光电组合建筑构件的制作方法

专利名称：光电组合建筑构件的制作方法
背景技术：
通过光电(PV)电池来提供电力正日益普及，因为这种技术已降低成本，而且由于环境和战略因素人们越来越不愿意依赖其它的电力来源。但是，提供容易安装并不用外部连线就能与别的瓦片电连接的带电气元件的通用瓦片却还没有弄清楚。
光电池是指直接将太阳光转变为电能的电池。所产生的电是直流电，它可以用作直流电，或通过使用转换器转变为交流电，或贮存在电池内供以后使用。从概念上说，最简单的光电装置是太阳能电池，它只消耗光能。由于太阳是宇宙共有的，光电装置相对传统的能源具有许多优点。光电系统是模块型的，因此它们的电力输出可以提供给几乎任何应用场合。此外，在光电系统中很容易将功率逐个叠加起来，而不象石油或核燃料等较传统的途径，它们需要有许多兆瓦级的设备经济上才可行。
虽然光电池有各种形式，但最通常的结构是其中形成了大面积二极管(即P-N结)的半导体材料。就基本功能而言，电流是通过前面的一个接触结构(它让太阳进入太阳能电池)和后面的一个接触片(它将电路闭合)从该装置取出的。
在太阳能PV模块领域中，有人建议将太阳能PV模块做成具有屋顶瓦片通用特性的PV模块，使得PV层板可以组合成一个屋顶，一般为(但不一定)瓦片屋顶。另一种途径是把模块做成能安装在屋顶上。但是，对于PV模块设计和开发需要考虑的重点，包括模块能否从建筑上有效地组合成一个屋顶结构。传统的做法是将PV模块安装在已完工的屋顶上面，例如，已用木瓦或瓦片复盖的屋顶上面。安装时通常需要加上一些支架或其它装置(模块与之相连)，这就要求多次穿透屋顶以提供固定。在某些场合下，为了安装方便而将现有的屋顶材料拿下或重新安装。这种安装将使成本增加，而且在许多情况下，由于安装很特殊且需对安装工人作专门培训，成本将增加很多。安装费用可能占到安装好的系统总成本的25-30％，这就从经济上限制了PV在当前住宅和轻便商业市场中的广泛普及。除了安装费用高以外，PV安装还对屋顶的外观产生不好的影响，因为带金属框架和玻璃表面的传统PV模块的“外观和感觉”与其它屋顶材料不连贯。审美艺术家对这类房屋建筑商和买主等是持批评态度。
曾经有些人试图把PV模块做成一种组合建筑材料。其中最有名的是一种将硅做在不锈钢上的产品，曾作为一种组合PV方案推出。但由于采用塑料涂层代替玻璃且总的效率低及每瓦电力的成本高，这种产品的发展有限。
还有人试图把薄膜和单晶硅PV叠装在各种类型的瓦片上作为屋顶材料。但因几种因素(包括成本高和需要大量相互连接)这些产品在市场上未能成功。最近设计了一种替代水泥瓦片的产品。虽然它的形状因素和安装方法与水泥瓦片一致，但仍使用金属框架。尽管这种产品从审美观点看起来比传统模块较舒服并已初步打入建筑市场，但它仍要求对安装工作专门培训，故替代水泥瓦片还很有限。迄今还没有人能把光电装置和屋顶材料融合成一体，以满足成本和材料兼容性的需要。
由此看来，仍然需要有一种光电太阳能屋顶或太阳能表面，它不需要特别的屋顶准备，而且不会影响屋顶的稳定性。另外，还希望太阳能屋顶或表面的安装和维修不会增加成本，而且只需对普通建筑工人作很少的专门培训就能很简单地安装。

发明内容
本发明介绍一种住宅和轻便商用建筑物的建筑结构构件。这种建筑构件包含一个PV层板和一个至少围绕该PV层板安装的塑料框架。此塑料框架整合一个电连接件，它与层板的电底板相接，且包含一个第一电连接件，用来与该PV层板连通并接到相邻PV层板的电连接件上。该第一电连接件的结构易于与相邻PV层板作电和机械连接同时框架包括一个装置，能很容易固定到建筑结构上。
