CN104995743B - 电池模块 - Google Patents

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Abstract

光伏电池组件，其适用于密集阵列聚光型光伏电池模块，该光伏电池组件包括：安装在基底上的多个光伏电池(7)；以及旁路二极管(53)，旁路二极管与每个电池相关联以允许该电池在其失效或者具有低照射时在电路中被旁路。二极管设置成靠近电池。二极管为来自电池的热和电提供通向基底的直接通路。

Description

电池模块
技术领域
本发明涉及光伏电池模块。
本发明具体涉及这样一种光伏电池模块：这种光伏电池模块包括光伏电池组件，该光伏电池组件包括连接在一起而形成串联电路的光伏电池阵列；并且这种光伏电池模块应用于聚光型基于太阳辐射的发电系统。以下，通过本申请并以示例的方式对本发明进行描述，但是本发明并不限于本申请。
基于太阳辐射的发电系统通常包括：
(a)接收装置，其包括用于将太阳能转换为电能的光伏电池阵列，以及
(b)会聚装置，其用于将太阳辐射会聚在接收装置的光伏电池上。
更具体地，本发明提供了这样一种光伏电池模块，这种光伏电池模块用于基于太阳辐射的发电系统的接收装置，并且这种光伏电池组件包括：
(a)光伏电池组件，其包括至少一个光伏电池，光伏电池具有用于太阳辐射的暴露表面；
(b)电连接，其用于将光伏电池组件的电能输出转移至输出电路；以及
(c)用于从光伏电池吸热的组件，其包括位于光伏电池组件的暴露表面后侧的冷却剂腔室，该冷却剂腔室具有冷却剂入口和冷却剂出口，冷却剂入口和冷却剂出口分别用于将冷却剂供应至腔室中以及将受热的冷却剂从腔室移除。
更具体地，本发明涉及用于光伏电池模块的光伏电池组件。
更具体地，本发明涉及密集阵列聚光型光伏电池模块以及用于该光伏电池模块的光伏电池组件。以下，术语“密集阵列聚光型光伏电池模块”指的是密集阵列CPV模块，在本文中被理解为意指这样一种光伏电池密排阵列，这种光伏电池密排阵列具有的暴露表面面积可将太阳辐射直接接收至光伏电池模块总暴露表面面积的至少90％的电池上。通常为模块总暴露表面面积的至少95％，更通常为模块总暴露表面面积的至少97％，还更通常为模块总暴露表面面积的至少98％。
本发明具体地可应用于但绝非专用于上述类型的大型基于太阳辐射的发电系统，这种发电系统能够产生大量的电力，可随时适于至少20kW的标准3相415伏交流电。
对于这种大型发电系统的最终应用包括用于孤立电网的偏远地区电力供应、电网并网电力、水泵取、电信、原油泵取、水净化、以及氢生产。
背景技术
与上述类型的基于太阳辐射的发电系统商业可行的发展相关联的一个重要因素是能量转换效率。
能量转换效率是太阳能系统经济意义的极强推动因素。如果可以以较小的百分比系统成本增加来获得更大的转换效率的提高，那么太阳能系统的商业前景就能够得到提升。
目前可以看到，通过本发明，可以以小于0.5％的系统成本增加来获得5％级别的效率提高。
对太阳辐射接收装置能量转换效率具有负面影响的两个因素是(a)无效空间(dead space)和(b)通量变化。
无效空间因素有关于活跃光伏电池面积对光伏电池模块总面积的比率。该比率是活跃电池面积比率(ACAR)。本申请人所知晓的密集阵列系统所具有的ACAR仅为65％至95％。
本申请人所知晓的对现有技术布局产生限制的挑战包括：
(a)空间限制以及相邻的光伏电池互连以形成电路的复杂性；
(b)母排连接位于电池顶部，导致电池被遮盖，减少了有效活跃面积；
(c)二极管连接；以及
(d)提供安全性和可靠性的边缘密封所占据的面积。
通量变化因素有关于接收装置中的电池和模块的设置和特征(包括电池尺寸和电池之间的连接)，还有关于接收装置的通量分布，这种通量分布与用于将太阳辐射反射至接收装置的收集装置有关。通量变化也可以与时间有关，并且通常对于收集装置而言是更加显著的因素，诸如基于抛物线的会聚系统的收集装置反射并会聚太阳辐射。
就密集阵列CPV模块设计，本申请人考虑了无效空间和通量变化因素。
本申请人认为应该存在一种具有高ACAR和高电压的光伏电池模块。高ACAR使得光伏电池模块具有高转换效率，因为对于给定光伏电池模块尺寸而言，更大百分比比例的活跃电池面积能够暴露于辐射。这是对具有最小数目的连接件和二极管、以及具有小边缘密封的更大电池的推动因素。高电压允许光伏电池模块最多的并联，这样产生了具有接收可变通量的多个光伏电池模块的整个接收装置的高平均模块效率。这是对更小电池的推动因素。因此这些因素是相反的因素。
用于密集阵列CPV模块的已知光伏电池通常为低电压(0.5至6伏)。因而，许多电池必须串联以获得所需的高电压(通常为200至1000伏)。这意味着电池必须相对较小且在光伏电池模块中存在许多连接件。这意味着这些连接件必须占据最小的(活跃面积)模块空间，否则会因数目增加的连接件占据无效空间，而失去已经获得优势。
数百个电池和连接件也需要非常可靠或者需要具有将失效的电池或连接旁路的装置，从而将因电池或者连接失效而产生的影响最小化。
在非专利文献中已经提出，在光伏电池模块中，使用“屋瓦式”布置的光伏电池串组，而不是更标准的首尾相连式布置的电池。上述提出的现有技术的屋瓦式布置包括：在电池的短的直串组中，一个光伏电池的先导缘叠置在后继的电池的跟随缘上，以覆盖这些后继的电池的非活跃“母排”区域。考虑到会导致差的热转移的电池叠置，该提出的现有技术的屋瓦式布置可能会产生高的ACAR。
