聚光光伏单元、聚光光伏模块、聚光光伏面板和聚光光伏设备

摘要

本发明涉及聚光光伏单元、聚光光伏模块、聚光光伏面板和聚光光伏设备。作为光学系统基本单位的聚光光伏单元，包括：聚光部，该聚光部被构造为会聚阳光；电池，该电池被构造为接收由聚光部会聚的光来发电；包括框架部的封装件，该框架部具有绝缘性质并且环绕电池，该封装件处于与电池集成的关系；屏蔽板，该屏蔽板提供在聚光部和电池之间，并且包括允许由聚光部会聚的光有选择地由此通过的开口；以及保护板，该保护板作为在框架部上提供的耐热构件以使电池暴露于光并且屏蔽封装件，该保护板只与框架部接触，并且确保离电池的带电部有预定绝缘距离。

说明书

技术领域

本发明涉及聚光光伏(CPV)单元、聚光光伏模块、聚光光伏面 板、和聚光光伏设备，每一个用于通过将阳光聚焦到电池上来发电。

背景技术

在作为用于聚光光伏的光学系统基本单位的单元中，由菲涅尔透 镜构成的聚光部通过会聚将导向小电池的阳光形成光点，由此发电。 对于这样的电池，使用具有高发电效率和耐热性的太阳能电池。这种 构造允许大量能量聚焦到小电池上，由此能够高效率地发电。以矩阵 形状布置大量这种聚光光伏单元来形成聚光光伏模块，然后，以矩阵 形状布置大量组件来形成聚光光伏面板。聚光光伏面板，与用于使面 板执行跟踪同时面向太阳的操作的驱动装置一起，形成聚光光伏设备。

为了使光点精确地指向小电池上，有必要使聚光部总是并且精确 地面向太阳，以便允许阳光与聚光部的光轴平行，以0度的入射角， 入射在聚光部上。然而，实际上，由于跟踪操作的偏差和部件精度变 化，存在入射角不是0度的情形。由于聚光光伏面板在晚间不跟踪太 阳，因此，存在首先在早上，跟踪操作延迟发电并且入射角不是0度 的情况。

当这种入射偏差角出现时，降低发电效率，并且强光照在电池附 近，由此导致那一部分的材料过早劣化。

由此，已经提出即使存在轻微偏差角，也能用于使光导向电池的 均质器(柱状光学构件)(例如，见专利文献1(图4))。除均质器 外，还提出了在聚光部和电池之间提供屏蔽板来抑制强光照在电池附 近。

专利文献1：日本特开专利公开No.2006-313809

发明内容

[技术问题]

然而，均质器是昂贵的光学构件，并且使用大量均质器使聚光光 伏设备非常昂贵。由此，就成本而言，均质器导致大问题。除采取消 减入射角的偏差的措施的问题外，还期望至少避免由于这种偏差而造 成的电池附近的过早劣化。

鉴于上述问题，本发明的目的是对聚光光伏提供延迟当入射角偏 离0度时会导致的电池附近的材料的劣化的非常实用的结构。

[问题的解决方案]

本发明的聚光光伏单元包括：聚光部，该聚光部被构造为会聚阳 光；电池，该电池被构造为接收由聚光部会聚的光来发电；包括框架 部的封装件，所述框架部具有绝缘性质并且环绕电池，所述封装件处 于与电池集成的关系；屏蔽板，所述屏蔽板提供在聚光部和电池之间， 并且包括允许由聚光部会聚的光有选择地由此通过的开口；以及保护 板，所述保护板是在框架部上提供的耐热构件以使电池暴露于光并且 屏蔽封装件，所述保护板只与框架部接触，并且确保离电池的带电部 有预定绝缘距离。

通过使用上述聚光光伏单元，能形成聚光光伏模块/板/装置。

[发明的有益效果]

