NO20101194A1 - Fotovoltaisk modul med integrerte solcelledioder - Google Patents

Abstract

En solcellemodul med flere seriekoblede solceller (1), hvor minst en forbikoblingsdiode (2) er utstyrt med en overflate tilpasset til å avlede varme som genereres av produksjonscellene. En vesentlig del av diodens overflateareal er i flukt med fremsiden og/eller baksiden av en produksjonscelle. Forbikoblingsdioden (2) er elektrisk koblet parallelt med, men med motsatt polaritet av, minst en produksjonscelle (1) ved hjelp av elektriske ledere (3). I en utførelsesform er forbikoblingsdioden (2) en del av en industrielt fremstilt solcelle som er snudd i modulen slik at baksiden vender samme vei som produksjonscellenes fremsider.

Description

BAKGRUNN

Teknisk område

Foreliggende oppfinnelse vedrører et apparat og en fremgangsmåte for å beskytte solceller mot innvirkningene av skyggelegging, spesielt sperrespenning, tilbakestrøm og overoppvarmede områder forårsaket av skyggelegging.

Kjent og beslektet teknikk

Innenfor en solcellemodul er typisk et flertall solceller koblet i serie for å tilveiebringe teknisk anvendelige spenninger og strømmer. Ved delvis skyggelegging av solcellemodulen vil de skyggelagte solcellene generere mindre eller ingen strøm og vil ikke generere strøm i lederetningen på normal måte.

(Strømmen i en seriekoblet streng av celler må være den samme i alle celler.)

Spenningen i de solbelyste cellene vil bygge opp en sperrespenning på de skyggelagte cellene inntil en stasjonær strøm er nådd. Sperrespenningen på en skyggelagt celle kan komme opp i verdier som er høyere enn gjennomslagsspenningen for den skyggelagte cellen. Dette kan føre til permanent skade på cellen og modulen. Solceller kan beskyttes ved å anordne bypassdioder i parallell med solcellene.

Eksempler på integrerte bypassdioder som beskytter én enkelt solcelle kan finnes foreksempel i US 6,184,458, US 5,616,185, US 5,223,044 og US 6,784,358. De integrerte diodene i disse referansene er tynne og/eller smale. En typisk tynnfilmdiode tåler ikke typiske strømmer i en moderne høyeffektivitets 15 cm (6 tommer) krystallinsk silisiumcelle, for eksempel omtrent 8,5 A. Videre vil en tynn eller smal diode også generere varme når den blir anvendt i en moderne celle eller modul med høyere strøm. Ettersom overflatearealet til en tynn og smal struktur gjerne er for lite til å stråle bort varmen til omgivelsesmiljøet, krever slike dioder ofte en god termisk kobling til et varmesluk med et overflateareal som er stort nok til å bortskaffe overskuddsvarmen ved stråling. Opphopning av varme vil kunne forårsake overoppheting og permanent skade på solcellen og modulen, og innlemmelse av gode varmeledere som ikke leder elektrisitet i et stort antall små dioder øker raskt kompleksiteten og kostnadene til solcellemodul som genererer spenninger og strømmer for dagens anvendelser. Videre er integrasjon av diodene i en solcelle så som i referansen over gjerne komplisert og øker risikoen for skade og tap av virkningsgrad.

US 5,330,583, med tittelen 'Solar Battery Module', til Asai m.fl. beskriver en solcellebatterimodul som inkluderer ledningsforbindelser for å seriekoble et flertall solbattericeller, og én eller flere bypassdioder som gjør det mulig å koble rundt utgangsstrøm fra cellene med hensyn til én eller flere celler. Hver diode er en chip-formet tynn diode og er festet på en elektrode i en celle eller mellom ledningsforbindelser. Nærmere bestemt er de chip-formede bypassdiodene enten koblet til fremsiden av solcellebatteriet, plassert på siden av et solcellebatteri eller koblet til baksiden av et solcellebatteri for å beskytte en streng av solcellebatterier.

