專利名稱：用于光伏模塊的被動冷卻系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光伏太陽能(Photo Voltaic Solar,PVS)面板(panel，電池板)，并且 尤其涉及一種改進PV面板性能的被動冷卻系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
為了滿足世界上增長的能源需求，太陽能的利用變得日益重要。在過去的十年中， 光伏電池的使用有了巨大的增長。這種情況的發(fā)生與技術(shù)發(fā)展和伴隨的所使用材料以及其 他技術(shù)(如逆變器)的降價是一致的。一個問題是當溫度上升時光伏電池的輸出效果會降低。在炎熱的夏天隨著太陽的 直接照射，電池溫度將很快升高至超過80°C。隨著光伏電池在溫暖氣候中的使用，這種問題 當然會更嚴重，并且涉及基于聚焦光的光伏電池和平坦的光伏面板兩者。因此，為光伏設(shè)備 開發(fā)出大量的冷卻裝置，但是它們中沒有一個在普通光伏面板的應(yīng)用中獲得了商業(yè)成功。 基于聚焦光的光伏電池幾乎完全依賴于有一個冷卻系統(tǒng)才得以運轉(zhuǎn)，并且在冷卻裝置中的 大多數(shù)開發(fā)都集中在集中器技術(shù)上。用于基于聚焦光的光伏設(shè)備的冷卻裝置的實例可以在 US 3，999，283、US 5，498，297 和 WO Al 96/15559 中找到。WO Al 03/098705披露了一種光伏模塊，其包括與光伏材料熱接觸的散熱器。此出 版物的散熱器包括多個散熱片12，這些散熱片可以第一位置與第二位置之間移動，第一位 置基本上平行于散熱器的安裝表面，第二位置不平行于散熱器的安裝表面。當裝配模塊時 使用散熱片的第一位置，以助于例如將散熱器層壓至光伏材料。不過，盡管在模塊生產(chǎn)期間 散熱器的處理被簡化，但散熱器自身的實際制造是復雜的。還有一個附帶的問題涉及到在 根據(jù)此出版物的面板安裝之后散熱器的散熱片的定位和調(diào)整。因此，需要冷卻系統(tǒng)的簡化 設(shè)計，其在光伏模塊的制造和裝配上節(jié)省成本。主動系統(tǒng)和被動系統(tǒng)都能夠提供冷卻。主動冷卻系統(tǒng)包括朗肯循環(huán)系統(tǒng)和吸收系 統(tǒng)，這兩個系統(tǒng)都需要額外的硬件和成本。被動冷卻系統(tǒng)利用三項自然過程從暴露于大氣 的水面的對流冷卻、輻射冷卻和蒸發(fā)冷卻。經(jīng)常，光伏面板和模塊中的溫度高于周圍空氣溫度30-50°C。這種溫度的升高會導 致光伏面板輸出效果的5-20%的降低。許多用于光伏面板和模塊的現(xiàn)有技術(shù)的冷卻裝置的 缺點是，它們中的許多都復雜且制造成本相對高。此外，它沒有考慮在模塊預期壽命的未來 25-40年間冷卻裝置所需要的堅固和免維修。因而沒有一種現(xiàn)有的解決方案引起光伏面板 市場的巨大興趣。因此，存在一種對用于光伏面板和模塊的冷卻系統(tǒng)的需求，該冷卻系統(tǒng)應(yīng) 簡單、制造成本低且完全不需要維修?！椧怨?jié)省成本的方式解決了冷卻問題的現(xiàn)有技術(shù)是提供附設(shè)至PVS面板背部 的冷卻片。例如見US 4118249A。散熱器片幾何形狀利用在模塊背部向上對流氣流的作用 來冷卻模塊。這迅速在背部向上冷卻了模塊；然而，垂直于氣流的熱傳遞卻相對降低。這種 現(xiàn)象已經(jīng)備有文件證明，例如由亞利桑那州州立大學(ASU)證明。從ASU的現(xiàn)場試驗測量 中已知，具有散熱器布置的模塊從該模塊中心到邊緣可能會有25°C的溫差。這降低了模塊的性能和壽命，因為橫過模塊的不均勻電流和應(yīng)力梯度(由于材料膨脹的變化)。在模塊表面上的這種不均勻溫差在模塊中產(chǎn)生了各種問題。有幾個原因說明橫過 太陽能面板表面上具有均勻冷卻速率的必要性面板中的均勻電流。減少旁路二極管上的過載。減小由于溫度變化導致的模塊中的應(yīng)力梯度。這使得模塊具有更長的壽命。更高的模塊性能。更高的功率輸出。良好的熱傳遞也可以減少發(fā)生在遮蔽期間的“熱點”的性能降低。
