具有集成光电模块的型面屋顶瓦的制作方法

专利名称：具有集成光电模块的型面屋顶瓦的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于产生电能的太阳能电池板，更特别地，涉及集成 到型面(波状外形)屋顶瓦的太阳能电池组件。
背景技术：
传统的用于产生住宅用电能的太阳能电池板是平的，并且被设置 在在正午时面对阳光的屋顶的一部分上。最初，太阳能电池板安装在 现有屋面材料(例如，木瓦)的上方，并且将通常缺乏美感的附加物 形成于住宅。在一些地区，不允许使用太阳能电池板，这是因为它形 成了缺乏美感的外观。最近研发的太阳能电池板在尺寸和外形上被构 造成可直接安装于底层屋顶结构，用以代替平的屋面材料(例如，平 的混凝土瓦)，这样，太阳能电池板提供了双重用途，即响应于日光来 发电，并且在以美学上令人喜爱的方式接合到屋面系统中的同时，还 可防止水汽入侵。由于常规太阳能电池板的平面特性，因此，这种平的太阳能电池 板可容许作为主要屋面材料用于具有平屋瓦的屋顶；然而，当将平的太阳能电池板安装在利用型面(例如，波状外形的非平的瓦)以其它 方式所防护的屋顶上时，太阳能电池板所占据的平的区域在视觉上将 突出。正如这里所使用的那样，型面瓦(例如，非平的或波状外形的 瓦)指的是例如"S形，，瓦，型面高度不大的瓦，以及类似的具有较低 部分(例如，在主视图中的凹进部分)和形成了交替的峰和谷的较高 部分(例如，在主视图中的凸起部分)的非平的瓦。这种瓦同样被称 为"型面"瓦，从而将这些瓦与常规的平瓦区分开。当将这种型面(波状外形的)瓦安装在屋顶上时，型面瓦的每一个接连的纵向列(course) 的下部与前一列的上部重叠，同时在较高行中的型面瓦的凸起部分(例如，峰)装配在较低行中的型面瓦的凸起部分之上，并且在较高列中 的型面瓦的谷装配在较低列中的型面瓦的谷中。因此，太阳能电池板 的平的部分与周围的型面瓦相比明显突出。平的太阳能电池板在型面瓦和平的太阳能电池板之间形成了显著 的结构。特别的，由重叠瓦提供的防水连续性在每一个过渡带被中断， 这是因为太阳能电池板不具有与下一个较低行中的型面瓦的轮廓相一 致的轮廓。发明内容描述在这里并示于附图中的型面(波状外形)太阳能电池板瓦使 得该发电太阳能电池板能被包括在与任何传统型面瓦的无缝应用中， 这是因为该太阳能电池板被嵌入在传统型面瓦的形状和尺寸中，例如混凝土或粘土"s形，，瓦，型面高度不大的混凝土瓦，或由其它材料构造的或具有其它形状的型面瓦。正如这里的论述，型面太阳能电池板 瓦的尺寸和形状可适合于许多不同制造商制造的型面瓦的尺寸和形 状。该型面太阳能电池板瓦的尺寸和形状能使同一个安装传统型面瓦 的屋顶机械工人在无任何特别工具或紧固件的前提下安装型面太阳能 电池板瓦。特别的，该型面太阳能电池板瓦具有顶峰和低谷，其与相 邻列中的传统瓦(例如，位于型面太阳能电池板瓦上部或下部的传统 瓦)的顶峰或低谷一致。当被安装在同一列中时，该型面太阳能电池 板瓦也能与相邻传统瓦形成互锁或搭接。


根据本发明实施例的特定方面在下面通过参照附图进行描述，其中图l是透视图，示出了第一实施例的型面(波状外形)太阳能电池板瓦和安装到位于传统型面(波状外形)瓦(例如，s形瓦)的屋顶上的相邻型面太阳能电池板瓦的部分；图2是图1中圆圏2内的型面太阳能电池板瓦区域的放大透视图，示出了太阳能电池组件支撑托架内的太阳能电池组件的位置；图3是图1中圆圏3内的型面太阳能电池板瓦区域的放大透视图，示出了图1所示的两个型面太阳能电池板瓦的连接；图4是图3中圆圏4内的两个型面太阳能电池板瓦的连接区域的放大透视图，示出了该两个型面太阳能电池板瓦的太阳能电池组件端部形成了互锁；图5示出了图1中的具有传统混凝土"S形，，瓦的型面太阳能电池 板瓦；图6示出了被构造为具有型面形状和尺寸的型面太阳能电池板 瓦，用于代替多个(例如，三个)传统的粘土"S形，，瓦；图7是通过注塑法构造的第二实施例的型面太阳能电池板瓦的透 视图；图8是根据图7的第二实施例的两个型面太阳能电池板瓦的透视 图，被设置成基板和面板支撑框架形成互锁；图9是从图7的型面太阳能电池板瓦组件的顶部看去的分解透视 图，示出了基板、面板支撑框架、光电板以及接线盒；图IO是从图7的型面太阳能电池板瓦组件的底部看去的分解透视图；图11是图8的两个相邻太阳能电池板瓦的顶视图； 图12是图8的两个相邻太阳能电池板瓦的正视图； 图13是从图11的线13-13截取的图8中的两个相邻太阳能电池 板瓦的断面图；图14是从图11的线14-14截取的图8中的两个相邻太阳能电池 板瓦的断面图；图15是图9的太阳能电池板瓦旋转后的透视图，示出了顶峰中的用来接收太阳能电池板支撑框架的突起的开口；图16是图15中圆圏16内的图9的基板部分的放大透视图；图17示出了根据图7的第二实施例的两行太阳能电池板瓦，其中上一行中的太阳能电池板瓦的下部与下一行中的太阳能电池板瓦的上部搭接；
图18是集成到图1-6的太阳能电池板瓦和图7-17的太阳能电池 板瓦中的光电板实施例的透枧图19是沿图18中线19-19截取的光电板的放大断面图； 图20是图17的光电板的分解透视图21是大体上从第三实施例的型面太阳能电池板瓦的顶部看去 的透视图，它通过注塑法构造而成并具有带防风雨外导体的预先布线 输出模块的光电板；
图22是大体上从图21的第三实施例的型面太阳能电池板瓦的底 部看去的透视图23是从图21的型面太阳能电池板瓦组件的顶部看去的分解透 视图，示出了瓦基、面板支撑框架、光电板以及瓦基中的用于接收光 电板上的输出模块的开口；和
图24是从图21的型面太阳能电池板瓦组件的底部看去的分解透 视图。
