一種低倍聚光的光伏組件的製作方法

2024-03-23 17:27:05

專利名稱：一種低倍聚光的光伏組件的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於太陽能光伏發電技術領域，具體涉及太陽能聚光光伏發電系統。
背景技術：
太陽能光伏發電技術是解決未來能源問題的必然途徑之一，但系統發電成本高和 原材料短缺是限制該技術迅速普及的兩個主要因素。太陽能聚光光伏發電(CPV)技術通過 採用廉價的聚光系統將太陽光會聚到面積很小的光接收器上，從而減小昂貴的電池晶片的 用量，是降低光伏發電系統總成本的一種有效途徑。聚光光伏系統通常由聚光系統、光接收器、散熱系統和背板組成，其核心為光接收 器和聚光系統。光接收器的核心為太陽能電池晶片。目前，商品化的太陽能電池主要包括娃基晶 片電池、薄膜電池和GaAs基高效電池。a-Si和CdTe基薄膜電池的轉換效率較低，但其生產 成本也較低，聚光方式不能有效降低系統發電總成本。Si基晶片電池，GaAs基單結和多結 疊層電池的轉換效率較高，但其生產成本也較高，需要高聚光率才能有效平衡電池晶片的 成本，而高聚光率需要高精度的聚光系統、太陽追蹤系統和高性能的散熱裝置，使附加成本 大幅上升，也不能有效降低系統發電總成本。CIGS薄膜電池具有較高的光電轉換效率和較 低的生產成本，被廣泛應用於傳統的平板式太陽能光伏組件中。按照聚光率，通常把聚光系統分為低倍(1.5-100)、中倍(100-300)和高倍(> 300)聚光系統。按照聚光形式，通常分為點聚焦和線聚焦系統。聚光率與聚光形式之間的 關係為固定聚光系統的聚光率通常小於10 ；線聚光系統幾何聚光率一般在15-60 ；點聚光 系統的幾何聚光率通常小於500。低聚光系統的缺點在於聚光率不高，優點在於對太陽追 蹤方面要求較低，因此可以大幅度降低太陽追蹤方面的成本；對散射輻射利用率較高，因此 低聚光系統適用於直接輻射不太好的地區，還能提高發電系統的冬季輸出；電池表面光線 均勻，可以提高電池的實際轉換效率。在工作過程中，影響電池晶片實際轉換效率的主要因素包括聚光率、電池溫度和 光強分布的均勻性。在溫度一定的情況下，電池的理想效率隨聚光率的增加而增加，這是因 為短路電流一般隨光強線性增加，開路電壓隨光強的對數增加，而填充因子在理想狀況下 隨開路電壓增加而增加。但是，聚光率的增加將產生以下幾個方面的負面影響(1)電池的工作溫度升高。在聚光率一定的情況下，工作溫度的升高會導致轉換效 率下降，將對散熱器的結構和性能提出較高的要求，以有效降低聚光電池的工作溫度。(2)電池表面光強分布不均勻度增加。在聚光率一定的情況下，光強分布不均勻導 致電池表面的溫度和電流分布不均勻，引起開路電壓和轉換效率下降。(3)串聯電阻損耗增力Π。聚光率的增加引起電流密度增加，而串聯電阻損耗與電流 密度的平方成正比例，因而聚光率的增加引起串聯電阻損耗加大。此外，串聯電阻損耗的增 加也會引起器件工作溫度升高，導致轉換效率下降。因此，現有公開的太陽能聚光光伏系統未能通過電池晶片、聚光率、太陽追蹤和散
3熱系統的最佳組合，達到真正有效降低系統發電總成本的目的。
發明內容針對現有技術的不足，本實用新型提供了 一種光電轉換效率高且生產成本低的低 倍聚光光伏組件。一種低倍聚光的光伏組件，包括背板、光接收器、聚光系統和散熱系統，其中，所述的背板，用於固定所述的光接收器，包括基板和表面分割為若干周期單元的 金屬箔片，所述的周期單元之間相互絕緣；所述的金屬箔片通過絕緣導熱膠粘貼在所述的 基板上。其中，所述的基板由具有良好導熱性能的輕質合金材料製成，優選採用鋁合金或 銅合金材料；所述的金屬箔片通常採用銅箔材料，也可採用鋁箔等金屬箔材料，其厚度通常 為10-200um。