發(fā)明內(nèi)容
因此，需要一種改進的被動冷卻模塊，其提供了節(jié)省成本、具有改進的橫向冷卻效 果的冷卻。根據(jù)本發(fā)明的實施方式的一個實例，布置了一種包括冷卻片(cooling fins，散熱 片)的散熱裝置，其中，這些冷卻片以向上布置方式被定向，允許冷卻片之間的氣流從PVS 面板的底部邊緣到達PVS面板的上部邊緣，其中，PVS面板被附設(shè)為與PVS面板的背部熱 接觸，其中，散熱裝置包括至少一個熱橋，熱橋被布置在相對于冷卻片方向的橫向布置中， 其中，在低于預定閾值水平的弛豫時間內(nèi)熱橋向PVS面板的整個表面上提供充分均勻的溫 度。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，用于熱弛豫時間的閾值水平隨實際冷卻模塊而變，當其 實際上與PVS面板熱接觸時。根據(jù)本發(fā)明的實施方式的一個實例，弛豫時間閾值定義為 當產(chǎn)生(bring)分別位于熱橋的每個相應(yīng)端中的兩個遠點的一個溫度時所消耗的時間，其 中，該溫度是在光伏太陽能面板領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的標準試驗條件(STC)下在PVS面板 表面上這些相應(yīng)點中測得。使用弛豫時間的其他定義落入本發(fā)明的范圍內(nèi)，只要其他工具 提供橫過PVS面板表面的充分均等的溫度的效果。根據(jù)本發(fā)明的實施方式的另一實例，熱橋被布置為用鋁制成的支撐冷卻片的底 板，并且其中，底板的厚度足以提供底板的橫向?qū)崮芰?，使得熱弛豫時間低于預定閾值水平。根據(jù)本發(fā)明的實施方式的另一實例，熱橋被布置為一條(strip)導熱材料，其與 冷卻片的上部邊緣、或在冷卻片的底部邊緣處，或在上部邊緣和底部邊緣兩處，相應(yīng)地，形 成熱接觸，由此提供了具有低于預定閾值水平的熱弛豫時間的熱橋橫向布置。根據(jù)本發(fā)明的實施方式的另一實例，熱橋被布置為多條或多片(patches)導熱材 料，多條或多片導熱材料被布置為當裝配后位于散熱裝置與PVS面板的背部之間，其中，這 些條或片的材料具有提供低于預定閾值水平的熱弛豫時間的導熱能力。根據(jù)本發(fā)明的實施方式的另一實例，熱橋被被布置為圍繞PVS面板的外周邊的框 架，并且其中，框架包括導熱材料，該導熱材料提供低于預定閾值水平的熱弛豫時間。根據(jù)本發(fā)明的實施方式的另一實例，熱橋被布置為一個支撐外部結(jié)構(gòu)的一個橫向 部件，該支撐外部結(jié)構(gòu)用在當為了利用PVS面板而將PVS面板安裝在一個位置時。
圖1示出了具有被動冷卻片的現(xiàn)有技術(shù)的PVS面板。
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圖2示出了附設(shè)至圖1中的PVS面板背部的冷卻片的視圖。圖3示出了在PVS面板上分開的位置之間的不均勻溫度的影響。圖4示出了本發(fā)明的實施方式的實例。圖5示出了本發(fā)明的實施方式的另一實例。圖6示出了熱弛豫時間的概念。
具體實施例方式圖1示出了由伸出的冷卻片10冷卻的PVS面板的實例。冷卻片可以作為一些模 塊的集合制造而裝配至面板的背部(如圖1所示)或作為完整的模塊覆蓋PVS模塊的整個 背部。導熱膠11用于將冷卻片10連接至光伏電池13。然而，在PVS模塊的一些實例中，可 能有中間層12，例如用泰德拉(tedlar)制造。玻璃制成的蓋14為PVS模塊面向太陽的一側(cè)。圖2示出了這些冷卻片在PVS面板背部上的布置方式?？諝饪梢詮腜VS模塊的底 部邊緣流動到模塊的頂部邊緣。然而，橫向冷卻效果是非常多變的。