CN101882641A - 一种低倍聚光的光伏组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低倍聚光的光伏组件，包括背板、光接收器和聚光系统，其中，背板包括：基板和表面分割为若干相互绝缘的周期单元的金属箔片，两者通过绝缘导热胶粘贴在一起；光接收器由若干个线性排布的玻璃基底的太阳能电池芯片串联构成，并通过绝缘导热胶粘贴在金属箔片上的周期单元内，相邻的太阳能电池芯片之间通过金属箔片连接；聚光系统包括线聚光的条形透镜、抛物槽、组合抛物面和辅助元件。利用本发明的光伏组件，可实现在最佳聚光条件把太阳光聚焦在低成本、高效率的光接收器上，获得最大的光电转换效率。本发明在降低串联电阻的同时，降低了散热和太阳追踪的难度和成本，组件的加工方法简单可靠，制作的组件性能稳定。

Description

一种低倍聚光的光伏组件

技术领域

本发明属于太阳能光伏发电技术领域，具体涉及太阳能聚光光伏发电系统。

背景技术

太阳能光伏发电技术是解决未来能源问题的必然途径之一，但系统发电成本高和原材料短缺是限制该技术迅速普及的主要因素。太阳能聚光光伏发电(CPV)技术通过采用廉价的聚光系统将太阳光会聚到面积很小的光接收器上，从而减小昂贵的电池芯片的用量，是降低光伏发电系统总成本的一种有效途径。

聚光光伏系统通常由聚光系统、光接收器、散热系统和背板组成，其核心为光接收器和聚光系统。

光接收器的核心为太阳能电池芯片。目前，商品化的太阳能电池主要包括：硅基晶片电池、薄膜电池和GaAs基高效电池。a-Si和CdTe基薄膜电池的转换效率较低，但其生产成本也较低，聚光方式不能有效降低系统发电总成本。Si基晶片电池，GaAs基单结和多结叠层电池的转换效率较高，但其生产成本也较高，需要高聚光率才能有效平衡电池芯片的成本，而高聚光率需要高精度的聚光系统、太阳追踪系统和高性能的散热装置，使附加成本大幅上升，也不能有效降低系统发电总成本。CIGS薄膜电池具有较高的光电转换效率和较低的生产成本，被广泛应用于传统的平板式太阳能光伏组件中。

按照聚光率，通常把聚光系统分为低倍(1.5-100)、中倍(100-300)和高倍(＞300)聚光系统。按照聚光形式，通常分为点聚焦和线聚焦系统。聚光率与聚光形式之间的关系为：固定聚光系统的聚光率通常小于10；线聚光系统几何聚光率一般在15-60；点聚光系统的几何聚光率通常小于500。低聚光系统的缺点在于聚光率不高，优点在于：对太阳追踪方面要求较低，因此可以大幅度降低太阳追踪方面的成本；对散射辐射利用率较高，因此低聚光系统适用于直接辐射不太好的地区，还能提高发电系统的冬季输出；电池表面光线均匀，可以提高电池的实际转换效率。

在工作过程中，影响电池芯片实际转换效率的主要因素包括：聚光率、电池温度和光强分布的均匀性。在温度一定的情况下，电池的理想效率随聚光率的增加而增加，这是因为短路电流一般随光强线性增加，开路电压随光强的对数增加，而填充因子在理想状况下随开路电压增加而增加。但是，聚光率的增加将产生以下几个方面的负面影响：

(1)电池的工作温度升高。在聚光率一定的情况下，工作温度的升高会导致转换效率下降，将对散热器的结构和性能提出较高的要求，以有效降低聚光电池的工作温度。

(2)电池表面光强分布不均匀度增加。在聚光率一定的情况下，光强分布不均匀导致电池表面的温度和电流分布不均匀，引起开路电压和转换效率下降。

(3)串联电阻损耗增加。聚光率的增加引起电流密度增加，而串联电阻损耗与电流密度的平方成正比例，因而聚光率的增加引起串联电阻损耗加大。此外，串联电阻损耗的增加也会引起器件工作温度升高，导致转换效率下降。

因此，现有公开的太阳能聚光光伏系统未能通过电池芯片、聚光率、太阳追踪和散热系统的最佳组合，达到真正有效降低系统发电总成本的目的。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种光电转换效率高且生产成本低的低倍聚光光伏组件。

