光伏建材构件及使用该构件的光伏建筑一体化结构的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种光伏建材构件及使用该构件的光伏建筑一体化结构，光伏建材构件的受光面封装层、光伏发电层、导热结构层由上向下依次层叠，并且之间通过粘结层粘结，接线盒安装在导热结构层上并与导热结构层导热接触。该光伏建材构件直接构成建筑的顶棚或屋顶，顶棚或屋顶上安装通风装置。或者作为建筑的顶棚或屋顶该光伏建材构件的导热结构层的背面复合水冷管路散热结构，冷却水通过管路输入水冷管路散热结构冷却导热结构层和接线盒。本发明的有益效果是：提升光伏系统发电效率5％左右；降低了接线盒失效几率，提高防火安全等级；降低发电的成本20％左右，包括制造，物流，安装和运营成本；减轻安装重量50％以上。
【专利说明】光伏建材构件及使用该构件的光伏建筑一体化结构
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光伏组件【技术领域】，特别是一种光伏建材构件及使用该构件的光伏建 筑一体化结构。
【背景技术】
[0002] 太阳能光伏发电系统由光伏组件、逆变器和固定系统如支架等部分组成。最核心 的单元是光伏组件，可以分为三个部分：发电单元、接线部分和封装材料。发电单元有光伏 电池组成，目前市场以晶体硅电池为主。接线部分由带有旁路二极管的接线盒和电缆端子 组成。
[0003] 2000年以前，光伏发电主要用于太空发电和计算器。2004年以后，光伏发电开始 走向大型地面电站。2013年后，和建筑结合，尤其是利用屋顶安装的分布式发电应用越来越 多。2014年中国国家能源局计划在全年14GW光伏电站中60%采用分布式光伏发电。光伏 发电的推广对光伏系统的发电效率，可靠性和成本提出了更高的要求。
[0004] 第一、当前的光伏系统的光伏组件的发电性能和工作温度强相关。针对普通的晶 体硅和CIGS光伏组件而言，发电功率的温度系数约为-0. 45% /°C。光伏组件的发电功率标 识是在25°C条件下的测试结果。在夏季，光伏组件的表面温度常常能够达到70°C左右。在 热带地区，如新加坡地区，光伏组件的温度甚至能够达到90°C以上。假定光伏组件在25°C 的标准条件下的组件效率为15. 6%，组件的功率温度系数为-0. 45% /°C，图1给出了组件 效率和发电功率随工作温度升高变化的趋势。当组件温度达到75°C时，组件发电能力将衰 减20 %以上，造成巨大的经济效益损失。
[0005] 人们很容易想到通过研究光伏和光热系统结合，在降低光伏系统温度，提升发电 量的同时产生热水。目前的主要方式是在光伏板背后加入通水（或其他介质）的铜管，通 过铜管将热量带走。这种方式很有效，但遗憾的是成本增加过大。同时，体积，重量，以及系 统的复杂性为应用带来了极大的不便。虽然早有发明，却一直难以推广。
[0006] 第二、当前的光伏系统的接线盒失效危害性大，同时接线盒失效和温度相关。在光 伏电站现场，常见有接线盒烧毁，引起背板烧焦和组件碎裂的严重情况。根据常州华阳光 伏检测技术有限的测试和研究报告，目前接线盒失效的前三项分别是老化后防尘防水的IP 测试失效（约60%样品不能通过测试），二极管温升（约40%样品不能通过测试），结构检 查（约30%样品不能通过）。这都和接线盒的散热有关。
[0007] 目前光伏接线盒结构主要为以下四种：1)由标准结构二极管（D2PAK、T0220、 R-6等封装）、钣金连接件、以及上下盒体四周打胶所构成；2)由标准结构二极管（D2PAK、 T0220、R-6等封装）、钣金连接件、以及密封圈上盖所构成；3)是由标准结构二极管（D2PAK、 T0220、R-6等封装）、钣金连接件、以及整个盒体灌胶所构成；4)是由标准结构二极管 (D2PAK、T0220、R-6等封装）、钣金连接件、以及一体注塑盒体所构成。前两种结构中，由于 空气的存在，散热和可靠性比较差。后两种结构通过灌胶和一体注塑来提升性能，可靠性有 所提1?。
