CN102812556B - 太阳能模块结构 - Google Patents
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Abstract
公开了一种太阳能模块设计的不同实施例。在一些实施例中，太阳能模块包括具有倾斜的波导剖面的光学元件。该太阳能模块的该光学元件直接耦合到包含太阳能电池的接收器。该接收器还耦合到该模块的背板。
Description
对其它申请的交叉引用
本申请要求于2009年11月25日递交的申请号为61/283,097，题为“LAMINATEDSOLARMODULECONSTRUCTIONFORFLATPANELCONCENTRATOROPTIC”的美国临时专利申请的优先权，该申请通过引用被合并于此用于所有用途。
背景技术
现有的太阳能模块的设计受到各种限制。具有改进的太阳能模块结构将是有用的。
附图说明
在下面的详细说明和附图中公开了本发明的各种实施例。
图1示出太阳能面板的一个实施例的立体图。
图2A示出模块的一个实施例的截断的截面图。
图2B示出具有接收器堆叠的剖视图的集中器单元的一个实施例的截面图。
图2C示出其中模块的两个主要部分被配合的方式的实施例。
图2D示出具有平背板的集中器单元的一个实施例的截面图。
图3是对比未经过滤的太阳光谱与过滤后的太阳光谱的图表。
图4A-4B示出用以使光学元件逐渐变细的方式的实施例的立体图和侧视图。
图5A-5F示出背板构造的不同实施例。
图6A-6B示出框架连接的实施例。
具体实施方式
本发明可以以多种方式来实施，包括实施为：过程、设备、系统、物质的成份、包含在计算机可读存储介质上的计算机程序产品，以及/或者处理器，诸如配置为执行由耦合到处理器的存储器提供的和/或在其上存储的指令的处理器。在本说明书中，这些实施方式或本发明可能采用的任何其它形式可称为技术。通常，所公开的过程的各步骤的顺序在发明的范围之内可以变化。除非另有说明，诸如被描述为被配置用以执行任务的处理器或存储器的部件可以被实施为：被暂时配置为在给定时间执行该任务的一般部件，或者被制造为执行该任务的特定部件。如此处使用的，术语“处理器”是指被配置用来处理诸如计算机程序指令的数据的一个或多个装置、电路和/或处理核。
以下结合示出本发明的原理的附图提供对本发明的一个或多个实施例的详细说明。结合这样的实施例来描述本发明，但并不意图使本发明受限于任何实施例。本发明的范围只由权利要求来限定，并且本发明包括众多的替代、修改和等价物。在下面的说明中提出了许多具体的细节，以便提供对本发明的透彻理解。提供这些细节的目的是为了举例，并且在不具有这些具体细节的一些或全部的情况下可以根据权利要求来实现本发明。为清楚起见，未对在本发明的相关技术领域中已知的技术材料进行详细说明，以便不至于不必要地模糊本发明。
太阳能模块被用于诸如聚光光伏(CPV)发电和液体加热的应用。此处公开了一种独特的CPV太阳能模块设计的各种实施例。图1示出太阳能面板100的一个实施例的立体图。在一些实施例中，模块结构100将具有接收器的平坦的线聚焦光学元件集成面板形状。使用线聚焦光学元件的优势是可采用标准的单轴太阳能跟踪而不是较不标准的两轴跟踪。在一些实施例中，模块100的光学元件有倾斜的或锥形的波导剖面并直接耦合到模块100中的太阳能电池。此处公开的太阳能模块设计提供CPV的经济好处，同时保持低剖面的面板形状。保持低剖面的面板形状提供各种优势，诸如降低的运输成本、减少的风荷载以及与现有的太阳能基础设施(诸如市售的跟踪系统)的兼容性。
为了说明的目的，本说明书的一些附图描绘出特定的模块设计。然而，所公开的技术并不限于这些设计，并且针对其它的设计可以类似地采用所公开的技术。例如，模块的所示出的和/或所描述的层中的一个或多个可以被其它的层和/或材料替代，模块的所示出的和/或所描述的层中的一个或多个可以是可选的，模块的所示出和/或所描述的层中的一个或多个可以以不同的方式来组织或排序，取代模块的所示出的和/或所描述的层中的一个或多个或者与它们相结合地可以使用一个或多个其它层，等等。
