光伏模块集成安装和电子系统的制作方法

本申请要求于2014年4月2日提交的美国专利申请No.14/243,691的优先权，其全部内容在此通过引用全部包含。

技术领域

本领域通常涉及光伏(PV)模块，并且更具体地涉及PV模块安装系统，以及使得电子器件集成到框架中的PV模块。

背景技术：

用于将太阳能转换成其它形式的有用能量(例如，电能或热能)的光伏(PV)模块(也称为太阳能模块)包括将太阳能转换成电能的PV层压板(也称为太阳能层压板)。电能可以直接使用、转换用于本地使用和/或转换并传输到电网或另一个目的地。多个太阳能模块可以逻辑地或物理地组合在一起以形成太阳能模块阵列。

太阳能模块通常输出直流(DC)电力。为了将这种太阳能模块适当地耦合到电网，或以其它方式提供交流(AC)电力，使用DC/AC逆变器将从太阳能模块接收的电力从DC电力转换成AC电力。一些系统将多于一个的太阳能模块的DC输出耦合到单个逆变器。在其它系统中，太阳能模块阵列包括布置成太阳能模块串的多个太阳能模块。每一个模块串连接到单个逆变器以将太阳能模块串的DC输出转换成AC输出。

在其它系统中，每一个太阳能模块耦合到它自身的逆变器。每一个逆变器可位于与其电耦合的太阳能模块的附近或该太阳能模块上。包括与太阳能模块电耦合的逆变器的太阳能模块有时通常称为AC PV模块。需要能够将能量转换成可消耗的形式并且能够被配置为提供DC输出或AC输出的太阳能模块。

太阳能模块通常通过单独的框架或机架结构安装在支撑表面上。该机架通常也由多个结构构件形成，可以在工厂或其它远程地点进行组装，然后运输到安装位置。结构构件也可以运输到安装位置，然后在现场组装以形成机架，然后再将机架安装在支撑表面上。还需要更有效的安装系统，其降低了系统的成本以及安装系统所需的时间和劳动。

该背景技术部分意在向读者介绍与下面描述和/或要求保护的本公开的各个方面相关的技术的各个方面。相信该讨论有助于向读者提供背景信息以便于更好地理解本公开的各个方面。因此，应当理解，这些陈述应从该角度来阅读，而不是作为对现有技术的承认。

技术实现要素：

本公开的一方面是一种用于将太阳能模块安装到阵列中的结构的系统，该系统包括太阳能模块和连接器。太阳能模块具有光伏层压板、框架和插头。框架限制光伏层压板，并包括沿着光伏层压板的边缘延伸的外壳构件。外壳构件具有沿着其纵向长度向内延伸的箱部。箱部沿着一端是开放的。插头延伸到外壳构件的箱部的开放端，并具有通过外壳构件中的开口能够向外接入的能量输送插座。连接器与能量输送插座电连接并与外壳构件机械连接。

本公开的另一方面是一种太阳能模块，该太阳能模块包括光伏层压板、框架和插头。框架限制光伏层压板，并包括沿着光伏层压板的边缘延伸的外壳构件。外壳构件具有沿着其纵向长度向内延伸的箱部。箱部沿着一端是开放的。插头延伸到外壳构件的箱部的开放端，并具有通过外壳构件中的开口能够向外接入的能量输送插座。

在另一方面，太阳能模块包括光伏层压板、框架、连接器和印刷电路板。框架限制光伏层压板，并包括沿着光伏层压板的边缘延伸的外壳构件。连接器板容纳在外壳构件内并附接到外壳构件。印刷电路板可移除地附接到连接器板。

本公开的另一方面是一种安装包括多个太阳能模块的光伏系统的方法，每一个太阳能模块包括由框架限制的光伏层压板。该方法包括：由光伏系统安装者将多个太阳能模块的每一个模块配置为交流(AC)模块和直流(DC)模块中的一个；并在安装地点安装多个太阳能模块以形成光伏系统。

存在关于上述方面所提到的特征的各种改进。其它特征也可以并入上述方面中。这些细化和附加特征可以单独地或以任何组合存在。例如，下面关于任何所示实施例讨论的各种特征可单独或以任何组合结合到任何上述方面中。

