專利名稱：平面太陽(yáng)能聚光電源模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽(yáng)能電池，尤其涉及平面太陽(yáng)能聚光電源模塊。
背景技術(shù)：
太陽(yáng)能電池產(chǎn)生電能，但與發(fā)電廠生產(chǎn)的電能相比成本太高了。一般認(rèn)為太陽(yáng)能電池板的成本必須下降到每瓦約$1-$2后，才能在巨大潛在市場(chǎng)上參于競(jìng)爭(zhēng)。今天，太陽(yáng)能電池板的成本在每瓦$6-$7范圍內(nèi)。在設(shè)法解決成本問(wèn)題上曾采用過(guò)三種不同的方法。
通常的方法是在平面模塊上鋪大量的太陽(yáng)能硅電池，模塊中電池面積占整個(gè)平板面積的80％以上。采用該方法的電池可以是單晶電池，也可以是大顆粒的多晶電池。這種方法市場(chǎng)的占有率在90％以上，但成本已降到最低，無(wú)進(jìn)一步降低成本的可能。
第二種方法的論據(jù)是認(rèn)為硅片的成本太高，有必要制造一種薄膜電池來(lái)降低成本。理由是涂層的成本低，有可能找到一種方法使涂層產(chǎn)生電能。這種薄膜方法包括非晶硅和小顆粒的多晶材料，如銅銦硒(CuInSe2)和碲化鎘(CdTe)。該方法的問(wèn)題是破壞了晶體材料，太陽(yáng)能電池的性能也下降了。到目前為止，用該方法生產(chǎn)的模塊，其成本都在每瓦$8以上。
第三種方法的依據(jù)是采用較大面積的廉價(jià)塑料透鏡或金屬反光鏡，把太陽(yáng)光聚到小面積的單晶太陽(yáng)能電池上。這種方法更有效地利用太陽(yáng)能電池，并且從技術(shù)角度上看是可行的。但是，這種方法的問(wèn)題不是技術(shù)上的，而是與商業(yè)和政治有關(guān)。解決該方法中內(nèi)在的商業(yè)問(wèn)題是本發(fā)明的焦點(diǎn)。
開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能聚光電池系統(tǒng)所做的認(rèn)真試驗(yàn)可分為三個(gè)部分。首先是采用點(diǎn)聚焦透鏡和30％效率的光電池，該系統(tǒng)工作在高聚光比之下，例如約500倍陽(yáng)光下。這里的問(wèn)題不在技術(shù)上，各種元件都能正常工作。系統(tǒng)已經(jīng)通過(guò)了驗(yàn)證。這里的問(wèn)題是產(chǎn)生正向現(xiàn)金流動(dòng)所需的投資太大了。大公司不愿冒風(fēng)險(xiǎn)，小公司沒(méi)有財(cái)力，而政府又不幫助。30％效率的太陽(yáng)能電池目前還沒(méi)有公司在生產(chǎn)，仍需要投資。此外，目前具有所要求精度的跟蹤系統(tǒng)還沒(méi)有生產(chǎn)，同樣需要投資。還需對(duì)熱量處理和透鏡構(gòu)件投入資金。最后，這些系統(tǒng)的成本只有在大尺寸和大批量生產(chǎn)之后才能降低，而且除了效用率市場(chǎng)外尚無(wú)中間市場(chǎng)。
開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能聚光系統(tǒng)的第二個(gè)方法是采用半園形長(zhǎng)條費(fèi)尼爾(Fresnel)透鏡和長(zhǎng)條太陽(yáng)能硅電池電路。這些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是工作在約20倍太陽(yáng)光之下。該方法也經(jīng)過(guò)了技術(shù)上驗(yàn)證，但同樣遭遇投資問(wèn)題。這里，專用透鏡、跟蹤裝置及熱量處理系統(tǒng)仍需要投資。計(jì)劃是太陽(yáng)能電池由生產(chǎn)平面陣列太陽(yáng)能電池供應(yīng)商提供。但是這樣產(chǎn)生兩個(gè)問(wèn)題第1個(gè)問(wèn)題是平面太陽(yáng)能電池必須進(jìn)行重大修改，以工作在20倍太陽(yáng)光下。第2個(gè)問(wèn)題是平面太陽(yáng)能電池供應(yīng)商對(duì)合作沒(méi)積極性，舉個(gè)例子，假如太陽(yáng)能聚光系統(tǒng)被證明是比較便宜的，而且市場(chǎng)擴(kuò)大了3倍。對(duì)平面太陽(yáng)能電池供應(yīng)商來(lái)說(shuō)，問(wèn)題是他們的那部分實(shí)際上縮小了3/20倍。同樣，只有在大尺寸和大批量生產(chǎn)之后，才能有效地降低系統(tǒng)的成本。而且除了效用率市場(chǎng)外尚無(wú)中間市場(chǎng)。
開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能聚光系統(tǒng)的第三個(gè)途徑是平面模塊生產(chǎn)廠提出的。認(rèn)識(shí)到如果一個(gè)太陽(yáng)光平面模塊工作在1.5倍太陽(yáng)光下，他們能產(chǎn)生1.5倍的能量，從而太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變成電能的成本將降低1.5倍，他們建立了一個(gè)系統(tǒng)，用棱鏡把太陽(yáng)光從棱面偏轉(zhuǎn)到電池上。不幸的是，從技術(shù)角度看，這種方法是幼稚的。遭遇的問(wèn)題是模塊吸收了1.5倍的能量，并且沒(méi)有散發(fā)增加熱量的措施，這樣影響了模塊的壽命。
太陽(yáng)能聚光系統(tǒng)需要非常大的投資來(lái)大批量生產(chǎn)一種新型太陽(yáng)能聚光電池。而且大批量制造一種新電池所需的高投資是不現(xiàn)實(shí)的，另一個(gè)需解決的問(wèn)題是太陽(yáng)能電池之間的連接問(wèn)題。
