集成在建筑物中的光伏模块的应用方法与流程

本发明涉及集成到建筑物中的光伏模块的应用方法。

一般而言，本发明在集成到建筑物中的光伏面板领域，即，BIPV(光伏建筑一体化)领域，中找到应用。

背景技术：

已知使用具有平坦玻璃基底的光伏模块，在玻璃基底上施加通常被封装成薄片的晶体硅或薄膜光伏元件。

但是，虽然这种光伏模块允许如BIPV那样在建筑物的墙壁上垂直定位，但由于不能垂直命中光伏元件表面的光的光学反射，这种光伏模块提供差的能量效率。

文献CN104037254提出将多个扁平光伏模块定位到弯曲框架上。类似地，文献FR2953645提出将扁平光伏模块应用到具有长曲率半径的弯曲框架上。

薄膜技术允许创建柔性光伏模块，其可以以特定的曲率半径弯曲。但是，当应用于建筑物的墙壁时，这种弯曲的光伏模块只会导致美学上的差异，而不会改善系统的性能，但增加了成本。

文献CN103337537A提出了用于制造具有弯曲表面的BIPV光伏模块的过程中的一些改进。

借助于(真空)模制工艺形成模块化玻璃元件(甚至具有复杂的形状)也是已知的。这种模块化玻璃元件尤其用于覆盖建筑物的外墙，以便改善其外观和照明。

最近开始将光伏技术与这种玻璃块结合使用。文献PCT/IT2013/000069涉及集成到用于制造建筑物的盖瓦的扁平矩形玻璃块中的太阳能电池。根据这种解决方案，光伏元件可以与玻璃样基板组合，以创建部分透明的光伏模块。由于这种玻璃块本来不是设计用作光伏模块中的光学活性元件，因此仍有很大的改进空间。

文献JP2014150142提出了集成到装饰结构中的光伏模块。

文献KR20120002825提出了应用于建筑物的BIPV系统，其结合了角度传感器和用于角度变化的马达。

文献US20120234371A1涉及可以适于太阳光入射角的太阳能聚光器。

上面提到的专利提出了光学活性玻璃零件的层压，以便阻止光散射并提高光伏元件的效率。这种解决方案不考虑光伏模块的透明度作为有用的特性，并且BIPV模块不弯曲。

技术实现要素：

本发明旨在提供光伏模块和集成到建筑物中的光伏模块的应用方法，作为现有技术的替代方案。

特别地，本发明的一个目标是提供包括平面光伏元件的光伏模块，其中利用光学会聚效应来增加光伏表面上的照射，并由此增加所产生的能量。

本发明的另一个目标是提供具有改善其针对BIPV应用的性能和设计的形状的光伏模块。

本发明的另一个目标是提供集成到建筑物中的光电模块的应用方法，其允许优化光伏和能量性能，同时仍保存外墙的美感。

本发明的另一个目标是提供集成到建筑物中的光伏模块的应用方法，其允许改进从建筑物内部的可见度性能，从而允许替换或补充传统的窗式覆盖物。

本发明的另一个目标是提供集成到建筑物中的光伏模块的应用方法，其允许在强度、色谱和眩光减少方面提高由于日光穿过外墙而导致的建筑物内部照明的质量。

本发明的这些和其它目标通过集成到建筑物中的光伏模块的应用方法来实现，该方法结合了在作为本说明书的组成部分的所附权利要求中阐述的特征。

在本发明的基础上的总体构思是提供集成到建筑物中的光伏模块的应用方法，其中每个光伏模块包括平面光伏元件和刚性支撑元件；多个光伏模块彼此相邻平铺，并且借助于刚性支撑元件被约束以集成到建筑物的垂直墙壁中；刚性支撑元件被构造为用于容纳平面光伏元件，以便定义平面光伏元件的表面和垂直墙壁的表面之间的角度。

