CN102549774A - 光导太阳能模块及其制造方法以及由模块制成的板 - Google Patents

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Abstract

一种光导太阳能板具有偏转层、光导层以及与光导层光学连通的太阳能电池。偏转层在第一表面接收光并将光输入到光导层。光导层将光传播到太阳能电池，太阳能电池与输入表面大致平行地对准。

Description

光导太阳能模块及其制造方法以及由模块制成的板
技术领域
本发明涉及光导的聚光光伏(LG-CPV)太阳能模块，以及在一些实施例中涉及由这样的模块制成的太阳能板。
背景技术
已知具有在直接暴露于阳光下的大的表面区域上排列的光伏(PV)电池的太阳能板组件。然而，PV电池材料是昂贵的，已在寻求降低太阳能板中所需要的PV电池材料的量的方案。这些方案中的一个是利用聚光光学元件(例如透镜和反射镜)将阳光聚集到由相应较小的PV电池所占用的较小的表面区域上。假定聚光光学元件全部具有非零焦距，它们制成通常比其非聚光对应部分体积大的聚光光伏(CPV)模块。这种体积大不仅在CPV模块的处理方面是不利的，而且在材料的成本方面也是不利的。可以通过减小PV电池的尺寸来获得较小体积的CPV模块同时保持相同的聚光因子；然而，将PV电池切割成较小的电池会增加模块的复杂度和成本。
此外，目前的CPV模块通常需要将聚光光学元件紧固到复杂的结构外壳中，以将所有部件保持在适当的位置。这必然会增加CPV模块的重量和成本，并且导致更严格的载运要求以减轻组装的CPV模块的破损的风险，或者需要CPV模块以拆解的方式载运至目的地，由此在接收目的地需要组装时间和精力。
因此，CPV模块的改进是令人期望的。
发明内容
本发明的目的是改善现有技术中存在的至少一些不便之处。
本发明的目的是消除或减轻先前太阳能聚光器的至少一个缺点。
在第一方面，本发明提供了光导太阳能模块及其制造方法。
在第二方面，本发明提供了太阳能电池接收器组件。
在第三方面，本发明提供了用于阳光的中等集中的光导太阳能板。
本发明的实施例均具有上述目的和/或方面的至少一个，但不一定具有上述目的和/或方面的全部。应理解，通过试图达到上述目的而产生的本发明的一些方面可以不满足这些目的和/或可以满足在此没有具体提到的其它目的。
根据下面的描述、附图以及所附权利要求，本发明的实施例的另外的和/或替选的特征、方面以及优点将变得明显。
附图说明
为了更好地理解本发明以及本发明的其它方面和进一步的特征，参考以下结合附图使用的描述，其中：
图1示出了作为本发明的实施例的LG-CPV太阳能模块的详细横截面；
图2A以三维方式示出了与图1类似的LG-CPV太阳能模块的切割透视图(示出有散热装置)；
图2B示出了图2A所示的LG-CPV太阳能模块的顶部平面图；
图2C示出了沿着图2A中的线2C-2C截取的图2A所示的LG-CPV太阳能模块横截面视图；
图2D示出了沿着图2A中的线2D-2D截取的图2所示的LG-CPV太阳能模块的横截面视图；
图3示出了形成板的图2A的光导太阳能模块的串；
图4A、4B、4C和4D示出了对本发明的LG-CPV模块的实施例的单个功能单元的制造考虑；
图5A、5B、5C、5D、5E、5F、5G和5H示出了对本发明的实施例的光导层的进一步制造考虑；
图6A、6B和6C示出了与本发明的实施例的光导太阳能模块层的未对准有关的问题；
图7A、7B、7C和7D示出了在本发明的实施例中预应力部件会如何帮助保持层之间的对准；
图8A和8B进一步示出了在本发明的实施例中预应力部件会如何帮助保持层之间的对准；
图9A示出了本发明的实施例的PV电池接收器组件的横截面细节视图；
图9B示出了图9A中的由圆圈9B表示的区域的特写横截面视图；
图10A、10B、10C、10D和10E示出了关于本发明的实施例的PV电池接收器组件的另外的细节；
图11A、11B、11C和11D示出了本发明的实施例的PV电池上的、由低折射率膜(low index film)制成的掩模；
图12A和12B示出了在本发明的实施例中图11A-11D类型的掩模如何起到阻止光损失的作用；
图13A和图13B示出了本发明的LG-CPV模块的实施例的四象限非旋转对称设计；
图14A、14B、14C、14D和14E示出了关于本发明的LG-CPV模块的实施例的四象限设计的细节；
图15A、15B和15C示出了关于本发明的各个实施例的二次光学设计的细节；
图16示出了使用本发明的实施例的LG-CPV太阳能模块的中等聚光设计的框图；
图17示出了现有技术的典型太阳能板；
图18A和18B示出了用于中等聚光的本发明的LG-CPV太阳能板的两个实施例；