[0008] 由于典型的接线盒材料是PA (聚酰胺），ΡΡ0(聚苯醚），PC (聚碳酸酯）等工程塑 料。工程塑料是优良的绝热、保温材料。接线盒发热的部位主要是二极管发热，最终通过盒 体传热到盒体附近的介质，一般为空气或组件背板。由于散热能力差，接线盒温度常常是组 件的高热部位，影响发电能力
[0009] 目前典型的光伏组件产品设计中，接线盒的一面总是直接和PET/TPT背板直接相 连，难以有效散发热量。通常接线盒部位的温度可以高出其他部分5?15°C。在旁路二极 管导通的情况下，接线盒温度可以达到120°C以上，造成失效甚至火灾。
[0010] 第三，当前光伏组件的重量偏重，造成成本高和使用范围缩小。典型商业化光伏组 件的面积在2平米左右，重量约为22kg。安装时比较笨重，需耗费较大人力。同时，较重的 重量也增加了物流运输过程中的能源消耗，造成成本增加。同时，组件重量较重也就只能应 用到承重能力强的屋顶。如果能够降低组件重量，将大大有利于光伏组件的推广应用。也 利于通过组件重量的下降来降低材料使用量，从而降低成本。
[0011] 第四，当前组件在安装到建筑屋顶的时候，需要揭开屋顶寻找结构力的支撑点，然 后安装支架，并进一步固定，然后进行防水处理等工作。既增加了材料成本（铝合金支架的 费用），也增加了人工成本。据研究估计，目前支架成本约为光伏系统建设总成本的10%。 另外，为提高抗风能力，组件和房顶之间往往只留下一个很小的空隙，造成空气不够流动。 而接线盒又恰好在这个空间当中。为热量聚集和发生接线盒事故埋下了隐患。
【发明内容】
[0012] 本发明所要解决的技术问题是：
[0013] 1)提升光伏构件发电效率；
[0014] 2)降低接线盒失效几率，提高防火安全等级；
[0015] 3)降低光伏构件重量；
[0016] 4)减轻安装重量。
[0017] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种光伏建材构件，包括受光面封 装层、光伏发电层和导热结构层，受光面封装层、光伏发电层、导热结构层由上向下依次层 叠，并且之间通过粘结层粘结，接线盒安装在导热结构层上并与导热结构层导热接触。
[0018] 进一步限定，光伏发电层和导热结构层之间设置具有电气绝缘和隔离作用的缓冲 层。
[0019] 进一步限定，导热结构层为金属或碳纤维复合材质。
[0020] 进一步限定，受光面封装层为ETFE薄膜；缓冲层为TPT复合板，TPT复合板由TPT 材料和碳纤维复合材料复合而成，或者缓冲层为PET，或者缓冲层为碳纤维复合材料；金属 材质的导热结构层为铝型材、彩钢瓦。
[0021] 进一步限定，导热结构层的背面复合水冷管路散热结构。
[0022] 进一步限定，水冷管路散热结构由相互联通的聚烯烃细管构成。
[0023] 进一步限定，受光面封装层的表面边缘部分设置装饰层，所述的装饰层由彩色砂 石和工业有机塑料混合制成。
[0024] -种光伏建筑一体化结构，包括光伏建材构件，光伏建材构件直接构成建筑的顶 棚或屋顶，顶棚或屋顶上安装通风装置。
[0025] 进一步限定，由光伏建材构件直接构成顶棚或屋顶具有屋脊结构，通风装置安装 在屋脊结构部位，通风装置采用无动力通风器。
[0026] -种光伏建筑一体化结构，包括光伏建材构件，光伏建材构件直接作为建筑的顶 棚或屋顶，冷却水通过管路输入水冷管路散热结构冷却导热结构层和接线盒。
