光伏模塊集成安裝和電子系統的製作方法
2024-03-23 22:05:05
本申請要求於2014年4月2日提交的美國專利申請No.14/243,691的優先權，其全部內容在此通過引用全部包含。
技術領域
本領域通常涉及光伏(PV)模塊，並且更具體地涉及PV模塊安裝系統，以及使得電子器件集成到框架中的PV模塊。
背景技術：
用於將太陽能轉換成其它形式的有用能量(例如，電能或熱能)的光伏(PV)模塊(也稱為太陽能模塊)包括將太陽能轉換成電能的PV層壓板(也稱為太陽能層壓板)。電能可以直接使用、轉換用於本地使用和/或轉換並傳輸到電網或另一個目的地。多個太陽能模塊可以邏輯地或物理地組合在一起以形成太陽能模塊陣列。
太陽能模塊通常輸出直流(DC)電力。為了將這種太陽能模塊適當地耦合到電網，或以其它方式提供交流(AC)電力，使用DC/AC逆變器將從太陽能模塊接收的電力從DC電力轉換成AC電力。一些系統將多於一個的太陽能模塊的DC輸出耦合到單個逆變器。在其它系統中，太陽能模塊陣列包括布置成太陽能模塊串的多個太陽能模塊。每一個模塊串連接到單個逆變器以將太陽能模塊串的DC輸出轉換成AC輸出。
在其它系統中，每一個太陽能模塊耦合到它自身的逆變器。每一個逆變器可位於與其電耦合的太陽能模塊的附近或該太陽能模塊上。包括與太陽能模塊電耦合的逆變器的太陽能模塊有時通常稱為AC PV模塊。需要能夠將能量轉換成可消耗的形式並且能夠被配置為提供DC輸出或AC輸出的太陽能模塊。
太陽能模塊通常通過單獨的框架或機架結構安裝在支撐表面上。該機架通常也由多個結構構件形成，可以在工廠或其它遠程地點進行組裝，然後運輸到安裝位置。結構構件也可以運輸到安裝位置，然後在現場組裝以形成機架，然後再將機架安裝在支撐表面上。還需要更有效的安裝系統，其降低了系統的成本以及安裝系統所需的時間和勞動。
該背景技術部分意在向讀者介紹與下面描述和/或要求保護的本公開的各個方面相關的技術的各個方面。相信該討論有助於向讀者提供背景信息以便於更好地理解本公開的各個方面。因此，應當理解，這些陳述應從該角度來閱讀，而不是作為對現有技術的承認。
技術實現要素：
本公開的一方面是一種用於將太陽能模塊安裝到陣列中的結構的系統，該系統包括太陽能模塊和連接器。太陽能模塊具有光伏層壓板、框架和插頭。框架限制光伏層壓板，並包括沿著光伏層壓板的邊緣延伸的外殼構件。外殼構件具有沿著其縱向長度向內延伸的箱部。箱部沿著一端是開放的。插頭延伸到外殼構件的箱部的開放端，並具有通過外殼構件中的開口能夠向外接入的能量輸送插座。連接器與能量輸送插座電連接並與外殼構件機械連接。
本公開的另一方面是一種太陽能模塊，該太陽能模塊包括光伏層壓板、框架和插頭。框架限制光伏層壓板，並包括沿著光伏層壓板的邊緣延伸的外殼構件。外殼構件具有沿著其縱向長度向內延伸的箱部。箱部沿著一端是開放的。插頭延伸到外殼構件的箱部的開放端，並具有通過外殼構件中的開口能夠向外接入的能量輸送插座。
在另一方面，太陽能模塊包括光伏層壓板、框架、連接器和印刷電路板。框架限制光伏層壓板，並包括沿著光伏層壓板的邊緣延伸的外殼構件。連接器板容納在外殼構件內並附接到外殼構件。印刷電路板可移除地附接到連接器板。
本公開的另一方面是一種安裝包括多個太陽能模塊的光伏系統的方法，每一個太陽能模塊包括由框架限制的光伏層壓板。該方法包括：由光伏系統安裝者將多個太陽能模塊的每一個模塊配置為交流(AC)模塊和直流(DC)模塊中的一個；並在安裝地點安裝多個太陽能模塊以形成光伏系統。
存在關於上述方面所提到的特徵的各種改進。其它特徵也可以併入上述方面中。這些細化和附加特徵可以單獨地或以任何組合存在。例如，下面關於任何所示實施例討論的各種特徵可單獨或以任何組合結合到任何上述方面中。
附圖說明
圖1是光伏(PV)模塊的頂部透視圖；
圖2是圖1的PV模塊的框架的頂部透視圖；
圖3是沿著線3-3截取的圖2所示的框架的邊緣構件的橫截面圖；
圖4是沿著線4-4截取的圖2所示的框架的外殼構件的橫截面圖；
圖5是移除了太陽能面板和邊緣構件的圖1所示的外殼構件和插頭的放大視圖；