根据本发明的聚光光伏单元，可以提供延迟当入射偏差角出现时 导致的电池附近的材料的劣化的非常实用的结构。

同样适用于包括单元的聚光光伏模块/板/装置。

附图说明

图1是示出聚光光伏设备的一个例子的立体图；

图2示出包括驱动装置等等的聚光光伏系统的一个例子；

图3是示出聚光光伏模块的一个例子的放大视图的立体图(部分 切开)；

图4是聚光光伏模块的分解立体图；

图5是示出作为形成聚光光伏模块的光学系统基本单位的聚光光 伏单元的示意图；

图6A和图6B是分别表示保护板和包括电池的封装件的立体图， 其中图6A示出分解状态，以及图6B示出组装状态；

图7是示出图5的一部分；

图8示出当由于跟踪偏差，相对于菲涅尔透镜的光轴，具有与0 度的入射角的偏差角的阳光入射在菲涅尔透镜上时的光路的一个例 子；

图9是示出进一步增加阳光的入射角的偏差的情形的一个例子的 立体图；

图10为比较目的图示了示出入射偏差角[度]和聚集在封装件上的 光量[％](整个光量的百分比)之间的关系的曲线图、以及示出在不提 供保护板的情况下如何形成光点的平面图；以及

图11图示了根据本实施例的入射偏差角[度]和聚集在封装件上的 光量[％]之间的关系的曲线图、以及示出在提供保护板的情况下如何形 成光点的平面图。

具体实施方式

[实施例的概述]

本发明的实施例的概述至少包括下述内容。

(1)该聚光光伏单元包括：聚光部，所述聚光部被构造为会聚阳 光；电池，所述电池被构造为接收由聚光部会聚的光来发电；包括框 架部的封装件，该框架部具有绝缘性质并且环绕电池，该封装件处于 与电池集成的关系；屏蔽板，所述屏蔽板提供在聚光部和电池之间， 并且包括允许由聚光部会聚的光有选择地通过的开口；以及保护板， 所述保护板是在框架部上提供的耐热构件以使电池暴露于光并且屏蔽 封装件，该保护板只与框架部接触，并且确保离电池的带电部预定绝 缘距离。

在上述(1)构造的聚光光伏单元中，在相对于聚光部的阳光的入 射角具有与0度的偏差角的情况下，在已经通过屏蔽板的光中，未照 在电池上的部分照在保护板上。在这种情况下，由于保护板是耐热构 件，因此，保护板足以忍受会聚光的热量。此外，由于保护板因为只 与框架部接触，与带电部保持预定绝缘距离并且处于电悬式(绝缘) 状态，因此，能防止从带电部放电。即，保护板是适合于稳定使用的 非常实用的构件。

因此，可以提供延迟在入射偏差角已经发生的情况下会导致的电 池附近的材料劣化的非常实用的结构。

(2)在根据(1)的聚光光伏单元中，优选地，保护板是具有构 造成暴露电池的开口的板状构件，并且开口的内端面是形成为使得光 出射侧上的开口的面积小于光入射侧上的开口的面积的锥形面。

这种锥形面用来反射已经照在该锥形面的光，以使光导向电池。 因此，锥形面有助于将更多光聚集在电池上。

(3,4)在根据(1)或(2)的聚光光伏单元中，保护板可以由 金属或陶瓷制成。

在这种情况下，能获得取决于所选材料的优点。金属廉价并且强 度佳。陶瓷不太可能由于热变形，并且沿面放电很少发生。

通过使用金属或陶瓷，尽管取决于其材料，但即使当光照在保护 板上时，也能以某一比率反射光，由此，也能抑制保护板、以及与保 护板接触的封装件的框架部的温度增加。

(5)在根据(2)的聚光光伏单元中，保护板可以是表面涂覆有 金属的树脂板，或其表面涂覆有金属的陶瓷板，金属涂层可以至少形 成在锥形面和光照射的表面上。

在这种情况下，涂覆有金属的树脂板廉价并且重量轻。此外，涂 覆有金属的树脂板和涂覆有金属的陶瓷板在金属涂层反射已经照射它 们的光。特别地，由于金属涂层也形成在锥形面上，因此，锥形面能 反射已经照射锥形面的光，以将光导向电池。

(6)通过在壳体中布置根据(1)的多个聚光光伏单元，并且通 过使聚光光伏单元相互电连接，形成聚光光伏模块。

(7)通过布置根据(6)的多个聚光光伏模块，形成聚光光伏面 板。

(8)聚光光伏设备包括根据(7)的聚光光伏面板，以及驱动装 置，该驱动装置被构造成驱动聚光光伏面板，由此在面向太阳的方向 的同时，执行跟踪太阳的移动的操作。

[实施例的详情]