图19A示出了作为本发明的实施例的单个光学元件和单个PV电池的横截面视图；
图19B示出了图19A中的由圆圈19B表示的区域的特写视图；
图20A和20B示出了作为本发明的实施例的穿孔低折射率膜；
图21A示出了本发明的实施例的LG-CPV模块的横截面视图；
图21B示出了由图21A的LG-CPV模块形成的具有散热装置的光导太阳能板；
图22示出了本发明的具有散热装置的LG-CPV模块的另一个实施例的横截面视图；
图23A、23B和23C示出了本发明的单个光学元件和单个PV电池的另一个实施例的特写横截面视图；
图24示出了具有用于展开光的二次反射表面的光导太阳能板的另一个实施例；
图25A示出了本发明的LG-CPV模块的实施例，其中光导层的顶面和底面会聚；
图25B示出了25A中的由圆圈25B表示的区域的特写视图；以及
图26示出了光导太阳能板的另一个实施例。
具体实施方式
总体上，本发明提供了一种太阳能系统，其使用在输入表面接收光的至少一个光导聚光光伏(LG-CPV)太阳能模块。接收的光被捕获到电介质或其它透明板的内部，该电介质或透明板朝向基本上与输入表面平行的输出表面传播光。光伏电池在输出表面收获光。
以图1的附图标记998示出了本发明的LG-CPV太阳能模块的示例性实施例。使用由模制聚合物制成的偏转层1000制造LG-CPV太阳能模块，偏转层1000用于接收入射的阳光1002并将其进入由模制聚合物制成的光导层1004，光导层1004用于捕获光并在厚板(slab)光导中朝向中心光伏电池1006传导光。在电池附近的中心处，存在二次光学元件1008来替代光导层。该二次光学元件由诸如玻璃、模塑硅树脂的能够经受住高通量密度的材料制成，或者由模制聚合物制成。使用诸如透明硅树脂的光学粘合剂制造玻璃的二次光学元件与光导层之间的界面1010，以使会在该界面处发生的菲涅尔背反射最小化。替选地，可以在共同模塑操作中的同一步骤中模塑二次光学元件和光导层。二次光学元件具有曲面1012，该曲面在反射时将在二次光学元件中行进的光聚集到光伏电池上。该面可以是镜面化的，或者可以将反射镜涂层涂敷到与面1012相符的相邻部件上。使用光学封装剂制造二次光学元件与PV电池1014之间的界面。这执行了以下双重功能：通过将其封装来防止PV电池受潮或受到污染、以及使该界面处的菲涅尔背反射最小化。光学封装剂可以由硅树脂、特别是不显著硬化的硅树脂制成，以避免由于二次光学元件与电池之间的不匹配的热膨胀系数而在PV电池上产生应力。PV电池位于印刷电路板1016上。可以使用在热膨胀系数方面与PV电池匹配的陶瓷制成该印刷电路板。通常使用三结电池，将电池安装到具有旁路二极管的印刷电路板上。因为在PV电池与光学元件之间存在非常小的空间，所以旁路二极管1018可以安装到印刷电路板的背面。
在图2A中的透视横截面视图中示出了来自图1的设计的实践实现方式。偏转层1000、光导层1004、二次光学元件1008以及印刷电路板(PCB)1016全部通过托盘1020保持在适当的位置。可通过模塑来制造托盘，并且托盘可以由具有与偏转层和光导层相同的热膨胀系数的聚合物制成。以此方式，三个最大的部件将具有相同的热膨胀系数，这使得它们能够以相同的速率膨胀并保持彼此对准，同时还不会经受过度的应力。此外，如果这三个部件由相同的材料或可相容的材料制成，则可以在它们的外部凸缘1022处将它们焊接或粘合。所有这三个模塑件(偏转层、光导层和托盘)可以具有允许它们从模具中退出的凸缘，并且此同一凸缘可以用于将部件粘合在一起。光导层还可以小于其它部件，使得偏转层直接粘合至托盘，从而将光导层有效地夹在合适的位置并将光导层密封在合适的位置。由光学元件制成的模块998、托盘和电池可以安装在散热装置1024上。所示出的散热装置是突出铝散热装置。在PCB的底部为二极管留有通道1026，通道1026也可用于在相邻的光导太阳能模块998之间引导线路。PCB的底部穿过托盘中的孔并与散热装置接触。使用导热剂(例如热环氧树脂、导热硅树脂、热脂或其它导热剂)将PCB连接至散热装置。可以用诸如基于聚氨酯或硅树脂的材料的具有粘附性能的填隙料填充散热装置与托盘之间的剩余间隙。可以使用诸如螺钉、铆钉或螺栓的其它硬件将板998接合至散热装置1024。例如，在图2C和图2D中示出了穿过散热装置中的孔1027的紧固件1025。
多个板998可以如此安装到单个散热装置1024上，以产生模块的排或串来形成太阳能板，如图3的示例性实施例所示。为二极管留有空间的散热装置中的槽可以用于将线路从一个印刷电路板引向下一个印刷电路板，以使得电引线1028可以在该串的端部处引出用于与更多个串进行电互连并成为较大的太阳能板阵列。