在另一个实施例中，介绍了一种形成建筑结构构件中组合PV层板和框架的方法。此方法包括将第一电连接件模制在塑料框架内，以便与PV层板连通并与相邻PV层板作电连接；将一个散热器模制在该框架内，以便与第一电连接件作热连通；将一个快速连接件模制在该框架内，以便与相邻PV瓦片相互连接；形成一种装置，以便于固定在框架内的建筑结构上；同时将框架与PV层板组合。
本专业技术人员在看过下面的附图和详细说明后，可以了解各实施例的其它系统和方法。所有这类附加系统和方法都被认为属于本发明的范畴之内，而且受下面权利要求书的保护。


图1是本发明一个实施例中两个PV层板组件的剖视图，这两个组件通过一个密封件彼此可操作地联接，并可操作地固定到一个建筑结构的椽子上；图2是图1基座的俯视平面图，它详细显示了按本发明一个实施例中各太阳能电池和置于组件边缘的电气总线之间的电互相连接方式；图3是从图2取出的一块硅晶片的底透视图，显示按一个实施例中处在它底面上的电连接件，用来与互连结构的相应电连接件相连接；图4是图1的放大图，表示按一个实施例中密封件的机械和电气连接；图5是图1的两个PV层板组件的透视图，它们按一个实施例固定在3个椽子上；图6是与住宅屋顶做成一体的PV模块阵列透视图，显示按本发明一个实施例的配电板的电连接；图7是与屋顶瓦片做成一体的PV屋顶阵列透视图，按另一个实施例，这些瓦片是通过与椽子垂直的撑条安装在屋顶椽子上；图8是图7的PV屋顶阵列的另一个透视图，显示按另一个实施例中每个PV瓦片的一个框架，该PV瓦片具有一些键槽，以方便与撑条的组装；图9是两个PV层板组件的剖面图，按一个实例，它们通过一个密封件彼此可操作地相连并可操作地密封靠住该构件。
具体实施例方式
本发明总的说与构成框架系统有关，更具体地说是涉及用来将一系列板状构件或层板安装到支撑结构上的系统。本发明将以安装太阳能板(也称PV板)作为具体应用例子，这些板安装成与水平面成某一角度并接受太阳发出的光线。但是，本发明和此构成的框架系统不一定只限于这些应用，而是可以推广到类似的应用中。这里我们把所讨论的系统的使用主要看作是屋顶安装或屋顶整合应用。但是只要稍加修改，系统同样可用于垂直安置的场合，例如一个外部PV墙壁包层系统。
现在参看图1，两个太阳能电池或PV层板组件10和12通过密封件14彼此在操作上相连。该密封件14与电气部件、机械部件、和防水部件中的至少一个做成一体，以简化PV层板组件10和12的安装和相互连接，这在下面会详细讲到。PV组件10和12各处在一个相应的聚合物基座16上(代替胶合板壳层)。聚合物基座16又固定在建筑结构(如屋顶，未示出)的椽子18上。在一个实施例中，聚合物基座16是一种热塑复合物(如AZDEL Superlite，但也可以是其它种类)。AZDEL Superlite是本申请受让人的一种产品，它是一种热塑树脂基质和长切断纤维(根据应用需要再加上外层，如粘接膜、阻挡膜、纤维织品、韧性PP膜、非编织的加强或光是裸露的表面)的低压、可变形复合物。AZDEL产品是以聚丙烯为基础，且通常是利用它们在强度、刚性和耐冲击等方面独特的优异综合结构性能。因而AZDEL可以和每个层板组件10和12做成一体，并可代替胶合板壳层直接安装在建筑物椽子18上，从而除去电源产生元件外又用作结构构件。如图1所示，聚合物基座16在所有各侧伸展至层板组件10和12的有效太阳能区域之外，以便用屋顶螺钉19固定在椽子18上。但是，并不一定要把层板组件10、12直接安装到椽子上，有一个实施例就是直接固定在椽子上。在这种情况下，互相连接的层板组件10、12需要不漏水和耐火。安装在耐火和不漏水的壳层材料上的层板组件10、12的连附非常简单。在任何一种情况下，复合物基座可以和电连接件及其它部件做成一体，因而简化了安装并可提供冷却通道。