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例的详情。

<<聚光光伏设备/聚光光伏面板>>

首先，将描述聚光光伏设备的构造。

图1是示出聚光光伏设备的一个例子的立体图。在图1中，聚光 光伏设备100包括聚光光伏面板1、以及包括接线柱3a及其基座3b的 底座3，接线柱3a在其背面支撑聚光光伏面板1。通过垂直和水平地 组装大量聚光光伏模块1M，形成聚光光伏面板1。在该例子中，除中 心部外，垂直和水平地组装62(长7×宽9-1)个聚光光伏模块1M。当 一个聚光光伏模块1M具有例如约100W的额定输出时，整个聚光光伏 面板1具有约6kW的额定输出。

在聚光光伏面板1的背面侧上，提供驱动装置(未示出)，并且 通过操作该驱动装置，可以将聚光光伏面板1驱动到方位角和仰角的 轴中。因此，驱动聚光光伏面板1，以便总是在方位角和仰角中面向太 阳的方向。在聚光光伏面板1上或板1的附近的位置(在该例子中， 为中心部)，提供跟踪传感器4和日射强度计5。依赖于跟踪传感器4 和根据时间、安装面的纬度和经度计算的太阳的位置，执行跟踪太阳 的操作。

即，每次太阳移动了预定角度时，驱动装置将聚光光伏面板1驱 动预定角度。太阳移动了预定角度的事件可以由跟踪传感器4确定， 或可以通过纬度、经度和时间来确定。由此，还存在省略跟踪传感器4 的情形。预定角度是例如恒定值，但该值可以根据太阳的纬度和时间 而改变。

图2示出包括驱动装置等等的聚光光伏系统的一个例子。从跟踪 操作的控制的视角表达该图。在图2中，如上所述，聚光光伏设备100 包括驱动装置200，用于例如在其背面侧上跟踪太阳的操作。驱动装置 200包括用于驱动到仰角方向的步进电机210e、用于驱动到方位角方 向中的步进电机210a、以及驱动这些的驱动电路202。应注意到，步 进电机仅是例子，并且可以使用另一电源。

可以将来自日射强度计5的输出信号(直接太阳能辐射)输入到 驱动电路202和控制设备400。能由电能表300感测聚光光伏面板1的 发电，并且将指示所感测的电能的信号输入到控制设备400。驱动装置 200存储聚光光伏面板1的安装位置的纬度和经度，并且还具有时钟的 功能。基于来自跟踪传感器4的输出信号和从纬度、经度和时间计算 的太阳的位置，驱动装置200使执行跟踪操作，以便聚光光伏面板1 总是面向太阳。然而，如上所述，存在不提供跟踪传感器4的情形。 在这种情况下，仅基于根据纬度、纬度和时间计算的太阳的位置来执 行跟踪操作。

<<聚光光伏模块>>

图3是示出聚光光伏模块(在下文中，简称为模块)1M的一个例 子的放大视图的立体图(部分切开)(然而，在此未示出稍后所述的 屏蔽板)。在图3中，模块1M作为主要组件包括：以桶状形成并且具 有平的底面11a的壳体11；与底面11a接触提供的柔性印刷电路12， 以及如盖样附接到壳体11的凸缘部11b的聚光部13a。壳体11由金属 制成。

通过在延长的柔性印刷基板20上提供图案和通过在其上安装电 池21和其他电子部件，获得柔性印刷电路12。作为每一电池21，使 用具有高发电效率和耐热性质的太阳能电池。

应注意到柔性印刷基板仅是一个例子，并且能使用另一种基板。 例如，可以使用分别具有平板状(矩形形状等等)的大量树脂基板或 大量陶瓷基板。

聚光部13是菲涅尔透镜阵列并且通过以矩阵形状布置聚集阳光 的多个(例如长16×宽12，总共192)个菲涅尔透镜13f来形成。能通 过例如在用作基本材料的玻璃板的背面(内侧)上形成硅树脂膜，获 得聚光部13。每一菲涅尔透镜13f形成在该树脂膜上。菲涅尔透镜13f 的总数和布置与电池21的总数和布置相同，使得一一对应地布置菲涅 尔透镜13f和电池21，同时它们的光轴相互对齐。在壳体11的外表面 上，提供用于从模块1M取出输出的连接器14。

图4是模块1M的分解立体图。尽管在图3中未示出，但由金属 (例如，铝合金)制成的屏蔽板15提供在聚光部13和电池21之间， 并且由壳体11支撑。在屏蔽板15中，形成开口15a，开口15a具有与 菲涅尔透镜13f和电池21相同的数目和布置。由每一菲涅尔透镜13f 会聚的光通过其对应的开口15a并且到达其对应的电池21。屏蔽板15 具有允许会聚光由此通过的功能，并且防止会聚光周围的不良周围光 以及模块1M内的不规则反射影响电池21。

