CN107078686A - 包括外部旁路二极管的光伏模块 - Google Patents

包括外部旁路二极管的光伏模块 Download PDF

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Abstract

光伏(PV)模块包括层压板、框架、接线盒以及电子组件。层压板包括顶表面、底表面以及设置在顶表面和底表面之间的多个PV电池。框架限制层压板的至少一部分。接线盒相邻附接到层压板的底表面，并电耦合到多个PV电池。电子组件相邻附接到层压板的底表面和接线盒的外部。电子组件包括电耦合到多个PV电池中的至少一个PV电池的旁路二极管。

Description

包括外部旁路二极管的光伏模块
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年10月28日提交的美国临时专利申请No.62/069,675的优先权，其全部内容在此通过引用而被包含。
技术领域
本公开通常涉及具有旁路二极管的光伏(PV)模块，更具体地涉及包括包含一个或多个旁路二极管的外部电子组件的PV模块。
背景技术
PV系统接收光能，特别是太阳能，并使用位于PV模块的层压板内的PV电池将光能转换为电能。PV电池共同地耦合到接线盒以提供PV系统的输出。旁路二极管耦合到单个或多组PV电池。当一个或多个PV电池被遮蔽或故障时，旁路二极管使来自未受影响的PV电池的电流能够以降低的功率损耗旁通受影响的电池。在没有旁路二极管的情况下，受影响的PV电池可能将过电流耗散为热量，这可导致部件损坏。
图1是包括输入10、输出20、并联PV电池30、旁路二极管40以及串联连接的PV电池50的PV系统的部分的简化电路图。输入10连接到诸如其它PV电池(未示出)的另一个能量源。输出20提供输出，其是输入10的电压和横跨PV电池30和50的电压的组合。如上所述，PV电池30和50将光能转换为电能。旁路二极管40并联耦合到PV电池30。
在正常工作条件下，电流被产生并通过PV电池30和50。旁路二极管40在正常条件下被反向偏置，并且基本上没有电流流过旁路二极管40。如果PV电池30被遮蔽或故障，则PV电池30停止产生电流(或产生减小的电流)并变为反向偏置。旁路二极管40是正向偏置的，并且电流流过旁路二极管40而不是流过遮蔽的PV电池30。在没有旁路二极管40的情况下，过电流将流过遮蔽的PV电池30并在遮蔽的PV电池30中耗散。遮蔽的PV电池30中的该耗散可降低系统的效率并可产生显著的热量，这可损坏PV电池30和/或系统的其它部分。
流过旁路二极管40的电流也生成热量。旁路二极管的有效性通常取决于在可接受的温度内通过快速耗散生成的热量来操作的二极管。如果旁路二极管40变得太热，则流过旁路二极管40的电流可被减小，或者旁路二极管40可能故障。将旁路二极管40保持在可接受的温度有助于防止旁路二极管40以及因此PV电池30和50的降低的性能和寿命周期。将旁路二极管放置在PV系统的其它热量生成部件附近可能降低旁路二极管可散热的速率。
此背景技术部分旨在向读者介绍可能与下面描述和/或要求保护的本公开的各个方面相关的本领域的各个方面。认为这种讨论有助于向读者提供背景信息以便于更好地理解本公开的各个方面。因此，应当理解，这些说明将以这个角度来理解，而不是对现有技术的承认。
发明内容
根据本公开的一个方面，光伏(PV)模块包括层压板、框架或机械附接设备、接线盒以及电子组件。层压板包括顶表面、底表面和设置在顶表面和底表面之间的多个PV电池。框架限制层压板的至少一部分。接线盒相邻附接到层压板的底表面，并电耦合到多个PV电池。电子组件相邻附接到层压板的底表面和接线盒的外部。电子组件包括电耦合到多个PV电池中的至少一个PV电池的旁路二极管。
在本公开的另一个方面，电子组件包括旁路二极管、印刷电路板(PCB)和外壳。旁路二极管电耦合到PV模块并安装在PCB上。PCB包括多个导电区域。外壳具有外部和内部。外壳还限定内部体积。旁路二极管设置在内部体积内。
存在与上述方面相关的特征的各种细化。另外的特征也可以包含在上述方面中。这些细化和附加特征可以单独地或以任何组合存在。例如，下面关于任何所示实施例所讨论的各种特征可以单独地或以任何组合包含在任何上述方面中。
附图说明
图1是PV系统的部分的简化电路图；
图2是示例PV模块的透视图；
图3是图2所示的PV模块的横截面图；