圖6是圖1所示的PV模塊的框架組件的拐角的放大側面透視圖；
圖7是附接到圖1所示的PV模塊的蓋組件的放大頂部透視圖；
圖8是圖7所示的蓋組件的底部透視圖；
圖9是圖8所示的蓋板的底部透視圖；
圖10是移除了蓋組件的圖1所示的PV模塊的頂部透視圖；
圖11是移除了連接器板的圖10所示的PV模塊的頂部透視圖；
圖12是移除了灌封壩和支座的圖11所示的PV模塊的頂部透視圖；
圖13是PV模塊陣列組件的分解側視圖；
圖14是圖13的PV模塊陣列組件的透視側視圖；
圖15是光伏(PV)模塊的另一個實施例的頂部透視圖；
圖16是PV模塊組件的底部平面圖；以及
圖17是安裝在卡扣連杆託架中的圖16所示的PV模塊組件的杆的側視圖。
在各個附圖中相同的參考符號指示相同的元件。
具體實施方式
在此所述的實施例通常涉及光伏(PV)或太陽能模塊。更具體地，在此所述的實施例涉及可配置為提供DC輸出或AC輸出的太陽能模塊。
首先參考圖1，太陽能模塊通常標示為100。太陽能模塊100包括PV層壓板或太陽能層壓板110和限制太陽能層壓板110的框架組件120。在該實施例中，太陽能層壓板110是矩形形狀。在其它實施例中，太陽能層壓板110可具有任何合適的形狀。
太陽能層壓板110可包括若干層。這些層可以包括例如玻璃層、非反射層、電連接層、n型矽層、p型矽層和/或背襯層。在其它實施例中，太陽能層壓板110可以具有更多或更少(包括一個)的層，可以具有不同的層，以及/或可以具有不同類型的層。
框架120耦合到太陽能層壓板110，並且有助於保護太陽能層壓板110的邊緣。在該實施例中，框架120由四個構件構成：三個邊緣構件140和外殼構件160。構件140、160沿著太陽能層壓板110的每一個邊緣延伸。
框架120由擠壓鋁製成。更具體地，在一些實施例中，框架120由6000系列陽極氧化鋁製成。在其它實施例中，框架120可由提供足夠剛度的任何其它合適的材料或材料的組合製成，包括例如鋼、塑料或碳纖維。
另外參考圖2-圖4，邊緣構件140具有主要為L形的橫截面，並且外殼構件160具有主要為矩形的橫截面。邊緣構件140和外殼構件160都具有唇部142、162，用於在其中接收和保持太陽能層壓板110。邊緣構件140和外殼構件160二者都具有沿其外部的頂部通道144、164和底部通道146、166，用於在其中接收和保持L形託架190，並在其間形成凹口148、168。L形託架190將構件140、160保持在一起作為組裝的框架104。組裝的框架104可以通過緊固件、粘合劑，將框架部件140、160和104壓接在一起或者通過任何其它合適的組裝方法來固定在一起。L形託架190可以由金屬(例如，鋁)、塑料或任何其它合適的材料製成。
外殼構件160具有沿其縱向長度向內延伸的箱部170。箱部170在外殼構件160的每一個縱向端處是開放的。具體參考圖2，邊緣構件140和外殼構件160的每一個端部以大約45°的角度切割，以使得當每一個構件140、160的端部組裝在一起時，如上所討論，框架120形成矩形。在外殼構件160上切割的角在箱部170和相鄰的邊緣構件之間形成空間。
如圖1、圖5和圖6中所示，具有防風雨密封件202的一對插頭200延伸進入並封閉外殼構件160的箱部170的每一個端部，以防止水從其端部滲透到箱部的內部。每一個插頭200具有通過外殼構件160的凹口168中的開口172能夠向外接入的多個能量輸送插座210。插頭200可具有任何數量的能量輸送插座210，並且能量輸送插座可以以任何形狀布置。
參考圖7-圖9，蓋板組件230附接到外殼構件160的箱部170，以密封通過箱部的外壁的入口174(在圖10中示出)。入口174通過箱部的側面提供到箱部內部的通路。蓋板組件230包括蓋板232、用於防止水通過入口174滲透到箱部的邊緣密封劑234、多個支座236和印刷電路板240。蓋板232可以由鋁或聚合物或其它合適的材料製成。支座236提供用於從印刷電路板240到蓋板232的熱傳遞的路徑，該蓋板232用作用於熱管理的散熱器。印刷電路板240可以是微型逆變器、直流到直流功率管理器/最大化器、旁路二極體、通信模塊(具有和不具有天線)等。印刷電路板240具有至少一個連接器242。