因此需要有這樣一種太陽(yáng)能聚光模塊，這種聚光模塊是對(duì)平面太陽(yáng)能模塊的改型，而且制造要方便廉價(jià)。跟蹤裝置和透鏡的商業(yè)基礎(chǔ)應(yīng)已安排到位。熱量應(yīng)容易控制。投資的要求應(yīng)易辦到。它不應(yīng)威脅現(xiàn)存的太陽(yáng)能電池供應(yīng)商。實(shí)用的電池應(yīng)該在平面電池基礎(chǔ)上做很小的變動(dòng)。因此，目前的太陽(yáng)能電池供應(yīng)商應(yīng)能提供低成本的太陽(yáng)能電池。最后，為了能早日達(dá)到正向現(xiàn)金流動(dòng)，應(yīng)該首先在早期現(xiàn)有的市場(chǎng)中獲得應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明回答并解決了上述需要。圖1、2和3示出了較佳的平面太陽(yáng)能聚光模塊。描述的裝置尺寸為，(但不限于)25”×40”×3.25”。該樣機(jī)尺寸類似于Siemens，Kyocera和Solarex生產(chǎn)的75w平面模塊。所有這些模塊的尺寸約為25”×40”，產(chǎn)生大致相等的功率。其它尺寸同樣在本發(fā)明范圍內(nèi)。
傳統(tǒng)的平面模塊包括大量的硅電池夾在塑料板和玻璃面板之間，四周圍繞著2”厚的金屬框，如鋁框，用于固定。我們較佳的平面太陽(yáng)能聚光模塊包括金屬底板，上面裝有長(zhǎng)條形硅電池電路。在所述的實(shí)施例中，有多條電路，例如但不限于，6條包含約1.3”或1.2”寬的太陽(yáng)能電池的電路。電路間隔例如為4”或3.6”。因此，電池的面積占整個(gè)模塊面積的1/3，從而大大減少了電池的成本。
在較佳的模塊中，例如，3.25”厚的金屬框架，例如鋁框架，它包圍著底板上裝有電池的模塊。在玻璃板上裝有透鏡陣列，構(gòu)成平面太陽(yáng)能聚光模塊的前面板。例如，該前面板上有6個(gè)長(zhǎng)條形費(fèi)尼爾(Fresnel)透鏡，每個(gè)透鏡例如約3.6”或4”寬，并經(jīng)對(duì)準(zhǔn)，使來(lái)自每個(gè)透鏡的太陽(yáng)光照射到長(zhǎng)條形電源電路上。在典型情況下，有6個(gè)透鏡和6個(gè)電路。具有增加或減少透鏡，增加或減少電路的其它構(gòu)造也都在本發(fā)明的范圍內(nèi)。另一種辦法，用帶有鏡面的長(zhǎng)條形擠壓元件也能達(dá)到這些目標(biāo)。
該模塊制造的成本低于當(dāng)今的模塊成本。每瓦為$3-$4，低于目前每瓦$6-$7的成本，今后的目標(biāo)是每瓦$1-$2。一個(gè)成功的3倍陽(yáng)光模塊可招來(lái)更大的投資，從而可使用30％的聚光電池工作在更高的聚光比下，使每瓦$1-$2的目標(biāo)最終實(shí)現(xiàn)。
本申請(qǐng)人在前面已介紹了類似的長(zhǎng)條形透鏡和長(zhǎng)條形電路的構(gòu)造，可構(gòu)成各種不同的應(yīng)用。在本發(fā)明中，我們注意到在該設(shè)計(jì)中對(duì)準(zhǔn)的要求很寬，兩個(gè)方向大于±5度。該裝置的一個(gè)較佳實(shí)施例采用費(fèi)尼爾(Fresnel)透鏡和太陽(yáng)能硅電池。例如6”×8”，約2.5”厚的太陽(yáng)能電池充電器能產(chǎn)生約4W功率。為了攜帶方便，可縮減1/2”厚度。沿電路長(zhǎng)度/方向的角度公差約為±20度，二次對(duì)準(zhǔn)之間的時(shí)間達(dá)二個(gè)多小時(shí)。例如，我們?cè)谇宄亢桶戆央娐贩旁诖怪狈较?，在正午把電路放在水平方向。那?個(gè)小時(shí)需進(jìn)行3次對(duì)準(zhǔn)。約8”×12”的30％效率的太陽(yáng)能電池能產(chǎn)生16W。
這里的平面太陽(yáng)能聚光模塊包括(但并不限于)，以下優(yōu)點(diǎn)1.電池成數(shù)排裝在一塊金屬底板上，電池條之間盡量靠近，熱量在底板上發(fā)散，這樣空氣冷卻面積與標(biāo)準(zhǔn)平面模塊相同。
2.所用的電池可以從幾個(gè)不同的平面太陽(yáng)能電池供應(yīng)商處獲得，只需在柵格設(shè)計(jì)上進(jìn)行很小的改動(dòng)，例如改變尺寸和正面金屬圖案，從而以2-3倍陽(yáng)光工作。
3.長(zhǎng)條形電路組裝可以自動(dòng)化，成本相對(duì)傳統(tǒng)平面模塊的組裝可進(jìn)一步降低，后一種目前是密集型手工勞動(dòng)。
4.熱量處理容易控制。熱量在金屬底板上發(fā)散，散熱的空氣接觸面積與透鏡面積相同。這意味著散熱相當(dāng)于平面模塊。
5.目前已有幾家費(fèi)尼爾(Fresnel)透鏡供應(yīng)商。聚光率比較低，而且技術(shù)上沒(méi)有困難。透鏡大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)，成本應(yīng)該很低。
6.設(shè)計(jì)模塊，使得長(zhǎng)條形狀、電池條以及長(zhǎng)條形聚光部件都沿南北定向，長(zhǎng)條形聚光部件長(zhǎng)于電池條，這樣模塊可以裝在單軸跟蹤裝置上，不需要作季節(jié)性調(diào)節(jié)。
7.在單軸跟蹤裝置上的模塊工作在低聚光條件下，所需的對(duì)準(zhǔn)公差不小于±2度。
8.該裝置在設(shè)計(jì)和組裝方面類似小型裝置，可用在不同的設(shè)備中，例如(但并不限于)手機(jī)、數(shù)碼像機(jī)、PDA、例如(但不限于)掌上電腦、便攜式計(jì)算機(jī)等的太陽(yáng)能電池充電器。