图4是图2所示的PV模块的后视图；
图5是图2所示的PV模块的简化电路图；
图6是示例电子组件的透视图；
图7是图6所示的电子组件的内部视图；
图8是图7所示的旁路二极管和印刷电路板(PCB)的近视图。
贯穿附图的多个视图，对应的参考标记指示对应的部分。
具体实施方式
本公开通常涉及具有旁路二极管的光伏(PV)模块。更具体地，本公开涉及包括其中具有旁路二极管的外部电子组件的PV模块。示例PV模块通过使用包括PV模块和接线盒外部的旁路二极管的电子组件来促进旁路二极管的增加了的散热。
首先参考图2、3和4，PV模块的一个实施例通常以100来指示。在图2中示出了PV模块100的透视图。图3是如图2中所示的在线A-A处截取的PV模块100的横截面图。PV模块100包括层压板102和限制层压板102的框架104。
层压板102包括顶表面106(也称为太阳接收侧)和底表面108(图3中所示)。边缘110在顶表面106和底表面108之间延伸。在该实施例中，层压板102是矩形形状。在其它实施例中，层压板102可以具有任何合适的形状。
如图3中所示，层压板102具有包括若干层118的层压结构。层118可以包括例如玻璃层、非反射层、电连接层、n型硅层、p型硅层和/或背衬层。一个或多个层118还可以包括PV电池(图2和图3中未示出)。在其它实施例中，层压板102可以具有更多或更少(包括一个)的层118，可以具有不同的层118，和/或可以具有不同类型的层118。
层压板102内的PV电池电连接以形成PV电池阵列。PV电池在层压板内耦合在一起以形成阵列。阵列中的PV电池彼此串联连接以产生作为每一个串联连接的PV电池的输出的总和的输出。在具有多个PV电池阵列的实施例中，PV电池阵列通常在接线盒内彼此耦合，如下所述。可选地，PV电池阵列可以在层压板102内耦合在一起。
如图2中所示，框架104限制层压板102。框架104耦合到层压板102，如在图3中最优所示。框架104有助于保护层压板102的边缘110。示例框架104包括与层压板102间隔开的外表面130和与层压板102相邻的内表面132。外表面130与内表面132间隔开并且基本上平行于内表面132。在示例实施例中，框架104由铝制成。更具体地，在一些实施例中，框架104由6000系列阳极氧化铝制成。在其它实施例中，框架104可以由提供足够刚度的任何其它合适的材料制成，包括例如轧制或冲压的不锈钢、塑料或碳纤维。
图4是PV模块100的底表面108的平面图。PV模块100包括接线盒140和相邻底表面108设置的电子组件142。接线盒140附接到层压板102。在其它实施例中，接线盒140附接到框架104。在一些实施例中，PV模块100包括便于与接线盒140和/或电子组件142机械连接的结构特征。示例包括用于螺钉的孔，框架104或层压板102上的凸缘，或者如下所述与部件上的配合结构配对的结构。
电子组件142机械地附接到层压板102。在其它实施例中，电子组件142附接到框架104或接线盒140。接线盒140可以包括便于机械连接的结构特征，诸如以与电子组件142的配合结构配对的螺钉孔。
尽管图4中示出了单个电子组件142，但是PV模块100可以包括任何合适数量的电子组件142。在一些实施例中，PV模块100包括多个电子组件142。电子组件142包括至少一个旁路二极管(图4中未示出)。在其它实施例中，电子组件142包括多个旁路二极管。旁路二极管电耦合到PV模块100中的至少一个PV电池阵列。
旁路二极管耦合到PV电池，以使得在全部PV电池正向偏置的正常工作条件下，旁路二极管被反向偏置以迫使电流流过并联PV电池阵列。在至少一个并联PV电池由于遮蔽或其它故障而被反向偏置时，旁路二极管的极性被正向偏置，并且电流流过旁路二极管以保护PV电池免于生成过多的热量并导致部件故障。在其它实施例中，实现了引导电流远离故障PV电池的替代方法，诸如采用开关部件。
图5是包括输入143、输出145、一组PV电池阵列151、接线盒140以及电子组件142的PV模块100的简化电路图。在该示例实施例中，一组PV电池阵列151包括PV电池阵列152、153和154。在其它实施例中，一组PV电池阵列151包括任何合适数量的更多或更少的PV电池阵列。PV电池阵列152、153和154的每个包括三个PV电池。在其它实施例中的PV电池阵列可以包括任何数量的PV电池。