具体实施例方式
图1示出了根据本发明的第一型面(波状外形)太阳能电池板瓦 IOOA。图1还示出了定位在第一型面太阳能电池板瓦100A左端部的 第二型面太阳能电池板瓦100B的一部分，和定位在第一型面太阳能 电池板瓦IOOA右端部的第三型面太阳能电池板瓦100C的一部分。图 l还示出了，第四型面太阳能电池板瓦100D的一部分具有下边缘，它 搭接在第二型面太阳能电池板瓦100B和第三型面太阳能电池板瓦 100C的一部分的上边缘之上。
在图1所示的实施例中，型面太阳能电池板瓦100A包括型面结 构110A (这里也称为瓦基)，其被做成合适的尺寸并被成形为与定位 在建筑屋顶上的相邻多个(例如，三个)传统型面瓦("S形，，瓦)114A， 114B, 114C的尺寸和外形大致一致(见图5)。特别的，在所示实施 例中，型面结构110A具有第一端部120A (在图1的左侧)和第二端部122A(在图l的右侧)，所述第一端部和第二端部间隔开与传统型 面瓦安装在屋顶上时三个传统型面瓦U4A, 114B, 114C的宽度所占 据的横向距离相对应的距离(见图5)，并且相互锁定以便在型面瓦之 间提供不透水连接。
在所示实施例中，型面结构110A的宽度为约35英寸，这与三个 12-英寸宽的传统型面瓦("S形"瓦)的总宽度相一致，其中这些型面 瓦在每一个互锁处搭接约0.5英寸。型面结构IIOA的高度(从型面结 构安装于其上的屋顶的斜坡方向看去)为约17英寸，这与图5所示的 传统型面瓦114A， 114B, 114C的高度相一致。
型面结构110A的厚度(从型面结构安装于其上的屋顶的法线看 去)为约3英寸，这与图5所示的传统型面瓦("S形"瓦)114A， 114B， 114C的厚度相一致。
型面结构110A包括位于第一端部120A和第二端部122A之间的 三个内凹谷(低部)130和三个凸峰(高部)132。所述谷和峰在型面 结构110A的下边缘134和上边缘136之间延伸。峰132(例如，横跨 形成峰的圆弧的弦)的宽度从下边缘至上边缘逐渐变细，这样， 一个 型面结构的峰的下边缘可定位在另一个型面结构的峰的上边缘之上。
在所示实施例中，型面结构110A的谷130和132形成为与传统 型面瓦("S形"瓦)的谷和峰具有对应的尺寸和形状。特別的，谷和 峰的尺寸及形状被选择，以使得支撑结构110A可定位成与传统型面 结构具有重叠的关系。例如，这里描述的一行或多行型面太阳能电池 板瓦可被相应数量行的传统型面瓦代替。最下面一行的型面太阳能电 池板瓦与下一个较低行的传统型面瓦搭接。下一个较高行的传统型面 瓦与上面一行的型面太阳能电池板瓦搭接。型面太阳能电池板瓦和传 统型面瓦搭接重叠约3-4英寸，从而与传统的型面瓦行搭接。
尽管图1示出了特定的大小和形状，但是应该理解，型面太阳能 电池板瓦100可被构造为其尺寸和形状与来自许多不同制造商的传统 型面瓦的尺寸和形状相兼容，这样，型面太阳能电池板瓦IOO可按列 安装在该传统瓦之上或之下。型面太阳能电池板瓦IOO还可以与传统瓦以同样的方向安装。例如，在所示实施例中，型面结构110A具有 和三个相邻瓦大致同样的尺寸，例如，三个MNLT"S形"瓦，三个 Eagle"S形"瓦，三个Hanson"S形"瓦，三个Westile" S形，，瓦，或来 自其它制造商的三个"S形"瓦，这允许屋顶机械工人将型面太阳能电 池板瓦100以和传统瓦重叠的关系安装，同时保持屋顶的美学外观。 应该理解，型面太阳能电池板瓦100可被构造为其尺寸和形状与来自 其它制造商的不同传统型面瓦的尺寸和形状一致，以使得型面太阳能 电池板瓦100的轮廓与传统型面瓦的轮廓一致。传统型面瓦可包括混
凝土、粘土、或其它商业上可提供的屋顶材料。例如，型面太阳能电
池板瓦IOO可构造为具有和下型面轮廓瓦(未示出)或一片粘土瓦的 尺寸和形状，例如，图6所示的构造(将在下面讨论)。
如图1所示，第一型面太阳能电池板瓦100A的第一 (左)端部 120A与第二型面太阳能电池板瓦100B的第二 (右)端部122B形成 互锁。第一型面太阳能电池板瓦100A的第二 (右)端部122A与第三 型面太阳能电池板瓦100C的第一 (左)端部120C形成互锁。应该理 解，第一型面太阳能电池板瓦100A的任意一端也将与同时包括传统 型面瓦和型面太阳能电池板瓦的一行瓦片中的传统型面瓦的相对端部 形成互锁。
在图1中，第四型面太阳能电池板瓦100D的第一部分定位在第 一型面太阳能电池板瓦100A的最上部分之上，并且第四型面太阳能 电池板瓦100D的第二部分定位在第三型面太阳能电池板瓦100C的最 上部分之上，以形成连续粘接，其中某一行中的瓦片的互锁端部相对 于相邻行中的瓦片的互锁端部产生偏移。型面太阳能电池板瓦也可以 直线粘接方式安装，其中某一行的相邻瓦片之间的互锁端部与相邻行 中的相邻瓦片的互锁端部对准(见下面参照图17的描述)。在所示实 施例中，瓦片的垂直搭接重叠为约3英寸。搭接重叠可增加到4英寸， 以允许屋顶机械工人调整该搭接重叠，这样，位于屋顶边缘的顶部行 的瓦片将包括全部的瓦片。大体上，型面太阳能电池板瓦IOO可以与 将要被型面太阳能电池板瓦100替代的传统型面屋顶瓦(例如，S形瓦)类似的方式安装。
有利地是，型面太阳能电池板瓦100A的结构110A包括聚氯乙烯 (PVC)塑料材料或其它合适的轻质耐用材料。PVC塑料材料被制造 成具有与相应的混凝土或粘土 "S形"瓦的基色对应的颜色，这样，当 被安装到具有传统"S形"瓦的屋顶上时，型面太阳能电池板瓦的结构 110A与传统"S形"瓦混合。