9.平面模塊和太陽(yáng)能聚光模塊在形狀和功能方面是相似的。
10.太陽(yáng)能聚光模塊工作在2倍或3倍陽(yáng)光下，采用的太陽(yáng)能硅電池面積是傳統(tǒng)平面模塊的1/2或1/3，從而成本大大降低。
11.所有的電池可從幾個(gè)不同的平面電池供應(yīng)商處獲得，只需作很小的改動(dòng)，以達(dá)到在2倍陽(yáng)光或3倍陽(yáng)光下工作。
12.太陽(yáng)能聚光率較低，而且技術(shù)上無(wú)難度。帶鏡面的長(zhǎng)條擠壓元件成本也低。
13.跟蹤精度要求極低。這意味著可采用市場(chǎng)上買得到的Zomeworks生產(chǎn)的液體致冷跟蹤裝置。
14.用于平面太陽(yáng)能模塊的Zomeworks跟蹤裝置目前用于農(nóng)場(chǎng)灌溉系統(tǒng)中。這意味著存在著已建立銷售渠道的立即中間市場(chǎng)。
15.該裝置類似傳統(tǒng)的平面太陽(yáng)能模塊這一事實(shí)，會(huì)使消費(fèi)者容易接受該產(chǎn)品。此后會(huì)導(dǎo)致成本進(jìn)一步降低和更高的太陽(yáng)能聚光比系統(tǒng)產(chǎn)生。
本發(fā)明的這些和其它特性在本文中清楚地作了說(shuō)明，其中包括上述和以下的說(shuō)明書(shū)，以及權(quán)利要求書(shū)和附圖。


圖1為本發(fā)明平面太陽(yáng)能聚光模塊頂視圖。
圖2為圖1平面太陽(yáng)能聚光模塊的橫截面。
圖3為圖2中一個(gè)透鏡和電路單元的詳細(xì)放大截面圖。
圖4為有二個(gè)透鏡和電路元件的小型平面太陽(yáng)能聚光模塊側(cè)視圖。
圖5是將圖4中電源模塊的電路放大的頂視圖。
圖6為具有壓制臺(tái)階的部分金屬底板，上面安裝做好的條形電路。
圖7為瓦片式電路，其中電池以瓦片重迭方式安裝在圖6中的臺(tái)階內(nèi)。
圖8為平面太陽(yáng)能聚光模塊的透視圖，但應(yīng)注意，和圖5一樣，透鏡作用僅為示范性的。
圖9為裝在太陽(yáng)跟蹤裝置上的幾個(gè)平面太陽(yáng)能聚光模塊。
圖10為本發(fā)明帶有鏡面單元的平面太陽(yáng)能聚光電源模塊的三維圖。
圖11為圖10平面太陽(yáng)能聚光模塊在A-A處的截面圖。
圖12為圖11放大的截面圖，示出一條電路和二種帶鏡面的長(zhǎng)條擠壓元件。
圖13A為商品化的平面太陽(yáng)能電池。
圖13B為圖13A的電池截成4塊2倍太陽(yáng)光的聚光電池。
圖13C為電池被重新組裝成瓦片狀電池電路單元。
圖14為二組瓦片式電池電路單元，裝在散熱的金屬底板上，二組電路間用應(yīng)力消除焊條連接。
圖15為兩組串聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)平面太陽(yáng)能電池的頂視圖。
圖16為把兩組串聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)平面太陽(yáng)能電池一分為兩，裝在2倍太陽(yáng)光聚光鏡面模塊中的頂視圖。
圖17為圖16的太陽(yáng)能電池和模塊的端面圖。
具體實(shí)施例方式
圖1、2、3、8示出較佳的平面太陽(yáng)能聚光電源模塊1。圖1是本發(fā)明平面太陽(yáng)能聚光模塊1的頂視圖。條形費(fèi)尼爾(Fresnel)透鏡5的陣列3產(chǎn)生聚焦的太陽(yáng)輻射線，落在對(duì)準(zhǔn)的條形光電轉(zhuǎn)換電路陣列上。圖2為圖1平面太陽(yáng)能聚光模塊1的橫截面。橫截面與透鏡產(chǎn)生的聚焦射線垂直，也與電路長(zhǎng)度方向垂直。圖3是圖2局部放大圖，使一個(gè)單透鏡21和電路單元23更加詳細(xì)。
所述的較佳裝置是示范性的，尺寸不限于以下所給的規(guī)格。例如，較佳的裝置可以為25”×40”×3.25”(厚)。描述的尺寸是示范性的，類似于Siemens，Kyocera和Solarex生產(chǎn)的75W平面模塊。所有這些模塊的尺寸約為25”×40”，產(chǎn)生的功率相同。平面模塊包括夾在塑料板和玻璃面板間的大塊硅電池，四周圍繞著2”厚的金屬框，例如鋁框，用以加固。其它尺寸也在本發(fā)明范圍內(nèi)。
較佳的平面太陽(yáng)能聚光模塊包括金屬底板25，其上裝有條形硅電池電路7。在所述的示范實(shí)施例中，例如但不限于，有6個(gè)透鏡和6個(gè)對(duì)準(zhǔn)的電路，電路包括，例如約1.3”或1.2”寬的電池23。電路的間隔例如為約4”或3.6”。因此，電池的面積占模塊整個(gè)面積的1/3，從而使電池的成本大大降低。
在較佳的模塊中，例如3.25”厚的金屬框架9(例如是鋁框架)圍繞著模塊1，電池電路7的太陽(yáng)能電池23裝在底板25上。透鏡陣列3裝在玻璃面板27上，形成平面太陽(yáng)能聚光模塊1的正面。在該面板27上例如有6條費(fèi)尼爾(Fresnel)透鏡5，每條透鏡21例如為4”寬，并經(jīng)對(duì)準(zhǔn)，使得經(jīng)過(guò)每條透鏡21的太陽(yáng)光射在條形太陽(yáng)能電池電路7上，這些電池電路連接到具有+/-接線端13的電源電路組件11。在圖1的實(shí)例中，有6個(gè)透鏡和6個(gè)對(duì)準(zhǔn)電路。其它數(shù)量的透鏡和電路組合都包括在本發(fā)明范圍內(nèi)。
