專利名稱：太陽能收集裝置的制作方法
太陽能收集裝置背景技術(shù)本發(fā)明涉及一種太陽能收集裝置、包含所述裝置的能源系統(tǒng)和利用 所述裝置收集太陽能的方法。本發(fā)明的一項(xiàng)特別應(yīng)用(但不限于此)是 家用或工業(yè)用屋頂安裝式太陽能收集系統(tǒng)，為便于說明，將參考這一應(yīng) 用進(jìn)一步描述本發(fā)明。本發(fā)明可以應(yīng)用于收集太陽能的其它方法和系統(tǒng)中，包括壁掛式和地面式"大面積"(broad acre)系統(tǒng)。 現(xiàn)有技術(shù)現(xiàn)有技術(shù)裝置的以下實(shí)例只是公共知識，不應(yīng)認(rèn)為它們是本領(lǐng)域通 用知識的形成部分。目前，存在多種不同的太陽能系統(tǒng)，包括安裝在諸如住宅等建筑物 屋頂上、通過太陽能電池獲取可以轉(zhuǎn)化為其它形式的能量的太陽能以提 供熱水或電等的太陽能系統(tǒng)。許多屋頂安裝式太陽能系統(tǒng)在現(xiàn)有技術(shù)中都曾描述過。通常，太陽 能電池模塊通過互相連接各個(gè)太陽能電池并將互相連接的電池層jli為整 體式太陽能電池模塊而形成。更具體而言，模塊一般包含由聚合物或玻 璃材料制成的硬質(zhì)透明覆蓋層和粘合覆蓋材料和多個(gè)互相連接的太陽能 電池的透明的前密封劑。模塊還具有可以是透明的或任何其它顏色的后 密封劑、保護(hù)模塊后表面的硬質(zhì)后殼、覆蓋模塊邊緣的保護(hù)密封件和覆 蓋所述密封件的鋁制周邊框架。當(dāng)前蓋由玻璃制成時(shí)，所述框架起到保 護(hù)模塊邊緣的作用。在安裝框架之前，先在熱和壓力下層壓模塊。這些條件會(huì)使密封劑 材料層熔融，粘合于鄰近表面，并確確實(shí)實(shí)地"封裝"太陽能電池。由 于晶體硅太陽能電池通常較脆，因此當(dāng)模塊在現(xiàn)場使用過程中遭受機(jī)械 應(yīng)力時(shí)，密封劑可以起到保護(hù)太陽能電池和減少破損的作用。從上述表述中可以看出，模塊是一個(gè)比較復(fù)雜的構(gòu)造。
在另一個(gè)實(shí)例中，美國專利5,986,203號公報(bào)公開了一種太陽能電池屋頂瓦及其形成方法。該專利描述了包含前支撐層、透明密封劑層、多個(gè)互相連接的太陽能電池和后殼層的太陽能電池屋頂瓦。其中前支撐層由光傳輸材料形成，并具有第一和第二表面。透明密封劑層位于前支撐層的第二表面附近?；ハ噙B接的太陽能電池具有與透明密封劑層相鄰布置的第一表面。后殼層具有與互相連接的太陽能電池的第二表面相鄰布置的第一表面，其中一部分后殼層環(huán)繞并接觸前支撐層的第一表面，從而形成邊界區(qū)域。
對于無定形硅太陽能電池模塊，成型的熱塑性材料的聚合物框架被廣為采用。可以利用反應(yīng)注射成型來成型無定形硅模塊周圍的聚氨酯框架。以此方式制成的模塊往往較小(例如5瓦 10瓦的規(guī)模)，而高于50瓦 80瓦的模塊通常利用鋁框架配置。由于模具成本較高并且獲得的具有整體式安裝孔的聚合物框架的強(qiáng)度有限，因此模塊傾向于小型化。
對于晶體硅模塊，后殼材料成本通常都很高。有兩種廣為使用的后殼材料，它們都比較昂貴。最常用的材料是Tedlar⑧/聚酯/乙烯乙酸乙烯酯層壓板，另一種廣為使用的后殼材料是玻璃。在模塊中的太陽能電池和后殼之間通常配置有兩個(gè)附加的材料層，這進(jìn)一步提高了制造成本?？梢蕴峁┮粋€(gè)與透明密封劑(例如乙烯乙酸乙烯酯，Ethylene VinylAcetate)材料相同的后板。
無定形硅模塊和晶體硅模塊都包含安裝在后殼材料上的接線盒，所有外部電連接都通過該接線盒實(shí)現(xiàn)。
安裝模塊的勞動(dòng)密集型方法會(huì)顯著增加太陽能發(fā)電的總成本。模塊的安裝通過將螺絲、螺母和螺栓裝配到鋁框架的適當(dāng)安裝孔上而實(shí)現(xiàn)。然而，太陽能電池模塊經(jīng)常位于沒有其它電源的邊遠(yuǎn)地區(qū)。因此，安裝過程經(jīng)常涉及到將構(gòu)件安裝在諸如崎嶇地帶或者屋頂?shù)荣M(fèi)勁、別扭和不易安裝的位置。前述討論表明，太陽能電池模塊的制造往往成本過高，并且涉及過多的勞動(dòng)，以至于無法實(shí)現(xiàn)使太陽能具有成本競爭優(yōu)勢的目標(biāo)?，F(xiàn)有技術(shù)提出了可以用作屋頂瓦的低成本太陽能模塊。
7美國專利6，294，724號公報(bào)公開了一種太陽能電池模塊和發(fā)電裝置，所述裝置包含太陽能電池元件、設(shè)置在所述太陽能電池元件的受光表面?zhèn)鹊恼娼M件和設(shè)置在所述太陽能電池元件的后表面?zhèn)鹊谋趁娼M件。正面組件和背面組件以可拆卸的狀態(tài)相連。至少正面組件和太陽能電池元件緊密接觸，或者正面組件與固體層緊密接觸，而固體層與太陽能電池元件緊密接觸。