每个太阳能电池层板组件10和12包含一块底板组件20，上面装有许多太阳能电池组件或硅晶片22并用密封物24密封。在密封物24上安置玻璃基座26让太阳光线通过。当每个硅晶片22的外露表面即第一面30透过玻璃/密封物界面接收光子时硅晶片22在第二(反)面32产生电流，这点大家都很清楚。
这些太阳能电池组件22通过底板组件20电耦合在一起。太阳能电池组件的数量并无限制，其数量和结构取决于预定的用途。图中所画太阳能电池组件22只是作为例子。各种太阳能电池组件的结构基本上相同，彼此间的电耦合方式也相似。
仍然参考图1，在任何一种情况下，底板组件20包含一块绝缘基板40。在一个实施例中，硅晶片22和基板40之间夹着一层金属42。绝缘基板40是一块包含柔性和刚性聚合物的聚合物基板。图中所示的基板40是一种柔性聚合物，而金属层42淀积在它上面当作与硅晶片22的电相互连接。我们将会看到，可以把以聚合物为基础的底板层压在复合基板40上，或者把太阳能电池直接粘接到层压在复合基板40的金属箔上。
金属层42可以是铜或铝，或其它金属，根据成本、电气和热性能的综合结果来选定。金属层42的形状应与硅晶片22和相邻层板组件10、12之间的互相连接结构相匹配。可以采用几种方法来构成金属层42的互相连接形状，如将电连接件淀积在聚合物柔性基板上等，但不局限于此。
太阳能电池或硅晶片22用导电环氧树脂或焊料(未示出)安置在金属层42上。此金属层42应在各电池22之间提供电气和热两方面的低阻互相连接。具体而言，金属层42对于电池22在将太阳能转换为电能中产生的热、或从层板组件10、12中吸收的太阳能辐射热应该用作散热片。
现在来看图2，金属层42在聚合物柔性底板40上形成一定图形，将电池22的电互连件分隔开，使得各电池22可按几种方式分组，以提供一定的出错容许度。图2显示一些按串联连接的电池22和一些晶片位置45，并显示在这种串联串44内的相互连接图案46。每个串联串44可能包含一个二极管，它可将失效的串44旁路掉。
图3表示图2的一个串联串44内一个晶片22的背面即第二面32。如图2和图3所示，从各区段流出的电流是从串联串44内每个电池22第二面32上相应的焊盘47流出，并在相应于层板的边缘的金属层42的一个边缘连接件50处汇集。图2还表示如何把可将失效区段旁路的二极管48安装在层42上。
业内人士都知道，当一个阵列中的所有电池22都受到照射时，每个电池将处于正向偏置状态。但是，若电池中有一个或数个被障碍物等遮挡(即未受照射)时，则由于未被遮挡电池产生的电压而使被遮挡电池变成反向偏置。一个电池的反向偏置可能引起电池性能的永久变坏，甚至于使电池完全失效。为防止这种损坏，通常是提供保护性旁路二极管。一个旁路二极管48可以跨接在几个电池上，或者为了提高可靠性，可以与相应的边缘连接件50做在一起。
再回到图1，由电池光电转换或层板组件10、12内部吸收太阳辐射产生的热量，也被引导至层板边缘连接件50上，并在那儿通过辐射或对流而释放，这在下面会详细讨论。
图1和4表示一个可能的实施例，其中从各层板组件10、12来的相邻边缘连接件50通过一个与密封件14做成一体或者设有密封件14的第二电连接件52彼此相连，以在其间提供电的相互连接。每条边缘连接件50包含一个从它上面伸出的导体延伸部54，它垂直于基板40向外伸出并沿着各层板组件10、12伸至散热器组件56，以提供一个辐射途径或通过对流在界定每个组件10、12的相应各边缘散发热量。
