将外壳内腔填满，从而以高阻方式包埋太阳能电池或太阳能电池串，并使其与导电外壳发生接触。通过采用这种接触元件设计以及与之相似的设计，可为所述外壳建立明确的电位连接，特别是可以在太阳能电池串与外壳之间实现高阻电位均衡。
根据本发明的优选设计方案，所述至少一个接触元件实施为至少为高阻导电的接触点，该接触点布置在其中一个所述组件部件上。经由这个可从外部触及的接触点或连接点，可以借助导电元件使所述外壳处于理想电位(例如一组组件的中间电位，与位于组件内部的太阳能电池串的电位之间的最大电压差为+/-1000伏)。
所述至少一个接触元件优选实施为高阻导电元件，以及/或者用高阻导电材料制成。借此可使得所述电位连接成为高阻(兆欧或千兆欧姆范围或更高)连接，并且只会产生极小的电位均衡电流(微安范围或更小)。
所述至少一个接触元件例如实施为高阻导电电阻。该电阻可以是分立部件，布置在太阳能电池串上的接触点与所述外壳(特别是所述框架)之间。
通过下述设计方案也能提供实现接触的途径以及实现电位均衡：所述高阻导电材料实施为被填入所述外壳的包埋材料，其中，所述至少一个太阳能电池串在所述外壳内部容置在所述包埋材料中。据此，所述至少一个接触元件实施为高阻导电包埋材料，该包埋材料填入所述外壳的内腔，并且在太阳能电池与外壳(框架、正面和背面)之间建立电位均衡。举例而言，所述包埋材料可由两个在安装组件之前被装入组件的薄膜构成，将这两个薄膜熔化和/或发泡，从而将太阳能电池串包埋于其中。
所述外壳优选采用一种使所述框架自身即为其中一个所述组件部件的设计，所述框架用导电材料(特别是金属)制成，以及/或者配有至少一个导电元件。另一组件部件可以是所述后壁，该后壁用导电材料制成，以及/或者配有至少一个导电元件。还可将玻璃板用作所述组件部件，该玻璃板用导电材料制成，以及/或者配有至少一个导电元件。
综上，每个PV组件都将因此而获得一个至少为高阻导电的外壳，该外壳将所述至少一个太阳能电池串包围且可处于几乎与该太阳能电池串相同的电位，从而确保组件内部不再产生高场强。所述太阳能电池串的电位的最大差值可与通常为1千伏左右的组件耐电强度相符。为了将所述外壳构建成能产生静电效应的包封结构，也可以通过涂层或蒸镀来实现高阻导电性，特别是所述玻璃板的高阻导电性，其中，没有必要使玻璃板的所有区域都导电。只需蒸镀一个带线状导电涂层的网格结构或线条结构。涂层可设置于玻璃内表面或外表面。也可以直接在玻璃材料中添加导电元素或导电颗粒。
通过使用导电框架也能使所述外壳具有实现电接触的途径，举例而言，通过用螺钉将该框架固定到导电支架上，该框架就能实现接触。作为替代方案，可以在所述框架或组件背面设置电缆连接点。
从属权利要求也能产生上述优点及其他优点。
据此，为了防止电晕放电，所述光伏组件的框架最好具有倒圆形状。该倒圆形状相对于光伏组件优选呈不对称分布，特定而言采用使框架的重心和/或中心位于组件平面以外(即，位于组件平面前方或后方)的分布方式。借此避免组件表面被遮蔽。
根据一种优选设计方案，所述至少一个太阳能电池串在所述外壳内部容置在高阻导电包埋材料中。在此情况下，太阳能电池串与外壳之间始终都能进行高阻(低损耗)电位均衡，从而确保PV组件的框架处于太阳能电池串的电位水平。当所述外壳无法通过与导电支架进行外部导电接触来稳定保持在明确的电位上时，例如在使用电绝缘支架(例如木质支架)的情况下，就有必要采取这一措施。
作为替代方案，所述至少一个太阳能电池串也可以通过分立式的高阻值电阻与所述外壳(特别是所述框架)电性连接。
附图说明
图1a为本发明第一光伏组件(PV组件)的结构截面图；
图1b为图1a所示的PV组件，其中，以等效电路图形式示出所述至少一个太阳能电池串；
图2a为本发明第二光伏组件(PV组件)的结构截面图；
图2b为图2a所示的PV组件，其中，以等效电路图形式示出所述至少一个太阳能电池串及高阻元件；
图3为本发明的PV组件框架设计方案的局部视图；
图4a、图4b为由多个PV组件构成的PV组列作为PV设备组成部分的结构示意图。
具体实施方式
下文将参照附图并借助实施例对本发明及其优点进行详细说明。
图1a为采用第一实施方式的本发明光伏组件(PV组件)的结构截面图，其中，组件PVM在图中是沿竖向设立。安装完毕后，该组件为倾斜定向，从而使组件的正面或顶面(在此为右侧面)尽可能垂直于阳光入射方向定向。组件PVM主要由一或多个太阳能电池串ST构成，这些太阳能电池串布置在组件内部，在此仅对其中一个进行了示范性图示。此外，组件PVM的顶面或正面设有玻璃板GLP，底面或背面(在此为左侧面)设有后壁BP，该后壁在此例如是用金属制成，但也可以是例如背膜或玻璃板。上述结构被框架FRM包围，该框架在此同样是用金属制成。所述框架、玻璃板以及背面是为所述至少一个太阳能电池串ST构成外壳或封装结构的组件部件。