較佳的透鏡5，其透鏡寬度和電路間隔，例如約4”或3.6”。假設(shè)透鏡寬度為4”或3.6”，那么可得到合理的最短聚焦長(zhǎng)度分別約為4”或3.6”。如果透鏡被設(shè)置為電池的間隔，例如3.25”或3”，那么電路上的聚焦線寬度約為0.75”或0.7”。在電池寬度為1.3”或1.2”的情況下，照亮的區(qū)域?qū)挾葹?.75”或0.7”，兩邊的黑帶寬度為(1.3-0.75)/2＝0.28”或(1.2-0.7)/2＝0.25”。這些黑帶允許跟蹤范圍寬度為tan-1(0.28/3.25)＝±5°，或tan-1(0.25/3)＝±5°。我們精確地選擇該跟蹤范圍的公差，是因?yàn)檫@是市場(chǎng)上Zomenorks跟蹤裝置所能提供的跟蹤公差。這同樣適用于2倍鏡面模塊。
4”的透鏡寬度有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，首先，4”寬可容許模塊的厚度為3.25”，沒(méi)有比標(biāo)準(zhǔn)的平面太陽(yáng)能電池板厚度(2”)大太多。第二，4”寬度便于熱量處理。透鏡5把太陽(yáng)能聚光到電路7，然后無(wú)用的熱量傳送到金屬底板25上。在金屬板上橫向發(fā)散，這樣金屬板的溫度幾乎是均勻的。如果電路間隔太大，熱量發(fā)散會(huì)不均勻，電路會(huì)發(fā)燙。4”或3.6”間隔以及合理的薄而輕的金屬底板使金屬板溫度均勻。這同樣適用于2倍鏡面模塊。
條形費(fèi)尼爾(Fresnel)透鏡5有若干優(yōu)點(diǎn)。首先涉及季節(jié)性對(duì)準(zhǔn)。太陽(yáng)正午的位置從夏天到冬天南北移動(dòng)±23度。調(diào)整該移動(dòng)的辦法是用條形透鏡21，使透鏡長(zhǎng)度大于電路23長(zhǎng)度，并且在南北方向?qū)?zhǔn)透鏡聚焦線(見(jiàn)，如圖1)。在本模塊1中，電路7比透鏡5的兩端15、17約短，例如1.4”或1.3”(但并不限于此)。這樣使南北方向的跟蹤公差分別為tan-1(1.4/3.25)＝±23°或tan-1(1.3/3)＝±23°采用條形費(fèi)尼爾(Fresnel)透鏡5的第二個(gè)理由是它能導(dǎo)致條形電池電路7和條形電源電路組件37(圖7)可以自動(dòng)化工作。
圖4和5為較小平面太陽(yáng)能聚光模塊31的實(shí)例，它有2個(gè)透鏡和電路單元33。圖4中的模塊31為側(cè)視照片，而圖5為從頂部觀察透鏡，將電路放大的照片。圖5中展現(xiàn)模塊31，以表示透鏡的放大作用。
圖6和7為制造條形電路實(shí)例。圖6為一段金屬板25，上面有壓制臺(tái)階件35，圖7示出電池以瓦片狀37裝在這些臺(tái)階中，電池41的后沿39壓在先前放好的電池45的前沿43上。
典型的太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)采用背面全部淀積金屬，正面有柵格圖形。在本例中，柵格線沿電路方向走向，并連到電池頂部一邊的母線上。母線與下一個(gè)電池的背面金屬形成電氣連接。這樣，電池之間形成前后串聯(lián)，組成瓦片狀電路。
如圖1所示，在每條電路端頭有焊盤49。絕緣的金屬元件，例如但不限于金屬條47和51將這些電路連接到電池板的正負(fù)端子13。
如圖3所示，在金屬底板25上可以放一層絕緣層53(如涂層)，這樣電路7和金屬底板就有良好的熱接觸而不是電接觸。
我們前面已在熱光電性能中描述過(guò)瓦片狀電路。采用瓦片狀電路的一個(gè)重要考慮是金屬底板的熱膨脹系數(shù)(CTE)必須與電池的熱膨脹系數(shù)相匹配，這樣電池之間的電氣連接接頭就不會(huì)在模塊冷熱變化時(shí)脫開(kāi)。在熱膨脹系數(shù)(CTE)匹配時(shí)，電池和金屬底板隨溫度變化同步膨脹和縮小。就太陽(yáng)能硅電池來(lái)說(shuō)，合適的金屬例如可以是但不限于合金42(Fe 58％，Ni 42％)。
這兒描述的瓦片狀電路組件37并不是能制造條形電路7的唯一方法。其它制造方法也包括在本發(fā)明之內(nèi)。例如焊接條可以從一個(gè)電池背面連到下一個(gè)電池的正面。焊條連接中的回路可以供溫度系數(shù)(CTE)差異之用，這樣底板就可以用鋁材料。雖然該電路組件加工比瓦片狀電路加工的步驟多，但可以自動(dòng)化生產(chǎn)。無(wú)論那一種電路種類以及組件的加工工藝都在本發(fā)明范圍內(nèi)。
圖8為平面太陽(yáng)能聚光模塊1的立體圖。但是注意，如圖5所示，透鏡的作用沒(méi)真實(shí)的反映。
圖9為幾個(gè)平面太陽(yáng)能聚光模塊1，放置在太陽(yáng)能跟蹤裝置55上。這種平面太陽(yáng)能聚光電源模塊可以用于世界各地廣泛應(yīng)用的太陽(yáng)能抽水灌溉裝置中。該模塊設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)包括但不限于，生產(chǎn)成本比較低，因?yàn)樗捎昧畠r(jià)單晶材料，以及供貨方便和適應(yīng)性強(qiáng)，在各種不同的應(yīng)用中能立即替換。
較佳的平面太陽(yáng)能聚光光電池模塊，正面有平面的條狀費(fèi)尼爾(Fresnel)透鏡陣列，并且與平面的條形電路陣列對(duì)準(zhǔn)。電路裝在金屬板上，使熱量易發(fā)散和排除。
平面太陽(yáng)能聚光光電池模塊還包括透鏡，透鏡長(zhǎng)度大于電路，這樣使陽(yáng)光的接收角在長(zhǎng)度方向上大于等于20度，允許使用單軸跟蹤，無(wú)需季節(jié)性調(diào)整。
平面太陽(yáng)能聚光光電池模塊，其透鏡寬度是電池和電路的3倍。來(lái)自透鏡的成像蓋不滿電池，在成像兩側(cè)的電池上有黑帶。這樣在寬度方向上能接收太陽(yáng)光的角度大于或等于5度。
平面太陽(yáng)能聚光光電池模塊包括一塊上面裝有電路的金屬板。金屬板的熱膨脹系數(shù)與電池的熱膨脹系數(shù)一致。金屬板上有壓制的臺(tái)階，電池裝在它上面，構(gòu)成了條形瓦片狀電路板。