在附图中进一步示出了，太阳能电池组件支撑托架150A在型面 结构110A的峰132的顶部延伸。特别的，太阳能电池组件支撑托架 150A嵌入在峰132中，这样，太阳能电池组件支撑托架150A的上表 面与峰132的最高点齐平(例如，图3的放大图所示)。太阳能电池组 件支撑托架150A具有与型面结构110A的下边缘相距约0.25英寸的 下边缘，这样，峰132的一部分可抑制太阳能电池组件支撑托架150A 的下边缘。在图1中，太阳能电池组件支撑托架150A沿峰132的高 度为约12.25英寸，宽度为约34.25英寸。例如，太阳能电池组件支撑 托架150A的宽度略微小于型面结构IIOA的宽度。太阳能电池组件支 撑托架150A的高度和宽度可根据型面结构110A的高度和宽度变化， 而型面结构IIOA的高度和宽度可变化以对应被型面结构IIOA的模拟 的三个商业用瓦片的高度和宽度。
在所示实施例中，太阳能电池组件支撑托架150A的厚度为约 0.375英寸，这样，在每一个峰132的最高点，太阳能电池组件支撑托 架150A嵌入到峰132内约0.375英寸。有利地是，太阳能电池組件支 撑托架150A包括PVC塑料或其它适合的材料。在特别有利的实施例 中，太阳能电池组件支撑托架150A包括与型面结构110A同样的材料， 并且形成(例如，通过注模)为型面结构110A的一部分。
太阳能电池组件支撑托架150A大体上为矩形。如图2所示，对 于第二型面太阳能电池板瓦IOOB上的太阳能电池组件支撑托架150B 而言，太阳能电池组件支撑托架150B的中央部分下凹大约0.1875英 寸，以形成深度为0.1875英寸的空腔152。空腔152的高度为约12 英寸，宽度为约34英寸，以便接收具有对应高度和宽度的光电电池组件(太阳能电池组件)160B，并且该太阳能电池组件160B的厚度为约0.1875英寸。太阳能电池组件支撑托架150A的未下凹的外圆周在太阳能电池组件160A的周围形成了厚度为约0.125英寸的壁。太阳能电池组件160A位于太阳能电池组件支撑托架150A的下凹空腔内，其中太阳能电池组件160A的暴露表面与太阳能电池组件支撑托架150A的未下凹的圆周壁共面。太阳能电池组件160A通过合适的胶粘剂(未示出)固定在太阳能电池组件支撑托架150A中。太阳能电池组件支撑托架150A的尺寸和太阳能电池组件160A的尺寸可相应于型面太阳能电池板瓦IOOA试图模拟的传统瓦片的不同尺寸和形状而变化。
太阳能电池组件支撑托架150A接收类似的太阳能电池组件160A。对于第三型面太阳能电池板瓦100C和第四型面太阳能电池板瓦100D,示出了类似的太阳能电池组件160C和160D。每一个太阳能电池组件包括一对导体(未示出)，该导体从相应的太阳能电池组件支撑托架的底部穿过，并且通过位于底层的型面结构。贯穿太阳能电池组件支撑托架材料和型面结构的开口由防水材料密封。来自太阳能电池组件和多个其它太阳能电池组件的导体以传统方式互连，从而将来自太阳能电池组件的电能传递到组合器盒(未示出)。例如，多个太阳能电池组件互连以提供所需的电压。从一组互连太阳能电池组件和多个附加组的互连太阳能电池组件的电压以已知的方式结合在一起，以提供电力来源。
优选地是，太阳能电池组件支撑托架150A的左端部和太阳能电池组件支撑托架150B的右端部互锁在一起。图3和4示出了一个互锁系统，其中太阳能电池组件支撑托架150B的右端部包括形成于其中的凹槽170，太阳能电池组件支撑托架150A的左端部包括对应的舌键172。当相邻的型面结构110定位在屋顶上时，右侧型面结构110的舌鍵172定位在左侧型面结构110的凹槽170中，以帮助保持相邻的太阳能电池组件支撑托架150处于共面关系。更优选的互锁系统示于下面参照图7-17的实施例中。
在美学上，附图中所示的型面太阳能电池板瓦与市场上的其它太阳能电池板瓦不同。特别的，型面太阳能电池板瓦的形状、尺寸和颜
色优选与已知的混凝土或粘土"s形"瓦或具有其它不同型面瓦片的形
状、尺寸和颜色对应。与此相反，当前市场上的"平的"型面太阳能电
池板嵌入到传统的"s形"型面瓦中，该传统的"s形，，型面瓦具有金属
质地的底板和盖子挡水板，以防止水接近垫层。与传统的"平的"型面太阳能电池板不同，型面太阳能电池板瓦不需要特定的挡水板来制造完全防水性的屋顶，这是因为型面太阳能电池板瓦与传统的"s形"型面瓦以和数行传统"s形"型面瓦搭接的方式类似的方式搭接。
从地面向上看屋顶，型面太阳能电池板瓦的轮廓看起来就如同屋顶上没有太阳能电池板瓦一样。当前市场上的其它产品在屋顶上形成
了约3英寸深的平的下凹部，这中断了屋顶系统的轮廓，并且美学上令人感到不太愉悦。
当从地面向上看屋顶时，将太阳能电池组件嵌入到型面太阳能电池板瓦的顶部可有助于将太阳能电池组件隐藏到较低行瓦片的传统混凝土或粘土型面瓦的波状轮廓之后。与此同时，位于型面太阳能电池板瓦的顶峰上的嵌入式太阳能电池组件仍将允许水向下流至连续型面太阳能电池板瓦的"底板"(例如，低谷)中，连续的底板示于图5中。
正如上面的论述，太阳能电池组件也可并入到包括其它轻质材料的塑料瓦或瓦片中，这些材料被构造为具有尺寸、形状和外观的多个(例如，三个)型面高度不大的"地中海型"瓦片，并且其具有较浅的水道。特别的，根据本发明的一个型面太阳能电池板瓦配合到由两个或多个(例如，三个)型面高度不大的瓦片，例如单个传统的型面高度不大的瓦片所占据的空间中。因此，型面高度不大的型面太阳能电池板瓦与传统的型面高度不大的混凝土瓦搭接，并保持峰和鼓的连续性，以保持传统瓦片的整体视觉效果。