冷卻片布置方式的影 響是，在相對于冷卻片向上方向的橫向方向中的氣體流動實際上削弱了該氣流，因為冷卻 片的伸出特征。根據(jù)亞利桑那州州立大學的研究小組所做的現(xiàn)場試驗，PVS面板的中心部分 與接近周邊的部分之間的溫差可能達到25°C。這嚴重削弱了 PVS面板的性能，并且冷卻片 的影響實際上是有助于損害PVS面板而不是促進延長面板的壽命，例如。冷卻片提供的不 均勻的冷卻還可歸因于一個事實，即在冷卻片部分正下方的局部，冷卻可能是非常有效的。 這也有助于橫過PVS面板的不均勻的溫度分布。這種不均勻的溫度直接影響了光伏電池的 效能，并且不同電池的輸出非常不同。因此，面板內(nèi)的旁路二極管可能會受到破壞，在結(jié)構(gòu) 上可能會引起更高的機械應(yīng)力，并且結(jié)果就是比預期更低的功率輸出。因此，本發(fā)明的一個 方面是在相對于冷卻片幾何形狀的橫向方向上布置一個熱橋，其可以在此方向上提供導熱 性，該導熱性可以充分均衡PVS面板表面不同位置之間的溫差。圖3示出了一種情況，其中兩個不同斑點Tl和T2之間具有溫差。PVS面板的此 實例中的背部具有冷卻片(未示出)，該冷卻片為從面板底側(cè)至面板上部邊緣提供了有效 的冷卻。因此，當測量冷卻片底端的溫度與冷卻片上端比較時，沿著冷卻片下面部分的任何 溫差都是最小的。可能是在各個冷卻片下面的不同局部部分之間的溫差，以及可能是由于 不均勻的氣流條件所導致的PVS面板表面的不同部分之間存在的溫差，導致了該問題。因 此，在冷卻片幾何形狀的橫向方向上位于各冷卻片之間具有良好導熱能力的附加導熱通道 或橋足以充分均衡冷卻面板的各縱向部分之間的溫度。這在圖3中示出，從而由于布置的 熱橋，使得熱量從T2區(qū)域首先在橫向方向上、然后沿著縱向方向沿著冷卻片流動至以Tl標 記的區(qū)域。重要的是要理解，在分別包括Tl和T2區(qū)域的兩個部分之間的熱橋的位置并非 必須位于區(qū)域Tl和T2之一的附近。由于冷卻片提供了良好的縱向?qū)崮芰?由于氣體流 動)，在橫向方向上熱連接各冷卻片的任何位置上的熱橋足以實現(xiàn)本發(fā)明的目標，只要熱橋 的冷卻能力提供合理快速充分地均衡PVS面板的遠區(qū)域之間的溫度。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的冷卻裝置的實施方式的實例，其包括四個橫向熱橋。箭 頭說明從PVS面板的中心部分向PVS面板的外部部分傳導熱量。圖5示出了本發(fā)明的實施方式的另一實例，其中，熱橋被布置在PVS面板的底部和 上部。
熱橋還可以實現(xiàn)為圍繞整個PVS面板的框架，或是在某位置安裝PVS面板時使用 的支撐框架的一部分。根據(jù)本發(fā)明，熱橋可以由任何提供熱傳輸?shù)牟牧现圃?，其中，用于傳輸熱量所消?的時間應(yīng)該少。良好的熱導體證明為PVS面板提供橫過面板的均等溫度分布的快速弛豫時 間幾乎是瞬時的。材料的實例可以碳紙(carbon paper)、導熱塑料、兩相材料、導電粘合材料等。在 本發(fā)明的范圍內(nèi)可以使用任何類型的材料、復合材料，和/或利用這些材料的任何形式的 機械布置，只要其提供所必需的低于預定閥值水平的弛豫時間。圖6示出了本發(fā)明實施方 式的隨所消耗時間而變的下降溫度的實例。曲線60在時間軸線上的交叉示出了弛豫時間 的閾值水平。根據(jù)本發(fā)明的實施方式的實例，弛豫時間閾值定義為當產(chǎn)生分別位于熱橋的每 個相應(yīng)端中的兩個遠點的一個溫度時所消耗的時間，其中，該溫度是在光伏太陽能面板領(lǐng) 域內(nèi)的技術(shù)人員已知的標準試驗條件下(STC)，在PVS面板表面上這些相應(yīng)點中測得。根 據(jù)本發(fā)明的實施方式的另一實例，用于弛豫時間的預定閾值水平定義為當在STC環(huán)境下 操作將冷卻片組件安裝到面板背部上時，用于冷卻PVS面板的實際冷卻片組件的每橫向米 (per lateral meter)上的橫向熱傳遞所消耗的時間。