TWI723001B - 包括外部旁路二極體的光伏模塊及其電子總成 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種光伏打(PV)模組，其包含一積層板、一框、一接線盒及一電子總成。該積層板包含一頂部表面、一底部表面及經安置於該頂部表面與該底部表面之間的複數個PV單元。該框外接該積層板之至少一部分。該接線盒經附接成相鄰於該積層板之該底部表面，且經電耦合至該複數個PV單元。該電子總成經附接成相鄰於該積層板之該底部表面及該接線盒之外部。該電子總成包含經電耦合至該複數個PV單元之至少一個PV單元之一旁路二極體。

Description

包括外部旁路二極體的光伏模塊及其電子總成
本發明大體係關於具有旁路二極體之光伏打(PV)模組，更特定言之，係關於包含含有一或多個旁路二極體之一外部電子總成之PV模組。
一PV系統接收光能(特別地為太陽能)且使用定位於PV模組之積層板內之PV單元將光能轉換為電能。PV單元共同耦合至一接線盒以提供PV系統之輸出。旁路二極體耦合至PV單元之個體或群組。當一或多個PV單元被遮蔽或故障時，旁路二極體使來自未受影響之PV胞之電流能夠略過受影響之單元而降低功率損失。在無旁路二極體的情況下，受影響之PV單元可將消散過剩電流作為熱量，此可導致組件損傷。
圖1係一PV系統之一部分之一簡化電路圖，該PV系統包含一輸入端10、一輸出端20、一並聯之PV單元30、一旁路二極體40及串聯連接之PV單元50。輸入端10連接至另一能量源，諸如一(多個)額外PV單元(未展示)。輸出端20提供之一輸出係輸入端10之電壓與跨PV單元30及50之電壓之一組合。如上文提及，PV單元30及50將光能轉換為電能。旁路二極體40經並聯耦合至PV單元30。
在正常操作條件下，電流經產生且通過PV單元30及50。旁路二極體40在正常條件下經反向偏壓且實質上無電流流動通過旁路二極體40。若PV單元30變成被遮蔽或故障，則PV單元30停止產生電流(或產生一降低電流)且變成經反向偏壓。旁路二極體40經正向偏壓且電流流動通過旁路二極體40而非通過經遮蔽之PV單元30。在無旁路二極體40的情況下，過剩電流將流動通過經遮蔽之PV單元30且在經遮蔽之PV單元30中消散。經遮蔽之PV單元30中之此消散可降低系統之效率且可產生明顯熱量，此可損害PV單元30及/或系統之其他部分。
流動通過旁路二極體40之電流亦產生熱量。旁路二極體之有效性一般取決於該二極體藉由快速消散產生之熱量而在可接受溫度內操作。若旁路二極體40變成過熱，則流動通過旁路二極體40之電流可被降低或旁路二極體40可失效。將旁路二極體40維持在一可接受溫度有助於防止旁路二極體40且因此PV單元30及50之效能及生命週期降低。將旁路二極體定位於PV系統之其他熱量產生組件之附近可降低旁路二極體可消散熱量之速率。
此先前技術部分旨在向讀者介紹可與在下文中描述及/或主張之本發明之各種樣態相關之技術之各種樣態。據信此討論有助於向讀者提供背景資訊以促進對本發明之各種樣態之更佳理解。因此，應理解應以此教示閱讀此等陳述，而非作為先前技術之認可。
根據本發明之一項態樣，一種光伏打(PV)模組包含一積層板、一框或一機械附接裝置、一接線盒及一電子總成。該積層板包含一頂部表面、一底部表面及安置於該頂部表面與該底部表面之間的複數個PV單元。該框 外接該積層板之至少一部分。該接線盒經附接成相鄰於該積層板之該底部表面且經電耦合至該複數個PV單元。該電子總成經附接成相鄰於該積層板之該底部表面及該接線盒之外部。該電子總成包含經電耦合至該複數個PV單元之至少一個PV單元之一旁路二極體。
在本發明之另一態樣中，一種電子總成包含一旁路二極體、一印刷電路板(PCB)及一外殼。該旁路二極體經電耦合至一PV模組且經安裝於該PCB上。該PCB包含複數個導電區。該外殼具有一外部及一內部。該外殼亦界定一內部容積。該旁路二極體經安置於該內部容積內。
存在關於上述之態樣所提及之特徵之各種改良。進一步特徵亦可併入上述態樣中。此等改良及額外特徵可個別的或以任何組合存在。舉例而言，下文關於所繪示實施例之任一者所討論之各種特徵可單獨或以任何組合併入上文描述之態樣之任一者中。
10:輸入端
20:輸出端
30:PV單元
40:旁路二極體
50:PV單元
100:PV模組
102:積層板
104:框
106:頂部表面
108:底部表面
110:邊緣
118:層
130:外表面
132:內表面
140:接線盒
142:電子總成
143:輸入端
145:輸出端
151:PV單元陣列群組
152:PV單元陣列