本申请人在研发工作中发现，当电池被适当地安装时，屋瓦式方法对于电池的单个短的直线型串组而言可能是实用的，而对于大型的基于太阳辐射的发电系统而言可能并非解决方案，这种大型的基于太阳辐射的发电系统要求大量的活跃电池互连成一个或多个电池行组，以获得所需的模块电压。
更具体地，已知屋瓦式布置方法的由本申请人发现的局限/挑战包括：
(a)串组的长度短，因而产生了低电压；
(b)串组的长度短，因而产生了低功率；
(c)叠置布置的整体特性导致电池物理结构在一个方向上的尺寸显著增加，因而产生了机械负荷；
(d)倾斜的电池与其所附接的冷却的基底(如铜垫)之间的接触受到限制，因而产生了差的热传递；
(e)改变串组的方向困难；以及
(d)互连和/或改制电池(对于非屋瓦式布置)的成本。
综上，需要一种屋瓦式布置，其包括旁路二极管以及简单的“交叉”连接，从而低机械负荷的曲折式串组可以获得2维阵列以及最小无效空间和极佳热传递，以使聚光中的电池温度最小化。更一般地，不限于屋瓦式布置，需要一种可替换目前可用光伏电池组件的光伏电池组件，这种可替换光伏电池组件适用于密集阵列CPV模块。
不可将以上描述认为是对澳大利亚或者其他地方的公知常识的承认。
发明内容
在对研发工作的结果进行考虑之后，本申请人意识到，为了将用于串组电池模块的屋瓦式布置方法优化到实际水平，(a)必须将许多电池的短的直串组互连，并且必须保持电池与将电池支撑在模块中的冷却的基底之间热连接；(b)要求在任何电池的串组布置中存在旁路二极管，无论串组是屋瓦式布置或者是首尾相连式(共面式)布置，从而当模块中的一个或多个光伏电池失效时，该模块继续工作；(c)在密集阵列CPV模块中，必须以最小“无效空间”实现电池互连；以及(d)要求边缘密封具有足够的实质性，从而为电池提供风雨保护，满足安全性要求，以及产生最小的无效空间。
一般地，本发明提出了一种光伏电池组件，其适用于密集阵列聚光型光伏电池模块，该光伏电池组件包括：多个光伏电池，所述多个光伏电池安装在基底上；以及旁路二极管，所述旁路二极管与每个电池相关联以允许该电池在其失效或者具有低照射时被旁路。二极管设置成靠近电池。二极管为来自电池的热和电提供通向所述基底的直接通路。
一般地，本发明提出了一种光伏电池组件，其适用于密集阵列聚光型光伏电池模块，该光伏电池组件包括：多个光伏电池，所述多个光伏电池安装在基底上，每个电池具有暴露表面以接受太阳辐射，所述多个电池设置成密集阵列，所述密集阵列包括电连接在一起并形成串联电路的电池的至少一个串组，每个串组包括形成排组的多个直线型的电池，并且一个电池排组的结束处的电池连接至后继的电池排组的起始处的电池；以及旁路二极管，该旁路二极管与每个电池相关联以允许该电池在其失效或者具有低照射时被旁路，二极管设置成靠近电池，并且二极管为来自电池的热和电提供通向基底的直接通路。
每个二极管的一端可与基底直接电接触且热接触，而每个二极管的另一端可与邻近的电池直接电接触且热接触。
密集阵列可以活跃电池面积覆盖所述光伏电池组件的超过95％。
基底可包括多个金属化部件，所述多个金属化部件形成用于电池的安装垫，每个电池安装在一个金属化部件上，每个金属化部件包括在电路中邻近的电池(如在前的电池)下方延伸的部分，用于电池的旁路二极管位于所述在前的电池之下并靠近该在前的电池并且安装在金属化部件的在邻近的电池下方延伸的那个部分之上，二极管通过金属化部件的在邻近的电池下方延伸的那个部分与基底电连接且热连接，并且二极管与邻近的电池电连接。
当二极管通过金属化部件的在邻近的电池下方延伸的那个部分与基底电连接且热连接、以及二极管与邻近的电池电连接且热连接时，二极管的两端彼此间隔开，且一端比另一端距离电池更近。
二极管的上述设置意味着，无需其他元件来连接旁路二极管以形成用于电池的旁路电路。
电池可以以屋瓦式布置安装至基底。
金属化部件的外形可以与屋瓦式布置的电池的下侧的轮廓相适合，使得每个电池的至少90％、通常95％与基底保持热接触。
金属化区/基底因屋瓦式布置而具有的三维特征提供了空间以将二极管定位于邻近的电池下方，并且允许电池设置成密排阵列。
金属化部件可具有倾斜的上表面，该倾斜的上表面将电池倾斜地安装于基底，从而允许电池叠置以形成屋瓦式布置。
通常，金属化部件在一端的高度为100微米。
通常，金属化部件在另一端的高度为400微米。
以沿电池排组方向的穿过电池的横截面观察，金属化部件可形成锯齿式轮廓。
金属化部件可彼此电隔离。
金属化部件的在在前的电池下方延伸的那个部分可呈凸起形式。
每个二极管的宽度对高度的纵长比可以为5:1至10:1。该纵长比有助于与相关联电池的电连接。
旁路二极管的整个一个侧面可连接至基底，从而使向基底的热转移最大化。
二极管可由硅或者其他高导热性材料制成。
基底可以为电绝缘体和导热体。
基底可以为陶瓷材料。
基底可以为氮化铝或者氮化硅。
电池可以通过焊料接合至金属化部件。
金属化部件可以直接接合至基底。
光伏电池组件可包括交叉连接件，该交叉连接件将一个电池排组的结束处与后继的电池排组的起始处电连接在一起。
交叉连接件可以呈简单的扁平条形式，因为屋瓦式阵列允许在单一平面内完成前一电池顶部与下一电池底部的连接。