在現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備的另一個(gè)實(shí)例中，美國專利6,453,629號公報(bào)公開了一種能夠發(fā)電的具有光電模塊的屋頂瓦。執(zhí)行太陽光發(fā)電的屋頂瓦包含在屋頂上傾斜布置的屋頂瓦主體和固定在所述主體上的光電模塊。屋頂瓦主體具有向上的凹槽開口。光電模塊儲(chǔ)存并固定在凹槽中。屋頂瓦主體具有屋檐側(cè)邊緣部分。該邊緣部分具有多個(gè)排水槽。各排水槽均與屋檐側(cè)邊緣部分的上部交叉，并與凹槽相通。各排水槽的下表面的高度均等于或低于凹槽下表面的高度。利用這種構(gòu)造，進(jìn)入凹槽的雨水可以通過排水槽排出。通過使雨水在屋檐側(cè)邊緣部分的上表面沿屋頂瓦的傾斜方向向下流而排出雨水。
用于將太陽光能轉(zhuǎn)化為電能的光電模塊己經(jīng)為人所知。例如，日本特開平10-88741號公報(bào)、特開平10-115051號公報(bào)和特開平10-325216號公報(bào)中公開了一種使用安裝在屋頂瓦(用作建筑物的屋頂材料)上的這種模塊的技術(shù)。通過使用粘合劑將其直接粘合于屋頂瓦主體而將光電模塊固定在屋頂瓦主體上。日本特開平11-1999號公報(bào)公開了第二種固定方法屋頂瓦主體具有一個(gè)凹槽，其中利用粘合劑將光電模塊粘合在凹槽的下表面，光電模塊和凹槽內(nèi)周表面之間的縫隙用填隙材料填充。
這一方法的問題在于，粘合劑或填隙材料容易劣化，在例如下述尾
頂環(huán)境下尤其如此暴露于太陽下并且溫度升高，或者暴露在風(fēng)雨之下。
如果粘合劑或填隙材料劣化從而形成裂縫，則雨水或灰塵會(huì)通過裂縫進(jìn)入屋頂瓦主體和光電模塊之間的縫隙。
日本特開平10-88741號公報(bào)公開了一種布置，其中光電模塊被安裝在平坦的屋頂瓦的凹槽中，并且在平坦的屋頂瓦的屋檐側(cè)邊緣處形成有與屋頂瓦背面相通的通孔。在日本特開平10-115051號公報(bào)公開的屋頂瓦中，光電模塊安裝在凹槽中。使該屋頂瓦的屋檐側(cè)部分的上表面形成為與光電模塊的上表面齊平，二者之間基本上不形成任何臺(tái)階。在左邊緣和右邊緣部分，屋頂瓦的上表面凸出于光電模塊的上表面?，F(xiàn)有技術(shù)描述了使雨水在屋頂瓦表面上平穩(wěn)流動(dòng)的布置，不過排出的是已經(jīng)進(jìn)入過屋頂瓦凹槽的雨水。
現(xiàn)有的聯(lián)合PV溶液所常用的方法是切割周圍的瓦以適應(yīng)PV嵌板并安裝防水板，以使裝置不透水。這一方法不僅美觀性有所不足，還需要額外的勞動(dòng)和專業(yè)技術(shù)，使人工成本和材料成本都得到增加。

發(fā)明內(nèi)容
除非上下文中指出相反的意義，否則詞語"包含"及其"包含"部分應(yīng)被認(rèn)為是非排他性的。
本發(fā)明的一個(gè)方面主要在于一種太陽能收集裝置，所述裝置包含支持太陽能收集吸熱器的主體、使所述主體與基體嚙合的裝配部件和為將所述吸熱器與其它太陽能收集裝置功能性集成以形成太陽能收集系統(tǒng)而選擇的連接器。
所述基體可以是屋頂結(jié)構(gòu)等。例如，可將主體配置為與鋪瓦的屋頂結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)瓦相結(jié)合。作為另一種選擇，也可以將主體配置為固定于屋頂結(jié)構(gòu)等之上。主體也可以附加在現(xiàn)有屋頂結(jié)構(gòu)的上方。作為另一種選擇，可以用主體替代至少部分屋頂覆層。
主體可以包含圍繞吸熱器的透明正面?？梢允褂猛该鞯木厶妓狨ァ⒈┧針渲蜾摶Ａ纬芍黧w，根據(jù)耐用性、透明度/紫外線穩(wěn)定性、耐模糊性和沖擊韌性進(jìn)行最終材料的選擇。例如，聚碳酸酯己被證明是用作透明的屋頂覆層和透明天窗設(shè)施的優(yōu)異材料，其產(chǎn)品例如有波紋狀頂板，所述頂板在經(jīng)常暴露于太陽和惡劣天氣的情況下仍保持透明和韌性。因此，優(yōu)選的材料是聚碳酸酯。由于該材料具有柔韌性，因此，當(dāng)因諸如安裝人員走上元件中間等誤操作而使主體遭受極端負(fù)載時(shí)，元件的主體會(huì)形成可使太陽能構(gòu)件突出而非斷裂的底板。這將為消費(fèi)者節(jié)省昂貴的備件，并可以防止安裝人員穿過房頂覆層而墜落。太陽能元件與主體的裝配可以通過簡單的"推入卡緊"(push-in， snap-tight)配合實(shí)現(xiàn)。