在LG-CPV模块的组装期间，关键是使偏转层和光导层在沿着它们的面对的表面的所有点处保持紧密接触。这是因为光导层上的功能单元和偏转层上的功能单元必须一起工作，光偏转层必须将光聚集以使得光入射到光导层的进入面上并使得光通过出射孔口进入光导层。
从图4A、4B、4C和4D考虑功能单元。功能单元1030包括起到全内反射(TIR)作用的偏转部件1032，该偏转部件接收入射光1002并将入射光聚集到点1034附近。凸元件1036将入射光1002部分地聚集到起到TIR作用的偏转表面1038上，偏转表面1038将光聚集到同一焦点1034附近。
此点1034位于光导层1004内，并刚好超出进入面1040。注意，光必须通过以进入光导层的孔口是由虚线1042而不是由进入面1040表示的。箭头1044表示下游方向，通过从光导层的一个顶面1048的端点1046向光导层的下一个下游顶面1052上的点1050绘制的假想线1042来限定孔口。线1042与顶面1048和1052(顶面1048和1052相互平行)形成的X度锐角1054被选择为使得在光导层中行进的最陡射线1056(从底面1058和顶面反射的最靠近法线的射线)与顶面形成的锐角小于或等于限定孔口的线与顶面所形成的角。示出了示例性射线1056，其平行于限定孔口的线；示出了第二示例性射线1060，其与顶面或底面形成的锐角小于限定孔口的线与顶面或底面所形成的角。在光导层的进入面1040上具有脊1062是重要的。如果没有脊，如图4C和图4D所示，则有效孔口被减小至进入面1062的尺寸，该尺寸小于如图4A和图4B所示的在具有正脊(positive ridge)时的有效孔口1042。收缩该孔口的效果是，例如像1064的先前耦合到光导层的一些射线现在照射顶面1052而不是进入面(1040或1062)，并且像这样将会处于使得射线将不在光导层内进行全内反射、反而将会逃离的角度处。收缩孔口还会降低系统的角谱宽度(angular acceptance)。
从制造的角度，使用以脊1062或凸起为特征的光导层上的进入元件是有利的。考虑图5A至图5G。图5A示出了用以制造光导层的模具1066的一部分。该模具以光学抛光表面1068和1070为特征，以制造对应于图4B中的表面1048和1052的光导层的顶部。模具还以光学抛光表面1072为特征，以产生进入面1040。图5B示出了在聚合物1074完全填充模具的情况下模具会如何呈现。然而，很好理解在注射模塑中通常空气会被捕获在模具内部，如图5C中的1076所示。与模具相比，这使图5D中示出的制造的部分1078变形。然而，如图5D所示，仍然适当地形成作为顶面1048、1052、进入面1040以及孔口1042的功能部分。相比之下，考虑试图制造方形台阶的图5E中的模具1080。当聚合物1074填充模具时，如果少量空气1082被捕获，则会使进入面1062圆形化。这使得进入面1062的有效部分收缩了由1084表示的量。进入面尺寸的这种减小增加了所需要的制造容限并且通过要求光经由非常小的窗口聚集而降低了角谱宽度。相比之下，当使用凸起或脊时，用于进入光导层的孔口仍很宽，而与制造无关。
为了对准的目的，光导层和偏转层相互紧密接触是重要的。这是因为如图4A-4D所示每个功能单元包括与光导层上的光进入面和孔口对准的一组偏转元件。在实际部件中，可以存在大量功能单元。功能单元中的每个偏转元件必须通过相应进入面和进入孔口将光聚集到光导层上。如果光导层与偏转层之间的间隔距离或横向定位落在设计容限之外，则通过偏转层偏转和聚集的光将不会经由进入面进入到光导层。图6A-6C示出了与图4A-4D所示的功能单元相同的功能单元，但偏转层与光导层功能单元之间没有对准。图6A示出了竖直偏移1086，竖直偏移1086导致进入光导层的一些光照射面1088，这会潜在地导致耦合到光导层的失败。图6B示出了横向偏移1090，横向偏移1090会导致一些射线在点1092处照射光导层1042的顶部。这会导致耦合到光导层的失败。图6C示出了横向偏移1094，横向偏移1094会导致一些射线1096未达到进入面1040和孔口1042。在所有情况下，过度的偏移会导致光没有通过进入孔口1042并且没有耦合到光导层中，然而，清楚的是，存在对制造过程中出现的小的位移和缺陷的容限。