应该指出，散热器组件56可以包含一个高发射度表面或层58，它模制在框架60内并热连接至导热延伸部54。高发射度表面58用来吸收一部分接触层基板40的光子能量，并将吸收的能量从太阳能电池22辐射出去。通过辐射吸收的能量，太阳能电池22可以维持在最佳的温度范围。在一个典型的实施例中，一个塑料框架60包围着每个组件10和12。图1表示沿每个层板组件周边安置的塑料框架60和它外面的一条框架线61。每个塑料框架60或者是围绕一个制成的PV层板模注或者在与制成的PV层板组件10、12组合之前单独模制。也可以把塑料框架60和复合基板40做成一体。每个塑料框架60包含一个埋在其中的相应散热器组件56，以与相应的导热延伸部54作热连通。在一个实施例中，每个散热器组件56包含一些与框架60模制在一起的冷却翼片62。不难想象，框架60可以是层板本身的一个整体部分。
仍然参考图1和4，密封件14的形状做成可以通过它任一面的卡扣件64与两个相邻组件操作上相连接，这个密封件14做成能与从塑料框架60一边伸出的配套卡扣件66相结合。如图所示，快速连接件64和66之间的接合提供了一个密封界面68，以保护相应的边缘连接件50，从而使它不暴露于外面的元件。另外，密封件14是一个能提供弹性密封的弹性元件，这种弹性元件使得塑料框架60和相应PV层板组件10、12之间实现密封。
当连接件从PV层板组件10和12伸出时，密封件14可做成不带第二电连接件52。这种情况下，密封件14可提供一个腔体来安置电连接到里面的连接件。
现在参看图9，这是密封件214和相邻PV层板组件210和212的另一个实施例。密封件214做成“T”形，使组装好的PV层板组件210和212成为基本上齐平或无缝的组件。每个层板组件210、212包含一个相应的框架260，它有一个沟槽262用来接纳O型圈264，以与密封件214的底面266形成密封。每个层板组件210、212还包含一个相应的凹形电连接件250，用来与从密封件214伸出的相应的凸形电连接件252相连接。凸形电连接件252再与一个电总线270相连接，以提供太阳能电池产生的电力的通道。密封件214相对于其间带O型圈264的层板组件210、212是偏置的，并有一个机械紧固件272用来完成其间的密封。需要时可包含一个发光二极管280(以虚线表示)，以指示密封件214和每个层板组件210、212之间的电连接已经完成。此二极管可以装在密封件或相应的层板组件210、212上，指示电路已完成或证实其间是连贯的。虽然我们分别对凸形和凹形电连接件252和250作了说明，但任何适合所要求的最终目标的电连接件都可以用。
图5表示一对图6所示的屋顶阵列100的PV层板模块70，它们结合在一起并安装在中心距(O.C.)为16英寸或24英寸的3个椽子18上。我们将看到，与PV层板70外观和感觉类似的天窗和水加热板可以插入屋顶阵列100内。另外，这些模块70的聚合物结构使它们能与其它塑料屋顶产品无缝地连成一体。
图6显示该屋顶阵列100与它顶端的主电力总线80的电气连接，此阵列又与一条电缆82可操作地相连接至转换器84。后者接收由阵列100产生的直流(DC)并产生交流(AC)输出给配电盘86。配电盘86再将产生的AC馈送到房屋负荷(总的用88表示)。
图7和8表示另一种典型的PV屋顶阵列实施例200，它与屋顶瓦片104做成一体并通过垂直于椽子118的撑条106安装在屋顶椽子118上。屋顶阵列200包含一些PV层板组件10和12，它们用密封件114密封在一起。每个PV层板组件10、12包含许多PV电池22，它们安置在相应的基板140上并用框架160包围起来。每个组件10、12的每个区段144包含一条相应的边缘连接件150，后者外露并通过一条与密封件114做在一起的导线(未示出)与相邻的连接件150连接。框架160包括一个便于安装到建筑结构上去的装置，此建筑结构包含一个键槽180，它开在塑料框架160的一条安装边上，适于接纳一个互补成型撑条106。举例来说，键槽180和从中穿过的撑条106做成燕尾形，使得PV瓦片相对于撑条106卡住不动。