可以采用透鏡和/或反射鏡來適應(yīng)太陽光線角度的變化和/或起到聚 光器的作用?？梢詫⑺鼈兘Y(jié)合或添加到主體的外部透明正面上。例如， 正面可以結(jié)合諸如棱鏡或雙凸透鏡部件等整體式聚光元件。它們適于沿 所用正面的斜度縱向布置。當(dāng)屋頂?shù)男倍冗_(dá)到用于給定緯度的聚光器的 理想角度時(shí)，使雙凸透鏡聚光器與交叉于斜度布置的恒定透鏡部件對齊 意味著聚光器在一天的絕大部分時(shí)間都是有效的。正面可以具有經(jīng)處理 的外表面以減少反射。正面的內(nèi)表面可以是反射性內(nèi)表面。
主體可以具有與建筑物的表面相對并且可拆卸地嚙合的第一表面， 和聚集光線的暴露的集熱表面——第二表面，它們一起界定出一個(gè)內(nèi)部 空間。主體可以包含沿第一邊緣的配對齒廓，和沿第二相對邊緣的相應(yīng) 配對齒廓。沿第一邊緣的配對齒廓可以是凸齒廓(male profile),沿第二 邊緣的配對齒廓可以是凹齒廓(femaleprofile)。
裝配部件可以適于附著在屋頂瓦上。當(dāng)裝置為類瓦元件形式時(shí)，安 裝人員可以使用用于鋼和聚碳酸酯屋頂覆層安裝的屋頂螺絲將各瓦狀元 件固定在屋頂板條上。本發(fā)明的聚碳酸酯瓦狀元件可以輕至1 kg，這比 常規(guī)混凝土瓦輕很多。屋頂螺絲的使用能夠提供錨定，防止瓦狀元件因 快速刮過屋頂表面的風(fēng)而隆起。
吸熱器可以配置為吸收寬帶太陽輻射。即，吸熱器優(yōu)選接近熱力學(xué) 黑體。吸熱器可以包含吸熱板，所述吸熱板結(jié)合包含環(huán)繞諸如熱水箱等 熱存儲(chǔ)器中的遠(yuǎn)程熱交換器的冷卻劑循環(huán)陣列。優(yōu)選限制系統(tǒng)壓力，以 降低對連接器等的技術(shù)要求，為此，系統(tǒng)優(yōu)選為與吸熱器上方的熱存儲(chǔ) 器一起運(yùn)轉(zhuǎn)的溫差環(huán)流系統(tǒng)。否則，需要具備正排量系統(tǒng)，所述正排量 系統(tǒng)優(yōu)選在最低壓力下運(yùn)轉(zhuǎn)，以降低泄露的風(fēng)險(xiǎn)。然而，當(dāng)確實(shí)發(fā)生泄 露時(shí)，水系統(tǒng)仍然位于屋頂襯墊材料/防潮層之上，屋頂襯墊材料/防潮層 鋪設(shè)在適當(dāng)位置，用以輔助普通瓦抵御攜風(fēng)而來的雨水?？梢酝ㄟ^監(jiān)測 壓力或頂空流體來檢測泄露。
吸熱器可以與諸如PV電池等光電元件連接。吸熱器可以適于吸收 入射的太陽輻射，并通過連接器將熱量轉(zhuǎn)移到循環(huán)流體系統(tǒng)和裝配在吸熱器上的光電元件，以控制光電元件的溫度。可以選擇光電元件的光敏 部分和吸熱器之間的界面，使其能夠以至少基本超過光電元件吸收帶寬 的帶寬來反射太陽輻射。
主體可以包含同時(shí)包封吸熱器和光電電池的透明正面。作為另一種 選擇，正面基本上可以由光電元件包圍。太陽能收集元件可以以包圍的 方式被密封在所述主體內(nèi)。為了降低熱循環(huán)壓力和入射陽光的浪費(fèi)反射， 可以盡量減少密封裝置的主體內(nèi)部的空隙空間。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，對于所有類型的PV材料(單晶、多晶和無定
形)以及它們各自的襯底材料，空隙空間間隙例如可以設(shè)置為4mm。
光電元件可以包括能夠與吸熱器集成并且由此能夠根據(jù)溫度進(jìn)行調(diào) 節(jié)的任何光電元件。例如，光電元件可以選自裝配在反射基質(zhì)上的薄膜 材料。優(yōu)選將光電元件緊密地?zé)徇B接于吸熱器上。例如，類瓦主體可以 支持例如4個(gè)串聯(lián)的125 mm的多晶PV電池，從而在2.5伏 7.6伏下產(chǎn) 生8瓦 10瓦的功率。
吸熱器可以起到固定于PV電池背部的熱交換器的作用。其優(yōu)點(diǎn)在 于使PV電池產(chǎn)生的廢熱成為額外的熱能來源。以此方式從電池中引出熱 量使得電池可以在較低的溫度下工作，而在較低溫度下電池效率最高。 電池制造通常在25攝氏度 30攝氏度的溫度評估電池功率輸出。實(shí)際中， 由于電阻加熱和吸熱，大多數(shù)電池都在高于此范圍很多的溫度范圍內(nèi)工 作，因此從來都不以全電勢工作。熱集成PV電池和吸熱器/熱交換器意 味著電池可以在比較恒定的溫度工作。通過利用廢電阻熱和PV吸收熱來 加熱冷卻劑，以便將熱量傳送到例如熱水系統(tǒng)，可以通過降低加熱家用 熱水所需的能量而獲得一些好處。PV電池對于吸熱器的掩蔽效應(yīng)得到改 善。