附图说明

图1是光伏(PV)模块的顶部透视图；

图2是图1的PV模块的框架的顶部透视图；

图3是沿着线3-3截取的图2所示的框架的边缘构件的横截面图；

图4是沿着线4-4截取的图2所示的框架的外壳构件的横截面图；

图5是移除了太阳能面板和边缘构件的图1所示的外壳构件和插头的放大视图；

图6是图1所示的PV模块的框架组件的拐角的放大侧面透视图；

图7是附接到图1所示的PV模块的盖组件的放大顶部透视图；

图8是图7所示的盖组件的底部透视图；

图9是图8所示的盖板的底部透视图；

图10是移除了盖组件的图1所示的PV模块的顶部透视图；

图11是移除了连接器板的图10所示的PV模块的顶部透视图；

图12是移除了灌封坝和支座的图11所示的PV模块的顶部透视图；

图13是PV模块阵列组件的分解侧视图；

图14是图13的PV模块阵列组件的透视侧视图；

图15是光伏(PV)模块的另一个实施例的顶部透视图；

图16是PV模块组件的底部平面图；以及

图17是安装在卡扣连杆托架中的图16所示的PV模块组件的杆的侧视图。

在各个附图中相同的参考符号指示相同的元件。

具体实施方式

在此所述的实施例通常涉及光伏(PV)或太阳能模块。更具体地，在此所述的实施例涉及可配置为提供DC输出或AC输出的太阳能模块。

首先参考图1，太阳能模块通常标示为100。太阳能模块100包括PV层压板或太阳能层压板110和限制太阳能层压板110的框架组件120。在该实施例中，太阳能层压板110是矩形形状。在其它实施例中，太阳能层压板110可具有任何合适的形状。

太阳能层压板110可包括若干层。这些层可以包括例如玻璃层、非反射层、电连接层、n型硅层、p型硅层和/或背衬层。在其它实施例中，太阳能层压板110可以具有更多或更少(包括一个)的层，可以具有不同的层，以及/或可以具有不同类型的层。

框架120耦合到太阳能层压板110，并且有助于保护太阳能层压板110的边缘。在该实施例中，框架120由四个构件构成：三个边缘构件140和外壳构件160。构件140、160沿着太阳能层压板110的每一个边缘延伸。

框架120由挤压铝制成。更具体地，在一些实施例中，框架120由6000系列阳极氧化铝制成。在其它实施例中，框架120可由提供足够刚度的任何其它合适的材料或材料的组合制成，包括例如钢、塑料或碳纤维。

另外参考图2-图4，边缘构件140具有主要为L形的横截面，并且外壳构件160具有主要为矩形的横截面。边缘构件140和外壳构件160都具有唇部142、162，用于在其中接收和保持太阳能层压板110。边缘构件140和外壳构件160二者都具有沿其外部的顶部通道144、164和底部通道146、166，用于在其中接收和保持L形托架190，并在其间形成凹口148、168。L形托架190将构件140、160保持在一起作为组装的框架104。组装的框架104可以通过紧固件、粘合剂，将框架部件140、160和104压接在一起或者通过任何其它合适的组装方法来固定在一起。L形托架190可以由金属(例如，铝)、塑料或任何其它合适的材料制成。

外壳构件160具有沿其纵向长度向内延伸的箱部170。箱部170在外壳构件160的每一个纵向端处是开放的。具体参考图2，边缘构件140和外壳构件160的每一个端部以大约45°的角度切割，以使得当每一个构件140、160的端部组装在一起时，如上所讨论，框架120形成矩形。在外壳构件160上切割的角在箱部170和相邻的边缘构件之间形成空间。

如图1、图5和图6中所示，具有防风雨密封件202的一对插头200延伸进入并封闭外壳构件160的箱部170的每一个端部，以防止水从其端部渗透到箱部的内部。每一个插头200具有通过外壳构件160的凹口168中的开口172能够向外接入的多个能量输送插座210。插头200可具有任何数量的能量输送插座210，并且能量输送插座可以以任何形状布置。