太阳能电池组件还可并入到其它结构中，该结构具有模拟其它传统混凝土或粘土屋顶瓦外观的轮廓。例如，图6示出了在笫一列瓦片中具有多个传统单片粘土瓦210、 212、 214和216的屋顶的一部分。位于第二列中的第一型面太阳能电池板瓦220、第二型面太阳能电池板瓦222和第三型面太阳能电池板瓦224相对于第一列中的传统瓦搭接，而形成与相邻列的传统瓦之间的搭接重叠长度大体上相等的搭接重叠长度。第三列中的笫四型面太阳能电池板瓦226与第二列中的两个型面太阳能电池板瓦搭接，以便在所述两列之间形成搭接重叠。型面太阳能电池板瓦220、 222、 224和226包括相应的横跨顶峰的太阳能电池组件230、 232、 234以及236。优选地，每一个太阳能电池组件的高度和宽度被选择以覆盖相应型面太阳能电池板瓦暴露顶峰的绝大部分。正如所示，型面太阳能电池板瓦220的宽度与三个传统单片粘土瓦(例如，第一列中的瓦212、 214和216)的宽度一致。
图7-15示出了根据适于使用注模技术制造的型面太阳能电池板瓦300的详细实施例。如图7的顶视图所示，太阳能电池板瓦300包括S形瓦屋顶基板302。基板302包括上迷用于其它实施例的多个顶峰304、 306、 308和底板312、 314、 316。如图9所示，顶峰304、 306、308具有各自下凹的平的区域322、 324和326，它们被定位以接收太阳能电池阵基板组件330。下凹区域322、 324和326从各自顶峰304、306、 308的顶部向下凹约0.45-0.5英寸。
在优选实施例中，每一个太阳能电池板瓦的基板302从下边缘340至上边缘342的高度为约17英寸，从左侧344至右侧346的宽度为约35.5-36英寸。基板302的高度为约3.4-3.5英寸。
每一个基板302具有左互锁机构350和右互锁机构352。如图8所示，当第一 (左侧)太阳能电池板瓦300A和第二 (右侧)太阳能电池板瓦300B并排设置时，左侧太阳能电池板瓦300A的基板302的右互锁机构352接收右侧太阳能电池板瓦300B的基板302的左互锁机构350，这将导致两个太阳能电池板瓦300A， 300B的基板302搭接约0.8-0.85英寸。由于互锁机构350、 352的搭接，当各基板302按图8所示那样形成互锁时，每一个太阳能电池板瓦300A， 300B的有效宽度为约34.65-35.2英寸。
如图9所示，下凹区域322、 324和326相对于基板302的上边缘342偏移约4.1-4.15英寸，并且从下边缘340处偏移约0.45-0.5英寸，这样，下凹的平的区域的长度为约12.35-12.45英寸，以便接收太阳能电池板组件330。正如所示，下边缘340和上边缘342保持了 S形瓦的轮廓。
如图10的底部视图所示，型面太阳能电池板瓦300的基板302包括多个水平加强胁条360和垂直加强肋条362。肋条360、 362提供了足够的强度，以允许基板302由相对薄一些(例如厚度约0.125英寸)的塑料材料制造。
如图10所示，基板302还包括与传统粘土或混凝土 S形瓦上的间隔肋条对应的多个间隔肋条364 (例如，六个间隔肋条364)，这样，当安装在同一屋顶上时，太阳能电池板S形瓦相对于传统瓦保持了大致相似的垂直位置。例如，每一个间隔肋条364的高度为约0.5英寸，这包括在上述3.4-3.45英寸的整体高度中。
如图9所示的实施例，基板302还包括位于每一顶峰304、 306和308中的至少一个垂直设置的紧固孔370，以及位于每一底板312、314和316中的至少一个垂直设置的紧固孔372，它们靠近上边缘342以接收钉子、螺钉或其它紧固件，以便将基板302度顶到屋顶(未示出)。当基板302安装到屋顶上时，紧固孔370, 372被紧接着的较高行中的一个或多个瓦(这里所述的任一太阳能瓦或传统瓦)的重叠部分覆盖，如图17所示。
图9还示出了，中间峰306还包括形成于中间下凹区域324中的开口 380，该开口靠近下凹区域324的上边界。开口 380延伸通过基板302的主体。开口 380还可以形成在其它下凹区域322、326之一中。
如图9的分解图所示，太阳能电池阵面板组件330包括面板支撑框架400和光电(太阳能电池阵)面板402。面板支撑框架400是矩形的，其高度适合于装配在下凹区域322， 324， 326中，并且其宽度被选棒为大致等于基板302的宽度。因此，面板支撑框架400的介于下边缘410和上边缘412之间的高度略微小于约12.35-12.45英寸，并且其介于左边缘414和右边缘416之间的宽度为约35.5-36英寸。面板支撑框架400介于顶部420和底部422之间的厚度为约0.45-0.5英寸，它与下凹区域322， 324， 326的深度大体上一致，这样，面板支撑框架400的顶部420与顶峰304， 306， 308的顶部大致齐平，或略低于或高于这些顶峰的顶部。底部422依靠在下凹区域322， 324， 326上。底部422包括多个开口 424，这样减少了用于形成面板支撑框架400的材料的量。
框架400的顶部420具有大体上呈矩形的下凹中心部分426。该下凹中心部分426被做成合适的尺寸以形成具有底壁430、顶壁432、左壁434以及右壁436的矩形边，其中该底壁430靠近下边缘410的厚度为约0.25英寸，顶壁432靠近上边缘412的厚度为约0.25英寸，左壁434靠近左边缘414的厚度为约1.5英寸，右壁436靠近右边缘416的厚度为约2.7英寸。如图所示，左壁434的上部被移除从而形成了左互锁齿部440，并且右壁436的下部被移除从而形成了右互锁齿部442,当相邻的型面太阳能电池板瓦300A， 300B的基板302按图8所示那样接合时，所述左互锁齿部440和右互锁齿部442接合。