本實用新型採用化學刻蝕法在金屬箔片的表面產生若干刻蝕線，刻蝕線將所 述的金屬箔片表面分割為若干周期單元，周期單元之間彼此絕緣；所述的絕緣導熱膠通常 採用摻有導熱微粒的環氧樹脂材料，也可採用其它具有絕緣導熱性能的材料。所述的光接收器，用於接收匯聚的太陽光，並把接收的太陽光轉換成電能，供給外 部負載，所述的光接收器包括若干個線性排布的不鏽鋼基底的太陽能電池晶片，相鄰的太 陽能電池晶片通過所述的金屬箔片聯接形成串聯電路；所述的太陽能電池晶片通過導電膠 粘貼在所述的金屬箔片上，在所述的金屬箔片的每個周期單元內粘貼一個所述的太陽能電 池晶片。其中，所述的光接收器中的所述的若干個太陽能電池晶片規格相同，所述的太陽 能電池晶片為矽基晶片電池、矽基薄膜電池、CdTe薄膜電池、CIGS薄膜電池、GaAs基單結太 陽能電池或者GaAs基多結太陽能電池，優選CIGS基薄膜電池。所述的太陽能電池晶片的 正極為所述的不鏽鋼基底，所述的不鏽鋼基底的厚度為100-200um，優選厚度為125um;所 述的太陽能電池晶片的負極為位於所述的太陽能電池晶片表面的兩個長邊的邊緣的金屬 匯流帶，便於與所述的金屬箔片連接。所述的匯流帶導電性能好且與所述的太陽能電池芯 片結合良好，不易脫落，因此，所述的匯流帶優選鋁帶、銅帶或銦錫合金帶，所述的匯流帶厚 度為80-250um，寬度為l_3mm。所述的太陽能電池晶片的負極通過金屬導線與金屬箔片上 相鄰的周期單元聯接，形成串聯電路。所述的聚光系統，用於把入射的太陽光匯聚到線形光接收器表面，包括由線聚光 的條形透鏡、拋物槽和組合拋物面組合而成的線聚焦聚光器，以及用於支撐和固定所述的 線聚焦聚光器並封裝所述的光接收器的輔助元件。其中，線聚光的條形透鏡是最主要的聚 光器，拋物槽和組合拋物面用於增加接收角和提高電池表面光線分布的均勻度，由於提高 了對入射光的利用率和光線分布均勻度，從而提高了系統的實際輸出功率，節約了單位裝 機容量的佔地面積。由於拋物槽和組合拋物面增加了光的接受角，降低了對太陽追蹤精度 的要求，因而採用廉價的單軸追蹤器即可滿足太陽追蹤的要求，降低了系統發電總成本。所述的散熱系統，用於降低所述的太陽能電池晶片的工作溫度，所述的散熱系統 由若干散熱翅組成，與所述的背板底部連接，以便及時對基板散熱；同時，由於所述的背板 部件，如基板、金屬箔片和絕緣導熱膠，均為熱的良導體，太陽能電池晶片在工作過程中 產生的熱量可以快速經過所述的金屬箔片傳導到絕緣導熱膠，然後經由基板傳導到散熱系統。因此，通過將所述的背板與所述的散熱系統直接連接，可以更好地對所述的太陽能電池 晶片進行冷卻，避免工作過程中光接收器的溫度過高導致轉換效率下降甚至引發事故。此外，本實用新型的低倍聚光的光伏組件中，充分考慮電池晶片實際轉換效率與 聚光率、電池溫度、光強分布均勻性、串聯電阻損耗之間的關係，在電池的實際轉換效率與 聚光率之間確立了最佳關係。這樣，光接收器的理想轉換效率與工作溫度、光線分布不均勻 度、串聯損耗之間達到最佳平衡，得到最大的實際光電轉換效率。由於在最佳聚光率下同時 實現了光接收器的高電池轉換效率和低溫度係數，所以還有助於降低整個系統的散熱難度 和散熱器成本，提高了系統的可靠性，降低了系統發電的總成本。本實用新型通過實驗研究 確定了每種電池達到最高轉換效率時所對應的最佳聚光率，並根據該結果為每種電池配備 相應的聚光系統，使其在最佳聚光條件下工作。在10-40倍聚光條件下，CIGS電池的理想 輸出功率、工作溫度、串聯損耗、光線分布均勻度之間達到較好的平衡，此時電池的光電轉 換效率最高可達到21. 1%。