I dag er det vanlig praksis å installere én bypassdiode i parallell over 20 celler, ettersom dette er funnet å være et rimelig kompromiss mellom et ønske om å

begrense den maksimale sperrespenningen og tilbakestrømmen, som begge øker med antallet solceller, og et ønske om å begrense antallet bypassdioder, noe som øker kompleksiteten og kostnaden til integrasjon og kabling av dioder. Diodene blir typisk installert i en overgangsboks på baksiden eller ryggen av modulen. Overgangsboksen er termisk koblet til et varmesluk og kan bli overopphetet dersom varmesluket er for lite til å skaffe bort varmen. Dersom celler med lav motstand mot sperrespenning blir anvendt, må diodene installeres parallelt med et lavere antall celler, slik at det totale antallet dioder for hver modul vil øke. Imidlertid vil det å øke antallet bypassdioder innenfor eksterne overgangsbokser mest sannsynlig øke antallet bokser, mengden nødvendig kabling og/eller øke boksenes kompleksitet. Dette vil raskt øke modulens kostnad og kompleksitet.

WO2009/012567, med tittelen 'Shading protection for solar cells and solar cell modules', til Day4Solar beskriver en solcellemodul der hver solcelle får en chip-diode anordnet på baksiden. Chip-dioden blir anvendt som bypassdiode. Som angitt over er imidlertid chip-dioder små og leder ikke bort varme på en effektiv måte. Denne løsningen vil i praksis bare flytte en eventuell overoppvarmet område fra en celle til dens bypassdiode.

GB1243109, med tittelen 'Use of un-illuminated solar cells as shunt diodes for a solar cell area', overdratt til NASA, beskriver en solcellegruppe omfattende minst to batterier, der hvert har et flertall seriekoblede solceller med pn-overganger, anordnet slik at ett av batteriene blir belyst mens det andre er skyggelagt. Hver solcelle i ett batteri er koblet i parallell med og har motsatt polaritet av en celle i det andre batteriet, slik at dersom en solcelle i det solbelyste batteriet blir deaktivert, solcellen koblet i parallell med denne i det skyggelagte batteriet tilveiebringer en shunt bane rundt den. Polariteten til spenningene som utvikles av de solbelyste solcellene er slik at de skaper en sperrespenning i de ekvivalente diodene for de ikke solbelyste solcellene og hindrer kortslutning under normal drift, men dersom én av solcellene i det solbelyste batteriet skyggelegges og slutter å generere spenning, blir den ekvivalente dioden på den skyggelagte solcellen koblet i parallell med denne påført en ledespenning og ledende, og sikrer således en kontinuerlig vei for strømmen. Batteriene kan være anordnet i et romfartøy.

Selv om idéen med å anvende et stort antall dioder for å redusere den maksimale mulige tilbakestrømmen synes gjennomførbar, vil det å tilveiebringe en separat solcellemodul være upraktisk, dyrt og komplisert i anvendelser på bakken, der en solcellemodul typisk er anordnet på en overflate så som en vegg eller et tak og det således kun vil være bare én aktiv side av modulen og ikke behov for en andre modul eller et solcellebatteri.

Det er således et mål med foreliggende oppfinnelse å innlemme et stort antall dioder i en solcellemodul, og med det redusere den maksimalt mulige tilbakestrømspenningen. Videre er det et mål å bedre varmedissipasjonen fra bypassdiodene samtidig som kompleksiteten og kostnaden holdes lav.

OPPSUMMERING

Ifølge foreliggende oppfinnelse oppnås dette ved å tilveiebringe en solcellemodul med flere seriekoblede pn-overgang produksjonssolceller, der minst én bypassdiode er utstyrt med et overflateareal tilpasset til å skaffe bort varme generert av en spenning og strøm fra én eller flere av de seriekoblede produksjonscellene, der en vesentlig del av overflatearealet ligger hovedsakelig i flukt med fremsiden og/eller baksiden av en produksjonscelle, og bypassdioden er elektrisk koblet i parallell med og med motstående polaritet av minst én produksjonscelle av elektriske ledere.

Ettersom et stort overflateareal er anordnet hovedsakelig i flukt med fremsiden og/eller baksiden av modulen, kan overskuddsvarme bli bortskaffet ved stråling direkte fra diodeoverflaten heller enn at den ledes til et eksternt varmesluk eller en radiator. Dette kan redusere eller fjerne kravet om et eksternt varmesluk eller en radiator og en varmeleder mellom diodene og det eksterne varmesluket. Arealet til dioden må være stort nok til å sikre at varme blir bortskaffet ved moderate temperaturer, dvs. temperaturer godt under de som vil skade eller ødelegge modulen eller dens komponenter.