为了将光导层上的所有元件和偏转层上的所有元件保持为适当的对准，可以利用注射模塑工艺的特定特性。图7A-7D示出了如何利用的示例。在注射模塑期间，制造非常平坦的部件是有挑战的，然而，可以非常容易地制造具有弓形1098的部件，并且可以选择该弓形的方向，如图7A所示。偏转层1000、光导层1004和托盘1020全部被制造成具有变化度数的弓形，其中托盘是最平坦的部件，而偏转层是最弯曲的部件。托盘可以被制造得非常平坦，这是因为托盘不需要是透明的，而偏转层和光导层需要是光学透明的，因此材料和处理的选择会更有限。使光导层1004与托盘相接触以使得它在点1100处接触托盘。将光导层1004下拉1102以使得其与托盘相符。使偏转层1000与光导层在点1104处接触，并且类似地将偏转层1000下拉1106以使得其与光导层相符。三个部件相遇的接缝1022可以被焊接或机械紧固，并且全部三个部件将保持它们的对准。虽然图7A-7C中未示出，但是二次光学元件1008可以在该组装过程之前粘合到光导层1004上，使得最终的组件同样包括二次光学元件1008。
通过相似的方式，可以在不存在托盘的情况下实现偏转层与光导层之间的良好的平行度。如图8A和图8B所示，可以用与之前相似的方式使偏转层1000弯成弓形。可以使部件接触1108以及将部件拉到一起1110，其中以任何合适的方式来粘合接缝1112。组合的部件将具有良好的平行度并保持全部接触，但是可能会保持略微的弓形1114。
安装在电池接收器组件上的光伏电池被连接至LG-CPV模块。图9A和图9B中示出了该连接。托盘1020可以具有用于放置PCB 1016的凸出部分(ledge)1116。基于丁基的密封剂1118或其它密封剂可以涂敷在PCB与托盘之间的空间中以密封单元。硅树脂封装剂1020被用于将PV电池1006粘合到二次光学元件1008。相同的硅树脂可以使镜面化的进入部件1022保持在合适的位置。因为托盘的底部1024低于PCB的底部1026，为了更简单地将PCB热粘合到散热装置使得由于在PV电池处吸收的光而引起的热可以消散，可以将诸如铜块1028的导热材料块附接在PCB的底部。这可以通过回流焊、焊接、铜焊、环氧树脂或其它方式来附接。
图10A-10D示出了关于一个PCB设计的细节，包括以下部件：介电基底1120、基底背侧接触件1122、基底前侧接触件1124、三结电池1126、电池背侧金属化件1128、电池前侧金属化件1130、旁路二极管1018、三结电池到基底的粘合剂1132、以及电池热块1134。
除了陶瓷基底中的过孔之外，可以借助环绕PCB的边缘的诸如铜带的跳线进行PCB的前侧与后侧之间的互连。这会产生将PCB与托盘密封在一起的问题，但是可以克服这个问题。例如，如果铜带用作跳线，则这些带可以被嵌件模塑到托盘中。图10E中示出了跳线1134的示例。
玻璃的二次光学元件(或由诸如硅树脂、共聚物或其它玻璃替代材料的其它材料制成的二次光学元件)可以粘合到PV电池。这是为了允许光离开二次光学元件并被PV电池吸收；如果不存在光学粘合，则射线会在二次光学元件与电池之间的界面处进行全内反射或部分反射。然而，如果该光学粘合延伸超出电池的有效面积，则其会导致射线照射PCB或电池上的除了有效面积之外的区域。这些射线会由于被除了PV电池之外的材料吸收而损耗，或者按照稍后不会照射PV电池的方式被散射。这为制造带来了挑战，因为粘合必须在体积和位置两者上保持非常好的控制，这使得将光学粘合剂同时用作封装材料来保护PV电池变得困难。这是因为封装材料应该完全包封PV电池，而光学粘合应该仅覆盖PV电池有效面积，PV电池有效面积小于整个PV电池并且不包括PV电池前侧金属化件和接触件。
为了避免此问题，可以使用低折射率膜(诸如由DuPont公司制造的含氟聚合物特氟隆(TelflonTM))来制造掩模，该掩模覆盖电池和电池接收器组件并防止光照射除了PV电池之外的区域。这是可能的，因为低折射率光学材料会具有比用以制造二次光学元件和光学粘合剂的材料更低的折射率，因此照射二次光学元件与低折射率膜掩模之间的界面的光或照射光学粘合剂与低折射率膜掩模之间的界面的光可以进行全内反射。
在图11A-11D中示出了该掩模的位置和形状。低折射率膜掩模1136可以被切割成使得其在中心具有圆形孔以对应于PV电池1006上的圆形有效面积1138。可以使膜与PCB 1016接触或附接到PCB 1016，使得其仅暴露PV电池的有效面积。替选地，如果使用矩形有效面积1140的PV电池1006被采用，则掩模1142可以被相应地切割成使得其仅暴露不包括电池母线1144在内的矩形有效面积。在图12A和图12B中示出了该膜的作用。膜1136放置在二次光学元件1008与PV电池1006之间。允许封装剂1146包封电池以及可以允许封装剂1146流到膜的两侧，从而将它连接到二次光学元件1008和PCB及电池。光将在在封装剂与膜之间的任何界面处进行全内反射1148。在膜的中心处的孔中，允许光通过并照射电池有效面积。
