光伏模塊及其集成型邊框的製作方法
2023-10-17 13:34:49
專利名稱：光伏模塊及其集成型邊框的製作方法
技術領域：
本申請涉及一種用於光伏模塊的集成型邊框以及包含這種集成型邊框的光伏模塊。
背景技術：
近年來光伏電池得到了迅猛發展，各種光伏電池在技術和商業兩個方面都取得了很大進展。從電池片的材料上講，光伏電池的種類主要有單晶矽光伏電池、多晶矽光伏電池、非晶矽光伏電池、多元化合物光伏電池等。單晶矽光伏電池的光電轉換效率為是目前所有種類的光伏電池中最高的，且堅固耐用，使用壽命最高可達25年，但製作成本很高，以至於還不能被大量廣泛和普遍地使用。多晶矽光伏電池的製作成本要比單晶矽光伏電池低，材料製造簡便，節約電耗，總的生產成本較低，因此得到大量發展。然而，多晶矽光伏電池的光電轉換效率和使用壽命低於單晶矽光伏電池。非晶矽光伏電池的主要形式為薄膜式光伏電池，其工藝過程簡單，矽材料消耗很少，電耗更低，並且在弱光條件也能發電，但光電轉換效率偏低且不夠穩定，並且隨著時間延長而轉換效率衰減。多元化合物光伏電池指不是用單一元素半導體材料製成的光伏電池，可被構造成薄膜光伏電池，其光電轉換效率比矽薄膜光伏電池明顯提高。從電池片的結構來講，光伏電池可分為塊狀光伏電池和薄膜光伏電池。典型的塊狀(通常為晶體矽)光伏電池的電池板內布置著光伏電池片的陣列。這些光伏電池片的引出線連接到接線盒中的連接線路。典型的薄膜光伏模塊的電池板主要由單一的薄膜光伏電池片構成，該電池片通過匯流條連接著接線盒中的連接線路。塊狀光伏電池和薄膜光伏電池通常被構造成光伏模塊的形式。一個光伏模塊主要包括電池板、邊框和接線盒。接線盒的輸出線纜通常連接到逆變器，以將光伏模塊產生的直流電能轉變成交流電能。此外，光伏模塊通過模塊支架安裝到支撐表面例如地面、屋頂等上。這樣，具有接線盒的光伏模塊、逆變器、模塊支架等組成一個典型的光伏系統。逆變器還有另一功能，即最佳地組合光伏系統中的光伏模塊的電流和電壓，以便最大化輸出功率值。現有技術中已經研製出跟蹤這種最佳組合輸出點的技術，稱作最大功率點跟蹤(MPPT)。接線盒通常被安裝在電池板的背面，而逆變器或其它MPPT裝置通常被安裝在模塊支架或邊框上。在上面描述的現有技術中，要將接線盒安裝在電池板背面，而接線盒工作時溫度很高，這會導致電池板的局部溫度升高，從而產生熱斑效應，影響光伏模塊的發電效率，同時，還會降低光伏模塊的長期使用壽命。此外，根據上面描述的現有技術中的接線盒和MPPT裝置安裝方式，接線盒和MPPT裝置之間的線纜和相應的連接器導致光伏系統的總體成本增加。此外，接線盒之間的連接、接線盒與MPPT裝置的連接、線纜的保護和固定、乃至整個光伏系統的安裝過程非常麻煩和耗時。因此，希望對光伏模塊、尤其是其接線盒進行改進，以解決現有技術中存在的上述問題。
實用新型內容本申請旨在提供一種改進的光伏模塊，以避免由接線盒和/或逆變器(或MPPT裝置)的安裝方式導致的光伏模塊局部溫升以及光伏系統成本高、安裝非常麻煩和耗時等問題中的至少一些。根據本申請的一個方面，提供了一種用於光伏模塊的集成型邊框，其包括:沿著光伏模塊的電池板的外周安裝的邊框和集成於邊框的接線盒；其中，所述接線盒包括輸出電路，用於輸出光伏電池片產生的電能，所述輸出電路中布置著MPPT裝置和至少一個旁路二極體。根據本申請的一種可行實施方式，接線盒還包括在所述MPPT裝置的下遊布置在輸出電路中的DC-DC升壓裝置。根據本申請的一種可行實施方式，接線盒還包括在DC-DC升壓裝置的下遊布置在輸出電路中的DC-AC轉換裝置。根據本申請的一種可行實施方式，接線盒還包括在DC-AC轉換裝置的下遊布置在輸出電路中的濾波器。根據本申請的一種可行實施方式，集成型邊框還包括布置在輸出電路中的可靠性或壽命低於光伏電池板的元件。