面板支撑框架400的底壁430包括多个大体上呈矩形的突起450，452， 454。如图15和16所示，这些突起^^故成合适的尺寸并成形为与靠近下凹区域322， 324， 326的相应下端部，以及基板302的下边缘340顶峰304， 306， 308中的相应开口 460， 462， 468接合。在优选实施例中，如图16所示，这些开口周围的顶峰部分通过额外的材料来加强。面板支撑框架400通过接合在开口 460, 462， 464中的突起350， 352， 354定位在下凹区域322， 324, 326中。面板支撑框架400通过合适的粘合剂，例如硅粘合剂固定至基板302。此外，顶峰304，306, 308中的至少一个优选地包括形成在壁中的开口 470，用于形成各下凹区域322， 324， 326的上边缘。如图14所示，开口 470接收与面板支撑框架400的上壁432接合的螺钉472，以便将面板支撑框架400进一步固定至基板302。
下凹中心部分426的深度为约0.2英寸。该深度被选择以接收具有相应厚度的光电面板402。下凹中心部分426的深度可以变化以适应具有更大厚度的光电面板，例如，在下文参照图17， 19和20描述的光电面板。光电面板402的长度和宽度被做成合适的大小以便装配在下凹中心部分426中(例如，约12.3英寸对约31.7英寸)。光电面板402可具有传统的结构，即，包括多个以选定串并联组合形式连接的电池，以便在太阳能入射到光电板402的上表面上时产生所需的输出电压。在特别选择的实施例中，光电板402以图18、 19和20所示的方式构造，这在下文描述。光电板402通过合适的防风雨的粘合剂，例如硅粘合剂与面板支撑框架400固定。
光电板402包括至少第一面板输出导体480和第二面板输出导体482,它们从面板402引出，并穿过面板支撑框架400中的一个开口424，继而穿过开口 380以及面板402。开口 380的未被面板输出导体480， 482占据的部分填充以合适的防风雨的材料，例如，堵缝和填充材料。太阳能电池阵基板组件330通过合适的防风雨的粘合剂，例如硅粘合剂与基板330固定。
如图9， 10， 11和13进一步所示，在开口 380的下面， 一接线盒500定位在面板402的下侧。该接线盒500具有与开口 380对准的开口 502。接线盒500通过合适的紧固件(例如，螺钉)、粘合剂、塑性焊接等固定至基板302。第一面板输出导体480和第二面板输出导体482从光电板402延伸到接线盒500内，并分别连接至第一外导体510和第二外导体521，所述第一和第二外导体通过一对开口 514, 516从接线盒500引出。外导体510， 512优选地通过合适的粘合剂(例如，硅粘合剂)或其它合适的方式固定至开口 514,以便消除接线盒500内的连接应变。在导体480， 482连接至导体510， 512后，接线盒500通过顶部520密封。
外导体510， 512具有足够的尺寸和用作外部使用的适当绝缘性。第一外导体510和第二外导体512的端部分别连接到具有第一极性的第 一极化连接器530和具有第二极性的笫二计划连接器532。导体510 ，512可从相邻的太阳能电池板300连接至导体，以便以串联形式连接太阳能电池板300，从而形成一连串的互连面板。位于每一连串面板端部的太阳能电池板300连接至通向位于中心位置的控制系统(未示出)中的导体，其中该控制系统接收电池串的电力输出，并且以传统方式提供系统电力输出。
正如上面的论述，图1-6所示的S形瓦太阳能电池板100中的光电板160和图7-15所示的光电板402可以是传统的被构造为具有上述尺寸的光电板。在优选实施例中，光电板160和402被构造成与图18，19和20所示的光电板600 —致。
如图18, 19和20所示，层状光电板600被构造为大体上呈矩形的板，其被做成合适的尺寸并被成形以便装配在面板支撑框架400的下凹中心部分426中。这样，面板600可被结构螺钉保持，而无需任何特定材料的装卸设备。在所示实施例中，面板600的厚度小于约0.2英寸，以便装配到下凹中心部分426的深度中。
面板600具有透明的上部防护层610，它朝上定向并暴露于阳光下。中间层620定位在上部防护层610之下。中间层620包括多个电力互连的光电池622，以形成光电池阵。中间层620依靠在刚性的底层630上。中间层620通过下部粘结层640固定至刚性的底层630。中间层620通过上部粘结层650固定至上部防护层610。这样，中间层620被密封在下部粘结层640和上部粘结层650之间。
上部防护层610向面板600提供了冲击防护和风雨防护。有利地是，上部防护层610包括杜邦^特富龙@氟化乙丙烯(FEP)树脂，它形成为具有适当厚度(例如，约0.1英寸)的薄膜层。这样，处于中间层620的光电池622直接暴露在阳光下，而不会暴露在湿气和其它气象条件下，而且不受脚、落物以及灰尘等的直接影响。具有适当厚度的钢化玻璃也可用作上部防护层610。
在所示实施例中，至刚性的底层630包括纤维增强塑料(FRP)。例如，有利地是，该FRP层包括具有嵌入玻璃纤维的聚酯树脂。在一个有利的实施例中，FRP层的厚度为约0.079英寸。刚性的FRP底层提供了坚硬、轻质、极低渗透性以及平整度的组合优点。
优选地，下部粘结层640是定位在刚性底层630上表面上的薄膜。中间层620中的光电池622阵列因此可定位在下部粘结层640上。在所示实施例中，下部粘结层640包括透明粘结剂，例如，乙烯-乙酸 乙烯酯(EVA)。 EVA是透明的、热激活粘结剂，它特别适合于固定 电池。其它适合的粘结剂，例如，聚乙烯醇缩丁醛(PVB)，或其它 pottant材料可用来代替EVA。