因此，優(yōu)選將光電元件緊密地?zé)徇B接于吸熱器。優(yōu)選選擇光電元件 的光敏部分和吸熱器之間的界面，使其能夠以至少基本超過光電元件吸 收帶寬的帶寬來反射太陽輻射。通過這種方式，光敏材料可以與已經(jīng)通 過入射的材料的具有充分能量的反射光子相互作用。
元件的模塊性質(zhì)提供了使用大范圍的太陽能電池技術(shù)的選擇，例如
ii多晶或單晶光電(pv)元件；無定形pv;銀電池pv;和化學(xué)染料人工 光合作用(dyesol)。這確保了元件將始終為用戶提供最新的太陽能電源
選擇，并為制造商提供容易更新的平臺(tái)來工作。
在本發(fā)明的特定實(shí)施方式中，裝置包含適于配合現(xiàn)有瓦齒廓的可拆 卸瓦狀元件，所述瓦狀元件與類瓦元件一起形成太陽能電池陣列。這些 實(shí)施方式代表了一種利用太陽能瓦狀元件的可拆卸設(shè)備在建筑物表面上 進(jìn)行太陽能發(fā)電的方法?？刹鹦兜奶柲芡郀钤梢园缍▋?nèi)部空 間的聚碳酸酯主體，在所述內(nèi)部空間中配備有至少一個(gè)太陽能電池、吸 熱器和相關(guān)的電和水連接器。
元件可以是具有主體的覆層元件，所述主體具有與建筑物表面相對 并可拆卸地嚙合的第一表面和聚集光線的上部暴露的集熱表面——第二 表面，第一表面和第二表面一起界定出內(nèi)部空間，所述內(nèi)部空間包含至 少一個(gè)光電電池，瓦狀附件或覆層進(jìn)一步包含沿第一邊緣的配對齒廓和 沿第二相對邊緣的相應(yīng)配對齒廓。覆層元件可以與相鄰屋頂瓦嚙合，使 得覆層元件的上表面與屋頂瓦齒廓相連。覆層元件可以具有允許與波紋 狀或其它覆層板齒廓相配合的齒廓。
對太陽光敏感的組件可以夾在形成主體的聚碳酸酯的相對板之間。 作為另一種選擇，對太陽光敏感的組件可以層壓在聚碳酸酯板的表面上。
可以組合多個(gè)太陽能元件，形成覆蓋已有的屋頂?shù)母矊?。除了提?太陽光聚光器之外，集成的元件還可以提供屋頂?shù)牡诙矊?，對于新?或改型的裝置也無需進(jìn)行修改。元件可以簡單地裝配在已有的屋頂上， 并與至少一個(gè)相鄰元件相互鎖定，從而形成第二覆層和太陽光聚光器。 元件只是被簡單地安裝在新的或已有的屋頂結(jié)構(gòu)上，由此降低了安裝成 本，并允許房屋主人將元件安裝在例如瓦屋頂上。
太陽能收集系統(tǒng)可以包含多個(gè)上述太陽能收集裝置。太陽能收集系 統(tǒng)可以由包含光電電池的太陽能收集裝置形成，其中連接包括并聯(lián)的電 連接?？梢酝ㄟ^任何適當(dāng)?shù)姆椒▽⒃c電纜束并聯(lián)電連接。例如，可 以通過卡入式電連接器將元件并聯(lián)電連接。并聯(lián)連接可以在串聯(lián)連接的
所述太陽能收集裝置組之間進(jìn)行。當(dāng)電纜束電壓被選擇為高于國家pv電池電壓時(shí)，為減小導(dǎo)體尺寸和/或提供較高的電壓儲(chǔ)存系統(tǒng)，此法尤其適 用。
本發(fā)明的另一方面主要在于一種太陽能收集系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包含多 個(gè)組裝的太陽能元件，每一個(gè)所述元件的特征均在于具有支持適于吸收
入射太陽輻射的吸熱器元件的主體；安裝在所述吸熱器上的光電元件， 所述吸熱器控制所述光電元件的溫度并將熱量傳送到與其它所述太陽能 元件的吸熱器共用的循環(huán)流體陣列中；和所述光電元件的光敏部分和吸 熱器之間的界面，選擇所述界面從而以至少基本超過所述光電元件吸收 帶寬的帶寬來反射太陽輻射。
循環(huán)流體陣列可以包含通過任何適當(dāng)方式來自每一元件的流體連 接。連接于流體循環(huán)系統(tǒng)的吸熱器通常具有進(jìn)口連接和出口連接。它們 可以是從每一元件到分別連接于溫差環(huán)流系統(tǒng)集水管的熱側(cè)和冷側(cè)的雙 層管的流體連接。流體連接可以通過適于刺穿雙層管的自密封穿刺連接 器實(shí)現(xiàn)。循環(huán)流體系統(tǒng)可以涉及大熱容量熱交換液體的使用。液體可以 是包括水性液體、油質(zhì)液體或乙二醇液體在內(nèi)的任何合適的熱交換液體。
本發(fā)明的又一方面主要在于， 一種包含多個(gè)組裝的太陽能收集裝置 的太陽能收集系統(tǒng)，每一個(gè)吸熱器元件通過連接器將熱量傳送至與其它 太陽能收集裝置的吸熱器共用的循環(huán)液體陣列。
本發(fā)明的再一方面在于一種太陽能收集裝置，所述裝置包含
吸熱器的主體，所述吸熱器的主體支持適于吸收入射太陽輻射、通 過液體連接器將熱量傳送到循環(huán)流體系統(tǒng)并控制安裝在所述吸熱器上的 光電元件的溫度，所述主體包含包封所述吸熱器和光電電池的透明正面；