相對於現有技術，本實用新型具有以下有益的技術效果所述的光接收器中位於所述的金屬箔片上的不同周期單元內的各不鏽鋼基底的 太陽能電池晶片通過所述的金屬箔片聯接形成串聯電路，由於金屬箔片的橫截面積大，一 方面，作為串聯電路的導線，其導電面積大，可以降低太陽能電池晶片之間的串聯損耗；另 一方面，作為各電池晶片與基板之間的導熱介質，其散熱面積大，可以把電池晶片在工作過 程產生的熱量快速傳導至散熱系統，避免電池晶片工作溫度過高。本實用新型中太陽能電 池晶片之間的連接簡單可靠，系統的散熱難度小；同時，本實用新型通過線聚光系統和二次 聚光器的組合，提高了對散射輻射的利用率，並提高了實際聚光率和光線分布均勻度，從而 降低了對太陽追蹤精度的要求，有效降低了系統的太陽追蹤成本；此外，本實用新型利用最 佳聚光條件把太陽光聚焦在低成本、高效率的光接收器上，使光接收器的理想轉換效率與 串聯損耗、器件工作溫度之間達到最佳平衡，獲得最大的光電轉換效率。綜合而言，本實用 新型的低倍聚光的光伏組件同時具有結構簡單、性能穩定、生產成本低和光電轉換效率高 等優點。

圖1是本實用新型的低倍聚光光伏組件的橫斷面的示意圖；圖2是本實用新型中金屬箔片的表面結構示意圖；圖3是本實用新型中太陽能電池晶片的粘貼位置的示意圖；圖4是本實用新型中太陽能電池晶片與金屬箔片之間的連接方式的示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例來詳細闡述本實用新型，但本實用新型並不僅限於此。實施例1如圖1所示的低倍聚光光伏組件，包括背板101、光接收器102、聚光系統103和散 熱器104。背板101是由鋁合金基板、摻有導熱微粒的環氧樹脂和銅箔構成，其中，銅箔通過 環氧樹脂粘貼到鋁合金基板上。銅箔、環氧樹脂和鋁合金基板均為熱的良導體，能把銅箔上的熱量及時傳導到鋁合金基板，並通過鋁合金基板傳導到與背板101底座連接的散熱器 104，對電池進行冷卻，避免工作過程中光接收器的溫度過高導致轉換效率下降甚至引發事 故。散熱器104由多個散熱翅組成。如圖2所示，銅箔包括銅箔薄層201和刻蝕線202，銅箔的厚度為140um。本實用 新型採用化學刻蝕方法把銅箔的表面分割為若干周期單元，周期單元之間彼此絕緣。為簡 單起見，圖2、圖3、圖4隻畫出銅箔上四個周期單元的結構示意圖，其它周期單元結構與此 相同，因為數量多，在附圖中不便全部畫出。光接收器102包括多個相同規格的太陽能電池晶片301，太陽能電池晶片301為 CIGS太陽能電池晶片，以不鏽鋼為基底，基底厚度約為125um，其主要目的是為了便於導 熱。通過氣相沉積方法沉積在不鏽鋼基底上的每片太陽能電池晶片301通過導電膠粘貼在 銅箔上由刻蝕線圍成的每個周期單元內，如圖3所示。太陽能電池晶片301的負極為匯流 帶302、303，位於太陽能電池晶片301表面的兩個長邊的邊緣，其目的是為了方便和銅箔進 行聯接，同時減少對匯聚太陽光遮擋。匯流帶302、303的厚度為120um，寬度為3mm。太陽 能電池晶片301的正極為其自身的不鏽鋼基底。光接收器102由多個相同規格的太陽能電池晶片301串聯而成，各太陽能電池芯 片301(A、B、C、D)呈線性排布，並通過金屬導線401把電池片的負極與銅箔連接起來，以此 實現電池片之間的串聯，聯接方法如圖4所示。本發明利用導電膠把太陽能電池晶片301的 正極(不鏽鋼基底)粘貼在銅箔上，因此電池晶片的正極和銅箔的周期單元直接導通。把 每個太陽能電池晶片301的匯流帶302、303(負極)通過金屬導線401與銅箔上相鄰的周 期單元聯接，以此實現各太陽能電池晶片301之間的串聯。該串聯結構中，電池片間的連接 簡單可靠，電池片的串聯電阻小，電池片的串聯損耗低。聚光系統103包括由線聚光的條形透鏡、拋物槽和組合拋物面組合而成的線聚 焦聚光器，以及用於支撐和固定所述的線聚焦聚光器並封裝所述的光接收器的輔助元件， 其詳細結構未在附圖中示出，聚光系統103用於把入射的太陽光匯聚到線形光接收器表在20倍線聚焦的基礎上，CIGS電池的理想輸出功率、工作溫度、串聯損耗、光線分 布均勻度之間達到較好的平衡，此時電池的光電轉換效率最高可達到21. 