CN103430325A - 光伏聚光接收器及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于集中光照的光伏聚光接收器，其包括具有至少一个太阳能电池的基板，其中所述基板和所述至少一个太阳能电池的前表面上设置有封装材料以及盖板。所述接收器的边缘由框架保护。本发明的光伏聚光接收器可用于从聚集的太阳辐射产生电。
Description
技术领域
本发明涉及用于聚集光照的光伏（PV）聚光接收器，其包括具有至少一个太阳能电池的基板，其中所述基板和所述至少一个太阳能电池的前表面上设置有封装材料以及盖板。所述接收器的边缘由框架保护。本发明的PV聚光接收器可用于从聚集的太阳辐射产生电。
本发明涉及光电池从聚集的太阳辐射产生电的技术领域。
背景技术
在此，高度聚集的太阳辐射尤其被聚集在一个小区域中。在本发明中，该小区域值得注意。在聚集处，将多个太阳能电池安装成密集阵列并与模块/接收器电连接。太阳能模块的面积在高达100cm2的范围内。聚集太阳辐射的一个选择是通过调整过的反射镜来反射辐射从而使光束指向接收器。太阳能辐射率可达到1000以上。在目前的应用中，聚集度在200到1000之间。完整的反射镜系统和具有太阳能电池的接收器为大型开放式聚光器（盘式聚光器）系统中的组件。它们安装成跟随阳光的双轴跟踪系统（US2004/0103680A1），例如可以是中心具有密集阵列太阳能模块（=中心接收器）的抛物线或抛物面反射镜盘式系统。这种系统由例如以色列的杰尼斯太阳能有限公司（Zenith Solar LTD.）开发并商业化。
接收器的太阳能电池可以是硅太阳能电池。为了提高系统效率，也使用多结（multi-junction）太阳能电池。在多结太阳能电池中，具有不同能带隙的PN结（PN-junction）组装到彼此的顶部。顶部太阳能电池吸收具有最低波长的能量，因此该电池具有最高的能带隙。下面的PN结的能带隙逐渐降低。这样，太阳辐射的能谱能够因热化和透射损耗的减少而被更有效地利用。多结太阳能电池更加昂贵。在聚光光伏系统中，填充有太阳能电池的面积很小，因此使用这种电池还是具有成本效益的。对于多结太阳能电池，通常使用半导体锗或Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体。Ⅲ-Ⅴ族半导体为来自元素周期表第3和5主族的组合物（如砷化镓或磷化铟镓）。
太阳能电池的一个重要方面是针对室外条件的保护。雨中的湿气以及溶剂，如盐分，会引起腐蚀。冰雹、尘土以及风会给电池和脆弱的电气连接带来机械压力。水或者水蒸气会使太阳能电池上的金属喷镀、电接触或者用于将太阳能电池粘合至基板的胶黏剂/焊料腐蚀。如果利用锗作为多结太阳能电池的基板，锗会与氧和水氧化成氧化锗（GeO2）。
如果太阳能电池的前面覆盖有封装材料，该材料需要是高度透明的。因为一方面，在封装中反射或吸收的第一光线无法被太阳能电池转化成电。另一方面，由于封装层中所吸收的光线，材料中的温度将升高并可能上升至超过工作温度。
对于具有高达1000倍聚集度的开放式聚光器（盘式聚光器）系统（中心接受器的应用），没有已知方案直接用透明封装材料灌封太阳能电池。
对于硅树脂平板模块，可以使用乙烯醋酸乙烯酯（EVA）（US7,049,803B2）。由于EVA的UV稳定性有限，聚光器密集阵列中不使用EVA。