圖10、11和12為目前發(fā)明的平面太陽(yáng)能聚光模塊。圖10為交替排列幾行條形瓦片狀電池和條形鏡面，鏡面把太陽(yáng)光反射到電池上。圖11為圖10中平面太陽(yáng)能聚光模塊A-A處的截面圖。截面與電池及反光鏡垂直。圖12為圖11的放大圖，示出電路元件和兩種類型的條狀擠壓元件模塊側(cè)壁處擠壓元件和截面為三角形的模塊內(nèi)部擠壓元件。
較佳的裝置尺寸，例如，約20”×44”×3.25”，最好是21”×47”×3.25”。介紹的尺寸是示范性的，類似于BP Solar，Siemens，Kyocera以及Solarex生產(chǎn)的75W單倍太陽(yáng)光的平面模塊。所有這些模塊尺寸約為20”×44”或21”×47”，生產(chǎn)的功率大致相等。單倍太陽(yáng)光的平面模塊包括夾在塑料板和玻璃面板之間的大面積硅光電池，四周圍繞著2”厚的鋁框架，保持牢固。
目前的平面太陽(yáng)能聚光模塊100有一塊底板103，最好是金屬板，其上裝有條形硅電池電路105。所示實(shí)例中有四條約2.5”寬的含有電池107的電路。較佳的電路間隔約5”。因此，電池的面積占整個(gè)模塊面積的一半，從而電池成本大大減少。在示范性模塊中，具有端面板123的約3.25”厚的鋁框架122圍繞著模塊，模塊的底板103上裝有電池。
鏡面109位于條形硅電池電路105之間。參考圖11和12，鏡面109裝在示范性的兩種條形擠壓元件115、117的表面111、113上。射在每個(gè)鏡面109的太陽(yáng)光被向下反射到電池107上。兩種條形擠壓元件是模塊側(cè)壁的擠壓元件115和模塊內(nèi)部截面成三角形的擠壓元件117。
當(dāng)前的模塊按下述方法進(jìn)行機(jī)械裝配。首先，把電池107裝在金屬散熱板103上。為了降低成本，電池107裝在瓦片狀電池電路105中，散熱板103插在側(cè)壁擠壓元件115的槽隙119中。在這兩種擠壓元件115、117中，有貫穿兩端的緊固孔121。緊固件，例如但不限于，金屬螺絲120(圖10)穿過(guò)端面板123(圖10)中孔121，把所有構(gòu)件連在一起。
正如前面所指出的，太陽(yáng)能聚光裝置一直存在著大規(guī)模生產(chǎn)一種新型太陽(yáng)能聚光電池所需要的高投資問(wèn)題。因此，理想的做法是利用現(xiàn)已大量低成本生產(chǎn)的平面太陽(yáng)能電池。圖13A-C展示了如何低成本地生產(chǎn)太陽(yáng)能聚光電池130，方法是把市場(chǎng)出售的平面電池132分割成4部分。圖13A為市場(chǎng)出售的平面電池132，圖13B為圖13A的電池被分割成4塊2倍太陽(yáng)能聚光電池130，圖13C為電池被重新組裝成瓦片狀電池電路組件134。
本發(fā)明中解決的另一個(gè)問(wèn)題是太陽(yáng)能聚光模塊的電池內(nèi)部連接。標(biāo)準(zhǔn)的單倍太陽(yáng)光平面模塊，常有36個(gè)5”方形電池。現(xiàn)在的太陽(yáng)能聚光模塊中，電池占一半面積，每個(gè)電池面積是單倍太陽(yáng)光平面太陽(yáng)能電池面積的1/4。因此，電池?cái)?shù)量為2倍或有72個(gè)電池。如果電池與電池間采用條焊，(這在平面模塊生產(chǎn)是常用的)，那么就需要2倍的焊接數(shù)量。這將使組裝成本增加。正如圖13B、13C和14所表示的，用瓦片狀電池電路組件134解決了該問(wèn)題。
圖13C為示范性瓦片狀電池組134的頂視圖。該電池組中有4塊電池。圖14為一排電池電路136的側(cè)面圖，它包括2組瓦片狀電池組134，裝在散熱用的金屬底板138上。電池組134之間用應(yīng)力消除條40焊結(jié)。在電池組134中，電池142以瓦片狀方式安裝，一塊電池的后沿疊在先前放好的電池前沿136上面。太陽(yáng)能電池采用的瓦片狀電池設(shè)計(jì)，其電池的背面全部淀積金屬，正面是柵格和母線圖形。該實(shí)例中，母線沿電路方向走向，母線和下一塊電池的背面金屬形成電氣連接。這樣，電池之間形成前面和后面串連，構(gòu)成瓦片狀電路組件。和電池和電池之間采用線段連接的結(jié)構(gòu)相比，瓦片狀電池電路中的焊點(diǎn)數(shù)減少了一半。
正如前面所述，考慮用瓦片狀電路的一個(gè)重要原因是金屬底板的熱膨脹系數(shù)(CTE)必須與電池的熱膨脹系數(shù)匹配。這樣，模塊受熱或受冷時(shí)，電池之間的電氣連接焊點(diǎn)不會(huì)脫開(kāi)。CTE相匹配時(shí)，電池和金屬底板就會(huì)隨溫度變化一起膨脹和收縮。就太陽(yáng)能硅電池來(lái)說(shuō)，合適的金屬材料可以是合金42(Fe 58％，Ni 42％)。
即使電池和金屬底板之間沒(méi)有良好的CTE匹配，同樣可以采用瓦片狀電池組。采取的方法是讓用來(lái)粘結(jié)電池142和金屬底板的粘合劑148有伸縮性，以及采用分段應(yīng)力消除焊結(jié)條140。圖14示出兩組瓦片狀電池電路組件134之間的應(yīng)力消除焊條140。底板上的電池可以用透明密封劑149做成的薄膜保護(hù)。薄膜可以是透明的塑料層，但并不限于此。再用透明的聚四氟乙烯覆蓋或用平面模塊中使用的玻璃覆蓋。
另一個(gè)問(wèn)題是決定需使用多少應(yīng)力消除焊條140。本發(fā)明解決了這一問(wèn)題。例如，在太陽(yáng)能聚光裝置樣機(jī)中，用伸縮性的熱傳導(dǎo)粘合劑把4”長(zhǎng)的硅電池裝到鋁板上，并且已工作了10年，沒(méi)有失效。鋁和硅之間的CTE差異為(22-4)×10-6/℃。本發(fā)明中如圖14所示采用的碳鋼底板CTE差異為(11-4)×10- 6/℃或比原來(lái)低2.5倍，很自然可采用比4”長(zhǎng)2.5倍的瓦片狀電池組，即10”長(zhǎng)，如圖14所示。