I noen utførelsesformer kan bypassdioden med stort overflateareal være en hel eller en del av en solcelle anordnet "bak frem" i modulen. Ettersom mesteparten av den nødvendige kablingen allerede er på plass i en solcelle, er det å koble en solcelle som en bypassdiode et hensiktsmessig og økonomisk godt valg, spesielt fordi en solcelle som fungerer som en bypassdiode kan bygges inn i modulen mye på samme måte som produksjonscellene.

Oppfinnelsen tilveiebringer også en fremgangsmåte for å tilvirke en slik solcellemodul.

Fordelene med løsningen ifølge oppfinnelsen inkluderer:

- Varme generert under drift av dioden blir ledet bort ved moderate temperaturer. - Ikke noe behov for et eksternt varmesluk eller termiske koblinger til overgangsboksen - Enkel integrasjon av bypassdioder i de elektriske kretsene (dannelse av strenger og flytting) i en solcellemodul

- Enkel integrasjon av bypassdioder i lagene i en solcellemodul

- Et beskyttelsesnivå ned til én bypassdiode for hver solcelle er mulig

- Enkel overgangsboks uten dioder og ekstra kabling

- Materialene som anvendes er alle veltestet i laminater for lange levetider

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

Oppfinnelsen vil bli forklart mer utdypende i den følgende detaljerte beskrivelsen under henvisning til de vedlagte tegningene, der:

Figur 1 viser en solcelle beskyttet av en bypassdiode.

Figur 2 illustrerer en fullskalamodul der hver celle er koblet til en egen bypassdiode. Figur 3 viser en modul innrettet som en serie av strenger av celler, der hver streng av celler anvender én skive av en solcelle som en bypassdiode. Figur 4 viser en annen utførelsesform der hver produksjonscelle er beskyttet av en bypassdiode.

Figur 5 viser en detalj av modulen i figur 4.

DETALJERT BESKRIVELSE

Figur 1 viser en enkeltstående solcelle beskyttet av en bypassdiode. Dioden er elektrisk parallellkoblet med én eller flere produksjonsceller 1 av elektriske forbindelser 3, og tilveiebringer en ledningsvei for tilbakestrømmene som genereres når én eller flere av produksjonscellene er skyggelagt, som omtalt i innledningen. Den maksimale tilbakestrømmen og sperrespenningen som kan genereres på denne måten opptrer når alle solcellene er skyggelagt, og genererer en celleindusert maksimal varme i bypassdioden. Overskuddsvarmen blir, ifølge foreliggende oppfinnelse, bortskaffet ved stråling gjennom et overflateareal av dioden 2. Det bemerkes at stråling fra solen og andre faktorer kan bidra til overskuddsvarme i en diode anordnet inne i en solcellemodul, og at absorpsjonen og strålingen, blant andre faktorer, vil avhenge av varmekapasitet, varmeledningsevne, diodens farge og reflektivitet etc. Disse og andre relevante faktorer er kjent for fagmannen, og de er derfor ikke beskrevet i detalj her. For formålet med foreliggende oppfinnelse skal det bemerkes at det ovennevnte maksimale bidraget til overskuddsvarmen som opptrer når alle solceller er skyggelagt, kan bli anvendt for å beregne overflatearealet til bypassdioden. Den faktiske overskuddsvarmen som blir generert av produksjonscellene vil være mindre enn eller lik denne maksimalverdien. Alternativt kan overflatearealet til bypassdioden i en gitt anvendelse bli bestemt ved å utføre et begrenset sett av tester kjent for fagmannen.

Bypassdioden kan videre være et hovedsakelig flatt bånd av materiale med to overflater, f.eks. en fremside og en bakside, som er vesentlig større enn sideflatene. Dette betyr at nesten all overskuddsvarme forsvinner gjennom den ene av eller begge de store overflatene, og bare en ubetydelig andel forsvinner gjennom sideflatene. En betydelig del av bypassdiodens overflateareale er således hovedsakelig i flukt med fremsiden og/eller baksiden av en produksjonscelle.