在将光电池622的阵列定位在下部粘结层640上后，上部透明粘 结层650被置于中间层620上，这样，光电池622被夹在该两透明粘 结层之间。上部粘结层650应该与下部粘结层的物理性质匹配。在所 示实施例中，上部粘结层650和下部粘结层640包括EVA，但其它适 合的透明粘结剂可用来代替EVA。透明的上部防护层610随后定位在 上部透明粘结层650上，以实现在图19中以放大部分横断图示出的分 层结构。
EVA材料和使用EVA材料以便将分层光电池层粘结在一起描述 在例如授予给Lewis的美国专利No.4499658中。除了用作粘结剂以便 将光电池622固定在上部防护层610和下部刚性层630之间外，上部 EVA层650和下部EVA层还用作该两外层之间的垫层。
光电池622通过传统方式以串并联构造形式电力互连，以便提供 适当的输出电压。例如，在所示实施例中，12个光电池622设置成2 行，其中每一行有6个光电池。所示的光电板600具有两个平的从中 间层620的右侧延伸出来的带状电导体660, 662。所述两个导体660， 662与图10和13中的两个导体480， 482对应。在所示实施例中，该 两个电导体660， 662弯曲，以便穿过刚性底层630中的开口 (未示出)。 这样，所述两个导体660， 662的自由端暴露在刚性底层630之下，以 便如上述那样互连至位于接线盒500内的外导体510， 512。
上部防护层610、中间层620、底层660和两个粘结层640、 650 以图19和20所示的顺序叠置并对准以形成图18和19所示的夹层结 构。该两个面板输出导体660， 620中每一个的自由端在层压过程中被 临时覆盖物(例如，织物管等)覆盖。这种结构通过使用热和压力以 已知的方式永久性的层压。在一个有利的实施例中，该结构通过例如 授予给Laaly等的美国专利No.2005/0178248A1中描述的真空层压机来层压。特别的，该结构首先经受真空以移除EVA粘结剂中捕集的任 何气泡。该结构随后经受高压以迫使这些层按实际需要紧密地挤在一 起。该结构随后被加热至合适的温度(例如约160°C)以便对层640 和650中的粘结剂进行熟化，并且因此永久性地粘接这些相邻的层。 在所示实施例中，上部层610和两个透明的粘结层640， 650将面板输 出导体660， 662固定至中间层620的顶部。优选地，面板输出导体 660， 662从中间层620的底部伸出，并且穿过刚性底层630中的一个 或多个开口 (未示出)。穿过底层630的开口在层压过程中被密封。
该层压结构被保持在高温下足够的时间，以便对上部透明粘结层 650和下部透明粘结层640进行熟化，并使得该两透明粘结层粘接在 一起以形成完全密封光电池622的组合层。高温也可导致上部透明层 610软化并流动，从而提供上述上部防护涂层。该层压结构随后被冷 却到环境温度。
在完成层压工艺后，面板600被定位到面板支撑框架400中(图 7-16)，其中两个面板导体660， 662延伸到面板支撑框架的底部422 之下。该两个导体660， 662穿过基板302的孔380和接线盒500的开 口 502，就如同图13所示的两个导体480， 482那样。面板600通过 使用合适的粘结剂，例如前述的粘结剂固定至面板支撑框架400。位 于该两个面板输出导体660， 662上的临时覆盖物被移除，并且该两个 面板输出导体660， 662在接线盒500内通过使用传统的互连装置电连 接至两个防风雨的外导体510， 512。接线盒500的可移除的顶部520 随后被固定到导体互连装置上，以提供防风雨的密封。该面板支撑框 架400通过上述方式固定至基板302。
图21-24示出了型面太阳能电池板瓦800的第三实施例，它具有 改进的瓦基802，改进的面板支撑框架804和改进的光电板806。特别 的，光电板806包括输出模块810，如下所述，它包括接线盒，该接 线盒在光电板806安装到面板支撑框架804后连接至层压光电板806。 例如，输出模块810可通过合适的粘结剂固定至光电板806。输出模 块(接线盒)810可通过第一防风雨电导体812和第二防风雨电导体814预先布线，所述两个电导体分别连接至第一极化连接器816和笫 二相反极化连接器818。可替换地，防风雨电导体812, 814可在输出 模块连接到光电板后插入到输出模块810。外电导体812， 814电连接 (例如，通过焊接)至位于输出模块810内的面板输出导体660， 662 (如图18和20所示)，并且该输出模块被密封。瓦基802和面板支撑 框架804通过上述注模塑料来构成。光电板806优选地根据上述那样 并按图18-20来构造。
图21是当型面太阳能电池板瓦800完全装配好并准备安装到屋顶 上时，大体上从其顶部看去的透视图。图22是大体上从瓦基802的底 部看去的装配好的型面太阳能电池板瓦800的透视图。图23是从该组 件的顶部看去的型面太阳能电池板瓦800的分解透视图，用于揭示瓦 基802、面板支撑框架804以及光电板806的额外细节。
型面太阳能电池板瓦800与先前描述的实施例相似。瓦基802具 有和传统型面屋顶瓦同样的尺寸和形状。特别的，瓦基802包括三个 顶峰820， 822， 824和三个底板830， 832， 934。如图23所示，每一 个顶峰820， 822， 824的一部分是平的，用于形成各自的平的下凹区 域840， 842， 844。该平的下凹区域840， 842， 844 ^皮做成合适的尺 寸以便如上述那样接收面板支撑框架804。瓦基802包括左侧瓦互锁 机构850和与上述参照图7-17的实施例描述的互锁机构对应的右侧瓦 互锁纟几构852。