在一些實施例中，支座236是柔性的，以允許印刷電路板240相對於蓋板232「浮動」或移動。因此，模塊100的彎曲或其它運動可以減小對印刷電路板240的影響。在其它實施例中，太陽能模塊100可以不包括用於電路板240的支座。在這些實施例中，熱量從印刷電路板240直接傳遞到蓋板232。
參考圖7和圖10-12，移除蓋板組件230通過入口174提供到位於箱部170內的連接器板260的接入。連接器板260包括到印刷電路板240上的連接器242的配合連接器262。連接器242和配合連接器262一起形成插座270，用於在印刷電路板240和連接器板260之間傳遞能量的。
如圖11所示，來自太陽能層壓板110的電力帶112通過外殼構件160的箱部的孔176直接延伸到箱部170。如圖11所示，用於連接器板260的灌封壩280和支座290附接到箱部170的壁的內表面。在示例性實施例中，灌封壩280採用柔性粘合劑附接到箱部170和太陽能層壓板110，以在灌封功率帶112之前確保良好的密封。可替代地，灌封壩280可以與不同的部件和/或使用任何其它合適的附接方法。功率帶112是附接到太陽能層壓板110附接的連接片，以將來自太陽能層壓板的DC能量帶入連接器板260。DC能量從連接器板260通過插座270直接輸送到印刷電路板240。印刷電路板240轉換/逆轉來自插座270的能量，並經由電纜組件204將能量輸送到插頭200。
具體參考圖10，功率帶112可以通過焊料與連接器板260連接。連接器板260將太陽能層壓板110與印刷電路板240和每一個插頭200電連接。用於將印刷電路板的輸出輸送到外界的所有電纜被封裝或嵌入在外殼構件170內，來為電纜提供風雨保護。該配置降低了全部電纜的成本，因為電纜的紫外(UV)額定值可以低於暴露電纜所需的紫外(UV)額定值。
蓋板組件530和印刷電路板240可移除，以及/或連接器板260可原位相對容易地維修、替換、重構或改變。例如，DC模塊可以不包括印刷電路板240，可以包括旁路二極體，或者可以包括僅將太陽能層壓板電連接到插頭200的直通印刷電路板240(或其它連接)。直通印刷電路板240或其它連接器可被移除，並被包括逆變器(具有或不具有其它控制和/或通信電路)的印刷電路板240替換，以將DC模塊原位轉換為AC模塊。類似地，直通印刷電路板240或逆變器印刷電路板240可被移除，並被管理的DC印刷電路板240(例如，包括DC功率最大化器/管理器)替換，以將模塊100轉換為管理的DC模塊。
另外，印刷電路板240可移除以維修印刷電路板240上的部件，以用相同類型的另一印刷電路板240來替換印刷電路板240，以將印刷電路板240升級到較新的模型等。進一步地，各種電子器件可以集成到外殼構件160中，諸如微型逆變器、直流到直流功率最大化器、旁路二極體、通信模塊(具有和不具有天線)。因此，模塊100可以在安裝之前的任何位置處和在安裝之前、期間和/或之後的安裝地點處進行配置、重新配置、維修和/或升級，而不需要從模塊100安裝位置處移除它。在一些實施例中，安裝者可以將模塊100從它支撐結構(完全地或部分地)分離，以接入模塊100的底部來執行重新配置。例如，安裝者可以將模塊100從它的安裝上完全移除並將其翻轉，或者可以移除模塊100的一側，並提起移除的一側以接入模塊100的底部。無論模塊100是否需要(部分地或完全地)移除或者可以保持安裝在結構上，模塊可以在它的安裝位置處現場進行維修、重新配置、升級等，而不需要運輸到不同位置。
參考圖13和圖14，示出了太陽能陣列300，其包括第一和第二太陽能模塊100、連接器310和多個緊固件320。連接器310與每一個太陽能模塊100的一側連接，並且用作在第一和第二太陽能模塊100之間傳遞電負載和機械負載的機電連接。連接器310可以通過從太陽能模塊110的側面解開它來安裝、移除和替換，而不用將太陽能模塊從安裝結構上移除或以其它方式移除它們。