交叉连接件可以为金属带或者金属条。
上述金属可以为任何适合的金属，如银。
光伏电池组件可包括边缘密封。
由边缘密封占据的面积可小于模块总面积的4％。
存在使边缘密封有效的最小厚度，为了使ACAR最大化，有必要使由边缘密封占据的无效空间最小化。因而光伏电池模块应大到足以使由边缘密封覆盖的百分比例最小化。对光伏电池模块的尺寸，存在实际的限制，主要是因为生产产出量。
对于尺寸至少为100×100mm的光伏电池模块而言，尺寸达到实质性的1mm的边缘密封产生小于4％的无效空间。
光伏电池组件可在其周界包括电输入端和电输出端。
在光伏电池组件并非屋瓦式布置的情况下，本发明还提供了一种光伏电池组件，其适用于密集阵列聚光型光伏电池模块，该光伏电池组件包括：多个光伏电池，所述多个光伏电池安装在基底上，每个电池具有暴露表面以接受太阳辐射，所述多个电池设置成密集阵列，所述密集阵列包括电连接在一起并形成串联电路的电池的至少一个串组，并且所述多个电池被物理地布置；旁路二极管，所述旁路二极管与每个电池相关联以允许该电池在其失效时被隔离，并且二极管设置成靠近电池；以及Z形连接件，所述Z形连接件将相继的电池电连接在一起，并且所述Z形连接件具有一对间隔开的平行的臂、以及互联支片，且每个连接件的下臂连接至一个电池的先导端的下表面，而每个连接件的上臂则连接至后继的电池的跟随端的上表面，并且所述后继的电池的旁路二极管位于所述一个电池之下并连接至连接件的下臂，由此所述光伏电池组件将相继的电池串联并同时为二极管与后继的电池提供并联，从而保护了该后继的电池。
这种布置允许将二极管适当地定位于电池之下，并且还提供二极管的并联。通过将二极管置于电池之下，可以使ACAR(活跃面积比率)最大化。
电池密集阵列的排组的长度被设定，以使得机械负载保持在实际限度内，并且允许最大电压。
本发明还提出了密集阵列聚光型光伏电池模块，其包括多个上述光伏电池组件，该多个光伏电池组件以并排关系叠置在一起而成阵列以形成接收装置，在该接收装置中，模块面积大于阵列面积的95％。
本发明还提出了一种制造基底的方法，该基底用于上述光伏电池组件的屋瓦式布置，该制造基底的方法包括以下步骤：
(a)对一件包覆有金属的陶瓷材料进行蚀刻，以在位于该块材料一侧的金属层中产生所需缺口，从而在该块材料的该一侧生成金属垫以将电池安装成曲折式布置；
(b)对金属垫的表面进行机械加工，从而形成适于用作安装垫的金属化部件，其具有所需锯齿式轮廓以对电池进行安装(通常在一端的高度为100微米，在另一端的高度为400微米)；以及
(c)通过例如以丝网印刷的方式在金属化部件上覆以恒定厚度(通常为50-100微米)的焊料或者其他适合的结合介质，完成基底的制造。
附图说明
参照附图，仅通过示例进一步对本发明进行描述，在附图中：
图1是根据本发明的密集阵列聚光型光伏电池模块的一个实施方式的立体图，该光伏电池模块适用于基于太阳辐射的发电系统的接收装置，且该光伏电池模块包括根据本发明的光伏电池组件的一个实施方式；
图2是图1所示光伏电池模块的另一立体图；
图3是图1和图2所示光伏电池模块的分解图，其中示出了该光伏电池模块的元件，包括光伏电池组件的实施方式；
图4是图1至图3所示的密集阵列聚光型光伏电池模块的光伏电池组件的俯视图；
图5是图4的圆圈区域的放大俯视图；
图6是图4的俯视图，其中光伏电池模块的顶盖和光伏电池被移除以展示出光伏电池组件的基底的上部金属化层的布局；
图7是根据本发明的光伏电池组件的另一实施方式的俯视图，其中顶盖和光伏电池被移除以展示出光伏电池组件的基底的上部金属化层的布局；
图8是沿图6的线8-8的剖视图；
图9是图6所示光伏电池组件的基底的上部金属化层的四个部分的俯视图，光伏电池位于该上部金属化层；
图10是沿图9的线10-10的剖视图，其中还包括位于上部金属层上的光伏电池；
图11是图10中指示为“细部A”的矩形框的放大图；
图12是图6中以括号“9”标识的电池的两个相邻排组的端部的侧视图，其在一端示出光伏电池排组之间的电交叉连接；
图13是根据本发明的密集阵列聚光型光伏电池模块的另一实施方式的俯视图，该光伏电池模块适用于基于太阳辐射的发电系统的接收装置，且该光伏电池模块包括根据本发明的光伏电池组件的另一实施方式；
图14是沿图13中线14-14的剖视图；
图15是图14中指示为“细部C”的矩形框的放大图；
图16是沿图13中线16-16的剖视图；
图17是图16中指示为“细部A”的矩形框的放大图；
图18是根据本发明的密集阵列聚光型光伏电池模块的另一实施方式的俯视图，该光伏电池模块适用于基于太阳辐射的发电系统的接收装置，且该光伏电池模块包括根据本发明的光伏电池组件的另一实施方式，图中顶盖和光伏电池被移除以展示出光伏电池组件的基底的上部金属化层的布局；
图19是图18中指示为“细部A”的矩形框的放大图；以及
图20是沿图19中线20-20的剖视图。
具体实施方式
本发明为适用于“可叠置”密集阵列CPV模块的光伏电池组件。
本发明的光伏电池组件的如图1至图17所示实施方式中的每个实施方式包括：多个光伏电池，所述多个光伏电池以屋瓦式布置设置成电池串组，并且形成电池排组的2维阵列，电池排组在排组端部互联，而且光伏电池组件具有高百分比例的活跃面积；用于每个电池的旁路二极管；对于电池的最小机械负荷；足够长的电池串组，提供足够高的电压以允许电池串组的最优并联；以及有效的边缘密封，其占据光伏电池模块总面积的小百分比例。
