专利名称：太阳墙体发电构件及其制备方法
技术领域：
本发明属于太阳能利用技术领域，具体涉及一种利用太阳能发电和产热的太阳墙体发电构件及其制备方法。该太阳墙体发电构件既可作为建筑物的朝阳墙体，又可作为发电和产热装置。把它设置在建筑物的朝阳表面，用于把捕获到的太阳辐射能转变成电能和热能，再分别从不同端口或出口输出以资利用。
背景技术：
太阳能是人类实现可持续发展和永恒利用的能源。人们在屋顶或平地上安装太阳电池发电装置已经进行了大量的研究和实践活动。这些装置需要把一个一个的太阳电池板固定在钢制的安装框架或支架上，再把支架装置固定在屋顶或空旷的平地上。如此，对安装基础要进行一定的预处理方可使用，同时也使太阳能发电装置的使用面积受到了一定的限制。由于安装支架是钢制的还需采取防雷击措施。上述安装支架，安装基础预处理和防雷击以及安装施工等内容大大增加了太阳能发电装置的成本。
中国专利公开号CN1132340A公开了一种太阳能光电热能收集结构，它与常规的太阳能光电(伏)或光热系统比较可以方便的安装在屋顶或墙侧。但该结构的热循环性能和耐低温性能存在缺陷。该结构把水箱放置在建筑物的屋顶上增加了房屋的承载负荷。它还存在强度，互换性或成本等问题。
中国专利公开号CN1207830A描述了在建筑物的屋面铺设光电池的装置。它存在温度性能和维护性能等问题。
中国专利公开号CN1381658A描述了一种太阳能的光电和光热复合装置并把它安装在建筑物的屋顶上。它把太阳能发电，太阳能空气集热器和太阳能热水集热器组合在一起进行使用。它存在系统成本和系统效率等一系列问题。
中国专利公开号CN1407684A专利描述了把常规的太阳电池板扩大成幕墙，然后再按常规的太阳能光伏发电系统加以组合利用。作为墙体，它的强度，保温性，安全性，光污染等问题均需进一步考虑解决。
中国专利授权公告号CN1144297C描述了一种太阳能屋顶构件及其制造和安装方法。它采用的是非晶体硅太阳电池。该构件存在太阳能光电转换效率较低和结构较复杂以及维护性等问题。
还有一些涉及太阳能发电或产热的专利。所有这些专利它们所考虑的都是如何与建筑相结合的问题和如何安装在建筑物的屋顶等的结构与装置。
常规的太阳电池板都需要先固定在一个钢制的框架或支架上，再把该支架固定在空旷的地面上或屋顶上，有时还需添置避雷装置。这样既增加了太阳能发电系统附件的种类和数量又使安装任务的工作量变大。如，预先埋置和用水泥浇灌膨胀螺栓等，这样费时费工，并且增加了整个太阳能发电系统的成本。还有一个缺陷就是太阳能发电系统的使用受到了场地限制。因为空旷的土地资源成本较高，屋顶的面积十分有限，对楼房情况更严重。这在一定程度上使太阳能发电系统的利用受到制约。
诸多新的专利和科研成果仅仅在一定程度上解决或减少了这些问题。它们构思或研发了新的太阳电池装置，这些新的装置可较方便的安装在建筑物的屋顶上或作为屋顶材料的一部分进行使用，但又出现了新的问题，如强度，安全性，互换性，保温性，成本等。
发明内容
针对上述背景技术的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种太阳墙体发电构件及其制备方法，本发明将太阳墙体发电构件制成建筑墙体的构件，既可作为建筑物的朝阳墙体，又具有太阳能发电和产热的功能，适合大面积推广和应用。与上述文献公开的内容相比，他们之间存在着本质的区别。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案是，一种太阳墙体发电构件，包括一与建筑墙体结合的墙基体，该墙基体上依次设置有加强板装置、串联或并联的太阳电池和透光板；太阳电池和透光板由粘结剂粘接在一起，并与加强板装置密封；其特征在于，加强板装置设置在该墙基体内，加强板装置上有热能输送管道，其热能输送管道的进出口和太阳电池的正极输出端和负极输出端从墙基体周边引出。
所述的墙基体周边有燕尾槽，用于热能输送管道的进出口和太阳电池的正极输出端和负极输出端从墙基体引出。