另一种封装方法被用于不同聚光器系统中（封闭式聚光器系统），其中光线由透镜在小的太阳能电池上聚集。多个透镜组装到晶状体板上形成模块。保护这些系统的方法是设置相对于环境密封的壳体。所述壳体由位于前端的晶状体板、侧面的框架以及安装有太阳能电池的基板组成（A.L.Luque,V.M.Andreev:Concentrator Photovoltaic,章节:The FLATCON System fromConcentrix Solar,A.W.Bett,H.Lerchenmuller,第301至319页）。在这个应用中，聚集的太阳辐射并不照射封装材料。
在开放式聚光器（盘式聚光器）系统中，太阳能接收器（如100cm2）组装在聚集处并被高度聚集的太阳辐射（如1000倍）照射。在这种情况下，反光镜面积可以为12.5cm2（假设光损失为20%）。在模块上，多个太阳能电池紧密地安装在一起（密集阵列）。通常每个太阳能电池均配备有在出现缺陷或不均匀照射时保护太阳能电池的旁路二极管。所述模块的散热器为安装有太阳能电池的基板。它通常通过例如高效水冷却器主动冷却。
与具有约100cm2面积的接收器相比，反射镜聚光器非常大（如12.5m2）。因此，接收器针对室外条件的保护将独立于反射镜系统。这意味着对接收器封装的要求因接收器被聚集的辐射照射而非常高。最高聚集度位于光束的中心。跟踪系统跟随阳光从而使光线的焦点位于光电池上。在正常工作期间，接收器的边缘仅被漫射光以低聚集度照射。当系统进入爆发位置、出现跟踪错误或者开始跟踪时，所述焦点移动穿过整个封装。同时还具有在IEC62108标准下对聚光器模块的离轴光束损坏测试。在此，当焦点在临界位置（如封装框架）以DINI800W/m2保持15分钟时，模块需能继续使用。因此，封装的所有部分均需要承受因光束中心的聚集产生的高热应力。
具有直接覆盖太阳能电池的透明灌封材料的一个优点是内部反射所带来的效率提高。这意味着太阳能电池表面（抗反射涂层）的反射指数与灌封材料的折射率相适应。因此，太阳能电池/灌封接触面上的反射产生的损耗很少。因太阳能电池上具有大气/镜子接触面，在例如太阳能电池的金属喷镀上反射的光线将被反射至镜子/大气接触面并从该处返回太阳能电池。反射回太阳能电池的辐射可以转换成电并由此提高模块的效率。
三结太阳能电池吸收波长高达近1770nm的光线。原因在于最低太阳能电池（锗电池）的能带隙为0.7eV。这意味着太阳能电池上的封装材料需要透射高至1770nm的光线，否则效率会下降。另外，封装材料所吸收的所有能量将使材料中的温度升高并可能上升至超过工作温度。
作为封装材料，硅树脂可具有高透射性能。此外，硅树脂在加工和固化温度根据制造商设置在20-150℃之间时具有良好的使用性能。工作温度在150℃-200℃之间。具有高透射系数的材料通常具有低热传导系数，这同样适用于硅树脂。例如，“道康宁（Dow Corning）Sylgard184”硅树脂的热传导系数为0.18W/(m*k)。这意味着所吸收的能量向基板的热传递是低的。因接收器的照射面积很小并且封装材料中的温度在工作中应低于200℃，辐射的热传递也是低的。为了降低灌封材料（例如硅树脂）中所吸收的能量，层厚度需要最小化。它的厚度约为0.3mm并限于1mm内。
硅树脂材料为疏水并防水的。另一方面，水蒸气也无法渗透硅树脂。因此硅树脂的顶部需要水汽密封。这可以是玻璃板。对该玻璃性能的要求与硅树脂相同。透射要高。因此可使用硼硅玻璃。硼硅玻璃主要由高含量（高达80%）的二氧化硅（SiO2）以及三氧化二硼（B2O3）（7-13%）组成。因其热膨胀系数低（3.3*10-6l/k），这种玻璃类型能够承受材料中的温度差。它主要用于实验室玻璃。该玻璃厚度优选在1至4mm之间。
发明内容
从上述现有技术出发，本发明的目的在于提供一种对光伏聚光接收器的边缘的保护。本发明的进一步目的在于改善这种模块的照射聚集度。
上述技术问题通过具有权利要求1所述特征的光伏聚光接收器以及具有权利要求16所述特征的该接收器的应用得以解决。进一步的从属权利要求描述优选实施例。