1%。通過拋物槽 和組合拋物面增加了光的接收角，提高了光線分布均勻度，降低了對太陽追蹤精度的要求， 因而採用廉價的單軸追蹤器即可滿足太陽追蹤的要求。總之，本實用新型在提高光電轉換 效率的同時，降低了系統的散熱成本和太陽追蹤成本，節約了單位裝機容量的佔地面積，同 時降低了系統發電總成本。以上列舉的僅是本實用新型的若干具體實施例，但本實用新型並不限於此，可以 有許多變形，本領域的普通技術人員能從本實用新型公開的內容直接導出或聯想到的所有 變形，均應認為是本實用新型的保護範圍。
權利要求一種低倍聚光的光伏組件，包括背板、光接收器、聚光系統和散熱系統，其特徵在於，所述的背板，包括基板和表面分割為若干周期單元的金屬箔片，所述的周期單元之間相互絕緣；所述的金屬箔片通過絕緣導熱膠粘貼在所述的基板上；所述的光接收器，包括若干個線性排布的不鏽鋼基底的太陽能電池晶片，相鄰的太陽能電池晶片通過所述的金屬箔片聯接構成串聯電路；所述的太陽能電池晶片通過導電膠粘貼在所述的金屬箔片上，在所述的金屬箔片的每個周期單元內粘貼一個所述的太陽能電池晶片；所述的聚光系統，包括由線聚光的條形透鏡、拋物槽和組合拋物面組合而成的線聚焦聚光器，以及用於支撐和固定所述的線聚焦聚光器並封裝所述的光接收器的輔助元件。
2.如權利要求1所述的低倍聚光的光伏組件，其特徵在於所述的基板由鋁合金或銅 合金材料製成。
3.如權利要求1所述的低倍聚光的光伏組件，其特徵在於，所述的金屬箔片的厚度為 10-200um。
4.如權利要求1所述的低倍聚光的光伏組件，其特徵在於，所述的絕緣導熱膠為摻有 導熱微粒的環氧樹脂材料。
5.如權利要求1所述的低倍聚光的光伏組件，其特徵在於，所述的太陽能電池晶片為 矽基晶片電池、矽基薄膜電池、CdTe薄膜電池、CIGS薄膜電池、GaAs基單結太陽能電池或者 GaAs基多結太陽能電池。
6.如權利要求1所述的低倍聚光的光伏組件，其特徵在於，所述的太陽能電池晶片的 正極為所述的不鏽鋼基底，負極為位於所述的太陽能電池晶片表面的兩個長邊的邊緣的金 屬匯流帶。
7.如權利要求1所述的低倍聚光的光伏組件，其特徵在於所述的匯流帶為鋁帶、銅帶 或銦錫合金帶，所述的匯流帶厚度為80-250um，寬度為l_3mm。
8.如權利要求6或7所述的低倍聚光的光伏組件，其特徵在於，所述的太陽能電池晶片 的負極通過金屬導線與金屬箔片上相鄰的周期單元聯接，形成串聯電路。
9.如權利要求1所述的低倍聚光的光伏組件，其特徵在於所述的散熱系統與所述的 背板底部連接。
10.如權利要求1所述的低倍聚光的光伏組件，其特徵在於所述的聚光系統的聚光率 為10-40倍，所述的太陽能電池晶片為CIGS電池。專利摘要本實用新型公開了一種低倍聚光的光伏組件，包括背板、光接收器和聚光系統，其中，背板包括基板和表面分布為若干相互絕緣的周期單元的金屬箔片，兩者通過絕緣導熱膠粘貼在一起；光接收器由若干個線性排布的不鏽鋼基底的太陽能電池晶片串聯構成，並通過導電膠分別粘貼在金屬箔片上的若干周期單元內，相鄰的太陽能電池晶片通過金屬箔片連接；聚光系統包括線聚光的條形透鏡、拋物槽、組合拋物面和輔助元件。利用本實用新型的光伏組件，可實現在最佳聚光條件把太陽光聚焦在低成本、高效率的光接收器上，獲得最大的光電轉換效率。本實用新型在降低串聯電阻的同時，降低了散熱和太陽追蹤的難度和成本，組件的加工方法簡單可靠，製作的組件性能穩定。
文檔編號H02N6/00GK201733249SQ201020216330
公開日2011年2月2日 申請日期2010年6月3日 優先權日2010年6月3日
發明者李學耕, 江祥華, 甄炯炯 申請人:普尼太陽能(杭州)有限公司