本发明的如图18至图20所示实施方式并非本发明的唯一其他实施方式，其不是屋瓦式布置而是依赖于布置成串组的相继的电池之间的Z形连接，而在其他方面则具有图1至图17的实施方式的上述特征。
通过本发明的光伏电池组件的实施方式，对于光伏电池模块而言，可得到接近100％的ACAR，并且由于省去了大部分复杂的互连设置或者无需使用成本更高的改制电池，成本得到了降低。更具体地，本发明的光伏电池组件的实施方式具有可产生高的总电压的足够的电池和电池间伴随的连接，以及具有对每个电池和电池间的连接的单独二极管保护，并且使密集阵列CPV模块的活跃面积损失最小化，也就是说，使ACAR最大化。当将这种模块“叠置”在2维阵列中以形成接收装置时，整个活跃面积可以大于95％。
通过本发明的光伏电池组件的实施方式的旁路二极管设置进行连接保护的机会是本发明的显著特征，并且是不受限于电池屋瓦式布置的特征。本发明的紧密阵列CPV模块可输出满的接收电压(full receiver voltage)并且可与阵列中的其他密集阵列CPV模块并联，因此避免了由于具有不同照射水平的密集阵列CPV模块的串联(串组中每个模块的输出通常受限于串组中最低模块的功率)而造成的大部分功率损失。
图1至图3示出模块3的实施方式，模块3适用于基于太阳辐射的发电系统。
例如，这种系统包括太阳辐射会聚装置(未示出)，该太阳辐射会聚装置呈镜子会聚阵列的形式(未示出)并且将入射至镜子上的太阳辐射向太阳辐射接收装置(未示出)反射，该太阳辐射接收装置呈设置成模块的多个光伏电池的形式。电路(未示出)将光伏电池的电能输出转移至逆变器，以进行电能的最终应用。最终应用包括用于孤立电网的偏远地区电力供应、电网并网电力、水泵取、电信、原油泵取、水净化、以及氢生产。
接收装置可以是在本申请人的题为“接收装置”的第PCT/AU2011/001245号国际申请中描述以及要求保护的那种接收装置。该国际申请说明书中的公开通过交叉引用并入本文。
在本申请人的题为“电池模块”的第PCT/AU2011/001246号国际申请中描述以及要求保护了如图1至图3所示的模块3的实施方式。该国际申请说明书中的公开通过交叉引用并入本文。
参照图1至图3，模块3包括：
(a)总体上以数字5标识的光伏电池组件，其包括多个光伏电池7(图1和图3)，光伏电池具有暴露表面以接受太阳辐射；
(b)电连接49(未在这些附图中但在如图6和图8的其他附图中示出)，用于将光伏电池组件5的电能输出转移至输出电路(未示出)；
(c)总体上以数字11标识的用于从光伏电池吸热的组件(图1和图3)；
(d)控制系统(未示出)，用于对系统进行控制；以及
(e)监控系统(未示出)，用于对系统的元件的状况进行监控。
模块3的电连接49呈电导线的形式(见图6和图8)，其穿过模块3中的开口(未示出)延伸。
控制系统和监控系统可以是任何适合的系统。对于这些系统的选择并非与本发明有关的关键考虑因素。
吸热组件11包括冷却剂腔室41，该冷却剂腔室41位于光伏电池组件5的暴露表面后侧。冷却剂腔室41具有冷却剂入口21和冷却剂出口23，冷却剂入口21和冷却剂出口23分别用于将冷却剂(通常为水)供应至腔室41中以及将受热的冷却剂从腔室41移除。冷却剂腔室41由以下限定：(a)壳体，包括底部27以及从底部27延伸的侧壁29；以及(b)光伏电池组件5，连接至壳体的侧壁29的上端。
光伏电池组件5包括支撑基底，光伏电池7紧固在该支撑基底上。在图3中可以最清楚地看到，基底为多层基底，其包括：(a)电绝缘材料制成的层13，电绝缘材料诸如陶瓷材料；(b)顶部金属化层15和底部金属化层17，分别由金属或者含金属的材料制成并位于电绝缘材料层13的相反的顶面和底面；以及(c)光适保护性(optically suitable protective)玻璃顶盖19，其位于光伏电池7之上。基底的层13、15、17通过任何适合的方式紧固在一起。
光伏电池7(例如通过热和电结合)紧固至基底的金属化层15。基底的另一金属化层17(例如通过热结合)紧固至吸热组件11。
图4是图1至图3所示光伏电池模块的光伏组件5的俯视图。图6是光伏组件5的俯视图，其中顶盖19和光伏电池7被移除以展示出光伏电池组件的基底的上部金属化层17的布局。图5和图6以及图8至图12更详细地示出光伏电池组件。图9至图12包括位于金属化层17之上的光伏电池7。
在图1和图4中可以最清楚地看到，光伏组件5的电池7设置成密集阵列，该密集阵列包括电连接在一起并形成串联电路的电池7的串组。串组包括形成排组的多个直线型(straight length)电池7，且一个电池排组的结束处的电池连接至后继的电池排组的起始处的电池。每个电池排组中的电池7呈屋瓦式模式。电池7的布置可以描述为曲折式布置。
参照图6，串联电路以以下方式延伸布设：从导线49的在图6右下角处的端子端部起，沿着第一排组，到达该排组的在图6右下角处的结束处并穿行(即，沿从图6中观察的向上方向)到邻近排组中的第一电池7，然后沿着该邻近排组到达其结束处并穿行到下一排组中的第一电池7，如此等等，直到串联电路到达导线49的在图6右上角处的端子端部。串联电路在图6中以箭头线指示。