位于所述主體上并與經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)鋪瓦的屋頂結(jié)構(gòu)嚙合以替換屋頂結(jié)構(gòu)的 一些標(biāo)準(zhǔn)瓦的互補(bǔ)邊緣配對齒廓；和
可與電線束連接的電連接器。
電連接可以通過諸如卡入電連接器等簡單安裝的方式與電纜束并 聯(lián)。這種連接器的一個(gè)實(shí)例是自動(dòng)型二極連接器卡口連接器。循環(huán)流體 系統(tǒng)可以包含分別連接于溫差環(huán)流系統(tǒng)集水管的熱側(cè)和冷側(cè)的雙層管。 電連接和循環(huán)流體連接可以集成在一個(gè)物理連接器中。流體連接可以通過適于刺穿雙層管的自密封穿刺連接器實(shí)現(xiàn)。循環(huán)流體系統(tǒng)和電線束可 以各自連接于多個(gè)其它太陽能收集裝置，從而形成太陽能收集系統(tǒng)。
對于本發(fā)明的實(shí)施方式，可以優(yōu)化殼體材料、背板材料、PV電池反 射材料、密封劑折射率、流體溫度和流量控制，以便在一定太陽能條件 范圍內(nèi)同時(shí)產(chǎn)生最大量的PV電輸出和最大量的總能量(熱和太陽能 PV)。可以通過下述方式優(yōu)化對輻射的太陽能的捕獲使用在可見光譜范 圍內(nèi)，特別是在光譜的紅色部分和綠色部分之間具有優(yōu)異透射特性的殼 體材料，使用內(nèi)側(cè)具有反射材料的經(jīng)處理以降低反射的外表面，從而引 起光線的內(nèi)部反射，所述光線進(jìn)而通過來自基體的太陽能電池材料反射。 太陽能PV電能捕獲可以通過一起使用薄膜技術(shù)與基體上的反射材料而 優(yōu)化。總熱能捕獲可以通過利用適當(dāng)?shù)脑噭㈦姵鼗w的基部緊密熱粘 合在冷卻套管上和使冷卻管為暗黑顏色而優(yōu)化。熱傳遞可以通過選擇能 使先由電池材料到冷卻劑再到熱水儲(chǔ)存單元的熱傳遞最大化的冷卻劑溫 度而優(yōu)化。
可以根據(jù)客戶對于能量和熱水的需要，使元件充分模塊化，并使本 領(lǐng)域技能較低的人員都能容易地組裝。每一元件均可制成密封單元，并 可與兩個(gè)電引線和兩個(gè)流體管道連接相配合。根據(jù)各個(gè)元件的輸出電壓， 通過利用雙導(dǎo)線電纜線路和在每個(gè)連接點(diǎn)處使用卡入式電連接器，每行 一個(gè)電纜線路，并依次并聯(lián)連接到換流器或電池充電系統(tǒng)的最后一個(gè)電 纜線路，可以并聯(lián)連接所述元件。連接可以是簡單的"卡入"式裝配， 并且可以在低電壓下操作，無需使用獲得許可的技工。
流體連接可以與電連接類似。"熱"管道和"冷"管道可以連接于雙 層管線路，后者又可以連接于通向物理位置接近屋頂結(jié)構(gòu)頂部的熱流體 集水管的"熱"管和"冷"管，通過它們，"熱"管和"冷"管進(jìn)而可以 通向熱水儲(chǔ)存單元及其相關(guān)的熱交換器。通過利用并聯(lián)，可以選擇任何 數(shù)量的元件來滿足客戶的需求和預(yù)算，而無需使電和流體設(shè)計(jì)復(fù)雜化。
可將元件與冷卻劑流體和電連接充分集成，所述冷卻劑流體和電連 接均由設(shè)計(jì)并生產(chǎn)為完整的單一單元的外殼/PV電池/基體/冷卻套管充分 密封，以確保使用壽命最長和可靠性最強(qiáng)。內(nèi)部機(jī)件(PV電池和冷卻劑套管)可以由外殼完全包圍，如前所述，外殼可以是頂面透明的，但底 部并非必須透明。只有兩個(gè)電引線和流體管需要突出于殼體之外。在生產(chǎn) 過程中可以充分密封，以防止?jié)駳膺M(jìn)入和防止元件在現(xiàn)場發(fā)生意外損壞。 裝配后，需要電工來連接換流器和柵極接線。
聚碳酸酯元件可以切割成屋脊和屋頂排水槽的形狀，以便更多地覆 蓋現(xiàn)代屋頂構(gòu)造。作為另一種選擇，可以使用元件提供集成的天窗陣列。
本發(fā)明的實(shí)施方式可以使元件適于具有不同種類或品牌的屋頂瓦齒 廓(包括混凝土瓦)的多種屋頂設(shè)計(jì)。垂直瓦板條規(guī)格和水平搭疊的變 化導(dǎo)致"布局漸變"，它意味著當(dāng)插入到已有的布局中時(shí)，由可能覆蓋若 干片瓦的空間的元件形成的較大的嵌板會(huì)因累積誤差而無法對齊。該未 對齊現(xiàn)象也會(huì)因相同混凝土瓦齒廓的不同制造商批次中存在的輕微差異
而出現(xiàn)，在不利用使得每一嵌板能夠度身定做的復(fù)雜的脫模布置(snap-off arrangement)的情況中，這使得難以獲得通用的解決方案。對于每-齒 廓，在瓦板條上方的上交迭和下交迭的高度也不相同，當(dāng)不同的齒廓并 排鋪設(shè)時(shí)也不會(huì)形成正確的配合。