图2A示出模块的一个实施例的截断的截面图。在一些实施例中，模块200包含图1的面板100。模块200包括被框架204界定的多个诸如集中器单元202的集中器单元。如在给定的例子中所示出的，模块200包含多个材料层，所述多个材料层包括顶板或初级光学元件206、(多个)亚表层208、次级光学元件210、中间或包覆层212、接收器214和背板216。在下面进一步详细说明了这些层中的每一个。
顶板206促进入射光到模块200中的透射，并包括可透射材料层。在一些实施例中，顶板206构成了模块200的初级光学元件。具有低光降解率的低铁浮法玻璃是可用于顶板206的材料的一个例子。顶板206可以用于多种用途中的任何一种。例如，顶板206充当盖板，该盖板用作保护模块200免受环境和诸如降水和紫外线辐射的其它外部因素的影响的屏障。此外，顶板206为任何期望的抗反射涂层和/或其它过滤能量的入射光谱的涂层的施加提供基板。此外，顶板206提供了平坦的基础面，以在装配过程中在其上安装和/或定位(多个)亚表层208和/或光学元件210。此外，顶板206向模块200提供了结构刚性。在一些实施例中，顶板206的材料可以在顶表面和底表面其中之一或它们两者上是织构化的以影响光路。例如，轧制或图案化的玻璃工艺可用于形成玻璃顶板中的透镜特征。在某些情况下，将光学元件整合在顶板材料中可以简化模块结构，诸如在下面进一步描述的图2D的实施例中。
可以将一个或多个可选的亚表层208结合到顶板206的内侧面。在一些实施例中，(多个)亚表层208包括一个或多个诸如EVA(乙烯醋酸乙烯酯)的聚合物。(多个)亚表层208可以用于多种用途中的任何一种。例如，(多个)亚表层208可过滤掉入射光谱中对下面的光学元件210潜在地有害或在其它方面不需要的部分。例如，已知紫外线光降解几类聚合物，因此添加亚表层208到吸收紫外线光的顶板206可以防止在后续层的每一个中发生降解。图3是对比未经过滤的AM1.5标准太阳测试光谱与玻璃和EVA过滤后的光谱的图表。如所示出的，在紫外线范围内(即≤400nm)的能源量在透射通过分别组成顶板206和(多个)亚表层208的低铁玻璃和EVA层后显著降低(如果未被清除的话)。此外，(多个)亚表层208可以便于接合在顶板206和光学元件210之间。例如，如果使用诸如玻璃的易碎材料用于顶板206，那么可以增加柔软的聚合物亚表层208作为促进顶板206和光学元件210之间的化学附着的共形层。而且，(多个)亚表层208可以使得超越诸如溶剂接合或冷焊的传统层压工艺的接合工艺选择成为可能。传统的高温层压工艺可能会使得光学元件210变形、融化，或以其它方式损害光学元件210。可通过将聚合物基板208层压到顶板206上并且随后使用诸如溶剂接合或焊接的低温处理来将光学元件层210接合到聚合物基板208，来避免高温层压工艺。此外，(多个)亚表层208可以控制顶板206和光学元件210界面处的热膨胀和其它相关应力。例如，如果顶板206和光学元件210的材料之间存在显著的热膨胀系数不匹配，则可以插入具有中间的热膨胀系数的聚合物亚表层208，以减轻在模块200的加热或冷却过程中产生的热应力。
光学元件210包括可透射材料，该可透射材料将入射光引导到与接收器214的接口一致的焦点区域。在一些实施例中，光学元件210包括模块200的次级光学元件。在一些实施例中，光学元件210包括波导。在一些实施例中，模块200的多个光学部件形成集中器光学元件。在一些实施例中，模块200的多个光学部件形成ATIR(聚合全内反射)光学元件。在一些实施例中，模块200的多个光学部件包括集中入射光的集中层和/或聚合被集中的光并将其传送到焦点区域的波导层。在一些这样的情况下，例如，初级光学元件或顶板206中的集成的光学特征负责集中光，而次级光学元件或波导210负责重定向、聚合和/或将被集中的光传送到焦点区域。