如果将许多个组件串联以提高所产生的电压，以及用绝缘架设方式安装组件(另见图4a、图4b)以便能超过普通的组件耐电强度，则串ST上也会产生相对于周围环境而言极高的场强。这会影响太阳能电池的功能，甚至导致包埋材料受损。
为了避免这种情况，图1a中所示的由框架FRM、玻璃板GLP和后壁BP构成的外壳采用导电设计，且至少是高阻导电，以便能够使整个外壳处于明确的电位上。为此设有至少一个接触元件。举例而言，这一点可以通过其他高阻元件(如本图所示的例如5GΩ的电阻R)而实现，该高阻元件或电阻将内部的串ST与外壳连接起来，从而实现电位均衡。电阻R只需将串ST上的一个点(例如其中一个端子)与其中一个构成外壳的组件部件(例如框架FRM)予以高阻导电连接。
图1b为与图1a相配的等效电路图。太阳能电池串ST包括多个串联的太阳能电池SZ，这些太阳能电池整体产生组列电压UST。通过将许多个组件串联并且用绝缘架设方式对其进行安装，串ST与周围环境(地电位)之间会形成高达数千伏甚至兆伏的电位差Up。也就是说，所产生的电压会远远超过单个组件的耐电强度，进而还会产生不适用于现有技术中的传统组件的高场强。
通过在每个组件上均设置分立电阻R，串ST与外壳或框架FRM之间将实现电位均衡，从而使得串起点与地之间的电位Up同外壳与地之间的电位一样大。换言之：外壳处于串起点的电位上，因此，外壳与太阳能电池串之间至多形成组列电压Ust。
图2a和图2b为替代性设计。此处的外壳内或组件PVM′内部填有能够在串ST与框架FRM、玻璃板GLP和后壁BP所构成的外壳之间实现电位均衡的高阻导电包埋材料EBM。图2b所示的等效电路图中示出了相应的高阻值电阻REBM，这些电阻分别将一个太阳能电池SZ与后壁BP及玻璃板GLP连接起来。包埋材料EBM例如可以采用高阻导电透明塑料。
图2a和图2b所示的实施例在内部太阳能电池串ST与外壳之间进行电位均衡，这使得外壳和框架FRM的电位水平都处于串ST的中间电位水平。由于包埋材料EBM采用了薄层电阻极高(例如，R′＝大约10E13Ωcm2，Rges＝R′/组件面积)的高阻材料，因此只会产生极弱的均衡电流，不会危及任何一个部件，更不会危及整个结构。
作为上述措施的补充，所述组件的框架自身还可以采用如图3所示的设计，这种设计的主要目的是防止电晕放电。为此需要对框架FRM′实施尽量不产生尖端和边缘的成型处理。图3所示的倒圆成型对应于框架FRM′的圆形或球形设计。优选需要实现至少为r＝3cm的圆半径。必要的最小半径与施加在组件上的最高电压有关。也可以采用类似设计，例如包含多个侧面但接近于圆形或球形的多边形。图3所示的框架FRM′基本不具有边缘和尖角，而是呈圆形或者说经倒圆(无边)成型处理。优选需要实现至少为r＝3cm的圆半径。框架的圆结构相对于光伏组件PVM优选呈不对称分布，从而使得框架FRM′的重心或中心例如位于组件平面后方。这样可以防止组件表面(正面)被遮蔽。
图4a和图4b为组件采用绝缘架设安装方式的光伏设备或光伏机组的结构图。该设备包括至少一个由多个PV组件PVM构成的PV组列PVS，附图对该PV组列进行了详细图示。如图所示，每个组列PVS均以组件模块PVB形式设有多个PV组件PVM，这些PV组件分别安装在对地绝缘的架设框架结构RK上。通过绝缘措施可以将PV组件PVM提高到极高的电位上。例如用陶瓷或塑料绝缘体IS实现绝缘。
每个模块PVB各并联和串联N个组件PVM，再优选将M个模块串联起来后，就能产生总共包含N×M个组件的组列PVS。
将多个这样的PV组列相接，就能最终形成PV机组或PV设备(未图示)。
为了使安装在PVP上的组件的外壳(采用本案所提出的设计)所处的电位接近于太阳能电池串的电位，可以使用前述接触元件(电阻、包埋材料)，以及/或者借助电位连接PA(见图4b)与支架的导电框架结构RK建立导电接触。在明确的位置(即电位连接MP)上将框架结构与太阳能电池串的连接点导电连接(见图4a、图4b)，就能明确该框架结构的电位。借此能防止各组件PVM内部产生不利于太阳能电池和包埋材料的场强。
作为导电架设安装方式的替代方案，可以增设将组件外壳与电位连接MP连接起来的电位均衡电缆。
参考符号表
Figure BPA00001496892800071

Claims (17)