<<聚光光伏单元>>

接着，图5是将聚光光伏单元(在下文中，简称为“单元”)1U 示为形成上述模块1M的光学系统基本单位的示意图。应注意到每一组 件的尺寸和组件之间的距离并不一定是统一比例。在单元1U中，由聚 光部13的菲涅尔透镜13f聚集的阳光通过屏蔽板15中的开口15a，以 在电池21上形成光点。因此，电池21发电。电池21由半导体材料形 成并且将能量转换成电能，由此，抑制其发热。此外，通过封装件22 和底面11a的导热，抑制从电池21发热。

在图5的最下部，图示了壳体11(图3)的底面11a。在底面11a 上，提供柔性印刷基板20。柔性印刷基板20包括绝缘基底材料20b和 作为在其上形成的电导体的图案20a。电池21具有作为输出端的引线 框21a，并且引线框21a电连接到图案20a的预定部。

电池21处于与由作为绝缘材料的树脂形成的封装件22相互集成 的关系。封装件22由保持电池21的底部22b和围绕电池的框架部22a 组成。在框架部22a上，提供保护板23。保护板23具有方形的开口 23a。在框架部22a上提供保护板23以便使电池21(通过开口23a)暴 露于来自屏蔽板15的开口15a的光，以及以便屏蔽封装件22。

保护板23只与框架部22a接触，并且确保离电池21的带电部(激 励部，诸如引线框21a)预定绝缘距离。预定绝缘距离是不会导致以带 电部的最大电压放电(电晕放电和沿面放电)的距离。当大量电池21 彼此串联连接时，到带电部的接地的电压达到例如最大1000V。绝缘 距离取决于框架部22a的高度。由于保护板23离带电部保持预定绝缘 距离，并且通过只与框架部接触而处于电悬式状态，所以能防止从带 电部放电。由此，就防止放电而言，保护板23是适合于稳定使用的非 常实用的构件。

图6A和图6B是分别示出包括电池21和保护板23的封装件22 的立体图，其中，图6A示出分解状态，以及图6B示出组装状态。如 图6A所示，分别在封装件22的框架部22a的上表面上的两个位置处 形成孔22c。此外，在面向这些孔22c的保护板23的表面上，形成凸 起23c。当将凸起23c分别插入孔22c中来执行定位，并且同时使凸起 23c和孔22c相互焊接时，能容易并精确地使保护板23附接到封装件 22。

图7示出图5的一部分。相对于保护板23的开口23a，光出射侧 上的尺寸d2小于光入射侧的尺寸d1。即，开口23a的内端面是形成为 使得光出射侧上的开口的面积小于光入射侧上的开口的面积的锥形面 23t。电池21的有效受光面也是方形的，并且该方形的一边的尺寸基本 上与上述尺寸d2相同。屏蔽板15的开口15a存在于锥形面23t的斜面 的延长线与屏蔽板15交叉的位置内。该关系有助于防止例如当已经通 过开口15a的光照射除电池21外的部分时发生的光的衍射。

还能想到使屏蔽板15的开口15a窄，以便允许仅以0度入射角入 射并且由菲涅尔透镜13f会聚的光通过开口15a。然而，在这种构造中， 甚至微小的偏差角也会导致能量的损耗，这是不优选的。即，优选的 是，允许具有微小偏差角的光通过该开口15a。

作为保护板23的材料，能使用金属，诸如铝合金等等。相对于聚 集光，这种金属具有足够的耐热性质。此外，金属廉价并且强度好。 此外，如上所述，在确保绝缘距离并且处于电悬式的状态下，支撑保 护板23，由此能防止放电。

再参考图5，菲涅尔透镜13f的光轴A通过开口15a的中心和开 口23a的中心，并且与电池21的中心交叉。当精确地执行太阳的跟踪 时，入射与菲涅尔透镜13f的光轴A平行的阳光，并且如由例如双点 划线指示会聚的光到达电池21。还可以如由虚线所示，允许曾经在焦 点会聚的光稍微散射来形成光点，然后，使该光点到达电池21。

图8示出当由于跟踪偏差，相对于光轴A，与0度的入射角具有 偏差角的阳光入射在菲涅尔透镜13f上时的光路的一个例子。此时，作 为开口23a的内端面的锥形面23t用来反射已经照射在锥形面23t上的 光，以将光导向电池21。因此，锥形面23t有助于将更多光聚集在电 池21上。