根據本申請的一種可行實施方式，所述可靠性或壽命低於光伏電池板的元件為電解電容。根據本申請的一種可行實施方式，所述可靠性或壽命低於光伏電池板的元件布置在接線盒內。根據本申請的一種可行實施方式，所述可靠性或壽命低於光伏電池板的元件布置在集成於邊框的附加盒體內。根據本申請的一種可行實施方式，所述接線盒和所述附加盒體被一體地形成在集成型邊框的一段邊框部分中。根據本申請的一種可行實施方式，所述接線盒被一體地形成在集成型邊框的一段邊框部分中。根據本申請的一種可行實施方式，接線盒還包括輸出線纜，其連接著輸出電路的終端，並且從接線盒的中部或縱向相反兩端或從集成型邊框的一段邊框部分的相反端部伸出。根據本申請的一種可行實施方式，接線盒被構造為將彼此成角度的相鄰邊框型材段相連的角接頭。根據本申請的一種可行實施方式，接線盒被構造成沿著電池板的一整條邊緣延伸。根據本申請的另一個方面，提供了一種光伏模塊，其包括:具有至少一個光伏電池片的光伏電池板；如前所述的集成型邊框，其沿著光伏電池板的外周安裝。根據本申請，接線盒集成在光伏模塊的邊框中，而不是在電池板背面直接位於光伏電池片下面，因此，接線盒不會給電池板帶來熱斑效應而影響組件的輸出效率並降低組件的長期使用壽命。此外，根據本申請的組合式接線盒中至少組合了 MPPT裝置，因此，不再像現有技術那樣在接線盒與MPPT裝置之間進行連接操作，從而取消了接線盒和MPPT裝置之間的線纜和相應的連接器。這樣，可降低導致光伏系統的總體成本。此外，接線盒之間的連接、接線盒與逆變器的連接、線纜的保護和固定、乃至整個光伏系統的安裝過程都得到簡化。
下面將參照附圖描述本申請的優選實施方式，在附圖中:圖1是根據本申請的一個優選實施方式的光伏模塊的示意圖，其中接線盒集成在邊框中。圖2是根據本申請優選實施方式可被集成在邊框中的元件的示意圖。圖3是根據本申請的另一個優選實施方式的光伏模塊的示意圖，其中低可靠性或壽命元件被布置在集成於邊框的附加盒體內。圖4是根據本申請的一個優選實施方式的包含低可靠性或壽命元件的附加盒體的示意圖。圖5-8是根據本申請的一些可行優選實施方式的光伏模塊的示意圖。
具體實施方式
下面參照附圖來描述本申請的各種優選實施方式。首先需要指出，本申請既適用於塊狀光伏電池(如晶體矽光伏電池)，也適用於薄膜光伏電池。但為了方便解釋本申請的基本原理，附圖中顯示的實施例主要為晶體矽光伏電池。但顯然，本申請中的與晶體矽光伏電池相關的各種特徵，同樣適用於其它塊狀光伏電池或薄膜光伏電池。如圖1所不，根據本申請的一個優選實施方式，一種光伏模塊I (如晶體娃光伏模塊)主要包括電池板2、邊框3和接線盒4。在本申請的一個實例中，電池板2為層合板的形式，其內布置著光伏電池片(solar cell,如晶娃電池片)。所述光伏電池片可以由任何具有光電轉換性的材料製成,例如，所述光伏電池片是由晶矽片(包括單晶矽和多晶矽片)製成。其中，呈陣列布置的多個光伏電池片串聯起來形成光伏電池組串(string)，再通過匯流條將多個這樣的光伏電池組串串聯起來，以提供所需的電池輸出電壓。電池板的各引出線連接到接線盒4中的連接線路。在本申請的另一個實例中，電池板2主要由薄膜光伏電池片構成，電池片通過兩根匯流條連接到接線盒4中的連接線路。邊框3包圍著電池板2的外周，以便保護電池板。邊框可以是拼接式的，例如由鋁型材段或塑料型材段組合而成，也可以是一體式的，例如由塑料注射成型製成。接線盒4在光伏模塊中的主要作用為電連接。具體而言，接線盒4中的連接線路的兩端連接著線纜5。線纜5從接線盒4延伸出來，構成光伏模塊I的輸出電路，用於實現各光伏模塊之間以及光伏模塊與外部用電設備或電網之間的電連接，以將由多個光伏模塊I組成的光伏系統產生的電能向外傳輸。