153:PV單元陣列
154:PV單元陣列
155:旁路二極體
156:旁路二極體
157:旁路二極體
160:殼體
161:孔
162:電導體
164:頂部
165:側部
166:側部
167:端部
168:端部
169:底部
170:印刷電路板
171:內部容積
172:封膠化合物
180:導電區/導體墊
182:通孔
185:散熱鰭片
A-A:線
B-B:線10
圖1係一PV系統之一部分之一簡化電路圖。
圖2係一實例PV模組之一透視圖。
圖3係在圖2中展示之PV模組之一橫截面視圖。
圖4係在圖2中展示之PV模組之一後視圖。
圖5係在圖2中展示之PV模組之一簡化電路圖。
圖6係一實例電子總成之一透視圖。
圖7係在圖6中展示之電子總成之一內部視圖。
圖8係在圖7中展示之旁路二極體及印刷電路板(PCB)之一靠近視圖。
本發明大體上係關於具有旁路二極體之光伏打(PV)模組。更特定言之，本發明係關於包含其中具有旁路二極體之一外部電子總成之PV模組。實例PV模組透過使用包含於PV模組外部之(多個)旁路二極體及接線盒之一電子總成來藉由(多個)旁路二極體促進增大熱量消散。
首先參考圖2、圖3至圖4，一PV模組之一項實施例大體上經指示為100。在圖2中展示PV模組100之一透視圖。圖3係在圖2中展示之線A-A處取得之PV模組100之一橫截面視圖。PV模組100包含一積層板102及外接積層板102之一框104。
積層板102包含一頂部表面106(亦稱為一陽光接收側)及一底部表面108(在圖3中展示)。邊緣110延伸於頂部表面106與底部表面108之間。在此實施例中，積層板102為矩形形狀。在其他實施例中，積層板102可具有任何適當形狀。
如在圖3中展示，積層板102具有包含若干層118之一積層板結構。層118可包含(例如)玻璃層、非反射層、電連接層、n型矽層、p型矽層及/或背層。一或多個層118亦可包含PV單元(未在圖2及圖3中展示)。在其他實施例中，積層板102可具有更多或更少(包含一個)層118、可具有不同層118及/或可具有不同類型之層118。
積層板102內之PV單元經電連接以形成PV單元陣列。PV單元係在積層板內耦合在一起以形成該陣列。一陣列中之PV單元經串聯連接至彼此以產生一輸出，該輸出係經串聯連接之PV單元之各者之輸出的總和。在具有多個PV單元陣列之實施例中，PV單元陣列通常係在一接線盒內耦合至彼此，如下文描述。替代地，PV單元陣列可在係積層板102內耦合在一起。
如在圖2中展示，框104外接積層板102。框104經耦合至積層板102，如在圖3中最佳展示。框104幫助保護積層板102之邊緣110。實例框104包含與積層板102相隔開之一外表面130及與積層板102相鄰之一內表面132。外表面130與內表面132相隔開且實質上平行於內表面132。在實例實施例中，框104係由鋁製成。更特定言之，在一些實施例中，框104係由6000系列陽極氧化鋁(anodized aluminum)製成。在其他實施例中，框104可係由提供足夠剛度之任何其他適當材料(包含，(例如)滾軋或衝壓不銹鋼、塑膠或碳纖維)製成。
圖4係PV模組100之底部表面108之一平面圖。PV模組100包含接線盒140及經安置鄰近於底部表面108之一電子總成142。接線盒140附接至積層板102。在其他實施例中，接線盒140附接至框104。在一些實施例中，PV模組100包含結構特徵以促進機械連接至PV模組100及/或電子總成142。實例包含螺絲孔、框104或積層板102上之一凸緣或與下文描述之組件上之一配接結構配對之一結構。
電子總成142機械附接至積層板102。在其他實施例中，電子總成142附接至框104或接線盒140。接線盒140可包含結構特徵(諸如螺絲孔)來與電子總成142之配接結構配對以促進一機械連接。
儘管在圖4中展示一單一電子總成142，但PV模組100可包含任何適當數量之電子總成142。在一些實施例中，PV模組100包含多個電子總成142。電子總成142包含至少一個旁路二極體(未在圖4中展示)。在其他實施例中，電子總成142包含多個旁路二極體。旁路二極體經電耦合至PV模組100中之至少一個PV單元陣列。
旁路二極體耦合至(多個)PV單元，使得在正常操作條件(其中所有PV單元正向偏壓)下，旁路二極體經反向偏壓以迫使電流流動通過並聯之PV單元陣列。當歸因於遮蔽或其他故障而時至少一個並聯之PV單元經反向偏壓時，旁路二極體之極性經正向偏壓且電流流動通過旁路二極體以保護(多個)PV單元以防產生過量熱量及造成組件故障。在其他實施例中，實施引導電流遠離故障PV單元之替代方法，諸如使用一切換組件。