根据第一方面，本发明提供了一种用于聚集照射的光伏（PV）聚光接收器，包括至少一个基板，所述基板具有至少一个太阳能电池，其中所述基板以及所述至少一个太阳能电池的前表面上设置有封装材料以及盖板。
所述光伏聚光接收器的特征在于，利用与所述封装材料和所述盖板间隔开的框架保护所述接收器的边缘。
在所述接收器的边缘沉积有硅树脂，硅树脂的顶部设置有盖板。两部分均被遮挡以避免阳光直射以及机械应力。这个问题通过利用盖板上方与封装材料间隔开的框架得以解决。所述间隔允许封装材料因照射而温度升高时可以膨胀。框架和封装材料之间的间隔在0.1mm至2mm范围内，优选为0.2mm至1.5mm。
所选择的封装材料是一种在400nm至2000nm之间最高透明度平均为至少85%的材料，尤其是在350nm至400nm之间的低波长，透射率至少为70%。所述材料在20-30℃的液相（粘度在200至40000mPas之间）中加工，然后在温度、时间、UV光或湿度条件下固化直到其变稳定。（与在层压过程中作为太阳能电池的薄膜或薄片加工的EVA完全不同。这在本申请中因脆弱的相互连接而不可能实现）。目前最优选的材料为硅树脂。
优选地，盖板材料为耐高温玻璃，透明度在400nm至2000nm之间平均为至少85%、在350nm至400nm之间至少为70%并且能够抵抗整个透明材料至少100K温度差的热张力。这种材料可以选自由硼硅玻璃、石英玻璃、白玻璃及其复合物或层压物组成的组。
在进一步优选的实施例中，所述盖板上沉积有抗反射涂层。
此外，所述框架优选地与所述基板热接触。
在进一步优选的实施例中，所述框架具有通过导热流体进行冷却的冷却器。所述冷却器可以由微通道冷却器和/或喷墨式冷却器主动冷却，和/或所述冷却器由热管和/或散热片被动冷却。
所述框架优选地具有反射面以减少或避免框架的热量吸收。
所述框架材料优选地选自由铜、铝、铝合金、铝硅合金、铝硅碳合金、钢、陶瓷及其复合物组成的组。
所述框架优选地由铝制成。所述框架需要反射面以减少在工作中以及从框架跟踪焦点至太阳能电池时吸收的太阳能。这就是为何需要具有高铝含量铝合金的原因。例如，可使用纯铝（铝含量大于99%）、铝镁合金或者铝镁锰合金。可以通过沉积反射涂层，通过机械、电气或化学抛光提高铝的反射。表面上的氧化物层提供长期稳定性。所述反射大于75%。
在工作过程中，铝的温度稳定性根据其合金种类而被限制（如250℃）。这就是为何所述框架需要与所述散热器具有良好的热接触的原因。在此可根据散热器的设计使用前表面，侧面（如图8和图10所示）或者后表面（如图11所示）。
此外，优选地，可以改进所述框架以作为次级镜片，其中所述框架的壁为有角度的以将分散的或错位的辐射反射回所述至少一个太阳能电池。
对于这种选择，设计所述框架的前面以作为次级镜片工作。所述铝的表面是反光的。可以设计所述表面的斜率和尺寸以将漫射光反射至太阳能电池。还可以通过设计以使填充有太阳能电池的面积上的通量分布均匀。尤其是太阳能电池边界区域上的通量通常低于中心。通过这种方式可以增加接收角。可以补偿跟踪器的偏差。可以提高系统的总电效率。
此外，封装材料、盖板以及框架之间的间隔优选地至少部分填充有耐高温密封材料，优选地选自由氟橡胶密封、玻璃纤维、陶瓷密封、石墨密封、硅树脂、环氧树脂、聚氨酯及其复合物组成的组。如果所述间隔至少部分填充有这种耐高温材料，可以保护所述接收器以防止蒸汽。这种材料具有耐高温和弹性密封的功能。
另一选择是不填充所述间隔。对于这种情况，水蒸气将渗入硅树脂，但在温度升高时会立即蒸发。需要设计所述边缘和所述太阳能电池之间的间隔使湿气无法到达太阳能电池。在此背景下需要限定适当条件。据此，IEC62108中所限定的条件可以作为指引。一个需要满足的条件是：所述模块能够承受湿热和湿冷冻测试。