本發(fā)明的實(shí)施方式可以降低太陽能裝置安裝的勞動(dòng)成本。本發(fā)明的 實(shí)施方式可以提供用于裝配到屋頂瓦上的可拆卸元件，所述可拆卸元件 可以無縫裝配到現(xiàn)有瓦齒廓形狀上。
本發(fā)明到實(shí)施方式可以提供下述太陽能電池元件，所述元件極其符 合將要裝配該元件的瓦的尺寸，并且修正了如果不用該元件則可能由水 平和垂直的上交迭產(chǎn)生的累積誤差，由此提供緊密的配合，使得元件能 夠精確地滿足現(xiàn)有屋頂瓦的布局。


下面將根據(jù)優(yōu)選但非限制性的實(shí)施方式并參考以下附圖更詳細(xì)地描 述本發(fā)明，其中
圖1顯示的是利用根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的太陽能電池元件陣 列的典型太陽能裝置的示意性布局；
圖2顯示的是根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式的太陽能元件組件的分解圖；圖3顯示的圖2所示的太陽能元件組件的底部分解圖4是本發(fā)明的典型的密封組件的剖面圖5是本發(fā)明的太陽能陣列的電連接的示意圖6是本發(fā)明的太陽能陣列的循環(huán)流體連接的示意圖；和
圖7是用于圖6所示的陣列中的典型的流體連接聚合物管的剖面圖。
具體實(shí)施例方式
圖1所示的布置包括具有屋頂2的住宅1，屋頂2具有位于其上的 PV/熱太陽能電池元件的陣列3，它接收太陽光4。在放大的構(gòu)造5中顯 示了陣列3，它包含若干組元件6、 7、 8和9。水源10通過入口管道12 為熱交換器11提供冷水來源。交換器11通過冷卻劑管線13將冷卻劑傳 送到元件6、 7、 8和9。元件6和7與元件8和9并聯(lián)。冷卻劑管線13 使增壓的冷卻劑返回?zé)峤粨Q器，熱交換器加熱水并通過管線14將熱水傳 送到熱水箱15以供房屋1使用。截至現(xiàn)在所描述的系統(tǒng)與產(chǎn)生熱水的已 知太陽能系統(tǒng)相似，不同之處在于，實(shí)施方式中所顯示的元件6、 7、 8 和9適于現(xiàn)有的瓦屋頂。
在能源方面，房屋1 一般通過包含常規(guī)儀表和斷路器/主開關(guān)組件的 開關(guān)組件17由電力網(wǎng)交流電網(wǎng)提供服務(wù)，所述電網(wǎng)由發(fā)電站16象征性 代表。然而，開關(guān)組件17還具有來自將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的換流器組 件18的輸入，換流器組件18包括適于以來自陣列元件6、 7、 8和9的 由PV產(chǎn)生的電流進(jìn)行充電的蓄電池。換流器組件18被配置為通過并聯(lián) 電路19在各個(gè)陣列元件6、 7、 8和9的負(fù)載電壓下接收電流。在需要時(shí) 利用通過電纜30的電源電流使熱水儲(chǔ)存器15升壓。換流器組件18包含 開關(guān)單元，當(dāng)儲(chǔ)存器己滿和家庭需求少于陣列元件6、 7、 8和9的輸出 時(shí)這一單元將發(fā)揮作用，使同相的電源電壓交流電通過開關(guān)組件17和輸 電線31返回電網(wǎng)16。
圖2顯示的是根據(jù)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式的太陽能元件組件20的分解 圖。太陽能元件20包含具有內(nèi)表面22和外表面23的外殼21，它界定了 接受光電電池24并將光電電池24保持于其中的內(nèi)部空間。電池24包含
16直流電連接線25和26，它們?yōu)樘柲茉?0提供了連接電路。組件20 進(jìn)一步包含聚合物熱交換容器27和聚合物管28。所述組件具有使其能夠 結(jié)合到屋頂結(jié)構(gòu)中的側(cè)齒廓32、 33，通過單個(gè)板條螺絲29，每個(gè)元件都 可以固定在屋頂板條上。圖3代表的是具有相應(yīng)編號的圖2的底部視圖 或倒置的視圖。
圖4顯示的是本發(fā)明的典型的密封部件，其中聚碳酸酯主體包含形 成密封空間的背部61、側(cè)壁部分62和正面部分63。在所述密封空間中 存在其上緊密熱連接有pv電池65的吸熱器64， PV電池65包含n型層、 p型層和墊層(為清晰起見夸大了比例)。正面部分63的內(nèi)面66通過涂 層而較具反射性。正面部分63的外表面具有以其形成的整體式棱鏡聚光 器67。電池65周圍的空隙空間填滿了透明的密封劑68。