如图1中的横截面所示的偏转层和光导层设计基本上为线性光学元件，该线性光学元件已被旋转为使得它收集的光会聚到旋转的中心轴。这生产了旋转对称光学元件，该旋转对称光学元件使得所有光会聚到旋转的中心轴，其中二次光学元件将所述光耦合到PV电池。然而，可以按照使得光不是会聚到中心轴而是会聚到其它点或者完全不会聚的另一种方式扫描该设计。考虑图13A和图13B示出的这样做的有用方式的一个示例。图13A示出了LG-CPV模块998的设计，其使得在光导层1150中捕获的所有光会聚到中心PV电池1006，其中需要通过二次光学元件1008将光重导向至PV电池。如图13B所示的替选光导太阳能板1152反而可以具有由虚线间隔示出的四个象限。每个象限中的捕获光1154可以会聚到由虚线X表示的点1156。二次光学元件1158也可以是非旋转对称的并且从每个象限获取光并将该光组合到单个中心PV电池1006上。可以通过沿着关于每个象限中的每个焦点1156同心的圆扫描线性光学设计而产生四个象限。用虚线1160示出了生成的弧，偏转层和光导层的特征依循该弧。可以按照与已经描述的板几乎相同的方式制造这样的LG-CPV模块，其中仅在偏转层、光导层、托盘(使得其与光导层相符)以及二次光学元件的设计上改变。关于材料、组装过程和制造考虑的其它事物仍相同。
图14A-14E示出了四象限设计的示例。图14A示出了具有偏转层1162和光导层1164的单个象限(未示出托盘和其它部件)。还示出了二次光学元件1158的四分之一。在中心示出了PV电池1006。图14B示出了光导太阳能板1152的四个象限。图14C示出了一个象限的横截面会看起来如何，其中，偏转层1162将光进入光导层1164，并且二次光学元件1158采用具有屈光力(focus power)的两个反射表面1166和1168，以将来自光导层的光耦合到电池1006。图14D示出了如何使偏转层的中心部分1170成为弧形以跨越高于光导层的二次光学元件。图14E示出了二次光学元件1172的另一个示例，其中，采用具有屈光力的两次反射1174和1176，以将来自光导的光耦合到PV电池，然而，第二反射1176位于整个板的中心线1178的相反侧。
还可以考虑二次光学元件的其它设计，图15A-15C中示出了一些设计。图15A示出了二次光学元件设计1180，其中采用具有屈光力的三个反射表面1182、1184和1186，以将来自光导层1164的光耦合到PV电池1006。图15B示出了可以制成具有多个象限的二次光学元件1188，其中一个反射表面1190以四个分段制成，第二反射表面1192是由四个象限共享的一个连续表面。图15C示出了另一个二次光学元件1194，其中其由具有不同折射率的材料构成，外部材料1196具有折射率n1，最靠近PV电池1198的材料具有折射率n2。由这两种材料得到的界面1200可以具有屈光力并且可以帮助将来自光导层1164的光耦合到PV电池1006。这可以与反射元件1202结合使用。
虽然已经参照四个象限设计描述了图14A-14E和15A-15C中描述的二次光学元件，但是可以像该专利同族的先前提交中已描述的那样等同地在圆形对称设计中使用所有二次光学元件。
当尝试利用薄LG-CPV模块进行到相对大的电池的低聚光时，提出了不同的挑战。考虑图16，示出了LG-CPV模块的框图视图。板2000的顶部具有区带A，区带A收集光并通过全内反射在光导层2002中传导该光，集中该光以使得光通过具有比区带A小的面积的区带B。然后光在第三区带C上传播到PV电池2004上。入射到PV电池的顶部上的第四区带D上的光将通过LG-CPV模块而不进行全内反射，并将直接照射电池。
中等水平的聚光对于硅太阳能电池(诸如在典型的传统太阳能板中使用的硅太阳能电池)是非常有用的。在图17中示出了典型的传统太阳能板2100。典型的传统太阳能板使用硅光伏电池2102、玻璃片覆盖片2104、以及铝框架2106。典型的传统太阳能板是昂贵的，主要因为光伏电池是昂贵的。聚光光伏可以是较不昂贵的，这是因为它们用较不昂贵的光学元件替代昂贵的光伏电池。
图18A和图18B示出了本发明的由LG-CPV太阳能模块的阵列构成的太阳能板2107。在图18A中，已经移除大多数电池2102，并利用获得入射的阳光2110且将其重导向到(仍存在的)电池的LG-CPV太阳能模块2108来替代大多数电池2102。覆盖玻璃片2104仍然处于合适的位置并且板结构的大部分是相同的。因为在电池处阳光增加，所以会存在热量的相应增加，因而在模块的背侧上会有散热装置或其它冷却装置以使得电池能够保持冷却。
图18B示出了具有LG-CPV太阳能模块的另一个太阳能板2111，其中PV电池2112小于板2107中的PV电池。图18B中的板具有比图18A中的板高的聚光因子。