接線盒還有保護光伏模塊的功能，即利用其包含的旁路元件例如二極體6(見圖2)的性能使得光伏模塊在遮光、電流失配等其它不利因素發生時，還能保持其能工作，適當降低損失。接線盒必須滿足於室外惡劣環境條件下的使用要求，例如要具有抗老化、耐紫外線能力。此外，接線盒需要有優異的散熱模式來有效降低內部溫度，以及合理的內腔容積以滿足電氣安全要求。此外，接線盒應具有良好的防水、防塵保護，以便為用戶提供安全的連接方案。—個光伏系統典型地包括具有接線盒4的光伏模塊1、逆變器、模塊支架等等。光伏系統的各光伏模塊I通過它們的接線盒4的線纜5而實現電連接，兩端的光伏模塊I的接線盒4的線纜5連接到逆變器。逆變器是關鍵元件，用於將光伏模塊的可變DC輸出轉化為具有實用頻率的AC電流，這種AC電流可以被供應到商業電網，或是被局部離網設備使用。除了將DC電能轉化為AC電能外，逆變器還有另一功能，即最佳地組合光伏系統中的光伏模塊的電流和電壓，以便最大化輸出功率值。光伏模塊產生的電流和電壓隨時間變化，因而二者的最佳組合輸出點也隨時間變化。現有技術中已經研製出跟蹤這種最佳組合輸出點的技術，稱作最大功率點跟蹤(MPPT)。MPPT逐漸成為光伏系統逆變器中的標準化部件。從結構上講，逆變器通常包括集中型逆變器、組串型逆變器和微逆變器。在這些逆變器中，一個微逆變器只連接著單一的太陽能電池板，而一個集中型或組串型逆變器可被連接到多個太陽能電池板。儘管目前光伏系統中大多採用傳統的集中型和組串型逆變器，但這些系統中存在一些缺陷。首先，光伏系統中的不同光伏模塊的最大功率點可能不同，使用集中型和組串型逆變器的傳統逆變器缺少解決這一問題的靈活性。另一方面，微逆變器不但能夠在模塊級別提供MPPT，即構成MPPT裝置，還能監視模塊輸出，這能夠使得整個光伏系統的總輸出最大化，並且有助於檢測系統故障。在成本方面，採用微逆變器的光伏系統的成本通常比採用傳統逆變器的光伏系統高5%，但產生的電能卻比後者多10%到25%。為了降低總系統成本，另一種MPPT裝置即功率優化器被採用，其將逆變器中的最大功率點跟蹤功能獨立出來，使每個光伏模塊I可獨立進行MPPT，大幅改善傳統光伏系統在陰影遮蔽下導致的功率損失，從而大約提高系統發電效率25%以上。功率優化器組合了微逆變器的優點，但不提供模塊級別的DC-AC轉換。利用功率優化器可實現MPPT和模塊級別監視。類似於具有微逆變器的光伏系統，配備有功率優化器的光伏系統受陰影、模塊失配和其它因素的影響較小。功率優化器通常在具有集中型或組串型逆變器的光伏系統中被使用，並且能夠被添加到已有的光伏設施中。光伏系統在搭配使用功率優化器後，可更有效利用屋頂面積，增加光伏系統設置彈性，以及大幅提高光伏系統安全性。儘管採用微逆變器和功率優化器的光伏系統在性能上優於採用傳統逆變器的光伏系統，但所佔市場份額仍較小，其明顯原因之一是單位輸出功率的成本較高。例如，對於具有微逆變器或功率優化器的光伏系統，通常將微逆變器或功率優化器附連於金屬制模塊支架或光伏模塊的邊框。這種設計的缺點在於光伏系統的總體成本增加，並且光伏系統的安裝過程麻煩和耗時。此外，在現有技術中，要將接線盒4安裝在電池板2的背面，而接線盒工作時容易產生熱斑效應，影響光伏模塊的發電效率，同時，還會降低光伏模塊的長期使用壽命。為了解決現有技術中的上述問題，根據本申請的方案，設計了集成有MPPT裝置(微逆變器或功率優化器)和接線盒的光伏邊框，以減少光伏系統總成本。根據本申請的優選實施方式，如圖1所示，接線盒4組合有MPPT裝置7 (見圖2)，這種組合有MPPT裝置7的組合式接線盒4集成在邊框3的一段邊框部分中。根據電池板的不同形狀，不同形狀的組合式接線盒可以集成在邊框3中的不同部分中。例如，對於圓形的電池板，組合式接線盒可以集成在圓形邊框中的一段弧形邊框部分中。