尽管在上述描述中，保护板23由金属制成，但保护板23可以由 陶瓷制成。在这种情况下，由陶瓷制成的保护板23不太可能由于热变 形，并且沿面放电很少发生。

通过使用金属或陶瓷，尽管取决于其材料，但是即使当光已经照 射在保护板23上时，也能以某一比率反射光，由此，也能抑制保护板 23以及与保护板23接触的封装件22的框架部22a的温度增加。

保护板23可以是其表面涂覆有金属(铝或银薄膜涂层)的树脂板， 或其表面涂覆有金属的陶瓷板，金属涂层至少形成在锥形面23t和光照 射的表面(上表面)上。在这种情况下，涂覆有金属的树脂板廉价并 且重量轻。此外，涂覆有金属的树脂板和涂覆有金属的陶瓷板在金属 涂层反射已经照射在它们上的光。特别地，由于还在锥形面23t上形成 金属涂层，因此，锥形面23t能反射已经照射在锥形面23t上的光，以 将光导向电池21。

作为保护板23的材料，也能使用具有遮光效果的耐热玻璃。

图9是进一步增加阳光的入射角的偏差的情形的一个例子的立体 图。在这种情况下，会聚光通过屏蔽板15的开口15a，但不包括在保 护板23的开口23a内，并且光点的一部分照射在保护板23上。

图10示出了为比较目的，入射偏差角[度]和聚集在封装件22上的 光量[％](整个光量的百分比)之间的关系的曲线图，以及示出在不提 供保护板23的情况下，如何形成光点S的平面图。

在这种情况下，在1和1.5度的偏差角之间，光量变为最大，最 多达到约60％。此时，光点S照射在穿过框架部22a的封装件的底面 22b，使封装件22劣化。

图11示出了入射偏差角[度]和聚集在封装件22上的光量[％]之间 的关系的曲线图，以及根据本实施例，提供保护板23的情况下，如何 形成光点S的平面图。

在这种情况下，尽管低峰值存在于2和3度的偏差角之间，但光 量为5％或更低，由此，抑制封装件22的劣化。这是因为光点S照射 在保护板23上，由此，仅稍微泄露的少量光照射封装件22。

如上所述，在具有上述构造的聚光光伏单元1U中，在阳光相对于 聚光部13的入射角具有与0度的偏差角的情况下，在已经通过屏蔽板 15的光中，未照射电池21的部分照射保护板23。由于保护板23是耐 热构件，因此，保护板23能足够地忍受会聚光的热量。此外，由于保 护板23离带电部预定绝缘距离，并且由于只与框架部接触而处于电悬 式状态，因此能防止从带电部放电。即，保护板23是适合于稳定使用 的非常实用的构件。

由此，可以提供延迟当入射偏差角出现时可能导致的电池21的附 近的材料的劣化的非常实用的结构。

由如上所述的聚光光伏单元1U构成的聚光光伏模块1M、作为模 块的组装的聚光光伏面板1，以及提供有聚光光伏面板1和驱动装置 200的聚光光伏设备100的每一个具有延迟当入射角偏离0度时会导致 的每一电池附近的材料劣化的非常实用的结构，驱动装置200被构造 为驱动聚光光伏面板1以便执行跟踪太阳的移动同时面向太阳的方向 的操作。

<<其他>>

在此公开的实施例在所有方面将被视为说明性而不是限制性的。 本发明的范围由所附权利要求指示，因此，落在权利要求的含义和范 围内的所有改变意在被包含在其中。

参考符号清单

1    聚光光伏面板

1M   聚光光伏模块

1U   聚光光伏单元

3    底座

3a   接线柱

3b   基座

4    跟踪传感器

5    日射强度计

11   壳体

11a  底面

11b  凸缘部

12   柔性印刷电路

13   聚光部

13f  菲涅尔透镜

14   连接器

15   屏蔽板

15a  开口

20   柔性印刷基板

20a  图案

20b  绝缘基底材料

21   电池

21a  引线框

22   封装件

22a  框架部

22b  底部

22c  孔

23   保护板

23a  开口

23c  凸起

23t  锥形面

100  聚光光伏设备

200  驱动装置

201a 步进电机

201e 步进电机

202  驱动电路

300  电能计

400  控制设备

A    光轴

S    光点