本發(fā)明回答了規(guī)?；a(chǎn)太陽(yáng)能聚光電池的成本問(wèn)題。圖15、16、17示出了在現(xiàn)在的模塊中如何利用已大量生產(chǎn)的平面太陽(yáng)能電池?，F(xiàn)在的太陽(yáng)能聚光電池是把市場(chǎng)上出售的平面太陽(yáng)能電池一分為二。
在2倍鏡面模塊中，如圖15、16、17所示，把平面電池150沿中線152處割開(kāi)。用鏡面166將其分開(kāi)，利用鏡面達(dá)到在2X聚光下工作。這樣，用平面電池的一半154，156構(gòu)成具有同等功率的模塊160。同時(shí)，另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是焊條158只需一半數(shù)量。焊條焊結(jié)技術(shù)與平面模塊相似，鏡面模塊的生產(chǎn)不需要增加設(shè)備和人力。
有條形電路164的金屬底板162的結(jié)構(gòu)如圖16、17所示。電池150被割開(kāi)并用焊條前后焊結(jié)后，用熱傳導(dǎo)的環(huán)氧樹(shù)脂把電路條168和金屬底板162粘合在一起。電路164與金屬底板是電隔離的。電路164和底板162粘合并且連接在一起后，底板上的電池再用透明的密封層保護(hù)起來(lái)。該薄層可以是但不限于，透明塑料層，上面再覆蓋透明聚四氟乙烯層或者是在平面模塊中用的玻璃層，如圖14中149處所示。
用焊條連接電池的正面和背面，步驟與平面模塊的步驟類似。焊條連接需要?jiǎng)趧?dòng)密集型，因此相互連接可用替代方法。例如，如圖13A-C所示的瓦片狀電池電路，這樣就可以用自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行較快的電池電路組裝。
目前的電池和鏡面高度在2”和3”之間，最好為2.5”，這樣做是考慮到面板厚度是3.25”左右，比厚度約為2”的標(biāo)準(zhǔn)平面太陽(yáng)能電池板略厚一點(diǎn)。同時(shí)，具有最佳的熱量處理功能。鏡面將太陽(yáng)能集聚到電路上，多余的熱量傳送到金屬底板，然后在金屬板上橫向發(fā)散，這樣金屬板上的溫度幾乎是均勻的。如果電路之間間隔太大，熱發(fā)散會(huì)不均勻，電路就會(huì)變得太熱。間距最好為5”左右，或者從一個(gè)電池到下一個(gè)電池邊沿的間隔約為2.5”，如果再采用合理的薄而輕的金屬底板，那么底板的溫度就會(huì)均勻。
條形電路和鏡面有若干優(yōu)越性。第一，鋁制的擠壓元件和條形瓦片狀電路容易制造。第二，能獲得最佳的季節(jié)性對(duì)準(zhǔn)。太陽(yáng)正午的位置從夏天到冬天南北移動(dòng)+/-23度。該移動(dòng)通過(guò)條形鏡面來(lái)調(diào)節(jié)。鏡面長(zhǎng)度要大于電路長(zhǎng)度，并且在南北方向調(diào)準(zhǔn)鏡面聚焦線。現(xiàn)在的模塊中，電路比鏡面在兩端約短1.4”，只有這樣，在南北方向的跟蹤公差才能達(dá)到tan-1(1.4/3.25)＝+/-23度。最好是電路比鏡面在兩端約短1.2”，這樣南北方向的跟蹤公差可達(dá)tan-1(1.2/2.5)＝+/-25度。
本發(fā)明還給出東/西方向的對(duì)準(zhǔn)公差。如果鏡面傾斜面與電池面垂線的夾角為30度，那么只要模塊準(zhǔn)確地對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，鏡面反射的所有太陽(yáng)光都會(huì)落在電池上。本發(fā)明給出的對(duì)準(zhǔn)公差約為+/-2度，轉(zhuǎn)換成鏡面與法線的夾角約為26度。
本發(fā)明的模塊制造成本低于當(dāng)今的模塊成本，目標(biāo)價(jià)格約為每瓦$1-$4，最好達(dá)每瓦$1-$2。大大低于目前模塊每瓦$6-$7的價(jià)格。
本發(fā)明根據(jù)特定的裝置進(jìn)行了描述，但也可以對(duì)本發(fā)明作一些在本發(fā)明范圍內(nèi)的修改和變化。本發(fā)明的范圍由下面的權(quán)利要求書(shū)規(guī)定。
權(quán)利要求
1.一種平面太陽(yáng)能聚光模塊裝置，其特征在于，它包括平面基板；基板上的對(duì)準(zhǔn)的條形光電池電路陣列；以及基板上的條形平面費(fèi)尼爾(Fresnel)透鏡陣列，它把聚焦的太陽(yáng)射線指向?qū)?zhǔn)的條形光電池電路陣列上。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，電池電路還包括塑料層，以及夾在塑料層之間的硅電池。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，還包括玻璃面板，以及圍在玻璃面板四周的框架。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，框架為鋁質(zhì)框架。
5.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，基板進(jìn)一步包括底板，并且電池電路裝在底板上。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，底板為金屬板。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，電池電路的面積小于模塊總面積。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，電池電路的面積為模塊總面積的一半。
9.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，電池電路的面積為模塊總面積的1/3。