圖5顯示的是包含多個(gè)類瓦太陽能元件70的太陽能系統(tǒng)的電源連 接，每一個(gè)類瓦太陽能元件70均具有雙芯電連接引入線71，其終端連接 有二極卡入式連接器72。屋頂板條支持"8字形"的雙芯電纜73，它適 于通過卡入式連接器72的絕緣穿刺元件嚙合。另一個(gè)連接器74將每一 個(gè)板條電纜73連接到在76處與蓄電池儲(chǔ)能器和/或換流器相迮的千線電 纜75上。
圖6顯示的是太陽能系統(tǒng)的循環(huán)流體連接，其中每一個(gè)類瓦太陽能 元件70均具有尾部配對在一起并且分別連接于耐熱塑料的雙層管歧管裝 置81的熱孔和冷孔的熱冷卻劑導(dǎo)管77和冷冷卻劑導(dǎo)管80。連接通過77 和80尾部的自穿剌終端實(shí)現(xiàn)。循環(huán)通過溫差環(huán)流系統(tǒng)進(jìn)出集水箱82。集 水箱82通過熱交換管道83加熱遠(yuǎn)程熱水儲(chǔ)存器。圖7的剖面圖中圖示 了雙層管歧管裝置81，其中具有在其上進(jìn)行穿刺連接的平面84的部分可 以是密封墊，而方形孔85應(yīng)確保具有一致的壁厚。穿刺連接包含適于勾 住雙層管歧管裝置的背部平面以保持連接的固定銜套(retaining lug)。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識到，可以對在此概括性地描述的本發(fā)明進(jìn) 行大量改變和修改，而不偏離此處所述和所附權(quán)利要求所規(guī)定的本發(fā)明 的要旨和范圍。
權(quán)利要求
1. 一種太陽能收集裝置，所述裝置包含支持太陽能收集吸熱器的主體、使所述主體與基體嚙合的裝配部件和為將所述吸熱器與其它太陽能收集裝置功能性集成以形成太陽能收集系統(tǒng)而選擇的連接器。
2. 如權(quán)利要求1所述的太陽能收集裝置，其中，所述基體為屋頂結(jié)構(gòu)。
3. 如權(quán)利要求2所述的太陽能收集裝置，其中，所述主體被配置為與鋪瓦的屋頂結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)瓦結(jié)合為一體。
4. 如權(quán)利要求2所述的太陽能收集裝置，其中，所述主體替代至少部分屋頂覆層。
5. 如權(quán)利要求l所述的太陽能收集裝置，其中，所述主體包含圍繞 所述吸熱器的透明正面。
6. 如權(quán)利要求5所述的太陽能收集裝置，其中，所述透明正面包含 整體式聚光元件。
7. 如權(quán)利要求6所述的太陽能收集裝置，其中，所述整體式聚光元 件包含適于沿所用的所述正面的斜度縱向布置的棱鏡或雙凸透鏡部分。
8. 如權(quán)利要求5所述的太陽能收集裝置，其中，所述正面具有經(jīng)處 理以降低反射的外表面和/或反射性的內(nèi)表面。
9. 如權(quán)利要求1所述的太陽能收集裝置，其中，所述主體具有與建 筑物的表面相對并且可拆卸地嚙合的第一表面，和聚集光線的暴露的集 熱表面一一第二表面，所述第一表面和第二表面一起界定內(nèi)部空間。
10. 如權(quán)利要求1所述的太陽能收集裝置，其中，所述主體包括沿 第一邊緣的配對齒廓，和沿第二相對邊緣的相應(yīng)配對齒廓。
11. 如權(quán)利要求10所述的太陽能收集裝置，其中，沿第一邊緣的所 述配對齒廓為凸齒廓，沿第二邊緣的所述配對齒廓為凹齒廓。
12. 如權(quán)利要求11所述的太陽能收集裝置，其中，所述配對齒廓為 標(biāo)準(zhǔn)屋屋頂瓦配對齒廓。
13. 如權(quán)利要求1所述的太陽能收集裝置，其中，所述吸熱器被配置為吸收寬帶太陽輻射。
14. 如權(quán)利要求13所述的太陽能收集裝置，其中，所述吸熱器包含 吸熱板，所述吸熱板結(jié)合包含環(huán)繞熱存儲(chǔ)器中的遠(yuǎn)程熱交換器的冷卻劑 循環(huán)陣列。
15. 如權(quán)利要求1所述的太陽能收集裝置，其中，所述吸熱器與光 電元件相關(guān)聯(lián)。
16. 如權(quán)利要求15所述的太陽能收集裝置，其中，所述吸熱器適于 吸收入射的太陽輻射，并通過所述連接器將熱量轉(zhuǎn)移到循環(huán)流體系統(tǒng)， 裝配在所述吸熱器上的所述光電元件能夠控制所述光電元件的溫度。
17. 如權(quán)利要求15所述的太陽能收集裝置，其中，所述光電元件的 光敏部分和所述吸熱器之間的界面被選擇為以至少基本超過所述光敏元 件吸收帶寬的帶寬來反射太陽輻射。
18. 如權(quán)利要求15所述的太陽能收集裝置，其中，所述主體包含同 時(shí)包封所述吸熱器和光電電池的透明正面。
19. 如權(quán)利要求18所述的太陽能收集裝置，其中，所述太陽能收集 元件以包圍的方式被密封在所述主體內(nèi)。
20. 如權(quán)利要求19所述的太陽能收集裝置，其中，所述主體內(nèi)部的 空隙空間被最小化。