對於多邊形的電池板，組合式接線盒可以集成在一段直線邊框部分中。例如，在矩形電池板的情況下，如圖1所示，組合式接線盒4可以沿著電池板2的一條短邊或長邊集成在這條邊處的邊框中。組合式接線盒4可以單獨形成，然後組裝到邊框中；或者，組合式接線盒4可以與構成邊框的邊框型材段3』形成一體。組合式接線盒4的外輪廓與邊框型材段3』相同，從而形成一段流暢的邊框。根據本申請的優選實施方式，如圖2所示，在組合式接線盒4中還可以組合下述元件中的一或多個:在所述MPPT裝置7的下遊布置在輸出電路中的DC-DC升壓裝置8 ;在DC-DC升壓裝置8的下遊布置在輸出電路中的DC-AC轉換裝置9 ；DC-AC轉換裝置9的下遊布置在輸出電路中的濾波器10。作為MPPT裝置7的兩個例子，微逆變器的主要功能包括逆變(即把直流電能轉變成交流電能)、最大功率點跟蹤和脫離電網；功率優化器的主要功能是最大功率點跟蹤，有時還包括DC-DC升壓。因此，微逆變器和功率優化器中的主要元件是固態開關(IGBT、MOSFET等)、電感器、變壓器和電容。接線盒中通常包括三個二極體，用於防止熱斑效應。接線盒的功能要比微逆變器和功率優化器簡單得多。此外，接線盒的尺寸也比微逆變器小得多。集成了微逆變器(或功率優化器)和接線盒可以直接組合於邊框，從而消除現有技術中用在接線盒和微逆變器之間的線纜和連接器。這種集成設計有助於降低系統成本，並且有助於適配微逆變器和功率優化器。在MPPT裝置、尤其是微逆變器中，常採用電解電容來緩衝輸入電壓變化和實現濾波。MPPT裝置的使用壽命設計為至少25年，以便與光伏模塊的電池板的壽命相適應。然而，電解電容的壽命僅為5年左右，這給MPPT裝置的維護造成困難。在本申請的方案中，參看圖4，設計了單獨的附加盒體11，用於容納電解電容和/或其它低可靠性或壽命元件(即可靠性或壽命低於光伏電池板的元件)12。如圖3所示，該附加盒體11集成在邊框中，與組合式接線盒4沿邊框縱向分隔。或者附加盒體11可以與組合式接線盒4沿邊框縱向直接相鄰。根據本申請的一個優選實施方式，該附加盒體11被設計為可移除型的，從而能以即插即用的方式來安裝各種低可靠性或壽命元件，以便於更換失效的低可靠性或壽命元件，從而簡化了 MPPT裝置的維護。組合式接線盒4 (以及可能有的附加盒體11)可以位於邊框縱向的大致中部，即沿邊框縱向被夾持在邊框型材段3』之間，如圖1、3所示。作為替代方式，組合式接線盒4 (以及可能有的附加盒體11)可以位於邊框的縱向一端，如圖5所示。此外，在圖1、3所示的例子中，線纜5從組合式接線盒4的大致中部延伸出來。作為替代方式，線纜5可以從組合式接線盒4的縱向兩端延伸出來，並且至少一根線纜5可以沿縱向延伸穿過邊框型材段3』而從邊框的一段伸出，如圖6示意性顯示。根據本申請的另一優選實施方式，如圖7所示，邊框3由沿著電池板2的各條邊延伸的邊框型材段3』以及將這些型材段兩兩相連的角接頭13構成，而組合式接線盒4構成其中一個角接頭。各角接頭可以通過插接的方式與相鄰邊框型材段相連。根據本申請的另一優選實施方式，如圖8所示，組合式接線盒4構成沿電池板2的一整條邊延伸，從而與沿電池板2的其它邊延伸的邊框型材段3』 一起構成邊框3。可以理解，組合式接線盒4 (以及可能有的附加盒體11)的構造、位置，以及線纜5的引出方式等等，並不局限於途中所示和這裡描述的，而是可以根據光伏模塊的結構、配線等方面的要求而具體設計。所述邊框型材段、組合式接線盒、角接頭、以及可能有的附加盒體都可由塑料製成，例如通過注射成型、擠出成型等。它們的材料可以相同或不同，並且可以選擇下面一組中的至少一種:PET (聚對苯二甲酸乙二醇酯)，PBT (聚對苯二甲酸丁二酯)，PTT (聚對苯二甲酸丙二醇酯)，PA6 (聚己內醯胺)，PA66 (聚醯胺66)，PA46 (聚醯胺46)，PAR (聚芳醯胺)，PC (聚碳酸酯)，ABS (丙烯腈/ 丁二烯/苯乙烯共聚物)，PU (聚氨酯)，PPO (聚苯醚)，LCP(液晶高分子聚合物)，PEI (聚醚醯亞胺)，PVC (聚氯乙烯)，或其共混物等。