上述太阳墙体发电构件的制备方法，把高透光率的透光板和多个按串联和/或并联的太阳电池粘接，并使太阳电池受光面朝向透光板；其特征在于，至少还包括以下步骤1)制作一表面积与透光板相同、并与建筑墙体结合的独立墙体，该墙体上下两个边留有燕尾槽；墙体的中间层预置一带有热能输送管道的加强板装置；2)把密封好的太阳电池与透光板和墙体预置的加强板装置粘接后密封。
其详细制备过程是1.首先，按图2太阳电池连接示意图把太阳电池按一定的串联和/或并联要求连接好。其次，用粘结剂膜在太阳电池上下各覆盖一层。然后，用模压板把太阳电池与粘结剂进行热熔封(层)压。再进行固化处理。
2.制作加强板装置加强板装置包括基板和热能输送管道，其中基板选用热扎薄钢板，而热能输送管道选用圆管或方管；基板与热能输送管道采用焊接合成一体，并尽可能增大两者的接触面积。
3.制作墙基体首先，把工业炉渣，石灰和粘土预先碾压成粉末状。其次，把粉末状的工业炉渣，石灰和粘土与少量的干细沙和水泥均匀掺和成干的混合粉。第三步，用掺入微量胶粘剂的水喷洒干的混合粉使其成为湿的混合粉。第四步，给加强板装置的热能输送管道的管道中填灌满干沙。第五步，把加强板装置放入墙基体模压箱的最底部，要使热能输送管道所在面向上，再给加强板装置向上的面铺撒少量水泥粉，接着把湿的混合粉放入墙基体模压箱中，并在中途放入一定的麻。第六步，对墙基体模压箱施加一定的压力使湿的混合粉压制成型。第七步，脱去墙基体模具并把墙基体凉干；然后，倒出热能输送管道中的干沙，并用水冲净该管道。至此，已经做好了墙基体与加强板装置的合成体。
4.制作透光板把高透光率的透光板的朝阳面进行减反射处理，然后进行去油去污清洁处理以备待用。
5.把经过减反射处理的透光板与经过热熔封压的太阳电池采用热微熔法压封成一体，要使太阳电池受光面朝向透光板。
6.把步骤5制成的固压体再和上述墙基体与加强板装置的合成体采用热微熔法压封成一体，要使太阳电池的背光面朝向加强板装置，并使太阳电池的正极输出端和负极输出端分别位于墙基体中燕尾槽和燕尾槽处。
7.用密封胶把透光板和加强板装置的四周进行密封胶结，以防止水或其它气体透过粘结剂渗入到太阳电池的表面影响其性能和寿命。
8.分别对透光板，太阳电池的正极输出端负极输出端和热能输送管道的两个端头(输入和输出口)采取防划伤，短路或损坏的保护处理措施。
本发明和现有技术相比，具有下列特点①建材化 只使太阳能发电装置与建筑物结合在一起或容易装配成一体还是不够的，它在美观上是一个大的进步。本发明则是使得建筑构件本身成为太阳能发电装置或器件，这种器件具有建筑构件本身的和利用太阳能发电的双重功效与作用。
②提高能源利用量 这有二层含义。一层含义是扩大了捕获太阳辐射能的面积，作为墙体捕获太阳能不占用空旷土地，它比屋顶的受光面积大很多，对于楼房墙体的受光照面积要比屋(楼)顶受光照面积大若干倍。由于捕获阳光的面积增加，那么太阳能的利用量也随之增加。另一层含义是提高太阳能的利用率。当今世界先进水平的太阳电池也只能把照射在它表面太阳辐射能的不足20％转变成直流电能，其余绝大部分能量变成热能而白白散失掉了。这些热能的滞留还会降低光能转变成电能的效率。本发明则是将这些热能迅速输送走，再加以利用。从而提高了太阳墙体发电构件的发电量，又可获得相当的热能，可谓一举两得。因此，它大大提高了太阳能的利用率。
③绿色性 本发明制备的构件不仅在运行工作过程中不产生污染，而且在生产和加工过程中也不产生污染。它还有消声隔音，防火阻燃，绝热保温一系列功能。同时它还是一个产出能量的构件。因此它是一个“绿色”建材器件，也是实现零耗建筑或绿色建筑的重要构件。
④低成本 由于充分发挥了墙体各种材料的作用并且尽可能的选用价格低廉的材料，再使各种材料的性能相互取长补短以达最佳效果，从而实现了太阳墙体发电构件的低成本。如，由于使用金属材料作为加强板装置105，而使墙基体106可以大量采用工业炉渣，粘土等这些废弃物和价格极低的原料，并且墙106还不用烧结既可减少能耗又利于环境保护。