在一些实施例中，次级光学元件210可以进一步集中从初级光学元件206接收到的光。在一些实施例中，该模块200的光学元件包括在美国专利申请序列号11/852,854和12/207,346中公开的集中器光学元件的类型，上述两件专利申请共同属于Banyan能源公司，并且通过引用被合并于此以用于全部用途。在一些实施例中，次级光学元件或波导210具有倾斜的或锥形的剖面，并且可以包括丙烯酸或其它聚合物材料。与过滤掉太阳光谱的有害部分(否则它们将损坏次级光学元件210的材料)的初级光学元件206和/或(多个)亚表层208相结合地，可以将这样的材料用于次级光学元件210。在不同的实施例中，光学元件210可以包括单个部分或结合成一个组件的多个部分。
在一些实施例中，期望模块的相邻的电池(cell)被充分地间隔开，例如，用以避免电池损伤并提供用来安排电池互连的路线的区域。在一些实施例中，次级光学元件210在电池间间隙上是倾斜的或锥形的，以使得否则本来将入射到电池之间的区域上的光反而被重新定向到电池区域。图4A和图4B分别示出了用以使光学元件402在电池间间隔404上逐渐变细以将光重新定向到电池406上的方式的一个实施例的立体图和侧视图。这种光学元件剖面使得在传统的面板结构中通常是固有的电池间间隔损失最小化，并且因此导致改进的模块转换效率。
有效的面板集成的线性集中器光学元件是平坦的，并且因此具有较高的宽高比(宽度尺寸∶高度尺寸)。例如，在一些实施例中，宽高比大于6∶1。高的宽高比，最小化或至少降低了与高波节性或高数目的集中器单元相关联的系统成本。对于硅基电池技术来说，可能还期望中等水平的几何集中度(孔径区域：焦点区域)。例如，在一些实施例中，几何集中度在4∶1和15∶1之间。具有增大的集中度的更经济的产品可能是可实现的，这是因为孔径区域被与影响诸如光伏和/或热交换材料的较高成本的接收器材料的尺寸的焦点区域相比成本相对较低的光学材料所覆盖。此外，太阳能集中器允许每单位电池面积的功率输出更大，从而有效地形成对太阳能电池的资本效率更高的使用。然而，高几何集中度引起可能导致不期望的电气性能下降的热风险。在某些情况下，对于大于约15∶1的几何集中度来说，为了将CPV应用中的废热完全消散掉，可能会招致相当大的热管理成本。对于硅基光伏产品来说，考虑到较高集中水平下所负担的增大的热管理挑战和递减的边际经济效益，范围为从4∶1到15∶1的几何集中度是最理想的。
在光学元件210与接收器214和/或背板216堆叠之间可以放置可选的中间层/包覆层212。在一些实施例中，中间层/包覆层212包含比构成光学元件210的材料具有更低折射率的材料。硅橡胶是可以封装电池、结合到光学元件210并耐受高辐射通量情形的低指数光学包覆材料的一个例子。中间层/包覆层212可以用于多种用途中的任何一种。例如，中间层/包覆层212可促进光学元件210到后续的亚表层的结合。此外，中间层/包覆层212可以充当有助于进一步将光导向焦点区域的低光学指数包覆层。而且，中间层/包覆层212可以控制光学元件210与接收器214和/或背板216堆叠之间的相关应力和材料的不匹配的热膨胀。此外，中间层/包覆层212可以封装光学元件210和/或接收器214堆叠，并且将它们与环境电气隔离并保护它们不受环境的影响。
接收器214与光学元件210交界。在一些实施例中，接收器214与光学元件210直接耦合和/或直接物理接触。接收器堆叠214包括太阳能电池，并且可以额外地包含一个或多个其它层，如下面将进一步描述的。接收器堆叠214的尺寸与光学元件210的焦点区域的宽度相当。在某些情况下，可能期望采用便于将光聚焦到小的焦点区域上的光学元件210，以使得可以采用占用小的覆盖区的接收器堆叠214。接收器堆叠214可以用于多种用途中的任何一种。最重要地，接收器堆叠214将所集中的光转换成更有用的能量形式。例如，在一些实施例中，布置在光学元件210的焦点区域处的光伏材料将所集中的光能转换成电力。在其它实施例中，可以使用所集中的光能来加热光学元件210的焦点区域处的循环流体。此外，接收器堆叠214将未转换的能量传输到接收器堆叠214的一个或多个其它层和/或背板216，以防止热降解。