该方法规定为建筑物的垂直墙壁定义多个外墙参数：垂直墙壁的主要取向、垂直墙壁上可用的应用高度。

定义多个应用参数，其取决于沿着与垂直墙壁相关联的垂直和/或水平坐标可应用的光伏模块的类型学特点。

定义一个优先级函数，该函数与应用参数相关联，并且沿着垂直和/或水平坐标可变。

根据外墙参数、应用参数和优先级函数，确定沿着垂直和/或水平坐标的每个光伏模块的类型学特点，并且进一步计算沿着垂直和/或水平坐标的每个光伏模块的角度的值。

然后根据确定的类型学特点和计算出的角度值将光伏模块应用于垂直墙壁。

有利地，具有平面边界的光伏模块可以适于连续外墙的标准轮廓。

有利地，与用于制造通常用作外墙上光伏模块的支撑件的浮法玻璃的工艺相比，用于在成角度的支撑件上制造光伏模块的工艺在经济和环境两方面更可持续。

有利地，根据设计要求，模块的光伏元件可以通过叠加不同的层(无论是遮光、发光滤光器还是彩色类型，或者各种光伏电池，并且甚至可以是完全不透明的或完全透明的)来获得。

有利地，光伏元件总是平面的，但可以以不同的角度安装，使得光伏模块作为整体将呈现具有曲线横截面的三维构造。

有利地，光伏元件可以对于支撑元件的每个类型学集具有标准尺寸；这允许大规模生产和大规模定制。

有利地，光伏元件可以作为薄子部件与支撑元件分开生产，其可以适应设计要求和所采用的特定光伏技术；然后它可以在刚性支撑元件的生产过程结束时被层压在优选地由模制玻璃制成的刚性支撑元件上。

有利地，模块的类型学集经由参数化工程来调谐，并且始终针对预设的太阳高度进行优化。

有利地，集成相对于垂直方向成角度的光伏元件的光伏模块具有允许其作为集成在其中的光伏电池的光学半聚集器操作的光学特性，因此增加了由光伏电池产生的能量。

有利地，集成相对于垂直方向成角度的光伏元件的光伏模块具有允许其作为日光照明重定向系统(DRS)操作的光学特性，以便增加建筑物内部的自然照明，同时减少了对人造光的需求，从而降低了建筑物的总能耗。

有利地，集成相对于垂直方向成角度的光伏元件的光伏模块具有允许其作为固定遮光过滤系统和作为防眩光和防反差保护系统操作的光学特性，因此改善了建筑物的内部空间内的发光舒适度。

根据定义本发明的一些优选和有利实施例的以下详细描述和从属权利要求，本发明的其它目标和优点将变得更加明显。

本发明还涉及建筑物的墙壁，其包括根据上面概述的应用方法应用的多个光伏模块。

本发明还涉及根据上面概述的应用方法设计和应用的光伏模块。

本发明还涉及计算机程序，优选地是CAD程序，其被配置为用于处理与功能优先级相关的设计和应用参数的复杂性，以优化光伏模块在建筑表面上的分布。

附图说明

现在将参考附图通过非限制性示例描述本发明的一些优选和有利实施例，其中：

图1示出了根据本发明的光伏模块的一个实施例。

图2是图1的光伏模块的截面图。

图3示出了根据本发明的光伏模块的另外的不同实施例。

图4例示了根据本发明的光伏模块的一些特性。

图5图示了集成到建筑物的垂直墙壁中的光伏模块的一些应用参数。

图6示出了集成到建筑物的垂直墙壁中的光伏模块的应用的最终结果。

图7示出了根据本发明的光伏模块的另一个实施例。

图8示出了根据本发明的光伏模块的又一个实施例。

在各个附图中，相同的标号用于表示相似的部件、材料或功能。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的光伏模块101的一个实施例。

光伏模块101包括平面光伏元件102，其结合用于将太阳能转换成电能的光伏电池。

光伏模块101还包括适当地弯曲和成形的刚性支撑元件103，其被构造为容纳平面光伏元件102。

刚性支撑元件103包括具有平面周边的外部边界104，即，在单个贯穿平面中延伸。所述外部边界104允许将整个光伏模块101应用到与建筑物的垂直墙壁可相关联的框架上，特别是通过彼此相邻铺设经由刚性支撑元件约束的多个光伏模块，如下面将更详细描述的。

刚性支撑元件103包括具有壳体的中央支撑表面，该壳体用于光伏元件，该壳体具有由刚性支撑元件103的形状定义的固定取向。

光伏模块101包括一根或多根电线105，用于将由入射在光伏元件102上的太阳辐射生成的能量分配到电网中。

优选地，刚性支撑元件103由玻璃样材料制成，特别是通过模制，优选地是通过真空模制制成。真空模制方法对于制作玻璃样材料的弯曲刚性支撑件而言在经济和准确方面都是有利的。事实上，与用于生产玻璃样支撑件的“浮法”方法不同，真空模制方法不需要随后加热材料以使其具有弯曲形状。