图1是按本发明方法制备的构件剖面图，图中的符号为101-透光板，102-太阳电池，103-密封胶，104-粘结剂，105-加强板装置，106-墙基体。
图2太阳电池连接示意图。图中的符号为201-正极接线端子，202-汇流串焊带，203-太阳电池片，204-负极接线端子。
图3加强板装置示意图。图中的符号为301-基板，302-热能输送管道，303——墙体固连筋。
图4太阳墙体发电构件的墙基体示意图。图中的符号401，402，403和404均为燕尾槽；图5实施例示意图，图中的符号为501-控制变换器，502-循环泵，503——贮热箱。
具体实施例方式
以下结合附图和发明人给出的实施例对本发明作进一步的详细说明。
参见附图，图1是墙体剖面图，显示了太阳墙体发电构件各部分的相对位置关系。透光板101，太阳电池102，密封胶103，粘结剂104，加强板装置105，墙基体106依次连接并密封。
加强板装置设置在该墙基体内，加强板装置上有热能输送管道，其热能输送管道的进出口和太阳电池的正极输出端和负极输出端从墙基体周边引出。
墙基体周边有燕尾槽，用于热能输送管道的进出口和太阳电池的正极输出端和负极输出端从墙基体引出。
其制备方法是透光板101可选用价格低和透射率高的材料以替代常用的钢化玻璃；如选用低铁白玻璃或一些抗辐射的有机材料。对于低铁玻璃要降低它表面的反射率以免产生光污染和提高透射率。为达到该目的，可采取表面处理措施，如进行化学腐蚀或镀膜等。
太阳电池102由晶体硅材料制造，其工作原理是根据“光生伏打效应”吸收太阳光而发出直流电能的。
粘结剂104选用热固性热熔胶膜，透光率要高，耐紫外光不老化。它一方面要把太阳电池102封密起来，使太阳电池102不能与外界接触产生氧化反应影响发电性能，同时也起一定缓冲作用以增加太阳电池的耐冲击能力；另一方面它要把太阳电池102与透光板101和加强板装置105粘接在一起，大大克服太阳电池机械性能方面的缺陷。
加强板装置105选用廉价的普通薄板钢材替代常用的TPT材料。作为建材使用，即使很薄的钢板也要比常用的TPT材料性能高若干个数量级。
墙基体106是把工业炉渣、石灰和粘土预先碾压成粉末再与少量的细沙，麻，水泥一系列材料混合压制成型。它不要进行烧结，这样既可减少能耗又可减轻墙体的重量。墙基体也可单独作为一种轻型非承重建筑墙体。墙基体周边有燕尾槽，热能输送管道的进出口和太阳电池的正极输出端和负极输出端分别从位于墙基体的燕尾槽中引出。
图2太阳电池连接示意图。太阳电池102发出的是直流电，它有正极和负极之分。正极接线端子和负极接线端子204是一块墙体的二个电力输出端，务必呈几何对称分布并位于墙体长度尺寸靠短边的1/4位置处。这样，当数块太阳能发电墙砌垒在一起时，可根据需要很方便的进行串联或并联连接并且保证不会发生短路事故。
汇流串焊带202的作用是把一块太阳墙体发电构件中的太阳电池片根据设计要求进行串联和/或并联连接。
图3是加强板装置103示意图。基板301的作用主要有三点，①大幅增加墙体承载性能；②保护太阳电池片免遭室内在太阳能发电墙上敲或砸硬物而损坏；③收集热能，太阳电池可接受照射在它表面90％左右的光能，只有不到20％的光能转换成了电能，其余绝大部分变成热能白白散失掉了，而基板301可把该热能的大部分收集起来。
热能输送管道302作用是把基板301收集的热能输送出去。它的两端须呈对称分布，分别位于墙体长度尺寸靠两个短边的1/4位置处，这样当多块发电墙砌在一起时便于连接。热能输送管道302是加强板的一部分，它与基板301合为一体并左右盘绕整个基板301以便把基板301收集的热能迅速传输出去。管道中的热媒可以是空气也可以是水或其它流体。因此，要求管道在基板301上盘绕时向上有一定的斜度可防止积水。夏季太阳辐射较强时，用水作热媒，它一个收益可生产热水供洗浴用，另一收益可隔离或短路朝阳墙体因太阳辐射产生的热量，使该热量不能传入室内，具有空调作用。冬季太阳辐射达到一定强度时，用空气作热媒并把加热过的空气再通入室内，具有取暖作用。