一种低倍聚光的光伏组件，包括背板、光接收器、聚光系统和散热系统，其中，

所述的背板，包括：基板和表面分割为若干周期单元的金属箔片，所述的周期单元之间相互绝缘；所述的金属箔片通过绝缘导热胶粘贴在所述的基板上；

其中，所述的基板由具有良好导热性能的轻质合金材料制成，优选采用铝合金或铜合金材料；所述的金属箔片通常采用铜箔材料，也可采用铝箔等金属箔材料，其厚度通常为10-200um。本发明采用化学刻蚀法在金属箔片的表面产生若干刻蚀线，刻蚀线将所述的金属箔片表面分割为若干周期单元，周期单元相互之间彼此绝缘；所述的绝缘导热胶通常采用掺有导热微粒的环氧树脂材料，也可采用其它具有绝缘导热性能的材料。

所述的光接收器，用于接收汇聚的太阳光，并把接收的太阳光转换成电能，供给外部负载，所述的光接收器包括若干个线性排布的玻璃基底的太阳能电池芯片，相邻的太阳能电池芯片通过所述的金属箔片联接形成串联电路；所述的太阳能电池芯片通过绝缘导热胶粘贴在所述的金属箔片上的周期单元内。

其中，所述的光接收器中的所述的若干个太阳能电池芯片规格相同，所述的太阳能电池芯片为硅基晶片电池、硅基薄膜电池、CdTe薄膜电池、CIGS薄膜电池、GaAs基单结太阳能电池或者GaAs基多结太阳能电池，优选CIGS基薄膜电池。所述的玻璃基底的厚度为0.1～1mm，优选厚度为0.2mm，以便于导热；所述的太阳能电池芯片的正极为金属薄膜，所述的太阳能电池芯片的负极为汇流带，所述的金属薄膜和所述的汇流带分别位于所述的太阳能电池芯片表面的两个长边的边缘，便于通过金属导线与所述的金属箔片联接形成串联电路。所述的汇流带导电性能好且与所述的太阳能电池芯片结合良好，不易脱落，优选铝带、铜带或铟锡合金带，所述的汇流带厚度为80-250um，宽度为1-3mm。所述的金属薄膜厚度为0.5-1um，宽度为1-3mm。线性排布的若干个太阳能电池芯片中，相邻的两个太阳能电池芯片的正、负极方向相反，以方便形成串联电路。

所述的聚光系统，用于把入射的太阳光汇聚到线形光接收器表面，包括：由线聚光的条形透镜、抛物槽和组合抛物面组合而成的线聚焦聚光器，以及用于支撑和固定所述的线聚焦聚光器并封装所述的光接收器的辅助元件。其中，线聚光的条形透镜是最主要的聚光器，抛物槽和组合抛物面用于增加接收角和提高电池表面光线分布的均匀度，由于提高了对入射光的利用率和光线分布均匀度，从而提高了系统的实际输出功率，节约了单位装机容量的占地面积。由于抛物槽和组合抛物面增加了光的接受角，降低了对太阳追踪精度的要求，因而采用廉价的单轴追踪器即可满足太阳追踪的要求，降低了系统发电总成本。

所述的散热系统，用于降低所述的太阳能电池芯片的工作温度，所述的散热系统由若干散热翅组成，与所述的背板底部连接，以便及时对基板散热；同时，由于所述的背板部件，如：基板、金属箔片和绝缘导热胶，均为热的良导体，太阳能电池芯片在工作过程中产生的热量可以快速经过所述的金属箔片传导到绝缘导热胶，然后经由基板传导到散热系统。因此，通过将所述的背板与所述的散热系统直接连接，可以更好地对所述的太阳能电池芯片进行冷却，避免工作过程中光接收器的温度过高导致转换效率下降甚至引发事故。

此外，本发明的低倍聚光的光伏组件中，充分考虑电池芯片实际转换效率与聚光率、电池温度、光强分布均匀性、串联电阻损耗之间的关系，在电池的实际转换效率与聚光率之间确立了最佳关系。这样，光接收器的理想转换效率与工作温度、光线分布不均匀度、串联损耗之间达到最佳平衡，得到最大的实际光电转换效率。由于在最佳聚光率下同时实现了光接收器的高电池转换效率和低温度系数，所以还有助于降低整个系统的散热难度和散热器成本，提高了系统的可靠性，降低了系统发电的总成本。本发明通过实验研究确定了每种电池达到最高转换效率时所对应的最佳聚光率，并根据该结果为每种电池配备相应的聚光系统，使其在最佳聚光条件下工作。在10-40倍聚光条件下，CIGS电池的理想输出功率、工作温度、串联损耗、光线分布均匀度之间达到较好的平衡，此时电池的光电转换效率最高可达到21.1％。