参考图7-图9，盖板组件230附接到外壳构件160的箱部170，以密封通过箱部的外壁的入口174(在图10中示出)。入口174通过箱部的侧面提供到箱部内部的通路。盖板组件230包括盖板232、用于防止水通过入口174渗透到箱部的边缘密封剂234、多个支座236和印刷电路板240。盖板232可以由铝或聚合物或其它合适的材料制成。支座236提供用于从印刷电路板240到盖板232的热传递的路径，该盖板232用作用于热管理的散热器。印刷电路板240可以是微型逆变器、直流到直流功率管理器/最大化器、旁路二极管、通信模块(具有和不具有天线)等。印刷电路板240具有至少一个连接器242。

在一些实施例中，支座236是柔性的，以允许印刷电路板240相对于盖板232“浮动”或移动。因此，模块100的弯曲或其它运动可以减小对印刷电路板240的影响。在其它实施例中，太阳能模块100可以不包括用于电路板240的支座。在这些实施例中，热量从印刷电路板240直接传递到盖板232。

参考图7和图10-12，移除盖板组件230通过入口174提供到位于箱部170内的连接器板260的接入。连接器板260包括到印刷电路板240上的连接器242的配合连接器262。连接器242和配合连接器262一起形成插座270，用于在印刷电路板240和连接器板260之间传递能量的。

如图11所示，来自太阳能层压板110的电力带112通过外壳构件160的箱部的孔176直接延伸到箱部170。如图11所示，用于连接器板260的灌封坝280和支座290附接到箱部170的壁的内表面。在示例性实施例中，灌封坝280采用柔性粘合剂附接到箱部170和太阳能层压板110，以在灌封功率带112之前确保良好的密封。可替代地，灌封坝280可以与不同的部件和/或使用任何其它合适的附接方法。功率带112是附接到太阳能层压板110附接的连接片，以将来自太阳能层压板的DC能量带入连接器板260。DC能量从连接器板260通过插座270直接输送到印刷电路板240。印刷电路板240转换/逆转来自插座270的能量，并经由电缆组件204将能量输送到插头200。

具体参考图10，功率带112可以通过焊料与连接器板260连接。连接器板260将太阳能层压板110与印刷电路板240和每一个插头200电连接。用于将印刷电路板的输出输送到外界的所有电缆被封装或嵌入在外壳构件170内，来为电缆提供风雨保护。该配置降低了全部电缆的成本，因为电缆的紫外(UV)额定值可以低于暴露电缆所需的紫外(UV)额定值。

盖板组件530和印刷电路板240可移除，以及/或连接器板260可原位相对容易地维修、替换、重构或改变。例如，DC模块可以不包括印刷电路板240，可以包括旁路二极管，或者可以包括仅将太阳能层压板电连接到插头200的直通印刷电路板240(或其它连接)。直通印刷电路板240或其它连接器可被移除，并被包括逆变器(具有或不具有其它控制和/或通信电路)的印刷电路板240替换，以将DC模块原位转换为AC模块。类似地，直通印刷电路板240或逆变器印刷电路板240可被移除，并被管理的DC印刷电路板240(例如，包括DC功率最大化器/管理器)替换，以将模块100转换为管理的DC模块。

另外，印刷电路板240可移除以维修印刷电路板240上的部件，以用相同类型的另一印刷电路板240来替换印刷电路板240，以将印刷电路板240升级到较新的模型等。进一步地，各种电子器件可以集成到外壳构件160中，诸如微型逆变器、直流到直流功率最大化器、旁路二极管、通信模块(具有和不具有天线)。因此，模块100可以在安装之前的任何位置处和在安装之前、期间和/或之后的安装地点处进行配置、重新配置、维修和/或升级，而不需要从模块100安装位置处移除它。在一些实施例中，安装者可以将模块100从它支撑结构(完全地或部分地)分离，以接入模块100的底部来执行重新配置。例如，安装者可以将模块100从它的安装上完全移除并将其翻转，或者可以移除模块100的一侧，并提起移除的一侧以接入模块100的底部。无论模块100是否需要(部分地或完全地)移除或者可以保持安装在结构上，模块可以在它的安装位置处现场进行维修、重新配置、升级等，而不需要运输到不同位置。

参考图13和图14，示出了太阳能阵列300，其包括第一和第二太阳能模块100、连接器310和多个紧固件320。连接器310与每一个太阳能模块100的一侧连接，并且用作在第一和第二太阳能模块100之间传递电负载和机械负载的机电连接。连接器310可以通过从太阳能模块110的侧面解开它来安装、移除和替换，而不用将太阳能模块从安装结构上移除或以其它方式移除它们。