以这种方式，有可能制作至少部分透明并且具有用于应用到建筑物墙壁的期望的几何和美学特征的刚性支撑元件。

光伏模块101的类型学特点基本上取决于其中包括的元件的特点，特别是取决于刚性支撑元件103和光伏元件102的特点。

优选地，光伏模块101的一个类型学特点由刚性支撑件103的材料(例如，玻璃、塑料、金属等等)确定。

优选地，光伏模块101的另一个类型学特点由刚性支撑件103的表面抛光(例如，光滑玻璃、缎面玻璃、拉丝玻璃等等)确定。

特别地，取决于刚性支撑件103的材料和表面抛光，刚性支撑件103可以是：透明的(达到给定的百分比，其可以优选地高达95％)、或干净的、或半透明的，或不透明的。

优选地，光伏模块101的另一个类型学特点由包括在光伏模块102中的光伏电池的类型，特别是由其涂层确定；例如，光伏电池可以是单晶、多晶、钙钛矿、DSSC、异质结、HIT、双面型等等。应当注意的是，不同类型的光伏元件可以用于应用于相同墙壁的不同模块上，以便依靠模块的类型学特点的更高可变性。

优选地，光伏模块101的尺寸约为200×400mm。但是，光伏模块可以具有不同的尺寸；特别地，当用于刚性支撑件的模具强加的限制允许时，其大小可以更大。

图2示出了光伏模块101的横截面，其中可以认识到容纳光伏元件102的中心支撑表面，该中心支撑表面相对于边界104的平面成一定角度，并因此相对于模块可以应用到的垂直墙壁成一定角度。

光伏元件102相对于边界104(即，相对于模块所应用到的墙壁的垂直面)的取向是固定的并由刚性支撑元件103的几何形状确定。

因此，光伏元件102被配置为用于在其自身表面与边界104(即，光伏模块将被应用以便集成到建筑物中的垂直墙壁的方向)之间形成角度。

图3图示了根据本发明的光伏模块101a、101b、101c、101d、101e和101的一些不同实施例。这种光伏模块包括具有确定的几何形状的不同刚性支撑元件，以便通过光伏元件的表面与应用模块的垂直墙壁的表面(即，由边界104定义的表面)之间的不同角度来表征。

换句话说，光伏模块101a、101b、101c、101d、101e和101定义“类型学集”。

特别地，用于所述光伏模块中的每一个的这种角度的值分别为：0°、10°、20°、30°、40°和50°。一般而言，这些角度可以采取多个值，优选地是离散的值，范围从0°到90°。

有利地，为了简化光伏模块的制作，平面光伏元件102的几何形状可以对于图3中所示的不同模块的所有支撑元件是相同的。

一般而言，不管中心支撑表面采用什么样的角度，光伏元件的中心区域都优选地保持总是平面的。

图4例示了通过与光伏元件102相关联的刚性支撑元件103的特定有角度构造所获得的光伏模块101的特性中的一些。

实线箭头表示入射在光伏模块上的光的路径。轮廓箭头表示由光伏模块后面(即，在建筑物内部)的用户眼睛所遵循的理想路径。

如视图(a)中所示，光伏模块允许通过以统计方式使光伏元件上太阳辐射的入射角尽可能垂直来优化，以便最大化电能的生成。

如视图(b)中所示，为了改善的环境照明，光伏模块允许将入射的太阳光通过透明或干净或半透明的支撑元件，朝着建筑物的内部引导。

如视图(c)中所示，包括一对相应的弯曲和反射表面的刚性支撑元件的特定几何形状适于将入射在其上的太阳光束朝着平面光伏元件的表面引导，因此集中其强度。以这种方式，有可能进一步提高系统的能量效率；实际上，光伏元件的旋转受益于斯涅耳定律和菲涅耳效应，以重定向光。

如视图(d)中所示，刚性支撑元件的特定几何形状允许太阳光束的间接反射，尤其是当使用半透明刚性支撑元件时，这有助于减少或控制建筑物内用户的炫目效果，尤其是当太阳低时(例如，在黎明或日落时)。

最后，如视图(e)中所示，刚性支撑元件的特定透明抛光允许从内部向外看，使得建筑物内的用户可以从或多或少定义的外部视图受益。

图5示例了集成到建筑物中的光伏模块的应用方法，图示了要集成到建筑物501的垂直墙壁中的光伏模块的一些应用参数。

根据本发明的应用方法提供了为建筑物501的垂直墙壁定义多个外墙参数。

这种外墙参数包括光伏模块将被应用到的垂直墙壁上可用的应用高度502；所述应用高度基本上与建筑物501的两个楼层之间的距离对应。

外墙参数还包括主要取向(例示为标号503)，即，具有将要应用光伏模块的垂直墙壁的外墙朝北、南、西、东或中间方向展示。

优选地，外墙参数还包括光伏模块将向其应用的垂直墙壁的地理纬度(例示为标号504)；如果地理纬度(即，地球平行线上的位置：极点、赤道、中间平行线)是已知的，那么间接地知道在一年的过程当中太阳的平均高度。