根據(jù)本發(fā)明的熱橋布置的另一作用是解決PVS面板表面上的“熱點”問題。PVS 面板通常位于建筑物的屋頂，或其他具有清晰天空視角的戶外區(qū)域，其中，面板表面朝向太 陽。這確保了一整天都暴露在太陽下。然而，其他的建筑物、樹等，可能會在一個或多個面 板的表面上形成陰影。該陰影也可能僅遮住表面的一部分。這提供了叫做“熱點”的條件。 當面板的某些區(qū)域在陰影中時，而其他部分在太陽下，面板中的電和熱條件可能會降至這 樣一種程度，即使得面板的功率輸出和壽命受到永久性損傷。如同本領(lǐng)域的技術(shù)人員所能 理解的，根據(jù)本發(fā)明的熱橋?qū)⒊浞执龠M熱點問題的解決。在實施方式的實例中，為了提高具有冷卻系統(tǒng)的太陽能面板的性能，熱橋被包含 在太陽能面板內(nèi)。在實施方式的該例中，熱橋降低了太陽能面板中的熱弛豫時間。因此橫 過太陽能面板的熱量流動被加強并且經(jīng)觀察熱弛豫時間為約5分鐘。在用于制造根據(jù)本發(fā)明的太陽能面板的方法的實例中，其將面板充分均勻冷卻， 一些熱橋被包含在面板中。太陽能面板中的這些熱橋允許熱量橫向地穿過模塊上伸出的冷 卻片的方向傳輸，使得可以實現(xiàn)橫過表面的充分均勻的溫差。方法步驟的實例是1.以現(xiàn)有技術(shù)中已知的方式構(gòu)造太陽能面板。2.在模塊和/或冷卻片上施加粘合劑。3.然后附設(shè)冷卻片。在步驟2之后施加橋接材料橋接也可以在步驟2之后加入，其中施加高導熱材料，這使得在每個輪廓 (profile)部分之間形成接觸。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，橋接也可以是一些在粘合劑中的熱 傳導添加劑，這允許將粘合劑用作導熱源。在步驟3后之施加橋接材料在將冷卻輪廓附設(shè)至模塊之后，熱橋隨即可以被加入以熱接觸冷卻片。熱導材料，諸如漿料、帶或金屬條，例如可以附設(shè)在冷卻輪廓之間，或位于冷卻片與冷卻片下側(cè)之間， 并且還可以附設(shè)至冷卻片的背部和附設(shè)有冷卻片的模塊的表面上。材料的實例在下面的表 1中列出。在實施方式的另一些實例中，橋和橋材料可以沿著冷卻輪廓之間的整條、或在一 些邊緣處或在一些點處布置。為了實現(xiàn)太陽能面板內(nèi)的熱量的充分弛豫，太陽能面板設(shè)計的關(guān)鍵要求是，熱橋 必須在冷卻片板之間熱接觸。在實施方式的一個實例中，這種材料是 充分地導熱。 覆蓋在輪廓接合模塊位置中的充分區(qū)域。 橋的傳導率，Kb至少為10_2 5x Kalu，其中kalu是鋁的傳導率。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，為了實現(xiàn)充分的傳熱遞，橋覆蓋區(qū)域(Ab/AT)和熱傳導率(Kb/ Kal)應(yīng)當足夠提供適當?shù)臒醾鬟f。根據(jù)本發(fā)明的實施方式的實例，這些參數(shù)之間的關(guān)系是(Ab/AT)x(Kb/KA1) > 10_2.5例如，這可以通過在散熱輪廓之間使用銀傳導漿料來滿足。而且，施加相同傳導率 或更高傳導率的金屬，以縮短冷卻輪廓至少輪廓邊緣長度的1%。優(yōu)選地是這些橋的位置應(yīng) 當盡可能均勻分布。表1 根據(jù)本發(fā)明的具有熱傳導特性的材料實例。
權(quán)利要求