在典型的实施例中，选择塑性材料时包括让框架60和160的塑性材料与PV层板匹配，使得一体化结构在整个工作温度内是稳定的。在相关领域内的专业技术人员了解，要让层板的热膨胀系数与框架匹配可能需要使用一种以上的塑性材料(如多元件塑料框架)。
另外，可以采用玻璃替代塑料作为制成屋顶瓦片的顶部外露表面，因为玻璃在20-30年的产品寿命中能一直保持机械和光学特性的最佳组合。但是，也可以不用玻璃，而直接在太阳能电池上面模制一个透明塑料盖。在这种情况下，层板的特性很象一个很薄的塑料密封层，也可用来密封层板并提供机械顺从性。与使用玻璃比较，模制塑料盖将提供较高的机械强度，同时也显著降低瓦片的重量。
现在参看图5和8，根据需要可以让每个PV瓦片能把它下面的热量排到一个通风空间(图5中用111表示)。例如，若如图5所示将瓦片直接安装在椽子上，则可借助于阁楼或它下面的狭小空间内的排风扇把热量排到屋顶的通风处。如果瓦片象图8那样安装在胶合板/外壳上面，则通风空间可以通过开在框架160内的槽(未示出)形成。
柔性基板40可以用不导热的聚酰亚胺制成，例如杜邦公司生产的“KAPTON H”或“KAPTON E”。因为KAPTON产品是不导热的聚酰亚胺，本发明人认为，热辐射层可以穿过KAPTON层40安置，以从太阳能电池阵列背面辐射由太阳能电池22及太阳能电池阵列中其它太阳能电池产生的过剩热量。在一个典型实施例中，热量是利用金属化作为散热片排除的，因为KAFTON是不导热的，而导热聚合物又因价格昂贵而实际上没法用。
在另一些实施例中，基板40可用下列材料的一种或几种薄膜制成(I)聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，(II)聚丙烯酸酯，(III)聚碳酸酯，(IV)硅酮，(V)环氧树脂，(VI)硅酮功能化的环氧树脂，(VII)聚酯，如E.I.du Pont de Nemours &Co.生产的“MYLAR”树脂，(VIII)Kanegafugi化学工业公司生产的“APICAL AV”材料，(IX)UBE工业公司生产的“UPILEX”材料，(X)Sumitomo生产的聚醚砜“PES”，(XI)通用电气公司生产的聚醚亚胺“ULTEM”，及(XII)聚萘二甲酸乙二醇酯(“PEN”)。
这里所提供的PV屋顶瓦片可以让制成的PV屋顶瓦片按普通屋顶材料类似的方式处理和安装。一个基本方法是将层板与能模制的复合基板做成一体。由于可以在正常安装到屋顶的过程中安置电连接件及连接件，因而不需要电工参加。不过规章管理机构可能仍要求有电工在场，但电工所花的时间将会减少。另外，采用能简化机械安装的卡扣式连接件就不需要安装专家到场。这两个例子显著降低了安装成本。在这二种例子中的优点是显著降低安装费用。还有，把散热组件与屋顶瓦片结构做在一起能让太阳能电池在较低温度下工作，从而提高平均效率和瓦片产生的能量。上述PV瓦片实施例对于普通消费者和其它关键人员(包括建筑商、普通的合同商、和建筑师)更容易接受。
虽然本发明是参照一个典型实施例来描述的，但本专业技术人员明白，可以作各种变更，也可以用等效元件替代其中的元件而不超出本发明的范围。此外，还可以对本发明的内容作更多的修改以适应特定情况而不超出其范围。因此，本发明并不限于所介绍的实施例，而是包括所有属于下面权利要求书范畴内的实施例。另外所用的第一、第二等并没有重要性之分，而只是用来区分不同的元件。