10.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，條形費(fèi)尼爾(Fresnel)透鏡陣列裝在玻璃面板的底部，組成模塊的前面板。
11.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，費(fèi)尼爾(Fresnel)透鏡陣列由多個(gè)透鏡組成，每個(gè)透鏡具有適當(dāng)?shù)某叽绮㈤g隔對(duì)準(zhǔn)電池電路，從而使太陽(yáng)光的能量充分聚集到鄰近的電池電路上。
12.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，還包括與電池電路連接的電源電路組件。
13.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，每條透鏡的長(zhǎng)度大于鄰近的電池電路長(zhǎng)度。
14.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，每個(gè)透鏡的聚焦線在南北方向?qū)?zhǔn)。
15.如權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，電源電路組件是條形電源電路組件。
16.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，對(duì)準(zhǔn)的電池電路陣列為瓦片狀電路陣列。
17.如權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于，瓦片狀電路陣列包括一塊有壓制臺(tái)階的金屬底板，臺(tái)階上以瓦片方式裝上電池，即一塊電池的后沿蓋在前一塊電池的前沿上。
18.如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于，瓦片狀電路陣列還包括淀積在背面的金屬，正面的柵格圖形，以及與電池電路頂部邊緣相連的母線條。
19.如權(quán)利要求18所述的裝置，其特征在于，母線條與相鄰電池的背面金屬電氣連接，形成電池間的前后串聯(lián)，從而組成瓦片狀電路。
20.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括每條電路一端的電路接線焊盤。
21.如權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于，還包括絕緣的金屬部件，它把電路連接到電源電路的正負(fù)端。
22.如權(quán)利要求21所述的裝置，其特征在于，還包括金屬底板上的絕緣簿膜，使電路和金屬底板之間有良好的熱接觸，而不導(dǎo)電。
23.如權(quán)利要求22所述的裝置，其特征在于，金屬底板的熱膨脹系數(shù)與電池的熱膨脹系數(shù)相匹配，從而在溫度變化時(shí)，電池和金屬底板的膨脹一致并且均勻。
24.如權(quán)利要求23所述的裝置，其特征在于，電池為硅電池，金屬底板是一種合金材料。
25.如權(quán)利要求24所述的裝置，其特征在于，合金材料的成分為Fe 58％和Ni 42％的合金42。
26.如權(quán)利要求19所述的裝置，其特征在于，電池間的前后串聯(lián)包括從一塊電池背面到相鄰的下一個(gè)電池前面的焊條，和焊條中允許電池和金屬底板間熱膨脹系數(shù)差異的回路。
27.一種平面太陽(yáng)能聚光光電模塊，其特征在于，它包括平面條形電路陣列；在平面條形電路陣列前面并與其對(duì)準(zhǔn)的平面條形費(fèi)尼爾(Fresnel)透鏡陣列；以及裝有平面條形電路陣列的金屬基板，用于熱量發(fā)散和排除。
28.如權(quán)利要求27所述的模塊，其特征在于，透鏡長(zhǎng)于電路，這樣在長(zhǎng)度方向上允許接收太陽(yáng)光的角度大于或者等于20度，以便于單軸跟蹤不需作季節(jié)性調(diào)節(jié)。
29.如權(quán)利要求28所述的模塊，其特征在于，透鏡寬度約是電池電路寬度的3倍，來(lái)自透鏡的成像蓋不滿電池電路中的電池，在成像的兩側(cè)有黑帶，從而使太陽(yáng)光的可接受角度在寬度方向上大于或等于約5度。
30.如權(quán)利要求29所述的模塊，其特征在于，金屬板的熱膨脹系數(shù)與電池電路中電池的熱膨脹系數(shù)一致。
31.如權(quán)利要求30所述的模塊，其特征在于，金屬板上有壓制的臺(tái)階，以便將電池安裝在條形瓦片狀電路中。
32.一種平面太陽(yáng)能聚光電源模塊，其特征在于，它包括電路組件；電路組件中的幾排串聯(lián)的太陽(yáng)能電池；以及電路組件中使太陽(yáng)光線反射到幾排太陽(yáng)能電池上的條形鏡面。
33.如權(quán)利要求32所述的裝置，其特征在于，電路組件包括條形擠壓元件。
34.如權(quán)利要求33所述的裝置，其特征在于，條形擠壓元件包括沿電路組件邊沿排列的側(cè)壁擠壓元件。
35.如權(quán)利要求34所述的裝置，其特征在于，條形擠壓元件包括橫截面為三角形的內(nèi)部擠壓元件。
36.如權(quán)利要求35所述的裝置，其特征在于，還包括電路組件的底板。
37.如權(quán)利要求36所述的裝置，其特征在于，底板為金屬板。
38.如權(quán)利要求37所述的裝置，其特征在于，幾排太陽(yáng)能電池是裝在金屬板上的條形硅電池電路。
39.如權(quán)利要求38所述的裝置，其特征在于，還包括圍繞著電路的金屬框架和端板。
40.如權(quán)利要求32所述的裝置，其特征在于，電池的面積小于模塊的總面積。
41.如權(quán)利要求39所述的裝置，其特征在于，鏡面放置在幾排條形硅電池電路之間。