接线盒140将PV电池阵列152、153和154串联地电耦合到层压板102外部，以允许在制造和修理PV模块100期间易于接入和安全处理。可替代地或另外地，PV电池阵列可以在接线盒140内并联连接。可选地，输入143和/或输出145可以容纳在接线盒140内。在一些实施例中，接线盒140包含其它电路，例如但不限于用于执行补充任务的消弧、监控和逆变器(未示出)。
电子组件142包括旁路二极管155、156和157。在其它实施例中，电子组件142可以包括任何合适数量的旁路二极管。每个旁路二极管155、156和157与相应的PV电池阵列并联连接。可选地，每个旁路二极管155、156和157可以与单个PV电池或PV电池阵列的部分并联连接。在示例实施例中，旁路二极管155连接到PV电池阵列152，旁路二极管156连接到PV电池阵列153，以及旁路二极管157连接到PV电池阵列154。在示例实施例中，旁路二极管155、156和157是肖特基二极管。可选地，二极管155、156和157可以是任何其它合适的二极管或适用于一个或多个PV电池的旁路的其它部件。
图6是电子组件142的透视图。电子组件142包括外壳160、电导体162以及旁路二极管155、156和157(图6中未示出)。可选地，电子组件142可以包括少于全部的旁路二极管。在示例实施例中，外壳160由聚碳酸酯材料构成。在其它实施例中，外壳160可以由提供合适的刚度结构的替代材料制成。外壳160包括顶部164、侧面165和166、端部167和168、以及限定内部体积的底部169。在一些实施例中，外壳160包括便于与PV模块100的安全机械连接的一个或多个结构特征，诸如外壳160底部上的配合结构或橡胶垫。
在一些实施例中，外壳160包括一个或多个散热结构，以便于从外壳和设置在其中的旁路二极管的快速地散热。散热结构的示例包括但不限于散热片，与诸如水的冷却剂热连通的铜触点，以及散布表面区域上的热量的热化合物等。在所示实施例中，外壳160的顶部164包括多个散热片185。
外壳160包括孔161，导体162通过孔161离开/进入外壳160以提供到旁路二极管155、156和157的电连接。导体162从电子组件142向外延伸。可选地，导体162终止于电子组件142的外表面附近以连接到其它导体(未示出)。
图7是沿图6中B-B线的电子组件142的横截面图。印刷电路板(PCB)170设置在外壳160的内部体积171中。旁路二极管155安装在PCB 170上。为了清楚起见，图7中示出了单个PCB 170和单个旁路二极管155。外壳160可以包括向PCB 170和导体162提供额外的机械支撑的结构(未示出)。
PCB 170是包括集成的导体(未示出)和导电区域180的电路板，以便于将诸如旁路二极管155和导体162的电气部件彼此耦合。
灌封化合物(封装剂(potant))172用于向旁路二极管155和PCB 170提供保护，以避免诸如振动、冲击和湿气的因素，同时允许热量向外耗散。封装剂172基本上填充内部体积171的部分，该内部体积171的部分未被PCB 170、安装在PCB 170上的部件(诸如旁路二极管155)以及导体162占据。在示例实施例中，封装剂172为基于硅树脂的封装剂。在其它实施例中，封装剂172由任何其它合适的封装剂材料组成。
图8是图6中所示的旁路二极管155和PCB 170的近视图。旁路二极管155使用表面安装焊接附接到PCB 170。可选地，旁路二极管155可以是通孔安装的，或者使用其它合适的附接方法耦合到PCB 170。PCB 170包括用于除了旁路二极管155之外的部件的导电区域。导电区域包括用于补充电路的导体垫180和通孔182。为了将导电区域彼此电耦合，PCB 170包括耦合到每个导电区域的集成导体。集成导体将旁路二极管155耦合到每个导体垫180。导体垫180耦合到导体162，以便将旁路二极管155耦合到PV模块100。
通孔182将提供补充功能的电路(未示出)耦合到电子组件160。电路可以包括但不限于逆变器、消弧电路和/或监控电路。通孔182通过集成导体耦合到导体垫180和旁路二极管155。在其它实施例中，PCB 170包括导电区域和集成导体的可替代结构，以提供到电气部件的连接。