相对于现有技术，本发明具有以下有益的技术效果：

所述的光接收器中位于所述的金属箔片上的不同周期单元内的各玻璃基底的太阳能电池芯片通过所述的金属箔片联接形成串联电路，由于金属箔片的横截面积大，一方面，作为串联电路的导线，其导电面积大，可以降低太阳能电池芯片之间的串联损耗；另一方面，作为各电池芯片与基板之间的导热介质，可以把电池芯片在工作过程产生的热量快速传导至散热系统，避免电池芯片工作温度过高。本发明中太阳能电池芯片之间的连接简单可靠，系统的散热难度小；同时，本发明通过线聚光系统和二次聚光器的组合，提高了对散射辐射的利用率，并提高了实际聚光率和光线分布均匀度，从而降低了对太阳追踪精度的要求，有效降低了系统的太阳追踪成本；此外，本发明利用最佳聚光条件把太阳光聚焦在低成本、高效率的光接收器上，使光接收器的理想转换效率与串联损耗、器件工作温度之间达到最佳平衡，获得最大的光电转换效率。综合而言，本发明的低倍聚光的光伏组件同时具有结构简单、性能稳定、生产成本低和光电转换效率高等优点。

附图说明

图1是本发明的低倍聚光光伏组件的横断面的示意图；

图2是本发明中金属箔片的表面结构示意图；

图3是本发明中太阳能电池芯片的粘贴位置的示意图；

图4是本发明中太阳能电池芯片与金属箔片之间的连接方式的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来详细阐述本发明，但本发明并不仅限于此。

实施例1

如图1所示的低倍聚光光伏组件，包括背板101、光接收器102、聚光系统103和散热器104。

背板101是由铝合金基板、掺有导热微粒的环氧树脂和铜箔构成，其中，铜箔通过环氧树脂粘贴到铝合金基板上。铜箔、环氧树脂和铝合金基板均为热的良导体，能把铜箔上的热量及时传导到铝合金基板，并通过铝合金基板传导到与背板101底座连接的散热器104，对电池进行冷却，避免工作过程中光接收器的温度过高导致转换效率下降甚至引发事故。散热器104由多个散热翅组成。

如图2所示，铜箔包括铜箔薄层201和刻蚀线202，铜箔的厚度为50um。本发明采用化学刻蚀方法在铜箔的表面产生若干刻蚀线，刻蚀线将铜箔的表面分割为若干周期单元，周期单元相互之间彼此绝缘。为简单起见，图2、图3、图4只画出铜箔上部分周期单元的结构示意图，其它周期单元与图中示出的结构相同，周期单元和太阳能电池芯片的数量可视需要设定，在附图中不一一示出。

光接收器102包括多个相同规格的太阳能电池芯片301，太阳能电池芯片301为CIGS太阳能电池芯片，以普通钠钙玻璃为基底，基底厚度约为0.2mm，其主要目的是为了便于导热。通过气相沉积方法沉积在玻璃基底上的太阳能电池芯片301通过绝缘导热胶粘贴在铜箔上的由刻蚀线围成的周期单元内，太阳能电池芯片301线性排布，如图3所示。太阳能电池芯片301的正极302为Mo电极，太阳能电池芯片301的负极303为汇流带，太阳能电池芯片301的正、负极302、303位于太阳能电池芯片301表面的两个长边的边缘，其目的是为了便于和铜箔进行连接，同时减少对汇聚太阳光遮挡。由于玻璃基底为绝缘材料，因此太阳能电池芯片301和铜箔之间不直接导通。需要特别注意的是，各太阳能电池芯片301(A、B、C、D)的正负极依次反向。比如，A：左正右负，B：左负右正，C：左正右负，D：左负右正，这样设置的目的是为了便于通过铜箔电极实现太阳能电池芯片301之间的串联。

光接收器102由多个相同规格的太阳能电池芯片301串联而成，各太阳能电池芯片301(A、B、C、D)呈线性排布，并通过金属导线401把电池片的正负极与铜箔联接起来，以此实现电池片之间的串联，联接方法如图4所示。由于各太阳能电池芯片301(A、B、C、D)的排布顺序为：A：左正右负，B：左负右正，C：左正右负，D：左负右正，则具体连接方法为：A的正极与铜箔a区联接，负极与铜箔b区联接；B的正极与铜箔b区联接，负极与铜箔c区联接；C的正极与铜箔c区联接，负极与铜箔d区联接，D的正极与铜箔d区联接，负极与铜箔e区联接，...以此类推。该方法使电池芯片间的连接简单可靠，同时减小了电池片的串联电阻，降低了电池芯片的串联损耗。铜箔a～e区分别为金属箔片上的单个周期单元。