连接器310用作能量从一个模块到下一个模块的传导路径，以及防止模块相对于彼此移动(例如，抖动)的机械支撑件。接地被嵌入在连接器310中以提供用于连接模块100的公共接地平面。连接器310是柔性和热弹性的，以承受和/或吸收由外力引起的移动，诸如由风、雨和雪、从白天到夜晚以及从季节到季节的温度改变引起的移动，以防止互连的松动。

连接器310采用一对螺钉或其它合适的紧固件附接到每一个太阳能模块100，这防止连接器310从插座270断开或间隔开。紧固件还抵消由一个太阳能模块相对于另一个的运动而产生的扭矩。连接器310在宽度上也基本上等于外壳构件160中的凹口168。因此，第一太阳能模块100相对于第二太阳能模块100的任何移动产生了对连接器310的相等且相反的反作用力，有助于防止太阳能模块相对于另一太阳能模块的进一步移动。

参考图15，示出了另一太阳能模块400，其具有沿外壳构件460的长度延伸的盖板组件530。外壳构件460形成沿着一端具有插头500的壳体。插头500直接连接到连接器板560。除非在此另有描述，太阳能模块400与上述太阳能模块100基本上相同。

在该实施例中，太阳能层压板410具有通过弹簧连接器与连接器板560连接的功率带412。连接器板560紧固到防水盖板组件530，并且容纳在外壳构件460内。因此，连接器板560通过盖板组件530可移除地与太阳能模块400连接。在单个步骤中，盖板组件530、连接器板560、插头500和印刷电路板540可以全部作为单个单元或单独地一起移除和替换。插头500类似于用于以类似的方式和过程连接类似的太阳能模块的插头200。因此，太阳能模块400的电子部件、连接器板560和印刷电路板540以及插头500中的一个可以被相对容易地原位移除、维修、重构或改变(例如，在AC模块、管理的DC模块和DC模块之间)。

如上所述，示例性太阳能模块可以被配置、重新配置、重构等。在用于安装光伏系统的一个示例性方法中，安装者开始具有至少一个DC太阳能模块(诸如太阳能模块100)的安装。DC太阳能模块100不包括印刷电路板240，包括旁路二极管，或包括直通印刷电路板240(或其它连接器)。安装者通过将具有期望部件的印刷电路板240安装在太阳能模块100中，来根据安装需要配置每一个DC模块100。在包括直通印刷电路板240(或其它连接器)的DC太阳能模块100的情况中，安装者移除直通印刷电路板240并用具有期望功能的印刷电路板240来替换它。如果DC模块100不包括任何印刷电路板240，则安装者简单地安装具有期望功能的印刷电路板240。通过用包括具有期望功能的印刷电路板240的盖板组件230替换DC模块的盖板组件230来安装期望的印刷电路板240。可替代地，安装者可通过从盖板232上移除不需要的印刷电路板240来重新配置组件230，并将期望的印刷电路板240附接到盖板232。由安装者安装的电路板240可包括微型逆变器、直流到直流功率最大化器、旁路二极管、通信模块或任何其它期望的太阳能模块组件。因此，安装者将DC模块100重新配置为AC模块、DC模块、管理的DC模块或任何其它期望类型的太阳能模块100。太阳能模块100的配置可以由安装者在光伏系统安装的地点处、在安装者的商店处或在任何其它位置处执行。此外，在一些实施例中，安装者在将DC模块100配置为期望的功能之前在安装地点处物理地安装DC模块100(例如，将模块100安装到机架、跟踪器等)。

在另一示例性方法中，安装的太阳能模块(诸如太阳能模块100)由技术人员访问。技术人员可以是安装者、维修技术人员、系统优化者或在光伏系统上访问和/或工作的任何其他有资质人员。技术人员在安装地点处从太阳能模块100上移除盖板组件230。印刷电路板240和/或连接器板260可以被配置、维修、替换、重构或改变。当盖板组件530从太阳能模块100移除时，技术人员可以维修印刷电路板240和/或连接器板260，或者技术人员可以维修或替换太阳能模块内的另一个电子部件。此外，技术人员可以用具有印刷电路板240的另一个盖板组件230来替换盖板组件230，该印刷电路板240具有相同或不同功能。因此，例如技术人员可以将太阳能模块100从AC输出重构到DC输出，将太阳能模块100从DC输出改变到AC输出，改变电子部件以增加太阳能模块的效率，将模块升级到更新的设计等。