与前述的实施例不同，如图23所示，瓦基802的右侧顶峰820 具有靠近下凹区域840上边界的大体上矩形的开口 860。在所示实施 例中，矩形开口 860大约定位在下凹区域上边界和下边界之间的下凹 区域840的中部附近。该矩形开口横跨下凹区域的长度为约4.1英寸， 从下凹区域的下边界至上边界方向上的宽度为约2.45英寸。矩形开口 860完全穿过瓦基802的厚度。该矩形开口由形成在下凹区域842上 的凸起圆周壁862包围。因此，可到达下凹区域842的任何水分可被 圆周壁862阻止进入矩形开口 860。在所示实施例中，圆周壁862的 高度为约0.25英寸，厚度为约0.1英寸。面板支撑框架804与前述的面板支撑框架类似，并且其具有适于 装配到瓦基802的下凹区域840， 842, 844中的外尺寸。面板支撑框 架804包括左互锁机构870和与上述参照图7-17的实施例描述的面板 支撑框架的互锁机构对应的右互锁机构872。面板支撑框架804水平 延伸足够的距离，以使得如上所述那样面板支撑框架804的左互锁机 构870与相邻面板支撑框架(未示出)的右互锁机构872接合。
面板支撑框架804包括下凹中心部分880,其尺寸、形状和深度 被选棒以便如上述参照图7-17的实施例那样接收光电板806。下凹中 心部分880包括下表面882，它具有可被移除以形成多个开口 884的 部分。开口 884减少了用来制造面板支撑框架804所需的塑料的量， 并因此减少了面板支撑框架的质量和成本。在所示实施例中，开口 884 大体上为矩形；但是，开口也可形成为其它形状。当面板支撑框架804 定位在瓦基802上时，开口 884中的一个，在图23和24中指代以开 口 886，其尺寸和形状配合在凸起的圆周壁862周围。
如图23和24所示，开口 884大体上为矩形结构，它由下凹中心 部分880下表面882的相对较小的剩余部分890包围。该剩余部分8卯 向面板支撑框架804提供结构稳定性，还提供对光电板806的支撑。 还可向该剩余部分施加粘结剂，以便将光电板806固定至面板支撑框 架804。
开口 884的大体上矩形结构在第一防护部分892和第二防护部分 894处中断，下凹中心部分880的下表面882在该处未被移除而形成 开口。当面板支撑框架804定位在瓦基802上时，第一防护部分892 定位在第一底板830上，第二防护部分894定位在第二底板832上。 当太阳能电池板瓦800安装到屋顶上时，沿屋顶向上吹入到底板830, 832的风具有推动通过面板支撑框架804下表面882中的开口 884暴 露出来的光电板806的下表面的趋势。该两个防护部分892， 894能部 分地阻止风推压光电板806，并尽可能地将光电板806从面板支撑框 架804逐出。此外，防护部分892， 894提供了粘结用的额外表面，用 于将光电板806固定至面板支撑框架804。在所示实施例中，防护部
22分892， 894仅覆盖底板830， 832的一部分。
如图21-24所示，光电板806包括输出模块(接线盒)810，如上 所述，该输出模块在光电板806固定至面板支撑框架804后连接至光 电板806的下表面。输出模块810位于与面板支撑框架804的开口 886 的位置对应的位置处。当太阳能电池板瓦800装配好后，防风雨的电 导体812， 814不是连接至光电板的易损坏的面板导体(图18和20 所示)，有利地是，在将光电板806安装到面板支撑框架804中后，导 体812， 814连接至易损坏的面板导体。在防风雨的电导体812， 814 电连接至(例如，焊接)接线盒内的易损坏的面板导体后，这些导体 和连接件可被灌注混合物覆盖。如果被使用，灌注混合物最好形成为 图21-24所示的大体矩形的输出模块810。例如，灌注混合物可被注 入到接线盒中，以便密封导体和连接件。该灌注混合物提供了连接件 和易损坏导体对气象的额外防护。此外，该灌注混合物还可提供应力 消除，以阻止防风雨的电导体812， 814的移动中断连接件或易损坏的 面板导体。
如上所述，光电板806最好通过使用合适的防风雨的粘结剂固定 到面板支撑框架804，其中该粘结剂位于光电板的下表面和面板支撑 框架的下凹中心部分880的下表面882的未4皮移除的部分之间。此外， 光电板806的边缘和面板支撑框架的下凹中心部分的圆周壁之间的间 隙填充以合适的防风雨的密封材料，该密封材料可将光电板进一步固 定到面板支撑框架中，并且密封光电板的边缘。
通过将面板支撑框架804上的多个舌键900接合到瓦基802的下 凹区域840， 842， 844的下边缘处的多个对应的开口 902中，该面板 支撑框架804被定位在瓦基802上。通过将多个紧固件904 (例如， 螺钉)穿过瓦基中的多个孔906定位，所述面板支撑框架804可固定 到瓦基804，以便将多个孔908接合在面板支撑框架804中。
在将光电板806和支撑框架804安装到瓦基802上后，防风雨的 电导体812, 814定位在形成于瓦基802下部的选定凸缘922中的多个 凹槽920中。在所示实施例中，导体812和相关导体816延伸到瓦基
23802的左边缘之外。导体814和相关导体818仅延伸到形成在右侧顶 峰820下部的敞开容积中。当两个太阳能电池板瓦800被定位在屋顶 上并形成互锁后，来自右侧瓦上的导体816和来自左侧瓦上的导体818 在左侧瓦的右顶峰820下部的体积中互连，这样，位于所述导体之间 的连接件可通过瓦基802形成对气象的防护。