基底的上部金属化层15被形成为以屋瓦式模式接纳和支撑电池7。参照图4以及图6至图11，上部金属化层17包括设在每个排组中的多个楔形安装垫51。如从图8所示的剖视图观察到的那样，楔形安装垫51在每个排组中的布置可以描述为锯齿式轮廓。安装垫51彼此电隔离。
安装垫51被设置从而每个排组中第一个安装垫41被形成以使得楔形安装垫51的薄端部位于该排组的起始处。安装垫51还被设置从而每个排组中最后一个安装垫41被形成以使得楔形安装垫51的厚端部位于该排组的结束处。安装垫51的这种布置可从图12中看出，该图12是电池7的两个相邻排组的端部的侧视图。每个排组中的其他安装垫51以同一排列方式形成，即，安装垫的薄端部作为先导端，而每个安装垫的后端部作为跟随端。这样就形成了上述的锯齿式轮廓。可以理解，通过这种布置，电池7沿着每个排组的长度向上倾斜，且角度由楔形安装垫51的角度决定。角度被选择以使得电池7以叠置关系设置，且每个排组中的一个电池7的跟随端叠置在该每个排组中的下一后继的电池7的先导端之上。通常，金属化部件在一端的高度为100微米。通常，金属化部件在另一端的高度为400微米。
图9示出四个相继的楔形安装垫51，这四个相继的楔形安装垫51形成了基底的上部金属化层17的一个排组的一部分。安装垫51以虚线外廓示出。参照图9，每个安装垫51呈大体上的正方形，且从安装垫51的先导端的中央部分(即，从图9中观察，在安装垫51的右侧)延伸有凸起57，而在安装垫51的跟随端的中央部分(即，从图9中观察，在安装垫51的左侧)延伸有凹陷59。从图9中清楚地看到，安装垫51被形成以使得凸起57延伸至凹陷59中。凸起57是安装垫51的在电路中相邻的(即，在前的)电池之下延伸的部分。
光伏电池组件5包括硅的(或者任何其他适合的)旁路二极管53，旁路二极管53与每个电池7相关联以允许该电池7在其失效或者被低照射时被旁路。从图11中可以最清楚地看到，二极管53设置成靠近电池7。二极管53为来自电池7的热和电提供通向基底的直接通路。电池7的屋瓦式布置提供了空间以将与每个电池7相关联的二极管53定位于在前的电池7之下，并且允许电池7设置成密排阵列。
每个二极管53位于在前的电池7下方且靠近该电池7，并且安装在安装垫51的在在前的电池之下延伸的凸起57上。二极管53通过安装垫51的凸起57电连接且热连接至基底。此外，二极管53电连接且热连接至在前的电池7。参照图11，每个二极管53的一端55与那个与该二极管53相关联的电池7的安装垫51的凸起57直接电接触且热接触，而每个二极管53的另一端59与在前的电池7，也就是该二极管53位于其之下的那个电池，直接电接触且热接触。通过这种布置，如果在电池7中存在短路，那么与二极管相关联的二极管53形成这样的电流通路，该电流通路从在前的电池7起，经过安装有所述短路电池7的安装垫51，到达该电池排组中的下一个电池7。这种布置还通过薄的高导热二极管提供了有效的冷却路径，从而使与二极管53顶部连接的电池的部分保持低温。
参照图12，一个电池排组7的结束处通过交叉连接件61电连接至邻近电池排组7的起始处，其中交叉连接件61呈金属带或者金属片或者金属条的形式。
图7是根据本发明的光伏电池组件的另一实施方式的俯视图，其中顶盖和光伏电池被移除以展示出光伏电池组件的基底的上部金属化层的布局以及组件的其他特征，包括连接端子。
图7的实施方式与图4至图6以及图8至图12所示的光伏电池组件实质上相同。
实施方式之间的主要区别在于串联电路的布置。在图7的实施方式中，串联电路以以下方式延伸布设：从导线49的靠近图7左上角处的端子端部起，沿着包括该端子端部的排组，到达该排组的结束处并穿行到邻近排组中的第一电池，然后沿着该邻近排组，如此等等，直到串联电路到达导线49的靠近图7右下角处的端子端部。串联电路在图7中以箭头线指示。
图13至图17示出根据本发明的密集阵列聚光型光伏电池模块的另一实施方式，该光伏电池模块适用于基于太阳辐射的发电系统的接收装置，且该光伏电池模块包括根据本发明的光伏电池组件的另一实施方式。图13是该模块的俯视图。图13透视了光伏电池模块并且示出该光伏电池模块的光伏电池组件的各元件。光伏电池模块的这种基本上透明的俯视图示出了顶盖19、电池7、上部金属化层15、基底的另外元件和光伏电池组件的其他元件(包括连接端子)、以及吸热系统11的元件，等等。图14至图17更详细地示出了光伏电池组件。
参照图13至图17，光伏电池组件的基本元件与图7中以及图4至图6和图8至图12所示的实施方式的相同。具体地，该光伏电池组件包括安装在基底上的多个光伏电池7，每个电池7具有用于太阳辐射的暴露表面。电池7布置成密集阵列，其包括电连接在一起并形成串联电路的电池7的串组。电池7布置成屋瓦式模式，也就是叠置模式。该光伏电池组件还包括旁路二极管，该旁路二极管与每个电池7相关联以允许该电池在其失效或者被低照射时被旁路，并且二极管设置成靠近电池。
图13至图17所示的实施方式与图7中以及图4至图6和图8至图12中所示实施方式之间的主要区别与电路49相关，该电路49将光伏电池组件电连接至接收装置的母排(未示出)。