通过将电子组件142附接到层压板102和接线盒140的外部，旁路二极管155的散热速率比一些已知的系统得到改善。通过将旁路二极管155与其它热量产生部件隔离，旁路二极管155能够以改善的速率来散热并且随后将温度保持在最优工作范围内。改善的散热率可以导致旁路二极管155的改善的寿命。电子组件可以有助于减少在PV模块中安装和维修旁路二极管所需的时间。对于PV模块100的所有者，电子组件142的添加可以通过以下来降低成本：降低替换旁路二极管155的需求，减少安装和修理电子组件142所需的劳动时间，以及降低在安装和修理期间损坏其它部件的风险。
该书面描述使用示例来公开本发明，包括最优方式，并也使得本领域技术人员能够实现本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何包含的方法。本发明的可专利范围由权利要求来限定，并可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例具有与权利要求的文字语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的文字语言无实质差异的等同的结构元件，则这些其它示例将在权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种光伏(PV)模块，包括：
层压板，其包括顶表面、底表面以及设置在所述顶表面和所述底表面之间的多个PV电池；
框架，其限制所述层压板的至少一部分；
接线盒，其相邻附接到所述层压板的底表面，所述接线盒电耦合到所述多个PV电池；以及
电子组件，其相邻附接到所述层压板的底表面和所述接线盒的外部，所述电子组件包括电耦合到所述多个PV电池中的至少一个PV电池的旁路二极管。
2.根据权利要求1所述的PV模块，其中，所述至少一个PV电池包括串联电连接的多个PV电池。
3.根据权利要求1所述的PV模块，还包括从所述层压板延伸并耦合到所述至少一个PV电池和所述电子组件的多个导体。
4.根据权利要求3所述的PV模块，其中，所述电子组件经由所述导体与所述多个PV电池中的至少一个并联耦合。
5.根据权利要求3所述的PV模块，其中，所述电子组件包括印刷电路板(PCB)，并且所述旁路二极管安装在所述PCB上。
6.根据权利要求5所述的PV模块，其中，所述PCB包括经由所述多个导体电耦合到所述至少一个PV电池的多个导电区域，所述旁路二极管横跨所述多个导电区域中的至少两个来耦合。
7.根据权利要求6所述的PV模块，其中，所述电子组件包括从包括逆变器、消弧电路和监控电路的一组电子电路中选择的部件，其中，所述部件电耦合到所述多个导电区域中的至少一个。
8.根据权利要求1所述的PV模块，其中，所述电子组件机械地附接到所述框架。
9.根据权利要求1所述的PV模块，其中，所述电子组件机械地附接到所述接线盒的外部。
10.根据权利要求1所述的PV模块，其中，所述电子组件机械地附接到所述层压板。
11.根据权利要求1所述的PV模块，其中，所述电子组件包括具有外部和内部并且限定内部体积的外壳，其中，所述旁路二极管设置在所述内部体积内。
12.根据权利要求11所述的PV模块，其中，所述电子组件包括设置在所述外壳的内部内的封装剂。
13.根据权利要求1所述的PV模块，还包括相邻附接到所述层压板的底表面和所述接线盒的外部的其它电子组件，所述电子组件的每个包括电耦合到所述多个PV电池中的至少一个PV电池的旁路二极管。
14.一种电子组件，包括：
旁路二极管，其被配置为电耦合到PV模块；
印刷电路板(PCB)，其中，所述PCB包括多个导电区域，其中，所述旁路二极管安装在所述PCB上；
外壳，其具有外部和内部并且限定内部体积，其中，所述旁路二极管设置在所述内部体积内。
15.根据权利要求14所述的电子组件，其中，所述旁路二极管横跨所述多个导电区域中的至少两个来耦合。
16.根据权利要求14所述的电子组件，其中，所述电子组件包括从包括逆变器、消弧电路和监控电路的一组电子电路中选择的部件，其中，所述部件电耦合到所述多个导电区域中的至少一个。
17.根据权利要求14所述的电子组件，其中，所述外壳的外部包括散热片。
18.根据权利要求14所述的电子组件，其中，所述电子组件包括设置在所述外壳的内部内的封装剂。
19.根据权利要求18所述的电子组件，其中，所述封装剂是基于硅树脂的封装剂。
20.根据权利要求18所述的电子组件，其中，所述外壳的内部体积基本上被所述旁路二极管和所述封装剂填充。
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