21. 如權(quán)利要求15所述的太陽能收集裝置，其中，所述光電元件緊 密地?zé)徇B接于所述吸熱器。
22. 如權(quán)利要求15所述的太陽能收集裝置，其中，所述光電元件選自多晶或單晶光電(PV)元件；無定形PV元件；銀電池PV元件；和化學(xué)染料人工光合作用(dyesol)元件。
23. 如權(quán)利要求15所述的太陽能收集裝置，所述裝置包含能夠與類 瓦元件一起形成太陽能電池陣列的可拆卸瓦狀元件，所述可拆卸太陽能 瓦狀元件包含界定內(nèi)部空間的聚碳酸酯主體，并且在所述內(nèi)部空間中安 裝有至少一個(gè)作為所述光電元件的太陽能電池、所述吸熱器和相關(guān)的電 連接器和水連接器。
24. 如權(quán)利要求15所述的太陽能收集裝置，所述裝置包含具有主體的鋪層元件，所述主體具有與建筑物表面相對并可拆卸地嚙合的第一表 面和聚集光線的上部暴露的集熱表面一一第二表面，所述第一表面和第 二表面一起界定內(nèi)部空間，所述內(nèi)部空間包含至少一個(gè)光電電池，瓦狀 附件或覆層進(jìn)一步包含沿第一邊緣的配對齒廓和沿第二相對邊緣的相應(yīng) 配對齒廓。
25. —種包含權(quán)利要求1至24中任一項(xiàng)所述的裝置的互聯(lián)陣列的太 陽能收集系統(tǒng)。
26. 如權(quán)利要求25所述的太陽能收集系統(tǒng)，其中，每一個(gè)所述吸熱 器均具有分別連接于包含溫差環(huán)流系統(tǒng)集水管的流體循環(huán)系統(tǒng)的熱側(cè)和 冷側(cè)的入口連接和出口連接。
27. 如權(quán)利要求26所述的太陽能收集系統(tǒng)，其中，所述流體連接由 適于刺穿包含循環(huán)系統(tǒng)的雙層管的自密封穿刺連接器制成。
28. —種包括多個(gè)組裝的太陽能收集裝置的太陽能收集系統(tǒng)，每一 個(gè)吸熱器元件通過連接器將熱量傳送至與其它太陽能收集裝置的吸熱器 共用的循環(huán)流體陣列。
29. —種太陽能收集系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括多個(gè)組裝的太陽能元件， 每一個(gè)所述元件的特征均在于具有支持適于吸收入射太陽輻射的吸熱器 元件的主體；安裝在所述吸熱器上的光電元件，所述吸熱器控制所述光 電元件的溫度并將熱量傳送到與其它所述太陽能元件的吸熱器共用的循 環(huán)流體陣列；和所述光電元件的光敏部分和吸熱器之間的界面，選擇所 述界面從而以至少基本超過所述光敏元件的吸收帶寬的帶寬來反射太陽 輻射。
30. —種太陽能收集裝置，所述裝置包括吸熱器的主體，所述吸熱器的主體支持適于吸收入射太陽輻射、通 過流體連接器將熱量傳送到循環(huán)流體系統(tǒng)并控制安裝在所述吸熱器上的 光電元件的溫度，所述主體包包封繞所述吸熱器和光電電池的透明正面；位于所述主體上并與標(biāo)準(zhǔn)瓦屋頂結(jié)構(gòu)嚙合以替換所述屋頂結(jié)構(gòu)的一 些標(biāo)準(zhǔn)瓦的互補(bǔ)邊緣配對齒廓；和能夠與電線束連接的電連接器。
31. 如權(quán)利要求30所述的太陽能收集系統(tǒng)，其中，所述電連接是通 過卡入式電連接器與所述電纜束并聯(lián)。
32. 如權(quán)利要求30所述的太陽能收集系統(tǒng)，其中，所述電連接和循 環(huán)流體連接被集成為一個(gè)物理連接器。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種包含透明的聚碳酸酯主體(21)的太陽能收集裝置(20)，所述聚碳酸酯主體包含透明正面(23)且支持適于吸收入射的太陽輻射的吸熱器(27)。吸熱器(27)通過流體連接器(28)將熱量傳送到循環(huán)流體系統(tǒng)，另外還控制安裝在吸熱器(27)上并通過電連接器(25、26)連接于電線束的光電元件(24)的溫度。聚碳酸酯主體(21)具有可與經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)鋪瓦的屋頂結(jié)構(gòu)相嚙合的互補(bǔ)型邊緣配對齒廓(32、33)，因而可以替換屋頂結(jié)構(gòu)的一些標(biāo)準(zhǔn)瓦，并可以通過板條螺絲(29)以常規(guī)方式固定在屋頂板條上。
文檔編號E04D13/18GK101523000SQ200780036294
公開日2009年9月2日 申請日期2007年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月28日
發(fā)明者基思·米切爾, 塞巴斯蒂安·布拉特 申請人:B-波茨控股有限公司