墙体固连筋303主要作用是进一步加强墙体各部分的连接性和整体性并提高墙体的力学性能。
图4太阳墙体发电构件的墙基体示意图。墙基体留有4个燕尾槽，编号分别为401，402，403和404。要求它们上下左右分别呈现对称分布，以便按需要分别设置不同用途。其中燕尾槽401和403为导线引出转接处，它是太阳能发电墙所产生的直流电能的输出接线端处。如果燕尾槽401为正极接线端处，则403为负极接线端处。由于燕尾槽的对称性，当多块太阳墙体发电构件砌垒使用时，根据墙体间直流电串联和/或并联的需要可很方便的调整每块墙体上端和下端的正负输出极性(绕墙中心旋转180°既可)。燕尾槽402和404为热能输送管道转接处，一端为输入口，则另一端为输出口。
燕尾槽除了起到电能或热能的输送转接处的作用外，还有一个重要作用，那就是由于它的几何形状，用沙灰水泥等可把上下相邻的太阳墙体发电构件非常牢固的砌垒起来。
以下是发明人给出的具体实施例。
如图5所示，它是本发明的构件的一个实例简图。本发明的构件作为外墙砌立于建筑物的朝阳面。
透光板101选用厚度为3.2mm，Fe2O3含量低于或等于3.5‰的平板玻璃并用氟硅酸对其朝阳表面进行减反射处理，可作为替代方案也可选用经减反射处理的钢化玻璃。
太阳电池102选用面积大于或等于150×150的单晶硅或多晶硅体材料的太阳电池片，它的光电转换效率要等于或大于15％。
密封胶103采用硅酮胶。
粘结剂104可选用乙烯乙酸乙烯共聚物，乙烯丙烯酸乙酯共聚物或聚乙烯醇缩丁醛。采且乙烯乙酸乙烯共聚物的热熔层压温度为132℃±5℃。固化温度为158℃±5℃。热微熔法选取温度为120℃±3℃。恒温7～9分钟。
加强板装置105选用热轧薄钢板，镀铜钢板或铝合金板。
墙基体106成份按体积分工业炉渣32％，粘土24％和石灰22％，其余为细沙，麻和水泥等压制而成。
当阳光照射太阳墙体发电构件时，会有电能和热能产生。电能可通过正极接线端子201或负极接线端子204输出至控制变换器501。控制变换器501把该电能输送给负载或送入交流电网。热能则由循环泵502强制水循环，经由热能输送管道302把热带入贮热箱503，以降低太阳电池102的温度，从而增加其发电量。
按照本实施例的制作的太阳墙体发电构件，其主要特点和投入使用后的技术效果如下1.当太阳光照射到太阳墙体发电构件朝阳面上时，约有90％的光可以穿过透光板101到达太阳电池表面。其余光的绝大部分又返回空(大)气中去了，因为透光板101的朝阳表面采取了减反射处理，这部分光是以散射光的形式返回的而不是以通常的反射光(直射光)形式返回；这样就可以避免产生光污染。
2.透光板101可选用价格低廉的低铁水白玻璃以替代常用的价格相当高的钢化玻璃。虽然水白玻璃承冰雹撞击远不如钢化玻璃，但墙体一般都是铅垂竖立的，其受力方向发生了变化，因此本发明的构件所能承受的冰雹冲击与倾斜放置的钢化玻璃所能承受的冲击相差不大。另外，如因突发事件使水白玻璃受到撞击，它会破裂，由于粘结剂104的作用使其不会立即掉下而造成伤害，又因采用了热微熔技术可把破裂的玻璃拿下来进行更换，一般不至于损坏昂贵的太阳电池。而通常钢化玻璃采用热熔层压技术，如因突发事件受到大的撞击，它会破碎，不但会损坏太阳电池，而且还会造成人身伤害。所以，本发明产品具有一定的安全性和良好的互换性。
3.太阳电池102可以把照射在它上面的光的一部分转变成电能进行输出，而其余大部分转变成了热能传递给基板301。
4.太阳电池102经热熔层压后，已被粘结剂104围裹，使太阳电池不与外界接触，以免发生化学反应导致性能下降，同时粘结剂104对太阳电池还有缓冲力的作用。这些措施使得太阳电池可以工作使用20年以上其电性能几乎不下降。所以本发明的构件具有寿命长的优点。