[0027] 进一步限定，还包括冷却水蓄水箱和热水蓄水箱，冷却水蓄水箱内的冷却水通过 管路输入水冷管路散热结构吸收热量，并将加热后的水储存在热水蓄水箱内。
[0028] 本发明的有益效果是：提升光伏系统发电效率5%左右；降低了接线盒失效几率， 提高防火安全等级；降低发电的成本20 %左右，包括制造，物流，安装和运营成本；减轻安 装重量50%以上。
【专利附图】
【附图说明】
[0029] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明；
[0030] 图1是光伏组件效率和发电功率随温度升高衰减曲线；
[0031] 图2是本发明的空气对流式散热的光伏建筑构件的结构示意图；
[0032] 图3是本发明的空气对流式散热的光伏建筑构件的应用状态结构示意图
[0033] 图4是本发明的水冷散热的光伏建筑构件的结构示意图；
[0034] 图5是本发明的水冷散热的光伏建筑构件的应用状态结构示意图
[0035] 图中：1.受光面封装层，2.光伏发电层，3.导热结构层，4.接线盒，5.缓冲层， 6.水冷管路散热结构，7.光伏建材构件，8.无动力通风器，9.冷却水蓄水箱，10.热水蓄水 箱，11.窗户，12.墙体。
【具体实施方式】
[0036] -种高效高可靠的光伏建材构件，包括受光面封装层1、光伏发电层2和导热结构 层3，光伏发电层2的光伏电池可采用晶体硅电池或薄膜电池，受光面封装层1、光伏发电层 2、导热结构层3由上向下依次层叠，并且之间通过粘结层粘结，接线盒4安装在导热结构层 3上并与导热结构层3导热接触。光伏发电层2和导热结构层3之间设置具有电气绝缘和 隔离作用的缓冲层5。
[0037] 为说明方便，将光伏建材构件分为三个区域。区域一为光伏发电区，由受光面封装 层1、光伏发电层2、缓冲层5组成。区域二为结构导热区，包括导热结构层3。区域三为传 热散热区，包括水冷管路散热结构6和接线盒。
[0038] 本光伏建材构件的核心是光学增透优化、轻量化、低温化。普通光伏组件的受光面 封装材料一般为低铁超白钢化玻璃，其透光率在90%以上。由于钢化玻璃同时要负责承重， 所以常见厚度为5mm左右。既使是新型双玻组件，表面玻璃厚度仍有3mm。本光伏建材构件 将结构承重任务交结构导热区，光伏发电区就可以专注在光学增透优化、轻量化、低温化。
[0039] 在本光伏建材构件的光伏发电区的受光面封装层1的厚度一般为〇. 1?〇. 5_，从 而提高透光度，降低重量和材料成本。另外，选择有自清洁功能的封装来降低表面积灰，选 择高热容量的材料降低温升速度，受光面封装层1优选采用ETFE薄膜。
[0040] 在本光伏建材构件的缓冲层5具有电气绝缘和隔离作用，选择高绝缘性和拉伸性 能较好的材料如PET或碳纤维复合材料，如日本东丽生产的绝缘高导热碳纤维增强40 %阻 燃PPS产品A504X90。缓冲层5还可以采用TPT复合板，TPT复合板由TPT材料和碳纤维复 合材料复合而成。
[0041] 当导热结构层为碳纤维复合材料时，缓冲层可以省去，选择合适的高分子粘结剂 进行粘结。碳纤维复合材料层同时承担绝缘防腐和结构承重两个任务。当导热结构层为碳 纤维复合材料时，可以采用ΤΡΤ或PET作为缓冲层。
[0042] 在本光伏建材构件的结构导热区通过材料选择和结构设计实现的轻量化和高导 热。优选铝型材，钢铁材料（如彩钢瓦）和碳纤维复合材料。碳材料密度约为玻璃的1/2、 铝材料和玻璃的密度接近，适合做本发明的区域二材料。在工厂厂房类建筑中，彩钢瓦有广 泛应用。钢铁的密度约为玻璃的3倍，但采用一定结构后强度优于玻璃，而且应用方式简 单。彩钢瓦典型厚度为0.2?1mm之间，单层彩钢瓦厚约0.8mm左右。和5mm的玻璃相比， 重量仍可显著降低50%。钢材料也适合做区域二的核心材料。区域一和区域二之间通过结 构性粘结材料粘合。