Krystallinske silisiumsolceller kan betraktes som pn-overganger med stort areal. Et romladningsområde blir typisk dannet ved å dope fremsiden av cellen med fosforholdig stoff, mens størstedelen av cellen blir lett dopet med bor. Eksponert for lys blir det generert frie ladningsbærere inne i cellen som resulterer i en lysindusert strøm. Når cellen er skyggelagt, derimot, har den trekk tilsvarende en likeretterdiode. Det store arealet til disse cellene gjør dem egnet som høystrømdioder. Solcellebiter på få cm<2>er således store nok til å bli anvendt som bypassdioder med god varmedissipasjon.

I noen utførelsesformer kan bypassdioden 2 således være en hel eller en del av en industriell solcelle anordnet bak frem i modulen, dvs. med sin bakside vendt i samme retning som fremsiden av produksjonscellene. Det må forstås at varme kan bli bortskaffet direkte gjennom stråling fra enhver bypassdiode med et overflateareal som er stort nok, og at en solcelle bare kan være en praktisk og billig måte å tilveiebringe en bypassdiode med stort areal. Spesielt skal det bemerkes at en solcelle inkluderer kabling og har en tykkelse og andre trekk som gjør det forholdsvis lett å innlemme en hel celle eller en skive av den i en solcellemodul omfattende solceller med tilsvarende kabling, dimensjoner, velprøvet holdbarhet, bestandighet mot sollys, kompatibilitet med beleggene som anvendes i en solcellemodul og andre tilsvarende trekk.

I tegningene er forbindelsesbånd 3 anvendt for elektrisk kontakt med solcellene. De elektriske lederne 3 kan være trukket over bypassdioden og koble dioden elektrisk i parallell med cellen. Som angitt over kan denne forbindelsen oppnås på en enkel måte dersom bypassdioden er en solcelle med tilsvarende kabling. Igjen bemerkes at bypassdioden kan være en hvilken som helst diode med stort nok overflateareal. Bypassdioden trenger ikke være en hel eller en del av en solcelle.

Hver celle i en solcellemodul kan være forsynt med en slik bypassdiode. Ved delvis skyggelegging av modulen vil alle ikke skyggelagte celler ha full funksjon mens diodene kobler strømmen rundt de skyggelagte cellene. Diodeskiven kan være gitt en optisk reflekterende overflate, f.eks. oppnådd ved å belegge overflaten med et reflekterende materiale, dekke den med en reflekterende film etc. Formålet er delvis å reflektere innkommende sollys til én eller flere tilstøtende produksjonsceller, og delvis å redusere varmen som skapes i bypassdioden av innkommende stråling, f.eks. av sollys. Figur 2 illustrerer en fullskala modul med 54 solceller, der hver celle er koblet til en egen bypassdiode. Figur 3 viser en annen mulig utførelsesform av oppfinnelsen. I dette tilfellet omfatter modulen ti strenger, hver streng med seks produksjonsceller 1. Ved enden av hver streng er én skive av en solcelle plassert vendt mot baksiden av modulen. Hver solcelleskive tjener som en bypassdiode 2 og er koblet i parallell med og har motsatt polaritet i forhold til de seks produksjonscellene i strengen den beskytter. Med én bypassdiode parallellkoblet med seks celler er den maksimale sperrespenningen som kan opptre over én enkelt celle begrenset til 3 V. Denne konkrete modulutførelsen krever en ytterligere kryssforbindelse 3 mellom strengene. Denne kan være plassert bak cellene eller mellom cellene. Dersom kryssforbindelsen er tilveiebrakt mellom cellene, kan den være utført med en reflekterende overflate for å reflektere innkommende lys til de tilstøtende cellene og/eller for å redusere varmen som absorberes fra sollyset. Sølv blir ofte anvendt i de elektriske forbindelsene, kjent som fingre og samleskinner, på fremsiden av solceller. Det er velkjent at sølv er en god optisk reflektor og samtidig en god elektrisk leder. Sølv kan således være et eksempel på et valg av materiale som ikke krever spesialbelegg for å være reflekterende. I andre tilfeller kan det være fordelaktig med en reflekterende kledning eller film tilveiebrakt over kablingen (og/eller bypassdiodene). Figur 4 illustrerer en annen utførelsesform av oppfinnelsen. Seks solceller 1 er koblet i en streng mens hver streng har sin egen bypassdiode 2 koblet til begge ender av strengen av brede kryssforbindelser 3 anordnet parallelt med strengen. Kryssforbindelsene 3 har en reflekterende overflate som reflekterer det innkommende lyset til de tilstøtende solcellene og/eller reduserer varmeabsorbsjon som omtalt over. Figur 5 viser en detalj av modulen vist i figur 4 for å illustrere innlemmelsen av bypassdioden 2. Denne dioden kan være et stykke skåret ut fra en industriell solcelle eller en chip-diode med stort areal, slik at varme blir bortskaffet fra dets forholdsvis store areal på en effektiv måte. Bypassdioden 2 er elektrisk koblet på oversiden og på undersiden til en kryssforbindelse 3 av passende lengde. Kraften som forsvinner i dioden vil medføre begrenset temperaturøkning ikke bare fordi bypassdioden 2 har et passende stort areal, men også fordi de brede kryssforbindelsene 3 vil bidra til å lede og stråle bort den genererte varmen.

