用于发电和热收集的纤维复合材料太阳能电池板的制作方法
【专利说明】用于发电和热收集的纤维复合材料太阳能电池板
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2014年1月22日提交的、标题为A FIBER C0MP0STE SOLAR PANEL FORELECTRICITY GENERAT1N AND HEAT COLLECT1N(用于发电和热收集的纤维复合材料太阳能电池板)的美国临时专利申请序列N0.61/930，270的优先权，其教导通过参考以其整体包括在本文中。
【背景技术】
[0003]建筑物集成光伏(BIPV)系统是新兴的光伏材料，其建造到建筑物或车辆结构中。太阳能是我们生物圈的重要部分。光伏技术应当利用建筑反射集成到我们的环境中。我们必须根据人们的需要建立不仅仅是能量，而且是美、舒适、简单性、可动性和灵活性。
[0004]我们提出建立称为Lotus Awning板的太阳能电池板。Lotus Awning太阳能电池板是给人们遮蔽、可携带性、可折叠性、热和电的基本BIPV系统。这些面板设计成用作附接于建筑物的遮阳篷。
[0005]我们想要坚固但重量轻的太阳能电池板。常规的太阳能电池板由玻璃覆盖在顶部并且以铝作为框架。它们刚性地安装在固定结构上，该固定结构必须放在人们不可到达的地方，诸如在屋顶上。我们想要电池板不仅通过强度而且通过收缩来经受暴风雪。美和品牌与实用性一样重要。
[0006]购买、安装、维护、维修和重新定位太阳能电池板时的简单性是人们想要的。他们就不想要重且难看的太阳能电池板在屋顶上或在太阳能农场中。他们想要他们可触摸、移动和看见的某物。他们想要能够在太阳上升时打开这些电池板并在太阳落下时折叠它们。
[0007]Lotus Awning使用在建筑物的侧面上的可折叠结构的太阳能电池板来给人们遮蔽、电和热水。在亚利桑那州是非常需要的，在亚利桑那州，太阳暴露可快速地引起健康危害。然而，这里的人们更喜欢以露天吃饭的形式在外面吃喝。此外，这里的房子倾向于避免向南的暴露，因为这倾向于增大房屋温度。遮阳篷遮蔽窗对避免热而言是必要的。
[0008]大体上，存在对制造重量非常轻的、能够不仅产生电而且收集热的刚性电池板的强烈需要。热收集还降低了太阳能电池板的温度。高温降低了光伏生成的效率并且还可引起太阳能电池板随着时间的过去的退化。除了 Lotus Awning应用之外，我们还使用这些复合材料电池板用于移动应用，诸如电动车的太阳能充电。我们还可将这些复合材料电池板安装在更大的太阳能电池板系统上，该更大的太阳能电池板系统在两个轴线上追踪太阳，用于另外的能量生产的40%增加。这些电池板用于Lotus Mobile、Lotus Heat和LotusMax系统，它们的公开已提交用于这些太阳能电池板在强风期间的伞状折叠。
【发明内容】
[0009]我们发明了一种建筑物集成的光伏和热(BIPV AH)太阳能电池板系统，其包括太阳能电池板，该太阳能电池板包括顶部光伏复合材料层、中间热交换纤维复合材料框架和底部纤维复合材料层。这三层进而出于发电和热生成的目的形成用于坚固且轻重量的结构的复合材料结构。我们将这些电池板用作诸如遮阳篷的遮蔽结构和可在夜晚和在不利气候条件下闭合的花状太阳能追踪系统。
[0010]在一个示例性实施例中，我们使用用于太阳能电池的碳氟化合物顶窗，该太阳能电池由离聚物封装以粘附于顶窗和底部纤维玻璃复合材料层。所得的光伏层胶粘到矩形管的碳纤维框架上，优选诸如乙二醇的冷却剂流过该矩形管。如在现有技术中已知的，纤维玻璃复合材料片的底层胶粘到碳纤维框架上，使两个坚固复合材料片的太阳能电池板的坚固复合材料包封坚固碳纤维框架。所得的复合材料结构是轻重量的并且非常坚固，以保持其重量并经受风力。
[0011]借助于托架，太阳能电池板可安装于建筑物的侧面，诸如在壁上。托架可使太阳能电池板的方位摆动，诸如以允许它们在不需要时降低，或用于它们的保护。电池板还可安装在面向东的壁上并且在太阳上升时追踪太阳，在早上沿铰链轴线旋转以第一次显示为向东，在中午上升成与地面平行，并且继续上升以追踪太阳到西。例如，电池板可以以与水平线的-90 (垂直)或优选-60度开始，上升到水平线处的0度，并且延伸超过+5度并且可能朝向优选+60度，如果并未+90度(垂直)面向西。
【附图说明】
[0012]为了更完整地理解本公开及其优点，现在参照结合附图进行的以下描述，在该附图中同样的附图标记表示同样的部分，其中:
[0013]图1示出了本发明的优选实施例的复合材料电池板的组成层的分解图；
[0014]图2示出了组装、层叠和成框架的本发明的太阳能电池板的背侧；
[0015]图3示出了用于结构支承和用于热收集的碳纤维框架的优选实施例；
[0016]图4示出了展示冷却剂如何在框架中循环用于热收集的碳纤维框架的优选实施例；
[0017]图5示出了本发明中的碳纤维管的阀栓连接器连接区段的优选实施例；
[0018]图6示出了具有本发明的冷却剂循环和电连接的两个电池板系列；