圖5係PV模組100之一簡化電路圖，PV模組100包含一輸入端143、一輸出端145、一PV單元陣列群組151、接線盒140及電子總成142。在實例實施例中，PV單元陣列群組151包含PV單元陣列152、153及154。在其他實施例中，PV單元陣列群組151包含任何適當數量之更多或更少之PV單元陣列。PV單元陣列152、153及154各包含三個PV單元。在其他實施例中，PV單元陣列可包含任何數量之PV單元。
接線盒140在積層板102外部與PV單元陣列152、153及154串聯地電耦合以容許在製造及修復PV模組100期間易於接取且安全處置。替代地或另外，PV單元陣列可係在接線盒140內並聯連接。另外，輸入端143及/或輸出端145可經容置於接線盒140內。在一些實施例中，接線盒140含有額外電路(諸如但不限於消弧、監測及換流器(未展示))來執行補充任務。
電子總成142包含旁路二極體155、156及157。在其他實施例中，電子總成142可包含任何適當數量之旁路二極體。各旁路二極體155、156及157係與一各自PV單元陣列並聯連接。替代地，各旁路二極體155、156及157係與一單一PV單元或一PV單元陣列之一部分並聯連接。在實例實施例中，旁路二極體155經連接至PV單元陣列152，旁路二極體156經連接至PV單元陣列153，且旁路二極體157經連接至PV單元陣列154。在實例實施 例中，旁路二極體155、156及157為肖特基二極體。替代地，二極體155、156及157可係適用作一或多個PV單元之一旁路之任何其他適當二極體或其他組件。
圖6係電子總成142之一透視圖。電子總成142包含一殼體160、電導體162及旁路二極體155、156及157(未在圖6中展示)。替代地，電子總成142可包含少於所有的旁路二極體。在實例實施例中，殼體160係由聚碳酸酯材料構成。在其他實施例中，殼體160可係由提供一適當剛性結構之替代材料製成。殼體160包含界定一內部容積之一頂部164、側部165及166、端部167及168，及一底部169。在一些實施例中，殼體160包含一或多個結構特徵以促進緊固機械連接至PV模組100(諸如殼體160之底部上之一配接結構或橡膠墊)。
在一些實施例中，殼體160包含一或多個散熱器結構以促進自殼體及經安置於其中之(多個)旁路二極體快速消散熱量。散熱器結構之實例包含但不限於散熱鰭片、與冷卻劑(諸如水)熱通連之一銅接觸件及跨一表面區域擴散熱量之一導熱化合物，及類似物。在所繪示之實施例中，殼體160之頂部164包含複數個散熱鰭片185。
殼體160包含孔161，導體162穿過孔161離開/進入殼體160以提供至旁路二極體155、156及157之一電連接。導體162自電子總成142向外延伸。替代地，導體162在電子總成142之外表面的附近終止以連接至其他導體(未展示)。
圖7係沿圖6中之線B-B取得之電子總成142之一橫截面視圖。一印刷電路板(PCB)170經安置於殼體160之內部容積171中。旁路二極體155經安裝於PCB 170上。為清晰起見，在圖7中展示一單一PCB 170及一單一旁路 二極體155。殼體160可包含結構(未展示)以提供至PCB 170及導體162之額外機械支撐。
PCB 170係一電路板，其包含整合式導體(未展示)及導電區180，以促進使電子組件(旁路二極體155及導體162)彼此耦合。
一封膠化合物(potant)172用來提供對旁路二極體155及PCB 170之保護使之免於諸如振動、衝擊及水分等因素，其容許熱量向外消散。封膠化合物172實質上充填未被PCB 170、安裝於PCB 170上之組件(諸如旁路二極體155)及導體162佔據之內部容積171之部分。在實例實施例中，封膠化合物172係一聚矽氧基封膠化合物。在其他實施例中，封膠化合物172由任何其他適當封膠化合物材料構成。
圖8係在圖6中展示之旁路二極體155及PCB 170之一較近視圖。使用表面安裝焊接將旁路二極體155附接至PCB 170上。替代地，可使用其他適當附接方法將旁路二極體155穿孔式安裝或耦合至PCB 170。PCB 170包含除旁路二極體155外之組件之導電區。導電區包含用於互補電路之導體墊180及通孔182。為將導電區彼此電耦合，PCB 170包含耦合至各導電區之整合式導體。整合式導體將旁路二極體155耦合至各導體墊180。導體墊180耦合至導體162以便將旁路二極體155耦合至PV模組100。