光伏太陽能(PVS)面板，包括包括冷卻片的散熱裝置，所述冷卻片被定向在從所述面板的底部邊緣至所述面板的上部邊緣的向上方向中，允許所述冷卻片之間的氣流從所述PVS面板的底部邊緣到達所述PVS面板的上部邊緣，其中，所述PVS面板被附設(shè)為與所述PVS面板的背部熱接觸，其中，所述散熱裝置包括至少一個熱橋，所述熱橋被布置在相對于所述冷卻片方向的橫向方向中，其中，所述熱橋提供低于預定閾值水平的所述PVS面板的熱弛豫時間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PVS面板，其中，所述熱橋被布置為支撐所述冷卻片的由鋁制 成的底板，并且其中，所述底板的厚度使得所述底板的橫向?qū)崮芰εc低于所述預定閾值 水平的所需弛豫時間一致。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PVS面板，其中，所述熱橋被布置為一條導熱材料，所述一條 導熱材料與所述冷卻片的上部邊緣、或在所述冷卻片的底部邊緣處、或在所述上部邊緣和 所述底部邊緣兩處相應(yīng)地形成熱接觸，由此提供了具有低于所述預定閾值水平的熱弛豫時 間的所述熱橋的橫向布置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PVS面板，其中，所述熱橋被布置為多條或多片導熱材料，所 述多條或多片導熱材料被布置為當裝配后位于所述散熱裝置與所述PVS面板的背部之間， 其中，所述多條或多片的材料具有提供低于所述預定閾值水平的所述熱弛豫時間的導熱能 力。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的PVS面板，其中，所述多條或多片由碳紙制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的PVS面板，其中，所述多條或多片由熱塑性對開紙制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的PVS面板，其中，所述多條或多片由熱導粘合材料制成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PVS面板，其中，所述熱橋被布置為圍繞所述PVS面板外周邊 的框架，并且其中，所述框架包括導熱材料，所述導熱材料提供低于所述預定閾值水平的所 述熱弛豫時間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PVS面板，其中，所述熱橋被布置為支撐外部結(jié)構(gòu)的橫向部 分，所述支撐外部結(jié)構(gòu)用在當為了利用所述PVS面板而將所述PVS面板安裝在一個位置處 時。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PVS面板，其中，用于所述弛豫時間的所述預定閾值水平定 義為，當所述冷卻片組件被安裝在所述面板的背部時用于冷卻所述PVS面板的實際冷卻片 組件的每橫向米上橫向熱傳遞所消耗的時間，其中，所述面板在標準試驗條件下操作。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PVS面板，其中，所述弛豫時間閥值定義為，當產(chǎn)生分別位于 所述熱橋的每個相應(yīng)端中的兩個遠點的一個溫度時所消耗的時間，其中，所述溫度是在標 準試驗條件下在面向太陽的所述PVS面板表面上測得。
全文摘要
本發(fā)明披露了一種用于光伏太陽能(PVS)面板的冷卻片組件，其提供了對PVS面板的改進的被動冷卻。這樣的冷卻片確實在冷卻片的接觸表面之下提供了良好的局部冷卻效果。然而，由于冷卻片周圍不均勻的氣流，橫過相對于冷卻片方向的橫向方向上的溫差可能高。這導致了冷卻系統(tǒng)效能以及PVS面板輸出的結(jié)果的嚴重降低。根據(jù)本發(fā)明的披露，橫向?qū)岵牧系牟贾锰峁┝艘粋€熱橋，該熱橋提供了橫過PVS面板的整個背側(cè)的低于預定閾值的熱弛豫時間，由此提高了PVS面板的總體冷卻效果。
文檔編號H01L31/052GK101986796SQ200980108852
公開日2011年3月16日 申請日期2009年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月11日
發(fā)明者戈特·多米尼克·馬格努森, 拉爾斯·迪斯特魯?shù)? 馬克·巴克哈南 申請人:太陽能創(chuàng)新股份有限公司