連接器310用作能量從一個模塊到下一個模塊的傳導路徑，以及防止模塊相對於彼此移動(例如，抖動)的機械支撐件。接地被嵌入在連接器310中以提供用於連接模塊100的公共接地平面。連接器310是柔性和熱彈性的，以承受和/或吸收由外力引起的移動，諸如由風、雨和雪、從白天到夜晚以及從季節到季節的溫度改變引起的移動，以防止互連的鬆動。
連接器310採用一對螺釘或其它合適的緊固件附接到每一個太陽能模塊100，這防止連接器310從插座270斷開或間隔開。緊固件還抵消由一個太陽能模塊相對於另一個的運動而產生的扭矩。連接器310在寬度上也基本上等於外殼構件160中的凹口168。因此，第一太陽能模塊100相對於第二太陽能模塊100的任何移動產生了對連接器310的相等且相反的反作用力，有助於防止太陽能模塊相對於另一太陽能模塊的進一步移動。
參考圖15，示出了另一太陽能模塊400，其具有沿外殼構件460的長度延伸的蓋板組件530。外殼構件460形成沿著一端具有插頭500的殼體。插頭500直接連接到連接器板560。除非在此另有描述，太陽能模塊400與上述太陽能模塊100基本上相同。
在該實施例中，太陽能層壓板410具有通過彈簧連接器與連接器板560連接的功率帶412。連接器板560緊固到防水蓋板組件530，並且容納在外殼構件460內。因此，連接器板560通過蓋板組件530可移除地與太陽能模塊400連接。在單個步驟中，蓋板組件530、連接器板560、插頭500和印刷電路板540可以全部作為單個單元或單獨地一起移除和替換。插頭500類似於用於以類似的方式和過程連接類似的太陽能模塊的插頭200。因此，太陽能模塊400的電子部件、連接器板560和印刷電路板540以及插頭500中的一個可以被相對容易地原位移除、維修、重構或改變(例如，在AC模塊、管理的DC模塊和DC模塊之間)。
如上所述，示例性太陽能模塊可以被配置、重新配置、重構等。在用於安裝光伏系統的一個示例性方法中，安裝者開始具有至少一個DC太陽能模塊(諸如太陽能模塊100)的安裝。DC太陽能模塊100不包括印刷電路板240，包括旁路二極體，或包括直通印刷電路板240(或其它連接器)。安裝者通過將具有期望部件的印刷電路板240安裝在太陽能模塊100中，來根據安裝需要配置每一個DC模塊100。在包括直通印刷電路板240(或其它連接器)的DC太陽能模塊100的情況中，安裝者移除直通印刷電路板240並用具有期望功能的印刷電路板240來替換它。如果DC模塊100不包括任何印刷電路板240，則安裝者簡單地安裝具有期望功能的印刷電路板240。通過用包括具有期望功能的印刷電路板240的蓋板組件230替換DC模塊的蓋板組件230來安裝期望的印刷電路板240。可替代地，安裝者可通過從蓋板232上移除不需要的印刷電路板240來重新配置組件230，並將期望的印刷電路板240附接到蓋板232。由安裝者安裝的電路板240可包括微型逆變器、直流到直流功率最大化器、旁路二極體、通信模塊或任何其它期望的太陽能模塊組件。因此，安裝者將DC模塊100重新配置為AC模塊、DC模塊、管理的DC模塊或任何其它期望類型的太陽能模塊100。太陽能模塊100的配置可以由安裝者在光伏系統安裝的地點處、在安裝者的商店處或在任何其它位置處執行。此外，在一些實施例中，安裝者在將DC模塊100配置為期望的功能之前在安裝地點處物理地安裝DC模塊100(例如，將模塊100安裝到機架、跟蹤器等)。
在另一示例性方法中，安裝的太陽能模塊(諸如太陽能模塊100)由技術人員訪問。技術人員可以是安裝者、維修技術人員、系統優化者或在光伏系統上訪問和/或工作的任何其他有資質人員。技術人員在安裝地點處從太陽能模塊100上移除蓋板組件230。印刷電路板240和/或連接器板260可以被配置、維修、替換、重構或改變。當蓋板組件530從太陽能模塊100移除時，技術人員可以維修印刷電路板240和/或連接器板260，或者技術人員可以維修或替換太陽能模塊內的另一個電子部件。此外，技術人員可以用具有印刷電路板240的另一個蓋板組件230來替換蓋板組件230，該印刷電路板240具有相同或不同功能。因此，例如技術人員可以將太陽能模塊100從AC輸出重構到DC輸出，將太陽能模塊100從DC輸出改變到AC輸出，改變電子部件以增加太陽能模塊的效率，將模塊升級到更新的設計等。