这些太阳能板中的LG-CPV太阳能模块大部分像前述LG-CPV太阳能模块一样工作。在图19A和图19B的横截面中示出了一种方式。注射模塑PMMA偏转层2113使入射光2110偏转并聚集到注射模塑PMMA光导层2114，注射模塑PMMA光导层2114通过全内反射向光学元件的中心处的电池2102传播光。在本实施例中，光导层2114被附接至玻璃片2104，与保护电池相同的片。低折射率材料片2116将玻璃片与光导层分隔开。这种低折射率片可以是例如由DuPont公司制造的含氟聚合物片。可以使用乙烯醋酸乙烯酯、聚醋酸乙烯酯、硅树脂或其它层压材料将该片光学地粘合到光导层的PMMA以及玻璃片2104。因为低折射率片2116具有低于PMMA光导2114的折射率，所以会发生全内反射，诸如点2118。在PV电池上方的区域中，低折射率片被穿孔成具有孔2120。用折射率比该片的折射率高并接近玻璃片和PMMA的折射率的材料填充这些孔，使得在光导层中行进的一些光(诸如射线2122)可以通过低折射率片并照射PV电池2102。诸如射线2123的其它射线将继续传播，这是因为它们将会从低折射率片反射开而不是通过穿孔。诸如射线2124的其它射线将会处于浅角度并被光导层的端部处的曲面2126向下偏转。该反射2127可以通过全内反射进行。诸如射线2128的其它射线将直接入射到PV电池上方的光学元件上并将简单地通过偏转层、光导层和低折射率膜的各个窗而不会被偏转，并且击中PV电池。诸如射线2130的其它射线直接击中光导层的中心处的小孔2132上方的光学元件并将通过偏转层窗和玻璃片击中PV电池。诸如射线2134的其它射线将在2136处击中光导层的端部处的曲面2126，并且它们将被偏转但仍会击中PV电池。
PV电池上的光的均匀性由低折射率膜中的穿孔图案来确定。图20A和图20B示出了具有两种配置的穿孔2120的低折射率膜2116。如本领域的技术人员将会理解的，可以使用计算机优化程序做出最优掩模配置。可以制造在PV电池上提供完全均匀的光的掩模，这增强了性能。穿孔膜允许光导泄漏；允许一些光逃离，允许其它光继续留在光导内。以这种方式，可以控制电池的聚光，并且能够以中等聚光水平使用大电池。
图21A示出了包括散热装置2140的切割三维视图。散热装置位于PV电池2102的下方。PV电池被封装在一片玻璃片2104的下方，其中低折射率膜2116位于玻璃片2104的顶部上并且偏转层2113和光导层2114位于低折射率膜2116的顶部上。在光学元件的凸缘2142处偏转层被粘合到的光导层。
图21A中示出的散热装置配置可以与图18A和18B中示出的板结合使用。替选地，铝散热装置可以突出并长于单个板，并按照图21B所示的方式用作用于模块的支撑。
玻璃片不需要扩展光导板的全宽度；玻璃片仅需要覆盖电池。这在图22中示出。玻璃片2104小于光导层2114并且仅刚好覆盖电池2102。仅在PV电池与光导层之间的区域中需要穿孔的低折射率膜2116。
为了进一步阐述，低折射率膜2116中的孔2120必须填充有折射率大于低折射率膜的折射率的材料。孔内的该材料必须被光学地粘合到光导层和玻璃片，以提供从光导到玻璃片的光学路径并产生光导泄漏。
还可以使用具有1.0的折射率的空气来替代低折射率膜。在这种情况下，会需要采取一些步骤以确保光导层与玻璃基底之间的空气间隙不收缩(collapse)。图23A-23C示出了关于此的一些示例。图23A示出了在光导层的底部上存在凹入部分2146的情况下如何在光导层2114与玻璃2104之间得到光学路径。这些凹入部分与玻璃2104接触并被光学地粘合到玻璃2104，并且它们保持空气间隙2148。这产生了与穿孔的低折射率膜完全相同的泄漏光导层，其中凹入部分作为膜中的孔并且空气作为膜本身。以与低折射率膜中的穿孔相同的图案，在电池上方的光导层的底部上将凹入部分图案化。
替选地，如图23B和23C示出的，折射率接近PMMA和玻璃片的折射率的膜2150会被穿孔并放置在光导层2114与玻璃片2104之间。孔中的空气2148会留在合适的位置。膜会被光学地粘合到玻璃片和光导层，并用作考虑到泄漏光导的从光导层至玻璃片的光学管道。照射到其上有孔的光导层的底面2152的射线将会遇到PMMA与空气的界面并会进行全内反射。
在图24中示出了另一种进行中等聚光的方法。空气间隙或低折射率间隙2154位于光导层2114与玻璃覆盖片2104之间。这允许光导层中的光进行全内反射2156。曲面2158被用于向PV电池向下反射光导层中的光。曲面向PV电池2102传播光。光学粘合2160位于光导层2114与玻璃覆盖片2104之间以使得光可以从光导层通过玻璃覆盖片到达PV电池2102。