图2B示出具有接收器堆叠214的剖面图的集中器单元202的一个实施例的截面图。图2B具体地提供了可在模块结构200中采用的多层材料的一个设计例子。如所示出的，集中器单元202包括玻璃顶板206、EVA亚表层208、丙烯酸光学元件210、接收器堆叠214和铝背板216。接收器堆叠214的剖面图提供了可以用于接收器堆叠214的材料层的一个设计例子。如所示出的，接收器堆叠214包括硅密封剂218、硅电池220、铜箔222和聚酰亚胺膜224。在这一实施例中，例如，硅基光伏电池220被焊接到传导性铜层222，所述铜层散播热量并且继而通过导热油脂结合到薄的(例如，～200μm)聚酰亚胺膜224，该聚酰亚胺膜224使电子部件与金属背板绝缘并且可能地利用另一导热油脂层结合到铝背板基板216，铝背板基板216进一步散播热量并提供结构基板。
图2B示出接收器堆叠214的一个设计实施例。在其它实施例中，接收器堆叠214可用在实现合适的热传送的同时还保持电气性能的材料层的任何其它适当的组合而构成。例如，在一些实施例中，接收器堆叠214可以包括密封层、太阳能电池、铜散热器和EVA层。在另一实施例中，接收器堆叠214可以包括密封层、太阳能电池和聚合物复合材料层。在又一实施例中，接收器堆叠214可以包括第一密封层、玻璃层、第二密封层、太阳能电池、第三密封层、绝缘膜和铝散热器。在这一实施例中，玻璃被采用作为背板216的主要结构材料，并包括铝薄层以提供从焦点区域的背面的散热。在任何上述以及任何其它适当的接收器堆叠214的实施例中，可以采用各种粘接剂和/或焊料化合物中的任何一种来结合接收器堆叠214的相邻层。
背板216与光学元件210和/或接收器堆叠214交界。在不同的实施例中，背板216可包括一片聚合物、陶瓷、金属或任何其它合适的材料和/或多种这样的材料的复合片。背板216可以用于多种用途中的任何一种。例如，背板216充当刚性基板，用以在其上安装和精确地定位接收器堆叠214。此外，背板216可为光学元件210的焦点区域和接收器214的协同定位提供基础面。而且，背板216向模块200提供结构刚度并用作对环境和其它外部因素的屏障。此外，背板216提供用于对流热交换的表面区域。
并不是所有被集中到接收器214的光能都被转换成电力或其它有用的形式。这些能量中的一些可以通过接收器堆叠214作为热量被转移到周围的结构。局部发热发生在光学元件210的焦点区域附近。该热量主要通过从背板216结构的对流热损失而被耗散。接收器堆叠214在将热量转移并散热到接收器214之外中起着重要的作用。为了降低模块200内的温度，可采用局部或分布式的散热器结构以增加背板216的表面面积，从而促进对流热交换。可以采用的对流热交换结构的例子包括散热器翼和织构化的表面。例如，在某些情况下，将表面织构化成一定的平均角度可以与上述织构角度的余弦的倒数成比例地增大背板的表面面积。下面针对图5的描述进一步说明了各种散热器选项。
在一些实施例中，背板216可以构造为具有拱形，以更有效地将光学元件210推入到抵靠顶板206的位置。例如，包括玻璃、密封材料(例如，EVA)和涂有绝缘膜的铝的复合背板可被构造为在层压后的顶板206的方向上具有显着的弯曲或拱形。背板216的形状中的这样的偏置在组装过程中可能是有益的，因为当抵靠着光学元件的阵列强制使其平坦时背板提供向前的力。弧形的背板216可用于将光学元件210扣牢到顶板206。
图2A-2B的实施例示出了具有波纹结构的背板216。背板216中的波纹可以例如通过弯曲和/或轧制成型工艺来制造。在一些实施例中，背板216的波纹轮廓与光学元件210的轮廓相匹配，并用于相对于接收器堆叠214限制光学元件210的焦点区域。也就是说，波纹背板216的倾斜表面用作在配合时精确地固定倾斜的或锥形的光学元件210的位置的座。具有波纹结构的背板216固有地提供协同定位或配准特征，以用于通过限制光学元件210的水平运动和定位来在接收器214上方对准光学焦点区域。