参照图13至图17，电路49包括L形导线63，该L形导线63具有：(a)短臂，连接至光伏电池组件的电流输入或者电流输出电池7；以及(b)长臂，从光伏电池模块的侧面27向下方延伸。电路49还包括与导线63电连接的传导性构件65，该传导性构件65从光伏电池模块的上述侧面继续向下方延伸并以向内弯钩形部分终止。传导性构件65直接结合至或者以其他方式紧固至电隔绝件67，该电隔绝件67为光伏电池组件提供结构支撑并且将传导性构件65和导线63与光伏电池模块电隔绝。传导性构件65的上弯端部连接至接收母排(未示出)，该接收母排将电流从光伏电池模块向接收电路转移。
该实施方式的一个优势在于电路与吸热系统分离。具体地，与图7中以及图4至图6和图8至图12中所示的实施方式不同，电路并不穿过吸热系统11的冷却剂腔室41。
图18是根据本发明的光伏组件的另一实施方式的俯视图，其中顶盖和光伏电池被移除以展示出组件的基底的上部金属化层的布局。图19和图20更详细地示出了光伏电池组件。
光伏电池组件与有关于图4至图17描述的本发明的其他实施方式在很多方面都是相同的。具体地，光伏电池组件包括安装在基底上的多个光伏电池7，每个电池7具有用于太阳辐射的暴露表面。电池7设置成密集阵列，其包括电连接在一起并形成串联电路的电池的串组。光伏电池组件还包括旁路二极管53，旁路二极管53与每个电池7相关联以允许该电池7在其失效时被隔离。二极管53设置成靠近电池7。
图18至图20的实施方式与其他实施方式的区别在于图18至图20的实施方式包括Z形连接布置69，该Z形连接布置69使排组中相继的多个电池7、某个电池7、一个排组的结束处、与该电池邻近的电池7、另一排组的起始处互相电连接，且电池7布置成电池7的平坦布置(见图20)，这与其他实施方式的电池7的屋瓦式布置不同。
在图20中可以最清楚地看到，Z形连接件69包括一对间隔开的平行的臂71、73以及互联支片75，且每个连接件的下臂73联接至一个电池7的先导端的下表面，每个连接件的上臂71连接至后继的电池7的跟随端的上表面。后继的电池的二极管53位于所述一个电池7之下并连接至连接件的下臂。由此，光伏电池组件将相继的电池串联，同时为二极管与后继的电池提供并联，从而保护了该后继的电池。
制造基底的方法的一个实施方式包括以下步骤，其中该基底用于光伏电池组件5的如图4以及图6至图10所示的屋瓦式布置。
·对一件包覆有金属的陶瓷材料进行蚀刻，以在位于该块材料一侧的金属层中产生所需缺口，从而在该块材料的该一侧生成金属垫以将电池安装成曲折式布置。
·对金属垫的表面进行机械加工，从而形成具有所需锯齿式轮廓的金属化部件以对电池进行安装(通常在一端的高度为100微米，在另一端的高度为400微米)。
·通过例如以丝网印刷的方式在金属化部件上覆以恒定厚度(通常为50-100微米)的焊料，以完成基底制造。恒定厚度有助于在基底上放置电池的精确性和可重复性，并且提供与电池间的已知的热转移——相比金属，这对于焊料而言更是个问题，因为金属的传导性更高(通常为10倍或者更多倍)。恒定厚度使得光伏电池组件5的组装更加容易。
可通过在基底上设置二极管、交叉连接、以及电池来组装光伏电池组件5。
本发明的光伏电池组件5包括以下优势和特点：
·多行二极管的曲折式布置和交叉连接的无需对电池进行包绕——降低了元件成本并简化了制造。
·旁路二极管具有更好的热附着特性(heat attachment)——因而向基底转移热量的特性更好，也提供了用于对上方的电池进行冷却的热通道。
·在各电池之间存在大的直接电连接，提供了较低电阻，从而降低了损耗并增大了输出。
·每个旁路二极管由于都夹设于并结合于电池与金属化基底之间，并且还位于邻近的电池附近，因此并不需要附加的连接。一个优势在于每个二极管都紧密地连接至散热装置，也就是说，在每个二极管与基底之间存在直接连接。基底之上的金属通常为铜，热结合至高传导性的氮化铝(或者其他)基底。
·对于屋瓦式布置而言，叠挤电池是可能的。作为一个优势，可以为电输入端子和电输出端子产生空间以进行从光伏电池模块到母排或者邻近光伏电池模块的电力输出。例如，在一个排组中可以存在10个电池，叠挤出1mm，输出端子设置于该1mm的空间里。这意味着，对10个电池，仅存在1％的有效面积损失。在电池制造中通常在正常效率分布条件下采用高性能电池，可以容易地抵消掉该损失。然而，并不需要任何特别的电池。仅仅采用一种低成本基础电池配置，就可以组装整个光伏电池模块。
·通过曲折式布置，可以将电输入端子和电输出端子设置于光伏电池模块的周界之内。从防水特性的角度来看，光伏电池模块的周界是个重要因素。
·通过曲折式布置，可以使相邻的电池(串组的部分)之间的电压最小化，允许更加紧密的排布，从而改善了光伏电池模块的效率和可靠性。
·光伏电池模块的尺寸足够大，从而可以采用与每个光伏电池模块相关的监控设备。监控设备可位于光伏电池模块的背面。监控设备可以在每个光伏电池模块运行的同时，对其电压、温度、电流、和高速下的I-V特性进行测量。
·通过曲折式布置，可以将光伏电池模块的电输入端子和电输出端子分离，从而输入与输出之间短路的可能性最小化。
·通过曲折式布置，可以将输入端子和输出端子设置成朝向电池的周界，从组装的角度以及从可维护性的角度看，这是个优势。
·大的模块尺寸为有效的边缘密封(通常厚度为0.5mm至1mm)留出足够的面积，并且使ACAR的损失最小。