通孔182將提供互補功能之電路(未展示)耦合至電子總成160。該電路可包含但不限於一換流器、消弧電路及/或監測電路。通孔182藉由整合式導體耦合至導體墊180及旁路二極體155。在其他實施例中，PCB 170包含導電區及整合式導體之替代組態來提供至電組件之連接。
藉由將電子總成142附接至積層板102及接線盒140外部而改良旁路二極體155之熱量消散之速率優於一些已知系統。藉由隔離旁路二極體155 與其他熱量產生組件，旁路二極體155能夠按一改良速率消散熱量且隨後維持一最佳操作範圍內之一溫度。改良熱量消散速率可導致旁路二極體155之使用壽命改良。電子總成可促進減少安裝且維持一PV模組中之旁路二極體所需之時間。對於PV模組100之一擁有者，新增電子總成142可藉由降低替換旁路二極體155之需要、降低安裝及修復電子總成142所需之人工時間及降低在安裝及修復期間損害其他組件之風險而導致成本節省。
此書面描述使用實例揭示本發明(包含最佳模式)，且亦使任何熟習此項技術者能夠實踐本發明(包含製成及使用任何裝置或系統及執行任何併入方法)。本發明之可專利性範疇藉由申請專利範圍定義且可包含熟習此項技術者想到之其他實例。若此等其他實例具有無異於申請專利範圍之字面語言之結構元件，或若此等其他實例包含與申請專利範圍之字面語言無實質差異之等效結構元件，則此等其他實例旨在處於申請專利範圍之範疇內。
140:接線盒
142:電子總成
143:輸入端
145:輸出端
151:PV單元陣列群組
152:PV單元陣列
153:PV單元陣列
154:PV單元陣列
155:旁路二極體
156:旁路二極體
157:旁路二極體

Claims (14)

  1. 一種光伏打(PV)模組，其包括：一積層板(laminate)，其包含一陽光接收側、相對於該陽光接收側的一底部表面及經安置於該陽光接收側與該底部表面之間的複數個PV單元(cells)；及一框，其外接(circumscribing)該積層板之至少一部分；及一接線(junction)盒，其經附接成相鄰於該積層板之該底部表面，該接線盒經電耦合至該複數個PV單元；及一電子總成，其經附接成相鄰於該積層板之該底部表面而與該接線盒分開該電子總成在該積層板外部及在該接線盒之外部，該電子總成包含經電耦合至該複數個PV單元之至少一個PV單元之一旁路二極體；其中，該電子總成包含一印刷電路板(PCB)，且該旁路二極體經安裝於該PCB上；其中，該PCB包含經由該複數個導體電耦合至該至少一個PV單元的複數個導電區，該旁路二極體耦合橫跨該複數個導電區中之至少兩者；以及其中，該電子總成包含選自由一換流器、一消弧電路及一監測電路構成之一電子電路群組之一組件，其中該組件經電耦合至該複數個導電區中之至少一者。
  2. 如請求項1之PV模組，其中該複數個PV單元經串聯電連接。
  3. 如請求項1之PV模組，進一步包含自該積層板延伸且經耦合至該至少一個PV單元及該電子總成的複數個導體。
  4. 如請求項3之PV模組，其中該電子總成係經由該等導體與該至少一個PV單元並聯耦合。
  5. 如請求項1至4中任一項之PV模組，其中該電子總成經機械附接至該框、該接線盒之一外部或該積層板。
  6. 如請求項1之PV模組，其中該電子總成包括具有一外部及一內部且界定一內部容積之一外殼，其中該旁路二極體經安置於該內部容積內。
  7. 如請求項6之PV模組，其中該電子總成包含經安置於該外殼之該內部內之一封膠化合物。
  8. 一種電子總成，其經組態用於與一接線盒相隔開之一光伏打(PV)之附接，該電子總成包括：一旁路二極體，其經組態以電耦合至如請求項1之該PV模組；及一印刷電路板(PCB)，其中該PCB包含複數個導電區，其中該旁路二極體經安裝於該PCB上；及一外殼，其具有一外部及一內部且界定一內部容積，其中該旁路二極體經安置於該內部容積內。
  9. 如請求項8之電子總成，其中該旁路二極體經耦合橫跨該複數個導電區中之至少兩者。
  10. 如請求項8之電子總成，其中該電子總成包含選自由一換流器、一消弧電路及一監測電路構成之一電子電路群組之一組件，其中該組件經電耦合至該複數個導電區之至少一者。
  11. 如請求項8之電子總成，其中該外殼之該外部包含散熱鰭片。
  12. 如請求項8至11中任一項之電子總成，其中該電子總成包含經安置於該外殼之該內部內之一封膠化合物。
  13. 如請求項12之電子總成，其中該封膠化合物係一聚矽氧基封膠化合物。
  14. 如請求項12之電子總成，其中實質上藉由該旁路二極體及該封膠化合物來充填該外殼之該內部容積。
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