图25A和25B示出了来自图24的设计的另一种变型。光导层2114的顶面2160(图24所示)和底面2162可以具有如角度2164所示的略微收敛。如本领域的技术人员将会理解的，此略微收敛导致在光导层中行进的光射线随着每次反射略微增大入射角2166。这最终会导致光逃离光导层。在图6中对此进行了描述以示出光将由于增大的入射角而最终逃离。然而，假设以受控的方式进行入射角的增大，该方式可以用于增大光的入射角而不导致该光逃离，这会促进光朝向其外边缘照射PV电池。这对如图16中详细说明的中等聚光是有益的。
图26示出了中等聚光的光导太阳能板的另一个实施例，其中光导层的底面2170不与玻璃片2104接触，反而是倾斜的，从而在光导层与玻璃覆盖片之间留下充分的空气间隙2172。将会在光导层的边缘处使用某一种类的密封剂2174以防止光导层脱离玻璃，以便防止污物和其它污染物进入间隙。
在先前的描述中，为了说明的目的，阐述了大量细节以提供对本发明的实施例的透彻理解。然而，对本领域的普通技术人员而言，显然，为了实践本发明，并未要求这些特定的细节。在其它情况下，以框图形式示出了已知的电学结构和电路，以不会难以理解本发明。例如，没有提供关于本文描述的本发明的实施例是被实施为软件程序、硬件电路、固件还是它们的组合的特定细节。
对本领域的普通技术人员而言，对本发明的上述实施例的修改和改进会是明显的。前面的描述意在是示例性的而非限制性的。因此，本发明的范围意在仅受限于所附权利要求的范围。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于收集阳光并将阳光集中到光伏电池(1006)上的光导太阳能板模块(998)，包括：
第一层(1000、1162)，所述第一层用于收集垂直入射阳光(1002)，所述第一层具有多个光学元件(1030)，所述光学元件中的每一个包括用于将所述入射阳光(1002)朝向所述光伏电池聚集的聚集部件(1036)；
第二层(1004、1064)，所述第二层用于将所述聚集光从所述第一层导向所述光伏电池，所述第二层具有顶表面(1048、1052)、与所述顶面(1048、1052)相对的底表面(1058)以及输出表面，所述第二层(1064)被光学耦合到所述第一层(1000、1162)的聚集部件(1036)中的每一个，以经由多个阳光进入面(1040、1062)来接收来自所述聚集部件的所述聚集阳光，在所述光学元件(1030)与所述进入面(1040、1062)之间具有一一对应关系，所述聚集阳光沿着多个方向被导引通过所述第二层，并通过在所述顶面(1048、1052)与所述底面(1058)之间的多次全内反射被导向所述输出表面；以及
二次光学元件(1008)，所述二次光学元件用于收集来自所述第二层(1004、1064)的阳光并将所述阳光耦合到所述光伏电池(1006)，所述二次光学元件(1008)具有至少一个反射表面(1012、1166、1168)，以将从所述第二层(1064)出射的光沿着所述多个方向耦合至所述光伏电池(1006)的定位成与垂直入射阳光垂直的有效面。
2.根据权利要求1所述的光导太阳能板模块(998)，其中，所述二次光学元件(1008)具有至少一个弯曲的反射表面(1012)。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的光导太阳能板模块(998)，其中，所述二次光学元件(1008)具有两个弯曲的反射表面(1166、1168)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光导太阳能板模块(998)，其中，所述二次光学元件(1008)具有至少一个聚集表面(1012)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光导太阳能板模块(998)，其中，所述二次光学元件(1008)由与所述第二层(1004、1064)的材料不同的材料制成。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光导太阳能板模块(998)，其中，所述二次光学元件(1008)具有涂覆有反射镜的光学表面。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光导太阳能板模块(998)，还包括在所述第二层(1004、1064)与所述二次光学元件(1008)之间的光学粘合材料。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光导太阳能板模块(998)，其中，所述二次光学元件(1008)是旋转对称的。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的光导太阳能板模块(998)，其中，所述二次光学元件(1008)是非旋转对称的。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的光导太阳能板模块(998)，其中，在所述二次光学元件(1008)与所述光伏电池之间的界面是使用所述光伏电池(1006)上的光学封装剂制成的。