參考圖16和圖17，用於將太陽能模塊安裝到結構601的系統通常用600表示。系統600包括第一和第二太陽能模塊602、連接器610、杆630和一對安裝件650。如圖16所示，連接器610通過外殼構件608的端部附接到每一個太陽能模塊602。如上參考連接器310所討論的，連接器610還提供在第一和第二太陽能模塊602之間的機電連接。
杆630是可擴展的並且尺寸設置成通過太陽能模塊602的框架604中的模塊孔606來插入。杆630採用耦合器632在框架604的每一側進行分接。耦合器632允許第一太陽能模塊602與相鄰的太陽能模塊602連接。耦合器632有助於限制和/或防止太陽能模塊602相對於杆630的縱向移動。
安裝件650配置成將模塊100安裝到結構601。安裝件650設定內部651和開口654。內部配置成用於接收杆630。到內部651的開口654配置成允許杆630穿過開口654。卡扣連杆652選擇性地覆蓋通過安裝件650延伸的開口654。卡扣連杆652選擇性地在打開位置和關閉位置之間移動，並且通過彈簧偏置到關閉位置。連杆652選擇性地在允許通過開口654進入內部的打開位置和基本上覆蓋開口654的關閉位置之間移動。
為了安裝太陽能模塊602，安裝件650附接到該結構，並且杆630定位在卡扣連杆652上方。當杆630定位在卡扣連杆上方時，通過在杆630上向下按壓，卡扣連杆652從關閉位置移動到打開位置。杆630穿過開口654並進入內部651中，同時卡扣連杆652處於打開位置。杆630移動到內部651中與卡扣連杆652間隔開的位置，以使得彈簧偏置卡扣連杆從打開位置偏置到關閉位置。因此，杆630使用附接到安裝件650的頂部的卡扣連杆652來「卡扣」就位。彈簧加載的卡扣連杆652在沒有緊固硬體的情況下保護太陽能模塊緊固到安裝件650。
在此所述的太陽能模塊和安裝方法的實施例與先前的系統和方法相比，提供了具有較低的相關製造和安裝成本的防水系統。例如，通過消除提取、轉換和輸送用於外部消耗的能量而所需的全部外部硬體，降低了材料成本。這些實施例不需要用於典型太陽能模塊安裝所需的電子器件：二極體、尾端、MC4、接線盒、框架安裝硬體或殼體。此外，本實施例允許製造部件的大部分並大規模地預組裝。
本實施例還允許將各種電子器件集成到太陽能模塊的框架中，以提供用於住宅和商業市場區段的完整解決方案。集成涉及：從封裝太陽能電池的層壓板將來自模塊的能量直接捕獲到印刷電路板上，將能量轉換成可消耗形式、功率最大化的AC或功率最大化的DC之一，並經由集成的以及框架封閉的電子系統輸送可消耗形式的能量。
太陽能模塊和相關部件可以捆綁在一起形成套件並運輸到安裝地點。捆綁的套件減少了運輸和存儲太陽能模塊所需的面積，並減少了在安裝地點處進行跟蹤和組裝所需的部件。另外，太陽能模塊可以使用減少了數量的緊固件在安裝地點處快速地安裝，這減少了安裝勞動力和安裝時間。
此外，安裝者和/或系統集成商可以維持DC模塊(在他們的商店處，在他們的交付/安裝車輛中，或在他們的交付和安裝車輛中)以及將DC模塊配置為DC模塊、AC模塊、管理的DC模塊等所需的部件的庫存。為了安裝系統，安裝者可以根據需要配置模塊，而不必訂購和等待模塊的交付，或者維持大量不同的、專用的太陽能模塊的庫存。
當介紹本公開或其實施例的元件時，冠詞「一」、「一個」、「該」和「所述」意在表示存在一個或多個元件。術語「包含」、「包括」和「具有」意在是包含性的，並且意味著可以存在除所列出的元件之外的附加元件。表示特定取向(例如，「頂部」、「底部」、「側面」等)的術語的使用是為了方便描述，並且不需要所描述的物品的任何特定取向。
在不脫離本公開的範圍的情況下，可以對上述內容進行各種改變，意在包含在上述描述和附圖中所示的實施例應被解釋為說明性的而不是限制性的。