根据本发明的应用方法还提供定义与所述光伏模块在整个所述墙壁上的分布相关的多个应用参数，这取决于可应用于外墙的光伏模块的类型学特点。

如已经描述的那样，优选地，类型学特点包括：刚性支撑件的材料和抛光，以及光伏元件的类型。

优选地，应用参数包括照明参数511，其取决于可透射通过刚性支撑元件(并且如果光伏元件是透明的，那么也可以通过光伏元件)的光强度。所述照明参数511在建筑物501的环境内表示可用空间中的自然照明的分布505。在优选实施例中，照明参数511还取决于与感兴趣的墙壁相邻的任何阴影，诸如例如由于树木或相邻的建筑物而产生的阴影，其改变建筑物内的环境照明可用的光强度。

优选地，应用参数包括可见性参数512和眩光控制参数512'，其取决于刚性支撑元件的透明度，并且可能还取决于光伏元件的透明度。如已经描述的那样，所述可见性参数512和眩光控制参数512'表示建筑物内的用户506看到外面的可能性。

优选地，应用参数包括取决于要安装的每个模块的光伏元件的可用面积的光伏面积参数513。所述光伏面积参数513可以影响太阳能量转换系统的整体效率，以便最大化可获得的功率。

优选地，应用参数包括不透明度参数514，其取决于光伏元件的沿着垂直和/或水平坐标可变的不透明度。所述不透明度参数优选地对于从用户506的腰部开始向下的高度范围允许为外墙提供更多不透明度以改善建筑物内的隐私。

根据本发明的应用方法，应用参数沿着与墙壁相关联的垂直和/或水平坐标是可变的。换句话说，根据垂直和/或水平坐标来优化应用参数，以改善系统的视觉、照明和能量性能。

根据本发明的应用方法还提供了定义与应用参数相关联并且沿着垂直和/或水平坐标可变的优先级函数520。

在图5的示例中，优先级函数提供：

-在墙壁的上部中的照明参数511的优先级优势，以便改善建筑物内的自然环境照明；

-在用户506头部的平均高度处的可见性参数512的第一优先级优势，以便改善用户的向外视觉；

-在用户506头部的平均高度处的眩光控制参数的第二优先级优势，以便改善用户的向外视觉；

-在墙壁的下部中的不透明度参数的优先级优势，以便改善占用者的隐私，例如，当坐在桌子处时；

-任何地方的光伏面积参数的优先级最大化，以便如果与光伏元件的成本兼容就为墙壁提供尽可能多的光伏电池并使太阳能量的生产最大化。

一般而言，优先级函数可以基于设计标准和期望的结果来定义。

优先级函数沿着与垂直墙壁相关联的垂直和/或水平坐标确定为确定类型学特点和计算相对于垂直面的角度的值而考虑的每个应用参数的优势。

根据本发明的应用方法还提供了，为沿着墙壁的垂直和/或水平坐标布置的每个光伏模块确定类型学特点和计算相对于垂直面的角度的最优值。

这种计算和确定优选地通过受约束的参数优化(特别是类型学特点的参数优化)来执行。

这种计算和确定考虑外墙参数、应用参数和优先级函数。特别地，优先级函数允许定义垂直墙壁的功能特点，这也与类型学特点相关联。

图6示出了根据模块的类型学特点的类型学集以及在前面步骤中确定的最优角度值将光伏模块集成到建筑物的垂直墙壁中的应用的最终结果的示例。

根据本发明的应用方法提供了应用多个光伏模块601用于集成到建筑物的垂直墙壁中，这些光伏模块601彼此相邻平铺并且被约束到框架602，如箭头所指示的。以这种方式，创建了在可见性、照明和能量效率方面优化的BIPV系统。

所确定的类型学特点和计算出的角度值(优选地选自可用于刚性支撑元件的离散角度值)允许沿着垂直墙壁改变由光伏模块组成的垂直墙壁的特性，如图6中所表示的，其示出了沿着垂直和/或水平坐标的不同类型的光伏模块。