参考图16和图17，用于将太阳能模块安装到结构601的系统通常用600表示。系统600包括第一和第二太阳能模块602、连接器610、杆630和一对安装件650。如图16所示，连接器610通过外壳构件608的端部附接到每一个太阳能模块602。如上参考连接器310所讨论的，连接器610还提供在第一和第二太阳能模块602之间的机电连接。

杆630是可扩展的并且尺寸设置成通过太阳能模块602的框架604中的模块孔606来插入。杆630采用耦合器632在框架604的每一侧进行分接。耦合器632允许第一太阳能模块602与相邻的太阳能模块602连接。耦合器632有助于限制和/或防止太阳能模块602相对于杆630的纵向移动。

安装件650配置成将模块100安装到结构601。安装件650设定内部651和开口654。内部配置成用于接收杆630。到内部651的开口654配置成允许杆630穿过开口654。卡扣连杆652选择性地覆盖通过安装件650延伸的开口654。卡扣连杆652选择性地在打开位置和关闭位置之间移动，并且通过弹簧偏置到关闭位置。连杆652选择性地在允许通过开口654进入内部的打开位置和基本上覆盖开口654的关闭位置之间移动。

为了安装太阳能模块602，安装件650附接到该结构，并且杆630定位在卡扣连杆652上方。当杆630定位在卡扣连杆上方时，通过在杆630上向下按压，卡扣连杆652从关闭位置移动到打开位置。杆630穿过开口654并进入内部651中，同时卡扣连杆652处于打开位置。杆630移动到内部651中与卡扣连杆652间隔开的位置，以使得弹簧偏置卡扣连杆从打开位置偏置到关闭位置。因此，杆630使用附接到安装件650的顶部的卡扣连杆652来“卡扣”就位。弹簧加载的卡扣连杆652在没有紧固硬件的情况下保护太阳能模块紧固到安装件650。

在此所述的太阳能模块和安装方法的实施例与先前的系统和方法相比，提供了具有较低的相关制造和安装成本的防水系统。例如，通过消除提取、转换和输送用于外部消耗的能量而所需的全部外部硬件，降低了材料成本。这些实施例不需要用于典型太阳能模块安装所需的电子器件：二极管、尾端、MC4、接线盒、框架安装硬件或壳体。此外，本实施例允许制造部件的大部分并大规模地预组装。

本实施例还允许将各种电子器件集成到太阳能模块的框架中，以提供用于住宅和商业市场区段的完整解决方案。集成涉及：从封装太阳能电池的层压板将来自模块的能量直接捕获到印刷电路板上，将能量转换成可消耗形式、功率最大化的AC或功率最大化的DC之一，并经由集成的以及框架封闭的电子系统输送可消耗形式的能量。

太阳能模块和相关部件可以捆绑在一起形成套件并运输到安装地点。捆绑的套件减少了运输和存储太阳能模块所需的面积，并减少了在安装地点处进行跟踪和组装所需的部件。另外，太阳能模块可以使用减少了数量的紧固件在安装地点处快速地安装，这减少了安装劳动力和安装时间。

此外，安装者和/或系统集成商可以维持DC模块(在他们的商店处，在他们的交付/安装车辆中，或在他们的交付和安装车辆中)以及将DC模块配置为DC模块、AC模块、管理的DC模块等所需的部件的库存。为了安装系统，安装者可以根据需要配置模块，而不必订购和等待模块的交付，或者维持大量不同的、专用的太阳能模块的库存。

当介绍本公开或其实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”意在表示存在一个或多个元件。术语“包含”、“包括”和“具有”意在是包含性的，并且意味着可以存在除所列出的元件之外的附加元件。表示特定取向(例如，“顶部”、“底部”、“侧面”等)的术语的使用是为了方便描述，并且不需要所描述的物品的任何特定取向。

在不脱离本公开的范围的情况下，可以对上述内容进行各种改变，意在包含在上述描述和附图中所示的实施例应被解释为说明性的而不是限制性的。