已经建造了多个全尺寸屋瓦式光伏电池模块，并以运行条件在实验室和“阳光下”进行了测试。
在由本申请人以运行条件在实验室中和“阳光下”对全尺寸屋瓦式光伏电池模块进行的工作中，已经证明本发明的关键特征，即，提供低成本、高性能和高可靠性。
这些特征包括：
1.通过屋瓦式基底，采用低成本“现成常备”的电池就可以实现简单的实际建造。通过这种配置，可以包含有隐藏式保护旁路二极管。这种光伏电池模块可以通过人工组装，还可适于通过采用现成常备的(经过特别配置和编程的)机器人自动化设备进行高速的机器人组装。为了展示出这些特征，组装了五套全尺寸光伏电池模块，并进行了测试。形成了金属化基底，将100个太阳能电池和二极管组装成图1至图4以及图6至图9中所示的配置。如以600倍太阳光照强度进行的闪光测试以及二极管连续性测试所显示的那样，全部五个光伏电池模块的生产良率为100％。在测试的一般结果中，电池开路电压(Voc)＝321伏，且最大电流强度(Isc)＝8.4安培。与单个电池相对比，Voc＝3.21伏且Isc＝8.4安培表明了理想的结果。
2.通过屋瓦式设计(以及安装在电池后侧的隐藏式平坦二极管)，获得了高的电池排布因数以及最大化的活跃面积，因而实现了高的“模块式”电池效率。以600倍太阳光照强度对上述五个光伏电池模块进行闪光测试。对高强度闪光模拟装置具体地进行配置，从而提供高至600倍太阳光照强度下的短的5微秒爆闪(burst)模拟太阳光。数据获取系统和负载组被同步，以对光伏电池模块进行高强度下的带载测试。发现光伏电池模块的活跃面积效率与电池活跃面积的相同，二者均为37％。这证明了组装成模块也并未产生任何电池效率的损失。
3.由于在屋瓦式配置中存在二极管设置，因此获得了电路连续性以及电池的保护，由此通过大面积的二极管以及与冷却的导电金属化基底和电池背面的极佳结合，实现电池背部之间的紧密连接。在正向偏压下以33安培对二极管进行测试；而正常运行所需的最大值为14安培。通过将光伏电池模块暴露于高强度太阳光之下，展现了二极管在防止电池损坏以及提供电流旁路以实现电路连续性方面是有效的，其中所述高强度太阳光的通量是变化的，范围为从600倍到约750倍太阳光强度，并照射在整个光伏电池模块上，使电池的同时照射不均匀，并且还使二极管在“旁路”模式下运行。然后将电池及二极管以及电池都在闪光测试设备上并以反复及受控条件下进行测试。未检测到任何失效。
4.金属化基底具有3维外形，实现了与每个电池的每部分以及每个二极管的一个完整面的紧密热连接，从而展现了低的及受控的电池和二极管温度。在800倍太阳光强度下，电池和二极管的温度低于70℃。通过红外线测温对电池温度进行测量。通过使用反向偏压对二极管在太阳下暴露之后进行测试其完整性，其显示出所有二极管都是导通的。开路闪光测试(Voc＝321伏)也确认在短路情况下没有任何二极管失效。
5.屋瓦式布置将串组中的每个电池直接连接至邻近的电池，而无需使用连接装置且不要求任何“无效空间”来进行连接，通过这种屋瓦式布置可以实现低的串联电阻，从而获得了高的效率。串联的100个电池的这种“模块式”效率与单个电池效率的平均值相同(或者总模块功率＝单个电池功率的总和)。通过闪光测试并采用100个效率为37％(有效面积)的单个电池，确定的模块式电池效率为37％。
6.该电池配置经受13,000次温度循环，不存在任何显著的降级，这证明了电池配置是强健的。通常地，在运行条件下的温度范围为28℃至65℃，且最终(闪光测试)效率相对下降低于5％(通常地，该功率下降的容差为IEC6108标准的要求)。光伏电池模块安装在商用测试台，该商用测试台被设计成将光伏电池模块快速地加热至运行温度并冷却至初始温度，每天约1000次。由此，可以快速地对光伏电池模块加载，以显示出与多年运行相当的每日负载循环的效果。
7.在经历从28℃至65℃的13,000次循环之后，二极管配置没有任何失效，这显示出二极管配置是强健的。
8.在经历从28℃至65℃的13,000次循环之后，交叉连接装置没有任何失效，这展现了交叉连接装置是强健的。
在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以对上述优选实施方式进行众多修改。
例如，尽管通过大型基于太阳辐射的发电系统对上述实施方式进行了描述，但是本发明并不限于此，而是可延伸至小型系统，如用于家用或者商用发电的屋顶安装系统。
此外，尽管上述基于太阳辐射的发电系统包括镜子的抛物线阵列，但是本发明并不限于此，而是可延伸至用于将太阳辐射反射并会聚到接收装置上的其他配置，如定日镜阵列。

Claims (32)

1.光伏电池组件，其适用于密集阵列聚光型光伏电池模块，所述光伏电池组件包括：
基底，
多个光伏电池，所述多个光伏电池安装在所述基底上，每个电池具有暴露表面以接受太阳辐射，所述多个电池设置成密集阵列，所述密集阵列以活跃电池面积覆盖所述光伏电池组件的超过95％，且所述密集阵列包括电连接在一起并形成串联电路的电池的至少一个串组，每个串组包括形成排组的多个直线型的电池，并且一个电池排组的结束处的电池连接至后继的电池排组的起始处的电池；以及
旁路二极管，所述旁路二极管与每个电池相关联以允许该电池在其失效或者具有低照射时被旁路，二极管设置成靠近电池，并且二极管为来自电池的热和电提供通向所述基底的直接通路，