在一些实施例中，模块200的光学部件(例如，顶板206、(多个)亚表层208和/或光学元件210)的组装可以与接收器堆叠214和背板216的组装并行地执行。具有简化的配合步骤的这样的并行组装是具有波纹背板216的模块200的设计的独特方面。例如，可以采用一个相对低技术的工艺来将光学部分简单地滑入或安装进波纹背板的槽中。图2C示出其中模块200的两个主要部分由于波纹背板216所提供的基础面可被高精度地配合的方式的实施例。在某些这样的情况下，波纹表面的精度可至少部分地规定将光学元件210的焦点区域相对于接收器214的电池区域配准或协同定位的精度。
解决相对于背板216定位接收器214以及相对于接收器214定位光学元件210中的失准的浮动位置公差可以至少部分地决定使接收器214尺寸过大以确保光学元件210的焦点区域完全或几乎完全覆盖在接收器214的电池区域上的程度。由于光学元件210与背板216的特征在波纹结构中的协同定位，光学焦点区域相对于接收器214的定位精确度主要受到用于制造背板216中的弯曲的压印或轧制成型工艺的定位公差的限制。波纹结构因此减少了使接收器214的尺寸过大来解决与将光学元件210定位在接收器214之上相关联的配准公差的需要。在某些这样的情况下，接收器214尺寸过大的程度主要受到将接收器214定位在背板216上的精确度的限制。
尽管图2A-2C的实施例示出了波纹状的背板结构，然而在其它实施例中，模块200的背板216也可以是平坦的，或具有不同的形状。除了用以产生的波纹的弯曲或其它成型工艺，波纹背板也可能需要特殊的定位工具，以用于将接收器214层压在波纹结构的槽中。然而，这样的成型和/或定位加工成本可能是不希望的。在一些实施例中，替代地也可以使用平坦的背板用于模块200，然而代价是更好的光学元件定位设备和/或尺寸更过大的接收器214，以解决在接收器214上方定位光学元件210时的配准公差。在一些实施例中，可能更期望平坦的背板，因为它在光学元件210的轮廓方面提供更多的设计灵活性，这是因为光学元件210不必与背板的轮廓相匹配。
图2D示出具有平坦背板的集中器单元的实施例的截面图。如在给定例子中所示的，图2D的集中器单元202包括具有集成的光学特征的初级光学元件或顶板206、次级光学元件或波导210、接收器堆叠214和平坦的背板216。在平坦背板的实施例中，光学部件的结构的和定位的支持可以至少部分地由诸如肋材226的专用部件来提供。在给定例子中，肋材226通过特征228与顶板206的光学特征交界并且与波导210的部分交界，从而促进初级光学元件206和次级光学元件210相对于彼此的水平配准。肋材226可进一步与接收器214和/或背板216交界。除了限制初级光学元件206和次级光学元件210的相对位置，肋材226还可以限制次级光学元件210相对于接收器堆叠214的水平位置和高度。可以采用任何适当的材料用于肋材226。在一些实施例中，采用与次级光学元件210相同的材料用于肋材226。
图5A-5F示出具有附着的接收器的背板结构的不同实施例。图5A示出平坦的背板的实施例。光伏产业标准面板典型地具有覆盖这样的平坦背板的大部分的大型接收器，并且不使用进一步促进对流冷却的特定的局部散热器结构。相反，传统的面板简单地依靠从背板表面的相对均匀的对流和能量的均匀分布。图5B示出波纹背板的实施例。这样的波纹特征与光学元件的形状一致，并且波纹背板的槽为接收器提供了缩小的着陆面积。背板中的波纹可以使面板的弯曲刚度增大超过传统的平坦背板结构中所得获得的弯曲刚度。在不同实施例中，可以使用有翼的和/或织构化的散热器来增大用于热传递的对流表面面积。图5C和图5E示出分别使用用以增大平坦背板上的对流热传递面积的有翼的和织构化的方法论的实施例。同样地，图5D和图5F示出分别使用用以增大波纹背板上的对流热传递面积的有翼的和织构化的方法论的实施例。尽管在图5A-5F中没有绘出，然而在一些实施例中，还可以同时采用有翼的和织构化的散热器来进一步增大对流热传递面积。