42.如權(quán)利要求41所述的裝置，其特征在于，包括電路組件上的條形擠壓元件，鏡面裝在條形擠壓元件的表面，把照射在每個(gè)鏡面上的太陽(yáng)光線反射到條形硅電池電路上。
43.如權(quán)利要求42所述的裝置，其特征在于，條形擠壓元件包括側(cè)壁擠壓元件。
44.如權(quán)利要求42所述的裝置，其特征在于，條形擠壓元件包括橫截面為三角形的內(nèi)部擠壓元件。
45.如權(quán)利要求43所述的裝置，其特征在于，還包括側(cè)壁擠壓元件中的槽口，底板插入側(cè)壁擠壓元件的槽中。
46.如權(quán)利要求42所述的裝置，其特征在于，還包括穿通條形擠壓元件兩端用于緊固的開(kāi)孔，緊固件穿過(guò)開(kāi)孔，把電路組件、條形擠壓元件上的條形鏡面、底板和端面板連接起來(lái)。
47.如權(quán)利要求46所述的裝置，其特征在于，條形硅電池電路裝在金屬底板上，電池之間有應(yīng)力消除焊條。
48.如權(quán)利要求42所述的裝置，其特征在于，還包括背面有金屬淀積、正面有柵格和母線條的電池，母線條電氣連接到相鄰電池的金屬底板，形成電池間前后串聯(lián)，從而形成瓦片狀電路組件。
49.如權(quán)利要求47所述的裝置，其特征在于，底板是炭鋼材料。
50.如權(quán)利要求48所述的裝置，其特征在于，還包括用于密封瓦片狀電池組件的層壓薄膜。
51.如權(quán)利要求50所述的裝置，其特征在于，層壓薄膜包括透明材料。
52.如權(quán)利要求51所述的裝置，其特征在于，透明材料為塑料薄層。
53.如權(quán)利要求52所述的裝置，其特征在于，還包括透明蓋膜。
54.如權(quán)利要求53所述的裝置，其特征在于，透明蓋膜為玻璃層。
55.如權(quán)利要求53所述的裝置，其特征在于，透明蓋膜為聚四氟乙烯薄膜。
56.一種組裝平面太陽(yáng)能聚光電源模塊的方法，其特征在于，包括以下步驟在金屬散熱底板上安裝光電池并形成電路組件；把電池串聯(lián)形成條形電路條；在平板上安裝條形鏡面；在電路組件中交替放置條形電路條和條形鏡面；用條形鏡面把太陽(yáng)光線反射到條形電路條上，把太陽(yáng)能聚集在條形電路上，并提供最佳的熱量處理。
57.如權(quán)利要求56所述的方法，其特征在于，還包括把太陽(yáng)能聚集產(chǎn)生的多余熱量傳途到金屬底板，在金屬底板上橫向發(fā)散多余熱量，使金屬板溫度均勻。
58.如權(quán)利要求56所述的方法，其特征在于，在金屬板上安裝電池的步驟包括，在交替排列的電路之間提供適當(dāng)?shù)拈g隔，使金屬底板溫度均勻。
59.如權(quán)利要求56所述的方法，其特征在于，還包括在金屬底板上安裝條形擠壓元件，并在條形擠壓元件的表面安裝條形鏡面，并在鏡面之間安裝條形電路條。
60.如權(quán)利要求59所述的方法，其特征在于，還包括使條形鏡面長(zhǎng)度大于條形電路條，鏡面聚焦線在南/北方向?qū)?zhǔn)，并給出對(duì)應(yīng)于太陽(yáng)移動(dòng)的南/北方向的跟蹤公差，以允許最佳的季節(jié)性調(diào)整。
61.如權(quán)利要求60所述的方法，其特征在于，還包括使鏡面與法線有一傾斜角，以便對(duì)應(yīng)于太陽(yáng)光的移動(dòng)，允許東/西方向有對(duì)準(zhǔn)公差。
62. 如權(quán)利要求61所述的方法，其特征在于，與法線的夾角約為26度。
63.一種平面太陽(yáng)能聚光電源模塊裝置，其特征在于，它包括一塊平面金屬基板；金屬基板上的對(duì)準(zhǔn)的條形光電池電路陣列；對(duì)準(zhǔn)的條形太陽(yáng)能聚光組件陣列，把太陽(yáng)輻射導(dǎo)向?qū)?zhǔn)的條形光電池電路陣列；其中條形光電池與金屬基板熱接觸，但保持電氣絕緣，金屬板的面積等于整個(gè)模塊面積，以便能有效地散熱。
64.一種平面太陽(yáng)能聚光電源模塊裝置，其特征在于，它包括平面金屬基板；金屬基板上的對(duì)準(zhǔn)的條形光電池電路陣列；對(duì)準(zhǔn)的條形太陽(yáng)能聚光組件陣列，把太陽(yáng)輻射導(dǎo)向?qū)?zhǔn)的光電池電路陣列；其中條形太陽(yáng)能聚光組件長(zhǎng)于條形光電池電路。
65.如權(quán)利要求64所述的裝置，其特征在于，條形光電池電路和條形太陽(yáng)能聚光組件沿南-北極軸對(duì)準(zhǔn)，這樣條形光電池電路中的所有電池全年都能均勻地照射到太陽(yáng)。
全文摘要
平面太陽(yáng)能聚光電源模塊有一塊平面底板；底板上的對(duì)準(zhǔn)的條形光電池電路陣列；以及條形費(fèi)尼爾透鏡或條形鏡面陣列，該陣列把聚焦的太陽(yáng)光輻射導(dǎo)向?qū)?zhǔn)的條形光電池電路陣列。電池電路裝在金屬底板上。電池電路的面積小于模塊總面積。每條透鏡或鏡面的長(zhǎng)度大于相鄰的電池電路。電池電路可以采用瓦片狀安裝電池，以形成瓦片狀電池電路。在另一種模塊中，在條形擠壓元件的表面安裝了條形鏡面，它把射到每條鏡面的太陽(yáng)光反射到瓦片狀電池上。條形擠壓元件是側(cè)壁擠壓元件和橫截面為三角形的內(nèi)部擠壓元件。電路底板用密封層作氣候保護(hù)。平面模塊一般為長(zhǎng)方形，里面有交替分布的條形電池電路和條形透鏡或條形鏡面。
文檔編號(hào)H01L31/05GK1461059SQ0312331
公開(kāi)日2003年12月10日 申請(qǐng)日期2003年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月24日
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