一个变体(未示出)采用多根电缆和接头来代替刚性框架602，所述多根电缆和接头适于以相同的布局彼此相邻保持多个光伏模块601。

优选地，刚性支撑元件和光伏元件具有相同类型的侧边，即，它们包括相同数量的侧边。就此而言，光伏元件的形状是刚性支撑元件的形状的偏置。

应当注意的是，光伏模块优选地是具有3、4、5或6个侧边的多边形，从而产生具体的形状(侧边和角度)。光伏模块可以以均匀的方式(具有相同形状的模块)或不均匀的方式(以马赛克图案彼此相邻铺设的不同形状的模块)彼此相邻铺设。

均匀的马赛克也可以通过将不同的光伏模块彼此相邻铺设来组成。

[工业适用性]

本解决方案允许实现用于创建高性能连续外墙的下一代建筑部件，其中可以向这样的外墙应用最先进的“多标准”性能工程方法，因为它结合了使得对于所谓近零能源建筑(nZEBs)的能量改进策略高效的质量。

这种解决方案允许在无源特性(照明、可见度)和有源特性(诸如借助于集成的光伏系统生成电力)两方面改进光伏模块应用的特点。

使用本发明的方法可应用的光伏模块经由包括有角度的刚性支撑件的类型系统参数地确定，其中有角度的刚性支撑件可以采取不同的角度并且将各种类型的光伏电池结合到其中心核心中。

有角度的刚性支撑件可以由例如玻璃或可印刷的透明塑料材料(例如，树脂玻璃或聚碳酸酯)制成。

由于用于光伏元件和遮光层的不同技术可以集成到模块中，因此应用方法允许在相同的类型学集内创建各种配置。

本发明在与具体的城市、环境和气候背景相关的整个建筑物的性能优化方面留有很大的设计自由度和很大的灵活性。

本应用方法还提供了使用CAD工具，该CAD工具允许与感兴趣的设计要求和优先级标准相关地优化外墙的布局。

该应用方法允许在将模块应用于建筑物的整个外墙时优化在核心中采用的光伏技术的选择，以及对于每个具体位置要使用的核心的取向或角度。

本发明的特点使其既适于新建筑物又适于升级现有建筑物(外墙替换或在现有外墙上添加模块)。

显然，根据本说明书，许多变体对于本领域技术人员将是显而易见的。

例如，可以想到关于光伏模块的形状的变化，如下所示。

图7示出了根据本发明的光伏模块的另一个实施例。

子图(a)例示了光伏模块的基本矩形的实施例，其包括矩形刚性支撑元件和容纳在支撑件的中心部分中的相应光伏元件。光伏模块被配置为允许平面光伏元件(PV)相对于刚性支撑元件的平面在由箭头所示的方向旋转。

图(b)示出了光伏模块的侧视图，子图(c)示出了光伏模块的俯视图，并且子图(d)示出了光伏模块的等距视图；这些视图图示了处于确定配置的光伏模块，因为它具有相对于垂直面的预定义角度。如上面所提到的，其它角度值也是可能的。

图8示出了根据本发明的光伏模块的另一个实施例。

子图(a)例示了光伏模块的基本上六边形的实施例，其包括六边形刚性支撑元件和容纳在支撑件的中心部分中的相应光伏元件，该光伏元件也是六边形的。光伏模块被配置为允许平面光伏元件(PV)相对于刚性支撑元件的平面在由箭头所示的方向旋转。

子图(b)示出了光伏模块的侧视图，子图(c)示出了光伏模块的俯视图，并且子图(d)示出了光伏模块的等距视图；这些视图图示了确定配置的光伏模块，因为它具有相对于垂直面的预定义角度。如上面所提到的，其它角度值也是可能的。

一般而言，考虑替代实施例，平面光伏元件可相对于刚性支撑元件的平面围绕其旋转(如图7和8中的转向箭头所示)的轴线可以采用刚性支撑元件平面(在工作条件下为垂直面)上0°至360°范围内的任何方向。

因为如图7和8中例示的这些替代实施例适于彼此相邻平铺，以集成到建筑物的墙壁中，所以它们(以及本文未描述的其它实施例)适于用在根据本发明的应用方法中。

在进一步的变体中，不同形状的光伏元件(例如，具有矩形光伏元件的六边形支撑元件)可以与刚性支撑元件相关联。实际上，光伏元件可以具有不同的形状，只要它们是平面的并且相对于由刚性支撑元件定义的垂直面成(不同值的)角度即可。

就建筑材料而言，通过使用适于这个目的的材料和技术，除了优选实施例的细节之外，还可以采用良好工程实践的教导。