根据这里公开的实施例，提供了 一种美学上令人愉悦的屋顶模块， 它组合了对传统粘土或混凝土 S形瓦的气象防护特性和外观，并具有 太阳能电池夹层结构的发电能力。该屋顶模块可通过传统的粘土或混 凝土S形瓦简单地安装，以便在新建屋顶上加入发电能力，并且可代 替传统的粘土或混凝土屋顶S形瓦，以便向现有的屋顶增加发电能力。
本发明以优选实施例的方式在这里公开，并入到S形瓦屋顶模块 的光电板限定在所附权利要求中。在不偏离所附权利要求的精神和范 围的前提下，通过本发明
权利要求
1、一种能防风雨并可产生电能的屋顶模块，包括基板，它包括多个具有型面的突起的顶峰和降低的底板，所述型面被做成合适的尺寸并成形为与传统型面屋顶瓦的型面和底板的尺寸及形状相匹配，以使得该基板能与传统的型面屋顶瓦形成互锁，该基板包括轻质塑料材料，该基板的每一个顶峰包括下凹部分；和光电板组件，它定位在至少两个相邻顶峰的下凹部分中，并且横跨所述至少两个相邻顶峰之间的至少一个底板。
2、 根据权利要求1所述的屋顶模块，其中基板包括至少三个突起 的顶峰，并且光电板组件跨过所述至少三个突起的顶峰。
3、 根据权利要求l所述的屋顶模块，其中光电板组件包括 外框架，其被做成合适的尺寸并配合在基板的下凹部分中，该外框架包围下凹的内部区域；和光电池阵列，其被做成合适的尺寸以配合在外框架的下凹内部区 域中，该光电池阵列具有至少第一电输出导体和第二电输出导体，该 基板具有至少一个从上表面至下表面的开口，以提供第一和第二电输 出导体通过该基板的路径。
4、 根据权利要求l所述的屋顶模块，其中 第一和第二电输出导体从光电板下表面上的输出模块延伸出来；该输出模块具有圆周形状；和基板中的开口被做成合适的尺寸，以便在光电板组件定位在基板 上时接收输出模块。
5、 根据权利要求l所述的屋顶模块，其中光电板组件外框架的下凹内部区域包括下表面，该下表面包括围 绕其多个开口的支撑结构；和该支撑结构在定位于基板的降低底板上的下表面的那些部分更宽 一些。
6、 一种能防风雨并可产生电能的屋顶模块，包括基板，它包括多个具有型面的弧形顶峰和孤形底板，所述型面被做成合适的尺寸并成形为与传统粘土或混凝土 s形瓦的型面和底板的 尺寸及形状相匹配，以使得该基板能与传统的粘土或混凝土 s形瓦形 成互锁，该基板包括轻质塑料材料，该基板的每一个顶峰包括下凹部分；和光电板组件，它定位在至少两个弧形顶峰的下凹部分中，并且横 跨至少两个弧形顶峰之间的至少 一 个弧形底板。
7、 一种建造具有集成光电池阵列的屋顶瓦的方法，包括 构造光电池组件，它包括将光电池阵列安装到具有中心下凹部分的框架中，该中心下凹部 分被做成合适的尺寸以接收上述光电池阵列，所述光电池阵列包括至 少一对电导体；和将光电池阵列固定至框架；和将光电池组件安装到具有多个突起顶峰和位于其之间的降低底板 的基板中，该顶峰和底板被成形为与传统型面屋顶瓦的形状相匹配， 包括将光电池組件定位在至少两个相邻顶峰的至少第一和第二下凹部 分上，并且该光电池组件横跨所述两个相邻顶峰之间的至少一个底板； 使所述至少一对电导体穿过至少一个突起顶峰中的开口 ；以及 将光电池组件固定至基板。
8、 根据权利要求7所述的方法，其中第一和第二电输出导体从光电板下表面上的输出模块延伸出来； 该输出模块具有周边形状；和基板中的开口被做成合适的尺寸，以便在光电板组件定位在基板 上时接收输出模块。
9、 根据权利要求7所述的屋顶模块，其中 光电板组件框架的下凹内部区域包括下表面，该下表面包括围绕其多个开口的支撑结构；和该支撑结构在定位于基板的降低底板上的下表面的那些部分更宽~"^些。
10、 一种能防风雨并可产生电能的屋顶模块，包括 基板，它包括多个具有型面的突起的顶峰和降低的底板，所述型 面被做成合适的尺寸并成形为与传统型面屋顶瓦的型面和底板的尺寸 及形状相匹配，以使得该基板能与传统的型面屋顶瓦形成互锁，该基 板包括轻质塑料材料，基板的每一个顶峰包括下凹部分，该下凹部分 包括穿过顶峰之一的开口 ，该开口由位于下凹部分上的突起周边壁包围；光电板支撑框架，它定位在基板的至少两个相邻顶峰的下凹部分 中，并且横跨至少两个相邻顶峰之间的至少一个底板，该面板支撑框 架包括外壁，其被做成合适的尺寸以便配合在基板的下凹部分中，该 支撑面板包括具有下表面的下凹部分，该下表面包括至少一个被做成 合适尺寸的开口，并且该开口在面板支撑框架定位在基板的下凹部分 中时被定位成包围基板开口的周边壁；以及光电板，它被做成合适的尺寸以便配合在支撑框架的下凹部分中， 该光电板具有下表面和形成在该下表面上的输出模块，当光电板定位 在面板支撑框架的下凹部分中以及面板支撑框架定位在基板的下凹部 分中时，该输出模块被做成合适的尺寸并被定位成配合于基板的开口 中。
全文摘要
提供了一种能防风雨并可产生电能的屋顶模块(800)。该模块(800)包括基板(802)，它具有多个弧形顶峰(820，822，824)和弧形底板(830，832，834)。该顶峰(820，822，824)和底板(830，832，834)具有被做成合适的尺寸并成形为与传统粘土或混凝土S形瓦的型面和底板的尺寸及形状相匹配的型面，以使得该基板能与传统的粘土或混凝土S形瓦形成互锁。该基板(802)由轻质塑料材料制成。该基板的每一个顶峰包括下凹部分(840，842，844)。一光电板(806，804)被定位在至少两个弧形顶峰的下凹部分中，并且横跨所述至少两个顶峰之间的至少一个弧形底板。
文档编号E04D13/18GK101506447SQ200780030723
公开日2009年8月12日 申请日期2007年6月29日 优先权日2006年6月30日
发明者B·J·弗莱厄蒂, T·M·戴维 申请人:路美它公司