优选地，可以改进所述基板表面或盖板玻璃表面以改善封装材料在基板上的粘附。不同的工艺，如等离子处理、燃烧、热解、超声波清洗、助粘剂或化学溶剂，都是合适的。
在聚光接收器中，所述至少一个光电池优选地为多结太阳能电池，更优选地为锗或者Ⅲ-Ⅴ族半导体太阳能电池。
所述PV聚光接收器的形状可以是矩形、棱角状或圆形。
金属框架中还可能具有冷却通道。可以使用单独的冷却循环或者与用于冷却散热器相同的循环。如果使用相同的冷却循环，首先优选地冷却太阳能电池，之后再冷却框架。原因是太阳能电池的效率会随温度降低。
所述框架不应遮挡所述太阳能电池，这就是为何所述灌封材料和所述玻璃比填充有太阳能电池的面积更大的原因。
根据第一实施例，所述框架由铝制成。金属框架的问题在于长度为20cm、热膨胀系数为23*10-6l/K的铝将会以4.6*10-3mm/K的速度膨胀，而玻璃以0.6*10-3mm/K的速度膨胀。硅树脂由于线性膨胀系数为310*10-6l/K，将以62*10-3mm/K的速度膨胀。100K的温度差将意味着铝和玻璃之间0.4mm的长度差。这将给散热器、框架和前玻璃板之间的相互连接带来应力。所述金属和所述散热器之间的接触面需要密封并电绝缘（如果直接安装至电气端子）。这意味着需要使用通常具有低导热系数的电绝缘性胶黏剂。所述前玻璃板和所述框架之间的相互连接需要密封并能够抵抗太阳辐射。由于玻璃为高度透明的，聚集的辐射将照射接触面。它将吸收大部分能量，因此需要耐高温，同时还需要耐辐射（例如耐紫外线）。
根据第二实施例，使用了玻璃框架而非铝框架，这将降低热膨胀差。问题在于找到安装玻璃的方法。它需要连接至所述前玻璃和所述散热器以提供连接和密封。因此可以使用胶黏剂。困难在于顶面需要透明的胶黏剂。通常这些材料（如UV固化胶黏剂）不耐热。胶黏剂和硅树脂之间还可能发生化学反应。例如，可能出现改变硅树脂或胶黏剂性能的扩散反应。例如，硅树脂会失去其强度/硬度。如果使用与灌封材料相同的硅树脂，则水蒸气无法渗透粘合区域。除了上述问题之外还存在另一缺点：所述框架和粘合层内的温度将是关键因素并且电绝缘性胶黏剂和玻璃的导热性能很差。很难对这种玻璃进行加工。因此，给玻璃定型以平衡例如表面上的不同高度的成本很高。
根据第三实施例，玻璃和硅树脂之间开放的边缘通过柔性塑料成型材料密封。该密封可以是导热密封，可以是具有填充物的硅橡胶以提高热导率。所述硅树脂的颜色将取决于填充物，当填充物为碳/煤时为黑色。接下来的问题是需要传导至散热器的高能量吸收。耐热性仍然限制在约300℃。因此这在热导率很低（例如0.3-0.4W/（m*K））时至关重要。再次，如果是硅树脂材料，水蒸气将无法渗透。同样还可能发生化学反应，如与透明硅树脂发生扩散反应，并可能改变硅树脂的性能。
框架材料的第四种选择为使用不同的金属或合金。可以是具有更高热导率和更高温度稳定性的铜或黄铜。
附图说明
以下将结合附图详细描述本发明，但这些附图不应用来限制本发明的范围。
图1示出了根据现有技术的光伏聚光接收器的截面图；
图2示出了根据本发明的光伏聚光接收器的截面图；
图3示出了根据本发明的光伏聚光接收器的顶视图；
图4示出了根据本发明一个实施例的光伏聚光接收器的截面图；
图5示出了本发明另一实施例的接收器的截面图；
图6示出了本发明另一实施例的接收器的截面图。
具体实施方式
图1示出了根据现有技术的光伏聚光接收器。太阳能电池以散热器4为基础，前面覆盖有太阳能电池3。这些太阳能电池3嵌入到封装材料2中，封装材料2前面覆盖有玻璃板1。根据现有技术的接收器6的边缘没有得到保护。聚集的太阳辐射10照射所述接收器。