根據本申請，光伏模塊的組合式接線盒集成於一段邊框部分中，而不是在電池板背面直接位於光伏電池片下面，因此，接線盒不會帶來熱斑效應而影響組件的輸出效率並降低組件的長期使用壽命。此外，根據本申請的組合式接線盒中至少組合了 MPPT裝置，因此，不再像現有技術那樣在接線盒與MPPT裝置之間進行連接操作，從而取消了接線盒和MPPT裝置之間的線纜和相應的連接器。這樣，可降低光伏系統的總體成本。此外，接線盒之間的連接、接線盒與逆變器的連接、線纜的保護和固定、乃至整個光伏系統的安裝過程都得到簡化。雖然前面針對優選實施方式顯示和描述了本申請，但本領域技術人員可以理解，在不脫離權利要求書中限定的本申請範圍的前提下，可以做出各種變化和修改。
權利要求1.一種用於光伏模塊的集成型邊框，其特徵在於，包括: 沿著光伏模塊的電池板的外周安裝的邊框和集成於邊框的接線盒； 其中，所述接線盒包括輸出電路，用於輸出光伏電池片產生的電能，所述輸出電路中布置著MPPT裝置和至少一個旁路二極體。
2.如權利要求1所述的集成型邊框，其特徵在於，所述接線盒還包括在所述MPPT裝置的下遊布置在輸出電路中的DC-DC升壓裝置。
3.如權利要求2所述的集成型邊框，其特徵在於，所述接線盒還包括在DC-DC升壓裝置的下遊布置在輸出電路中的DC-AC轉換裝置。
4.如權利要求3所述的集成型邊框，其特徵在於，所述接線盒還包括在DC-AC轉換裝置的下遊布置在輸出電路中的濾波器。
5.如權利要求1所述的集成型邊框，其特徵在於，還包括布置在輸出電路中的可靠性或壽命低於光伏電池板的元件。
6.如權利要求5所述的集成型邊框，其特徵在於，所述可靠性或壽命低於光伏電池板的元件為電解電容。
7.如權利要求5所述的集成型邊框，其特徵在於，所述可靠性或壽命低於光伏電池板的元件布置在接線盒內。
8.如權利要求5所述的集成型邊框，其特徵在於，所述可靠性或壽命低於光伏電池板的元件布置在集成於邊框的附加盒體內。
9.如權利要求8所述的集成型邊框，其特徵在於，所述接線盒和所述附加盒體被一體地形成在集成型邊框的一段邊框部分中。
10.如權利要求1至5中任一項所述的集成型邊框，其特徵在於，所述接線盒被一體地形成在集成型邊框的一段邊框部分中。
11.如權利要求1至5中任一項所述的集成型邊框，其特徵在於，所述接線盒還包括輸出線纜，其連接著輸出電路的終端，並且從接線盒的中部或縱向相反兩端或從集成型邊框的一段邊框部分的相反端部伸出。
12.如權利要求1至5中任一項所述的集成型邊框，其特徵在於，所述接線盒被構造為將彼此成角度的相鄰邊框型材段相連的角接頭。
13.如權利要求1至5中任一項所述的集成型邊框，其特徵在於，所述接線盒被構造成沿著電池板的一整條邊緣延伸。
14.一種光伏模塊，其特徵在於，包括: 具有至少一個光伏電池片的光伏電池板； 如權利要求1至13中任一項所述的集成型邊框，其沿著光伏電池板的外周安裝。
專利摘要公開了一種光伏模塊及其集成型邊框，所述集成型邊框包括沿著光伏模塊的電池板的外周安裝的邊框和集成於邊框的接線盒；其中，所述接線盒包括輸出電路，用於輸出光伏電池片產生的電能，所述輸出電路中布置著MPPT裝置和至少一個旁路二極體。本申請可避免電池板產生熱斑效應，並且能夠降低包含上述光伏模塊的光伏系統的成本。
文檔編號H01L31/048GK203013755SQ20122060278
公開日2013年6月19日 申請日期2012年11月15日 優先權日2012年11月15日
發明者尹廣軍, 呂智勇 申請人:杜邦公司