[0019]图7示出了本发明的优选实施例，其包括由此将电转化至电板和使冷却剂流至水加热器的系统。
【具体实施方式】
[0020]本公开提供纤维复合材料太阳能电池板的新方法和设备，其借助于轻重量的、坚固的和易于折叠的集成的复合材料结构产生光伏电并收集太阳能热能。2013年1月16日提交的标题为Foldable Solar Power Receiver (可折叠太阳能接收器)的美国专利公开N0.2013/0327371由此通过参考并入。
[0021]我们使用的优选的纤维材料包括但不限于纤维玻璃和碳纤维。对于本发明而言，具有足够的强度和这些材料的类似特征的本领域中已知的其它聚合物和材料也是可接受的。
[0022]我们使用的优选的聚合物包括但不限于代替玻璃作为太阳能电池窗的聚四氟乙烯(PTFE)、离聚物或作为粘合剂的乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)、以及聚丙烯、聚乙烯或作为纤维增强型聚合物的环氧基树脂。
[0023]我们使用的优选的光伏材料包括但不限于单晶硅电池、多晶硅电池以及诸如基于无定形硅、硫化镉和铜铟镓砸(CIGS)的那些的其它薄膜太阳能电池。
[0024]我们公开了基于使用粘结剂、加热和压力层叠以及夹持而使这些材料一起成层以建立坚固的复合材料结构的方式。
[0025]我们公开了如何将层叠的电池板结构设计用于轻重量，而同时具有高抗拉强度以处理其重量和风力载荷。我们通过使用少量的诸如碳纤维的坚固材料的纤维复合材料框架来增大或建立层叠结构的深度。电池板的硬度基于使用夹住足够厚度的中空碳纤维框架的纤维复合材料片。整个结构是用于电收集和热收集两者的集成复合材料。在现有技术中，大部分的热收集系统是添加到现有的太阳能电池板，其较重并且增加了支承结构的负载要求，而不是将强度添加至系统。
[0026]本发明包括在层叠的太阳能电池板结构内循环的冷却剂，用于冷却太阳能电池板和用于以加热水和空间为目的的热收集。冷却剂直接在太阳能电池或太阳能电池层下面的碳纤维管中流动。冷却剂冷却具有用于增加的电生产的附加益处的太阳能电池。碳纤维管的使用是优选的，因为其非常坚固并且还为非常良好的热导体。
[0027]本发明包括优选地安装且抵靠建筑物的侧面支撑的电池板。因而电池板可在夜晚或大风期间折叠。这些轻重量的电池板可像雨伞或甲板一样折叠以避免风力。
[0028]该复合材料结构的单个层100在图1中从顶部(光伏侧)到中心(热收集歧管)和覆盖纤维复合材料片的底部示出。这些层将在多个步骤中层叠以形成太阳能电池板。
[0029]顶部透明层101保护太阳能电池板免受诸如水、风、冰雹和其它冲击物体的外部元件。材料优选为坚固的透明层，诸如PTFE，其阻止腐蚀、注水、撕裂、加热和光降解、电击穿以及由灰尘和雨水的污染。
[0030]太阳能电池102以阵列定位并且通过使线成为突出物(如本领域中已知的)而串联连接，形成光伏层103。通过诸如离聚物或EVA或本领域中已知的其它封装剂的粘结剂，将这些电池封装在顶部封装104和底部封装105的两层封装中。封装层104还用作将太阳能电池粘附于窗层101的粘结剂。
[0031]复合材料层106，优选纤维玻璃片，优选地嵌入在聚丙烯或尼龙聚合物中，并且提供用于光伏层103的背板支承。封装层105还用作将太阳能电池粘附于复合材料层106的粘结剂。
[0032]在这些层101-106组装之后，组件通过热和压力层叠，以形成标记为107的一个单个层叠复合材料层。我们称复合材料层101、103、104、105和106为光伏复合材料层107。优选的是，热压力在合适的温度下完成以确保适当的粘结和化学以及性质变化，同时没有提升温度太高到削弱聚丙烯片。虽然太阳能电池可经受超过300摄氏度的温度，但是由于层材料的潜在退化和避免不必要的变形，故优选的是在大约140摄氏度但不高于180摄氏度下组合该层叠体。
[0033]框架108优选由碳纤维复合材料形成。框架优选包括具有矩形横截面的许多节段(length)的中空碳纤维杆。这些节段使用阀栓(如图5中所示，标记500)接合在一起。优选地，框架包括设在环氧树脂中的碳纤维。在可选实施例中，框架可由诸如玻璃纤维的其它纤维和/或诸如聚乙烯的聚合物，以及本领域中已知的其它材料形成，以提供类似的支承和热传导。框架的目的在于提供结构支承和用于热交换的液体流动歧管两者。框架108，形成本发明的层叠复合材料太阳能电池板的中间层。
[0034]整个组件的底层优选由另一个纤维复合材料层109制成。该复合材料层109与层叠光伏顶部层107 —起夹住碳纤维复合材料框架108。我们使用诸如硅酮的坚固粘结剂来形成层107、108和109的坚固单个层叠体以形成太阳能电池板100。出于将太阳能电池板100附接于壁(未示出)的目的，我们将两个铝框架110和111添加在太阳能电池板100的两个端部处。
[0035]图3展示了本发明的层叠且成框架的太阳能电池板200的优选实施例。附加的结构包括用于将乙二醇软管203和夹具204和206附接在电池板的其它位置处的两个阀栓201和202。接线盒207终止成系列的太阳能电