[0043] 在本光伏建材构件的传热散热区，其核心是建立强散热通道。首先，将含有主要发 热源旁路二极管的接线盒一面和结构导热区的导热结构层3接触，另外三面和传热散热区 的强散热通道直接接触，增强了接线盒的散热能力，预期降低接线盒温度30-70°C，极大的 提高了接线盒的可靠性。区域三的强散热通道有两种模式：1)由对流的空气风道组成。2) 由对流的高热容量流体组成。其主要目的是将热量有效带走，从而使整个本发明光伏构件 的工作温度比常规光伏组件低l〇°C以上。
[0044] 根据上述
【发明内容】
描述，下面我们给出本发明的多个典型实施例。
[0045] 实施例1，如图4所示：
[0046] 受光面封装层1采用0. 2mm的ETFE材料。和常规玻璃相比，体积缩小了 25倍，重 量减轻了 97%，透光率提升到95%以上。ETFE材料具有良好的自润滑和自清洁功能，便于 维持良好的透光性能。同时，ETFE的比热容量为1. 9kX/(kg. K)，是玻璃材料的3倍，有利于 抑制温升。光伏发电层2采用CIGS薄膜电池，如美国Miasole公司的以钢板为基底的CIGS 薄膜，缓冲层5采用TPT复合板，TPT复合板由常见光伏背板TPT材料和高绝缘导热碳纤维 复合材料复合而成。导热结构层3为0.8mm的钢板。导热结构层3的背面复合水冷管路散 热结构6。水冷管路散热结构6由相互联通的聚烯烃细管构成。
[0047] 光伏发电层2的电池片之间采用多接触点的铜线连接，然后采用EVA和上层的 ETFE，以及下层的TPT复合板相连接。TPT复合板和钢板通过EVA或结构胶粘合在一起。 普通光伏用接线盒安装在钢板背后，包有热缩绝缘层的铜线通过穿过TPT复合板和钢板与 接线盒连接。铜线和钢板之间电性绝缘。相互联通的直径约为1〇_的耐高低温的聚烯烃 (PE)细管通过粘接胶和机械固定方式固定到钢板背后，这部分重量小于0.1kg。整个光伏 建材构件的重量在6kg/m 2左右，比普通光伏组件加上彩钢瓦和支架安装后的重量（>18kg/ m2)降低60%以上。降低了制造，安装和运输成本。采用水冷后，假定减低光伏板工作温度 35°C，按照图1数据，系统发电效率可提升约15%。ETFE的透光率提升也可以提升系统发 电效率约1%。本计也进一步提升了接线盒的散热能力，增强了可靠性。
[0048] 实施例2 :
[0049] 实施例2的光伏建材构件的结构和实施例1相同，但其中Miasole公司的薄膜电 池改为晶体硅电池。晶体硅电池可以采用天合光能，阿特斯公司出产的高效晶体硅电池。优 选地，采用娃谷Solexel公司或Twin Creeks公司的超薄太阳能电池，厚度20-50um。超薄 太阳能电池具有更好的折服性能，更有利于和建筑材料结合的设计应用。
[0050] 实施例3，如图2和3所示：
[0051] 区域三的强散热通道的两种模式：1)由对流的空气风道组成。2)由对流的高热容 量流体组成。采用模式1散热可大幅度降低了光伏应用系统制造安装的成本和实施的复杂 程度，但在具体运用中须对空气流通方式进行设计。
[0052] 该实施例是采用模式1散热的光伏建材构件7在光伏建筑一体化领域中的具体运 用。
[0053] -种光伏建筑一体化结构，包括光伏建材构件7,所述的光伏建材构件7直接构成 建筑的顶棚或屋顶，顶棚或屋顶上安装通风装置。由光伏建材构件7直接构成顶棚或屋顶 具有屋脊结构，带动气流沿着光伏建材构件7的背面流动，从而达到散热的目的。优选地， 通风装置安装在屋脊结构部位，通风装置采用利用微风和热气流驱动的无动力通风器8。为 加强通风，建筑墙体12上开设尽可能多的窗户11。当然，在建筑设计上，也可以采取类似广 西侗族鼓楼或傣族风雨桥的多层通风结构，达到良好的降温效果。
[0054] 实施例4,如图4和5所示：