除了层之间的结合，在一些实施例中也可以采用诸如图2A的框架204的外部框架来对层进行机械连接。在不同的实施例中，可以采用任何合适的框架设计，并且可以使用任何合适的一个或多个工艺来构造框架204。例如，框架204可以被机械加工、模制、挤压等。而且，可由诸如金属(比如铝)的任何合适的材料来构造框架204。在行业标准面板中，典型地只有一个层与框架交界。在一些实施例中，至少两个不相邻的层通过框架204被锚定，以获得更不易弯曲的结构。如图2A中所描绘的，在某些情况下，框架204至少与顶板206/(多个)亚表层208和背板216交界。图6A-6B示出以截面方式被示出的框架连接的实施例，其中至少两个不相邻的层与框架交界。在图6A的实施例中，框架600通过用于夹住顶板602和背板604的外围的延伸部分机械地结合到层压结构。在一些实施例中，可以用紧固件来将一个或多个层附着到框架。在图6B的实施例中，紧固件606将背板604固定到框架600。顶板602和背板604这两者的锚定以及顶板602的通过次级光学元件和其它亚表层与背板604的分离导致该结构的相对于传统面板而言增大的惯性矩，并且因此导致更刚性的面板结构。
虽然为了理解的清楚性起见已经在一定细节上描述了前述实施例，然而本发明并不限于所提供的细节。存在实施本发明的许多替代方式。所公开的实施例是说明性的，并且不是限制性的。
Claims (20)
1.一种太阳能模块，包括：
具有倾斜的波导剖面的光学元件；
直接耦合到该光学元件的接收器；以及
包含槽的波纹背板，接收器位于该槽处；
其中倾斜的光学元件适合于背板的形成槽的倾斜面，其限制光学元件的定位以用于与接收器对准。
2.如权利要求1所述的太阳能模块，其中该光学元件包括集中器光学元件。
3.如权利要求1所述的太阳能模块，其中该光学元件包括聚合全内反射光学元件。
4.如权利要求1所述的太阳能模块，其中该接收器与该光学元件直接物理接触。
5.如权利要求1所述的太阳能模块，其中该接收器包括太阳能电池。
6.如权利要求1所述的太阳能模块，其中该接收器包括用于热管理的一个或多个材料层。
7.如权利要求1所述的太阳能模块，其中该背板包括波纹结构。
8.如权利要求1所述的太阳能模块，其中该背板包括织构化的表面。
9.如权利要求1所述的太阳能模块，其中该背板包括散热器。
10.如权利要求1所述的太阳能模块，进一步包括耦合到该光学元件的肋材，所述肋材结构性地支持并定位该光学元件。
11.如权利要求10所述的太阳能模块，其中该背板基本上是平坦的。
12.如权利要求1所述的太阳能模块，进一步包括顶板，其中光通过所述顶板进入该太阳能模块。
13.如权利要求12所述的太阳能模块，其中该顶板包括集成的光学特征。
14.如权利要求1所述的太阳能模块，进一步包括向该光学元件提供被集中的光的顶板。
15.如权利要求1所述的太阳能模块，进一步包括在该光学元件和顶板之间的亚表层，其中光通过所述顶板而进入该太阳能模块。
16.如权利要求1所述的太阳能模块，进一步包括在该光学元件和该接收器之间的包覆层。
17.如权利要求1所述的太阳能模块，进一步包括框架，所述框架用于机械连接组成该太阳能模块的多个层。
18.如权利要求17所述的太阳能模块，其中该框架耦合到所述太阳能模块的至少两个层。
19.如权利要求17所述的太阳能模块，其中该框架耦合到该背板和顶板，其中光通过该顶板而进入该太阳能模块。
20.一种用于构造太阳能模块的方法，包括：
将具有倾斜的波导剖面的光学元件直接耦合到接收器；以及
将波纹背板耦合到该接收器，其中接收器位于波纹背板的槽处；
其中倾斜的光学元件适合于背板的形成槽的倾斜面，其限制光学元件的定位以用于与接收器对准。
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