5.加强板装置105可把太阳电池传递来的热能输送出去。一年四季中，当阳光充足时，可用水作热媒强制水通过热能输送管道302而把热量携带走以资利用。在冬季，阳光较充足时，可用空气作热媒使空气通过热能输送管道把热量带至房间用于取暖。在冬季阳光较弱或无阳光时，由于热能输送管道302的几何布置可自动使管内的水放净而不至于结冰胀裂管道302。
热媒携带走热量会导致太阳电池的温度下降。太阳电池温度越低它所发出的电能就越多。所以，与常规太阳电池组件相比，本发明不仅增加了产出热能的功效，还使所发出的电能增加许多；夏季当阳光曝晒时，它的发电量可相对增加20％以上。
6.加强板装置105和墙基体106的结构与组成使得本墙体自身重量轻，而且具有较好的承载能力和抗剪切力。
7.墙基体106与透光板101和加强板装置104的组合使得本发明的构件具有良好的吸音和隔音效果。
8.本发明的构件均由不燃烧材料组成，是一个不燃烧体。因此，它具有良好的防火阻燃性能。
9.基板301和热能输送管道302及墙基体106的有效组合使本墙体构件整体上具有较大的热阻R或很小的传热系数K，以致于它有良好的保温和隔热性能。按单砌240砖墙标准，其热阻约增大10％。
10.透光板101，加强板装置105和墙基体106均有一物多能作用，使得本发明的构件达到了成本较低的目标。
权利要求
1.一种太阳墙体发电构件，包括一与建筑墙体结合的墙基体，该墙基体上依次设置有加强板装置、串联或并联的太阳电池和透光板；太阳电池和透光板由粘结剂粘接在一起，并与加强板装置密封；其特征在于，加强板装置设置在该墙基体内，加强板装置上有热能输送管道，其热能输送管道的进出口和太阳电池的正极输出端和负极输出端从墙基体周边引出。
2.如权利要求1所述的太阳墙体发电构件，其特征在于，所述的墙基体周边有燕尾槽，用于热能输送管道的进出口和太阳电池的正极输出端和负极输出端从墙基体引出。
3.一种实现权利要求1所述的太阳墙体发电构件的制备方法，将高透光率的透光板和多个按串联和/或并联的太阳电池粘接，并使太阳电池受光面朝向透光板；其特征在于，至少还包括以下步骤1)制作一表面积与透光板相同、并与建筑墙体结合的墙基体，该墙基体上下两个边留有燕尾槽；墙基体的中间安置一带有热能输送管道的加强板装置，热能输送管道的进出口从墙基体周边引出；2)把密封好的太阳电池与透光板和墙基体内预置的加强板装置粘接后密封。
4.如权利要求3所述的太阳墙体发电构件的制备方法，其特征在于，所述的墙基体与加强板装置的合成体采用热微熔法压封成一体，太阳电池的背光面朝向加强板装置，墙基体周边有燕尾槽，并使热能输送管道的进出口和太阳电池的正极输出端和负极输出端分别从位于墙基体的燕尾槽中引出。
5.如权利要求3所述的太阳墙体发电构件的制备方法，其特征在于，所述的墙基体与加强板装置合成体的制作工艺过程是首先，把粉末状的工业炉渣，石灰和粘土与干细沙和水泥均匀掺和成干的混合粉；然后用掺入微量胶粘剂的水喷洒干的混合粉使其成为湿的混合粉；第三步，给加强板装置的热能输送管道的管道中填灌满干沙，把加强板装置放入墙基模压箱的最底部，使热能输送管道所在面向上，再给加强板装置向上的面铺撒少量水泥粉；第四步，接着把湿的混合粉放入墙基体模压箱中，对墙基体模压箱施加压力使湿的混合粉压制成型；第五步，脱去墙基模体具并把墙基凉干；然后，倒出热能输送管道中的干沙即成。
全文摘要
本发明公开了一种太阳墙体发电构件及其制备方法。该太阳墙体发电构件由墙体朝阳最外层的透光板，太阳电池，粘结剂，加强板装置和墙体室内最表层的墙基体几个部分构成。它可把照射在其表面太阳辐射能分别转变成电能和热能给予输出以资利用。该构件的成分和构造决定了其墙体具有发电量较大，重量轻，易维护，消声隔音，防火阻燃，绝热保温一系列特点。本发明实现了产能器件的建材化，它大大提高了建筑物利用太阳能的功能和性能，对实现“零能耗”和“绿色”建筑具有一定的积极意义。
文档编号E04D13/18GK1584250SQ200410026219
公开日2005年2月23日 申请日期2004年6月7日 优先权日2004年6月7日
发明者施钰川, 黄国华 申请人:西安交通大学