图2示出了根据本发明的光伏聚光接收器。太阳能电池3设置在散热器4上，并嵌入到封装材料2中。封装材料2上覆盖有玻璃板1。与图1所示的现有技术不同，根据本发明，接收器6的边缘由框架7保护。
图3示出了本发明的光伏聚光接收器的顶视图。玻璃板1被框架围绕，所述框架为有角度的以充当次级镜片9。
图4示出了本发明一个实施例的光伏聚光接收器的截面图。根据该附图，散热器4、太阳能电池3、封装材料2以及玻璃盖板1在其边缘6处被金属框架8围绕。
图5示出了与图4所示的实施例相似的进一步实施例。该附图中的不同在于与框架热接触的是散热器的背面。
图6示出了本发明进一步实施例的截面图，与图4和图5所示的实施例的区别在于用于金属框架8的主动冷却的冷却通道11。
Claims (16)
1.用于集中光照的光伏（PV）聚光接收器，包括至少一个基板（4），所述基板（4）具有至少一个太阳能电池（3），其中所述基板（4）和所述至少一个太阳能电池（3）的前表面设置有封装材料（2）以及盖板（1），
其特征在于，所述接收器的边缘(6)由与所述封装材料（2）和所述盖板（1）间隔开的框架（7）保护。
2.根据权利要求1所述的PV聚光接收器，其特征在于，所述封装材料（2）为硅树脂。
3.根据前述任一权利要求所述的PV聚光接收器，其特征在于，所述封装材料（2）在加工期间为液态，而其粘度在20至30℃时为200至4000mPas。
4.根据前述任一权利要求所述的PV聚光接收器，其特征在于，所述盖板材料为在350nm至2000nm之间透明度平均为至少85%的耐热材料，所述材料选自由硼硅玻璃、石英玻璃、白玻璃及其复合物或层压物组成的组。
5.根据前述任一权利要求所述的PV聚光接收器，其特征在于，所述盖板（1）上沉积有抗反射涂层。
6.根据前述任一权利要求所述的PV聚光接收器，其特征在于，所述框架（7）与所述基板热接触。
7.根据前述任一权利要求所述的PV聚光接收器，其特征在于，所述框架（7）具有通过导热流体冷却的冷却器（11）。
8.根据前述任一权利要求所述的PV聚光接收器，其特征在于，所述冷却器（11）由微通道冷却器和/或喷墨式冷却器主动冷却，和/或所述冷却器由热导管和/或散热片被动冷却。
9.根据前述任一权利要求所述的PV聚光接收器，其特征在于，所述框架（7）具有反射面以减少热量吸收。
10.根据前述任一权利要求所述的PV聚光接收器，其特征在于，所述框架（7）被改进以作为次级镜片，其中所述框架（7）的壁为有角度的以将分散的或错位的辐射反射回所述至少一个太阳能电池。
11.根据前述任一权利要求所述的PV聚光接收器，其特征在于，所述框架材料选自由铜、铝、铝合金、铝硅合金、铝硅碳合金、钢、陶瓷及其复合物组成的组。
12.根据前述任一权利要求所述的PV聚光接收器，其特征在于，所述封装材料（2）、盖板（1）以及框架（7）之间的间隔至少部分地填充有耐高温密封材料，优选地选自由氟橡胶密封、玻璃纤维、陶瓷密封、石墨密封、硅树脂、环氧树脂、聚氨酯及其复合物组成的组。
13.根据前述任一权利要求所述的PV聚光接收器，其特征在于，所述基板（4）的表面被改进以改善所述封装材料在所述基板上的粘附。
14.根据前述任一权利要求所述的PV聚光接收器，其特征在于，所述至少一个太阳能电池为多结太阳能电池，优选地为锗或者Ⅲ-Ⅴ族半导体太阳能电池。
15.根据前述任一权利要求所述的PV聚光接收器，其特征在于，所述PV聚光接收器的形状为矩形、棱角状或圆形。
16.根据前述任一权利要求所述的PV聚光接收器在从聚集的太阳辐射产生电力中的应用。
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