[0055] 该实施例是采用模式2散热的光伏建材构件7在光伏建筑一体化领域中的具体运 用。
[0056] -种光伏建筑一体化结构，包括光伏建材构件7、冷却水蓄水箱9和热水蓄水箱 10,光伏建材构件7的导热结构层3的背面复合水冷管路散热结构6的，该光伏建材构件7 直接作为建筑的顶棚或屋顶，冷却水蓄水箱9内的冷却水的液面高度高于热水蓄水箱10内 的热水的液面高度，冷却水蓄水箱9内的冷却水通过管路输入水冷管路散热结构6冷却导 热结构层3和接线盒4,并将加热后的水储存在热水蓄水箱10内。
[0057] 冷却水蓄水箱9和热水蓄水箱10靠近房屋墙体12放置。通过这个装置，可以简 单和低成本地实现光伏建材构件7的冷却，而不需要复杂系统。热水蓄水箱10内的热水可 做工厂或酒店的水池加热、清洗或其他用途。可在由相互联通的聚烯烃（PE)细管构成的水 冷管路散热结构6处安装温度传感控制器和小水泵，优化控制。
[0058] 在渔光互补系统中，光伏建材构件7被安装在水面上，作为遮阳的顶棚，通过温度 传感控制器和小水泵更容易实现上述效果。
【权利要求】
1. 一种光伏建材构件，其特征是：包括受光面封装层（1)、光伏发电层（2)和导热结构 层（3)，受光面封装层（1)、光伏发电层（2)、导热结构层（3)由上向下依次层叠，并且之间通 过粘结层粘结，接线盒（4)安装在导热结构层（3)上并与导热结构层（3)导热接触。
2. 根据权利要求1所述的光伏建材构件，其特征是：所述的光伏发电层（2)和导热结 构层（3)之间设置具有电气绝缘和隔离作用的缓冲层（5)。
3. 根据权利要求1所述的光伏建材构件，其特征是：所述的导热结构层（3)为金属或 碳纤维复合材质。
4. 根据权利要求1所述的光伏建材构件，其特征是： 所述的受光面封装层（1)为ETFE薄膜； 所述的缓冲层（5)为TPT复合板，TPT复合板由TPT材料和碳纤维复合材料复合而成， 或者缓冲层（5)为PET，或者缓冲层（5)为碳纤维复合材料； 所述的金属材质的导热结构层（3)为铝型材、彩钢瓦。
5. 根据权利要求1所述的光伏建材构件，其特征是：所述的导热结构层（3)的背面复 合水冷管路散热结构（6)。
6. 根据权利要求5所述的光伏建材构件，其特征是：所述的水冷管路散热结构（6)由 相互联通的聚烯烃细管构成。
7. 根据权利要求1所述的光伏建材构件，其特征是：所述的受光面封装层（1)的表面 边缘部分设置装饰层，所述的装饰层由彩色砂石和工业有机塑料混合制成。
8. -种光伏建筑一体化结构，其特征是：包括权利要求1、2、3、4、5、6或7的光伏建材 构件（7)，所述的光伏建材构件（7)直接构成建筑的顶棚或屋顶，顶棚或屋顶上安装通风装 置。
9. 根据权利要求8所述的一种光伏建筑一体化结构，其特征是：所述的由光伏建材构 件（7)直接构成顶棚或屋顶具有屋脊结构，通风装置安装在屋脊结构部位，通风装置采用 无动力通风器（8)。
10. -种光伏建筑一体化结构，其特征是：包括权利要求5或6的光伏建材构件（7)，所 述的光伏建材构件（7)直接作为建筑的顶棚或屋顶，冷却水通过管路输入水冷管路散热结 构（6)冷却导热结构层（3)和接线盒（4)。
11. 根据权利要求10所述的一种光伏建筑一体化结构，其特征是：还包括冷却水蓄水 箱（9)和热水蓄水箱（10)，冷却水蓄水箱（9)内的冷却水通过管路输入水冷管路散热结构 (6)吸收热量，并将加热后的水储存在热水蓄水箱（10)内。
【文档编号】H02S40/42GK104158477SQ201410241313
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年5月30日 优先权日:2014年5月30日
【发明者】黄强 申请人:信阳师范学院