Claims (13)

1. Solcellemodul med flere seriekoblede produksjonssolceller med pn-overganger, karakterisert vedat minst én bypassdiode (2) er utstyrt med et overflateareal tilpasset til å bortskaffe varme generert av en spenning og strøm fra én eller flere av de seriekoblede produksjonscellene, der en vesentlig del av overflatearealet er anordnet hovedsakelig i flukt med fremsiden og/eller baksiden av en produksjonscelle, og bypassdioden (2) er elektrisk koblet i parallell med, og med motsatt polaritet av, minst én produksjonscelle (1) av elektriske ledere (3).

2. Solcellemodul ifølge krav 1, der bypassdioden (2) omfatter en del av en solcelle (2) anordnet med sin bakside vendt i samme retning som fremsiden av produksjonscellen (1).

3. Solcellemodul ifølge krav 1 eller 2, der produksjonscellene (1) er anordnet i strenger, der hver streng omfatter minst én produksjonscelle (1) og hver streng er elektrisk koblet til én bypassdiode (2).

4. Solcellemodul ifølge ethvert av de foregående krav, der bypassdioden (2) er utstyrt med en optisk reflekterende overflate.

5. Solcellemodul ifølge ethvert av de foregående krav, der de elektriske lederne (3) er anordnet mellom cellene.

6. Solcellemodul ifølge ethvert av de foregående krav, der de elektriske lederne (3) er optisk reflekterende.

7. Fremgangsmåte for å tilvirke en solcellemodul med flere seriekoblede produksjonssolceller med pn-overganger,karakterisert vedde trinn å: - tilveiebringe en bypassdiode (2) med et overflateareal tilpasset til å bortskaffe varme generert av en maksimal spenning og strøm som kan genereres av én eller flere av de seriekoblede produksjonscellene, - anordne bypassdioden (2) med en vesentlig del av overflatearealet hovedsakelig i flukt med fremsiden og/eller baksiden av en produksjonscelle, og - koble bypassdioden (2) elektrisk i parallell med og med motsatt polaritet av minst én produksjonscelle (1) ved hjelp av elektriske ledere (3).

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, videre omfattende det trinn å tilveiebringe en del av en solcelle og anvende denne som bypassdioden (2).

9. Fremgangsmåte ifølge krav 8, videre omfattende det trinn å anordne delen av solcellen med dens bakside vendt i samme retning som fremsiden av produksjonscellen (1).

10. Fremgangsmåte ifølge ethvert av kravene 7 til 9, videre omfattende det trinn å anordne produksjonscellene (1) i strenger, der hver streng omfatter minst én produksjonscelle (1) og hver streng er elektrisk koblet til én bypassdiode (2).

11. Fremgangsmåte ifølge ethvert av kravene 7 til 10, videre omfattende det trinn å utstyre bypassdioden (2) og/eller de elektriske lederne (3) med en optisk reflekterende overflate.

12. Fremgangsmåte ifølge ethvert av kravene 7 til 11, videre omfattende det trinn å dele inn en standard solcelle i skiver for bruk som den minst ene forbikoblingscellen (2).

13. Fremgangsmåte ifølge krav 12, videre omfattende det trinn å tilpasse størrelsen til en skive til et behov for varmedissipasjon.