部件列表10 PV 层板组件11 PV 层板组件14 密封件16 聚合物基板17 有效阳光区18 椽子19 屋顶螺钉20 底板组件22 太阳能电池组件或硅晶片24 密封物26 玻璃基片30 第一面32 第二面40 基板42 金属层44 串45 晶片位置46 互连方式47 焊盘48 二极管50 边缘连接件52 第二电连接件54 导电延伸部56 散热组件58 高发射度表面或层60 框架61 框架线62 冷却翼片64 卡扣式连接件66 配套卡扣式连接件
68 密封界面70 PV层板模块80 主电气总线82 单条电缆84 转换器86 配电盘88 房屋负荷100 屋顶阵列104 屋顶瓦片106 撑条111 通风空间118 屋顶椽子144 区段150 连接件160 框架180 沟槽200 PV屋顶阵列210 PV层板组件212 PV层板组件214 密封件250 凹形电连接件250 凸形电连接件260 框架262 沟槽264 O型圈266 底面270 电气总线272 机械紧固件280 发光二极管
权利要求
1.一种用于住宅或轻型商业建筑的建筑结构构件，包括PV层板；和塑料框架(60、160、260)，它至少包围该PV层板设置，所述框架(60、160、260)包含第一电连接件(50、150、250)，用来与PV层板连通并适于与相邻PV层板电连接，该第一电连接件(50、150、250)配置成便于与相邻PV层板作电气和机械连接，所述框架(60、160、260)具有便于固定到建筑结构上的装置。
2.如权利要求1所述的构件，其中便于固定到建筑结构上的装置包括一些形成在所述塑料框架(60、160、260)内的槽，适于让紧固装置通过；及形成在塑料框架(60、160、260)内的键槽(180)，适于接纳撑条。
3.如权利要求1所述的构件，其中塑料框架(60、160、260)包含一些嵌在其中的散热结构(56)。
4.如权利要求3所述的构件，其中散热结构(56)包含散热器和一些与所述所述电连接件(50、150、250)作热连通的对流槽，所述电连接件(50、150、250)提供至限定所述PV层板的边缘的热通道，在该边缘处安置有散热器之一和对流槽。
5.如权利要求4所述的构件，其中所述散热器之一和对流槽与所述塑料框架(60、160、260)嵌入模制在一起。
6.如权利要求1所述的构件，其中所述PV层板和所述塑料框架(60、160、260)是住宅和轻型商业屋顶的PV屋顶瓦片。
7.如权利要求6所述的构件，其中所述PV屋顶瓦片包含的塑料框架(60、160、260)至少围绕该PV层板安置，且置于聚合物基板(16)壳层上，该聚合物基板(16)壳层适于直接安装在椽子(18、118)上。
8.如权利要求7所述的构件，其中聚合物基板(16)是一种热塑复合物。
9.如权利要求1所述的构件，其中所述塑料框架(60、160、260)是模制在制成的PV层板周围的一个，并且在与制成的PV层板做成一体之前单独模制的。
10.如权利要求1所述的构件，其中还包括密封件(14、214)，该密封件与电气部件、机械部件和防水部件中至少一个集成一体，这简化了许多PV层板的安装和相互连接。
全文摘要
一种用于住宅或轻型商业建筑的建筑结构构件，包括一个PV层板和一个塑料框架(60、160、260)，它至少包围该PV层板设置。该塑料框(60、160、260)包含一个第一电连接件(50、150、250)，用来与PV层板连通并接受相邻PV层板的电连接。该第一电连接件(50、150、250)的形状做成便于与相邻PV层板作电气和机械连接，同时框架(60、160、260)有一个便于固定到建筑结构上的装置。
文档编号H01L31/042GK1740475SQ20051009772
公开日2006年3月1日 申请日期2005年8月24日 优先权日2004年8月24日
发明者C·S·科尔曼, R·A·博普雷, N·A·约翰逊 申请人:通用电气公司