其中，所述基底为多层基底，所述基底包括电绝缘材料层、以及位于所述电绝缘材料层的相反的顶面和底面的顶部金属化层和底部金属化层，所述顶部金属化层包括设在每个排组中的多个安装垫，电池固定在安装垫上，且通过安装垫，每个电池的至少90％与所述基底保持热接触，每个电池安装在一个安装垫上，每个安装垫包括在电路中邻近的电池下方延伸的部分，用于电池的旁路二极管位于所述邻近的电池之下并靠近该邻近的电池并且安装在所述安装垫的在邻近的电池下方延伸的那个部分之上，二极管通过所述安装垫的在邻近的电池下方延伸的那个部分与所述基底电连接且热连接，并且二极管与邻近的电池电连接且热连接。
2.如权利要求1所述的光伏电池组件，其中每个二极管的一端与所述基底直接电接触且热接触，而每个二极管的另一端与邻近的电池直接电接触且热接触。
3.如权利要求1所述的光伏电池组件，其中当二极管通过安装垫的在邻近的电池下方延伸的那个部分与所述基底电连接且热连接、以及二极管与邻近的电池电连接时，二极管的两端彼此间隔开，且一端比另一端距离电池更近。
4.如权利要求3所述的光伏电池组件，其中电池以屋瓦式布置安装至所述基底。
5.如权利要求4所述的光伏电池组件，其中安装垫的外形与屋瓦式布置的电池的下侧的轮廓相适合，使得每个电池的至少90％与所述基底保持热接触。
6.如权利要求4所述的光伏电池组件，其中金属化区/基底因屋瓦式布置而具有的三维特征提供了空间以将二极管设置于邻近的电池下方，并且允许电池设置成密排阵列。
7.如权利要求4所述的光伏电池组件，其中安装垫具有倾斜的上表面，所述倾斜的上表面将电池倾斜地安装于所述基底，从而允许电池叠置以形成屋瓦式布置。
8.如权利要求7所述的光伏电池组件，其中，以沿电池排组方向的穿过电池的横截面观察，安装垫形成锯齿式轮廓。
9.如权利要求1所述的光伏电池组件，其中安装垫彼此电隔离。
10.如权利要求1所述的光伏电池组件，其中安装垫的在在前的电池下方延伸的那个部分呈凸起形式。
11.如权利要求1所述的光伏电池组件，其中每个二极管的长度或者宽度对高度的纵长比为5:1至10:1。
12.如权利要求1所述的光伏电池组件，其中二极管由硅或者其他高导热性材料制成。
13.如权利要求1所述的光伏电池组件，其中基底为电绝缘体和导热体。
14.如权利要求13所述的光伏电池组件，其中基底为陶瓷材料。
15.如权利要求13所述的光伏电池组件，其中基底为氮化铝或者氮化硅。
16.如权利要求1所述的光伏电池组件，其包括交叉连接件，所述交叉连接件将一个电池排组的结束处与后继的电池排组的起始处电连接在一起。
17.如权利要求16所述的光伏电池组件，其中所述交叉连接件呈扁平条形式，由此交叉连接处于单一平面内。
18.如权利要求16所述的光伏电池组件，其中所述交叉连接件为金属带或者金属条。
19.如权利要求18所述的光伏电池组件，其中所述金属带或者金属条为直线型。
20.如权利要求18所述的光伏电池组件，其中所述金属带或者金属条为Z形连接件，其具有一对间隔开的平行的臂、以及互联支片。
21.如权利要求17或18所述的光伏电池组件，其中所述交叉互连件一端连接至一个电池的上表面，而另一端则连接至后继的或者在前的电池的下表面。
22.如权利要求17或18所述的光伏电池组件，其中交叉互连件的数目小于电池总数目的20％。
23.如权利要求1所述的光伏电池组件，所述光伏电池组件在其周界包括电输入端和电输出端。
24.如权利要求1所述的光伏电池组件，其包括边缘密封。
25.如权利要求24所述的光伏电池组件，其中由所述边缘密封占据的面积小于模块总面积的4％。
26.密集阵列聚光型光伏电池模块，其包括多个如权利要求1所述的光伏电池组件，该多个光伏电池组件以并排关系叠置在一起而成阵列以形成接收装置，在所述接收装置中，模块面积大于阵列面积的95％。
27.如权利要求26所述的密集阵列聚光型光伏电池模块，其中光伏电池组件的电池中80％或者更多彼此直接电连接。
28.如权利要求26所述的密集阵列聚光型光伏电池模块，其包括监控电路，所述监控电路集成在光伏电池模块的背面以在运行过程中对电压、电流和温度特征测量。
29.如权利要求26所述的密集阵列聚光型光伏电池模块，所述密集阵列聚光型光伏电池模块包括边缘密封，所述边缘密封为预成形的透明元件。
30.如权利要求26所述的密集阵列聚光型光伏电池模块，所述密集阵列聚光型光伏电池模块包括边缘密封，所述边缘密封为预成形的反射性元件。
31.制造基底的方法，所述基底用于如权利要求1所述的光伏电池组件的屋瓦式布置，所述制造基底的方法包括以下步骤：
(a)对一件包覆有金属的陶瓷材料进行蚀刻，以在位于该包覆有金属的陶瓷材料一侧的金属层中产生所需缺口，从而在该包覆有金属的陶瓷材料的该一侧生成金属垫以将电池安装成曲折式布置；
(b)对金属垫的表面进行机械加工或者以其他方式进行成形加工，从而形成具有所需锯齿式轮廓的安装垫以对电池进行安装；以及
(c)通过在安装垫上覆以恒定厚度的焊料或者其他适合的介质，完成所述基底的制造。
32.如权利要求31所述的制造基底的方法，在步骤(c)中，以丝网印刷的方式在安装垫上覆以恒定厚度的焊料或者其他适合的介质。
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