11.根据权利要求10所述的光导太阳能板模块(998)，其中，所述光学封装剂由硅树脂制成。
12.根据权利要求1至10中任一项所述的光导太阳能板模块(998)，其中，所述二次光学元件使用光学粘合剂粘合到所述光伏电池(1006)。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的光导太阳能板模块(998)，其中，所述第一层(1000、1162)是注射模塑的。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的光导太阳能板模块(998)，其中，所述第二层(1004、1064)是模塑的。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的光导太阳能板模块(998)，其中，所述二次光学元件(1008)从四象限太阳能板接收阳光并将所接收的阳光组合到单个中心光伏电池(1006)上。

Claims (10)

  1. 关于制造细节的权利要求
    1.一种作为偏转层、光导层和托盘的三个注射模塑部件与中心处的太阳能电池的组合(图1和图2)：
    a.所述托盘是支撑所述偏转层和所述光导层的刚性元件；
    b.单元的边缘处的接缝被密封；
    c.散热装置被附接到具有多个光学元件的底部，所述多个光学元件被附接到所述散热装置，从而形成电池串；以及
    d.通过使每个相邻的电池串交错，将多个串构建成模块。
  2. 2.在所述光导层上的小凸起，这些凸起对角谱宽度和生产都是有益的(图4和图5)。此外，所述凸起比台阶容易制造(图5)。
  3. 3.使所述偏转层和所述光导层弯成弓形以确保它们非常平行：
    a.所述托盘提供了所述光导层所压靠的平坦基部，所述光导层离开所述托盘弯成弓形并拉成对准。然后所述偏转层被拉成靠住所述光导层。所述光导层和所述偏转层经受将它们推挤在一起的力。所述力是通过张紧所述光导层和所述偏转层所引起的弹力。所述力确保所述偏转层和所述光导层的相应特征之间的良好接触(图6、图7)。
    b.在没有托盘的情况下，所述光导层和所述偏转层能够对彼此预加应力(图8)。
    关于电池接收器组件的权利要求
  4. 4.一种电池接收器组件(CRA)，所述电池接收器组件使用粘合到印刷电路板的PV电池制成，其中所述印刷电路板在反面具有旁路二极管，使得所述电池接收器组件能够安装为紧靠玻璃的二次光学元件(图9、图10)。
    a.能够具有焊接到背侧的铜块，以帮助所述电池接收器组件与突出的散热装置相接触；
    b.在正面和背面之间能够具有过孔或其它电连接装置；以及
    c.能够使用基于丁基的密封剂或其它密封剂密封到所述托盘。
  5. 5.使用含氟聚合物或其它低折射率膜制造的用于CRA的掩模(图11)。
    a.将掩模放置在所述CRA上并粘附在所述CRA上，这允许将所述光学元件连接到所述电池的硅树脂封装剂溢出超过所述电池的边侧而没有风险，因为离开硅树脂含氟聚合物界面能够发生全内反射(TIR)。
    b.所述掩模还能够放置在所述光学元件上。
    关于替选的光学布置的权利要求
  6. 6.光导太阳能光学元件能够是非径向对称的，并且能够具有4个象限，所述光导层中的光会聚在4个点而不是1个点，并且所述二次玻璃光学元件将所有光组合到单个电池(图12)。
  7. 7.将光混合到一个电池的多象限二次光学元件(图13)。
  8. 8.在所述电池之前涉及两次反射的替选的二次光学元件(图14、图15)。
    关于中等聚光的权利要求
  9. 9.一种光导太阳能板，其使用低折射率膜作为所述光导层的底面的覆层，但在所述PV电池上方所述低折射率膜被穿孔；以及对于所述光导层的一些射线，具有等于或大于所述光导层的折射率的光学路径是可得的。这允许一些射线以受控的方式从所述光导层泄漏并提供所述PV电池的均匀照明，为泄漏光导提供穿孔。所述穿孔允许光以受控的比率在电池上方泄漏。
  10. 10.一种光导太阳能板，所述光导太阳能板被直接层压到太阳能板的覆盖玻璃片，使得所述玻璃片对所述光导太阳能板提供对准和结构支撑，但在所述光导太阳能板与所述玻璃片之间的低折射率膜用作阻止所述光导层中的光逃离的覆层。这允许使用以典型太阳能板的方式封装在玻璃片下的太阳能电池，这确保良好的可靠性。
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