1.一种可装入一光伏设备的光伏组件(PVM)，其中，所述光伏组件(PVM)具有至少一个太阳能电池串(ST)，所述太阳能电池串分别由一定数量的串联太阳能电池构成，其中，所述至少一个太阳能电池串(ST)容置在一由多个组件部件(FRM，GLP，BP)构成的外壳(E)内，
其特征在于，
所述组件部件(FRM，GLP，BP)采用导电设计且彼此相连，从而使所述外壳(E)构成所述至少一个太阳能电池串(ST)的能产生静电效应的包封结构，所述外壳(E)配有至少一个接触元件(R；EBM)，以便在所述能产生静电效应的包封结构与至少一个明确的电位之间建立电位连接(PA；PA′)。
2.根据权利要求1所述的光伏组件(PVM)，其特征在于，
所述组件部件(FRM，GLP，BP)中至少个别组件部件采用高阻导电设计。
3.根据权利要求1或2所述的光伏组件(PVM)，其特征在于，
其中一个所述组件部件是一框架(FRM)，所述框架用一材料(特别是金属)制成以及/或者配有至少一个导电元件。
4.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的光伏组件(PVM)，其特征在于，
其中一个所述组件部件是一后壁(BP)，所述后壁用一材料制成以及/或者配有至少一个导电元件。
5.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的光伏组件(PVM)，其特征在于，
其中一个所述组件部件是一玻璃板(GLP)，所述玻璃板中掺有一材料以及/或者配有至少一个导电元件(SC)。
6.根据权利要求3至5中任一项权利要求所述的光伏组件(PVM)，其特征在于，
所述至少一个导电元件是一至少为高阻导电的涂层(SC)。
7.根据权利要求6所述的光伏组件(PVM)，其特征在于，
所述涂层(SC)呈条状或网格状地涂覆在其中一个所述组件部件(GLP；BP)上。
8.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的光伏组件(PVM)，其特征在于，
所述至少一个接触元件实施为至少为高阻导电的接触点，所述接触点布置在其中一个所述组件部件(FRM)上。
9.根据权利要求1至7中任一项权利要求所述的光伏组件(PVM)，其特征在于，
所述至少一个接触元件实施为高阻导电元件(R)以及/或者用一高阻导电材料(EBM)制成。
10.根据权利要求9所述的光伏组件(PVM)，其特征在于，
所述至少一个接触元件实施为高阻导电电阻(R)。
11.根据权利要求10所述的光伏组件(PVM)，其特征在于，
所述至少一个太阳能电池串(ST)通过所述高阻导电电阻(R)与所述外壳(E)(特别是所述框架(FRM))电性连接。
12.根据权利要求9所述的光伏组件(PVM)，其特征在于，
所述高阻导电材料实施为被填入所述外壳(E)的包埋材料(EBM)，其中，所述至少一个太阳能电池串(ST)在所述外壳(E)内部容置在所述包埋材料(EBM)中。
13.根据权利要求3至12中任一项权利要求所述的光伏组件(PVM)，其特征在于，
所述光伏组件(PVM)的框架(FRM′)具有倒圆形状，特定而言呈圆形或球形。
14.根据权利要求13所述的光伏组件(PVM)，其特征在于，
所述框架(FRM′)的倒圆形状相对于所述光伏组件(PVM)呈不对称分布，特定而言采用使所述框架(FRM′)的重心和/或中心位于组件平面以外(即，位于组件平面前方或后方)的分布方式。
15.一种光伏设备，包含多个光伏组件(PVM)，其中，每个光伏组件(PVM)中均设有至少一个太阳能电池串(ST)，所述太阳能电池串由一定数量的串联太阳能电池(SZ)构成，其中，所述至少一个太阳能电池串(ST)容置在一由多个组件部件(FRM，GLP，BP)构成的外壳(E)内，
其特征在于，
所述组件部件(FRM，GLP，BP)采用导电设计且彼此相连，从而使所述外壳(E)构成所述至少一个太阳能电池串(ST)的能产生静电效应的包封结构，所述外壳(E)配有至少一个接触元件(R；EBM)，以便在所述能产生静电效应的包封结构与至少一个明确的电位之间建立电位连接(PA；PA′)。
16.根据权利要求15所述的光伏设备，其特征在于，
所述多个光伏组件(PVM)安装在一特定而言采用绝缘架设方式的框架结构(RK)中，其中，每个光伏组件(PVM)的外壳(E)分别通过所述至少一个接触元件与所述框架结构(RK)建立电位连接(PA)。
17.根据权利要求15或16所述的光伏设备，其特征在于，
所述框架结构(RK)配有一电位连接(MP)，所述电位连接至少与所述光伏组件(PVM)的外壳(E)连接。
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