聚光系统103包括：由线聚光的条形透镜、抛物槽和组合抛物面组合而成的线聚焦聚光器，以及用于支撑和固定所述的线聚焦聚光器并封装所述的光接收器的辅助元，其详细结构未在附图中示出，聚光系统103用于把入射的太阳光汇聚到线形光接收器102表面。

在20倍线聚焦的基础上，CIGS电池的理想输出功率、工作温度、串联损耗、光线分布均匀度之间达到较好的平衡，此时电池的光电转换效率最高可达到21.1％。通过抛物槽和组合抛物面增加了光的接收角，提高了光线分布均匀度，降低了对太阳追踪精度的要求，因而采用廉价的单轴追踪器即可满足太阳追踪的要求。总之，本发明在提高光电转换效率的同时，降低了系统的散热成本和太阳追踪成本，节约了单位装机容量的占地面积，同时降低了系统发电总成本。

实施例2

与实施例1完全相同，除了所述的太阳能电池芯片301(A、B、C、D)的正负极设置不同：

A：左负右正，B：左正右负，C：左负右正，D：左正右负，其效果完全等同。

相应地，所述的太阳能电池芯片301之间的连接方法也有所不同：A的负极与铜箔a区联接，正极与铜箔b区联接；B的负极与铜箔b区联接，正极与铜箔c区联接；C的负极与铜箔c区联接，正极与铜箔d区联接，D的负极与铜箔d区联接，正极与铜箔e区联接...以此类推，仍然形成串联结构。

以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形，本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种低倍聚光的光伏组件，包括背板、光接收器、聚光系统和散热系统，其特征在于，

所述的背板，包括：基板和表面分割为若干周期单元的金属箔片，所述的周期单元之间相互绝缘；所述的金属箔片通过绝缘导热胶粘贴在所述的基板上；

所述的光接收器，包括：若干个线性排布的玻璃基底的太阳能电池芯片，相邻的太阳能电池芯片通过所述的金属箔片联接构成串联电路；所述的太阳能电池芯片通过绝缘导热胶粘贴在所述的金属箔片周期单元内；

所述的聚光系统，包括：由线聚光的条形透镜、抛物槽和组合抛物面组合而成的线聚焦聚光器，以及用于支撑和固定所述的线聚焦聚光器并封装所述的光接收器的辅助元件。

2.如权利要求1所述的低倍聚光的光伏组件，其特征在于：所述的基板由铝合金或铜合金材料制成。

3.如权利要求1所述的低倍聚光的光伏组件，其特征在于，所述的金属箔片的厚度为10-200um。

4.如权利要求1所述的低倍聚光的光伏组件，其特征在于，所述的绝缘导热胶为掺有导热微粒的环氧树脂材料。

5.如权利要求1所述的低倍聚光的光伏组件，其特征在于，所述的太阳能电池芯片为硅基晶片电池、硅基薄膜电池、CdTe薄膜电池、CIGS薄膜电池、GaAs基单结太阳能电池或者GaAs基多结太阳能电池。

6.如权利要求1所述的低倍聚光的光伏组件，其特征在于，所述的太阳能电池芯片的正极为金属薄膜，所述的太阳能电池芯片的负极为汇流带，所述的金属薄膜和所述的汇流带分别位于所述的太阳能电池芯片表面的两个长边的边缘。

7.如权利要求1所述的低倍聚光的光伏组件，其特征在于：所述的汇流带为铝带、铜带或铟锡合金带，所述的汇流带厚度为80-250um，宽度为1-3mm；所述的金属薄膜厚度为0.5-1um，宽度为1-3mm。

8.如权利要求6或7所述的低倍聚光的光伏组件，其特征在于，粘贴在所述的周期单元内的太阳能电池芯片的负极通过金属导线与金属箔片上相邻的周期单元联接，形成串联电路。

9.如权利要求1所述的低倍聚光的光伏组件，其特征在于：所述的散热系统与所述的背板底部连接。

10.如权利要求1所述的低倍聚光的光伏组件，其特征在于：所述的聚光系统的聚光率为10-40倍，所述的太阳能电池芯片为CIGS电池。

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