CN101245686A - 真空绝热光伏窗 - Google Patents

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李沅民
马昕
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Abstract

本发明公开了一种部分透明的光伏窗,该光伏窗包含置于玻璃衬底上的薄膜硅光伏模板。该光伏模板与另外一个玻璃衬底之间被一个真空空间隔开,这两块玻璃板形成一个密封的、高度热绝缘的节能结构,该结构还有太阳能电池的功能。这种产品非常适合光伏建筑一体化(BIPV)应用。

Description

真空绝热光伏窗
技术领域
本发明属于环保型建筑材料领域,特别涉及到具有节能功效的太阳能光伏建筑材料。
背景技术
由于人们对清洁、安全、可持续并且可靠的能源需求的增加,光伏(PV)系统正在迅速扩大它在能源和产业技术开发方面的市场。光伏模板能够替换一些建筑构件,这样就可以部分抵消在建筑物墙面、屋顶和窗户上安装光伏设备的额外费用。光伏建筑一体化(BIPV)还使人们方便地使用可独立于电网的电能。氢化非晶硅(a-Si)薄膜,以及包括纳米晶硅的相关的具有各种光能带隙的氢化硅薄膜合金,适合制作各种不同既定厚度的光吸收材料,已成为商业化生产光伏模板材料的一个相对成熟的分支。薄膜硅光电技术材料成本低、覆盖面积大、效益好,尤其是它很容易和像窗口、屋顶、墙面这样的建材相结合,不需要额外土地,适合城市和人口稠密的地区。由于其光学带隙相对宽,非晶硅特别适合制作BIPV产品,这种产品的光透明度是可以控制的,在一个p-i-n型光伏模板中,通过调节i层的厚度可以控制光伏模板的透明度。在这里“i”是指非掺杂的、活性的光吸收层(“本征”层)。另外一种制成部分透明的薄膜硅BIPV模板的方法是,用激光技术把硅薄膜和电极薄膜有选择性地从不透明光伏板中移除(激光刻线,laser scribe),这样光可以透过被激光处理过的区域。因此,光伏板的透明度就由不再产生能量的“开口区域”来决定。半透明或部分透明建筑物光伏玻璃窗或“天窗”,有选择地让光色进入内部,从而增强了其建筑学吸引力。
在制作BIPV模板时,玻璃是一种常用的选择,因为玻璃是窗户的主要材料,而且其化学性质稳定、耐用,并且可以和非晶硅光伏设备加工程序和应用环境兼容。BIPV必须能够常时间经受各种气候条件。因此,玻璃制的非晶硅BIPV产品因其具有发电器和建筑学模板的双重功效而备受瞩目。在玻璃制非晶硅BIPV器件中,典型的结构包括一个玻璃基板、一个透明导电氧化物(TCO)薄膜制的前电极、多个不同类型的非晶硅薄膜(通常是p-i-n叠层)、另一个透明导电氧化物(如氧化锌)薄膜层、通常还有另外一个金属膜作为背电极来收集和传输光电流。这些膜层又和另外一层玻璃组合,使所有的这些薄膜夹在两层玻璃片之间,从而具有抵抗各种自然力侵扰的优良性能。这种产品寿命长、防风雨。非晶硅半导体层的作用是把光能转化成电能(光电转换)。
不管是哪种建筑,用窗户作外层都是最不绝缘的。它在冬天导致大量的热量流失,却在夏天获得更多的热量。因此,出于增强能量利用效率、减少能量流失以保护环境的目的,玻璃窗要抑制能量从一面到另一面的传递。最近几年,低辐射玻璃窗越来越受欢迎,这种玻璃窗能够减少内层和外层之间与辐射有关的热传递,可用于建筑物或其它封闭式结构,如汽车等。双层玻璃窗也越来越流行,这种窗户两层玻璃之间被空气间隙或惰性气体(如氩气)隔开(被称为中空玻璃窗)。双层玻璃窗可以增强结构的R值。R值是一个建筑材料和元件的导热能力的计量单位。R值越高,材料的抑制热量交换(热绝缘)能力越强,越能减少能量损失。
低辐射玻璃窗通常包含一个框架,该框架把一层低辐射玻璃和另外一层普通玻璃(未经镀膜的)固定起来,两层玻璃之间有一段空气间隙。这种双层玻璃窗的R值可高达20-25,而普通单层的玻璃窗R值约为10。当两片玻璃之间的一片为太阳能电池板的时候,这种双层玻璃不仅因其高R值而更隔热(节能),同时还可以在阳光照射下发电。这种窗户的R值可接近30。
理论上,把两层玻璃之间制成真空就可以得到R值最高的窗户。因为真空的热传导性最差,产生的热交换最少。然而迄今为止,光伏建筑一体化还未应用真空密封的双层玻璃窗。
发明内容
基于上述考虑,申请人拟订了本发明的首要目的:提供一个同时具有太阳能发电功能和优良绝热性能的玻璃窗。
本发明的进一步目的是,提供一个具有特殊绝热效能的玻璃窗的制作方法。
为了达到上述发明目的,本发明所制作的光伏玻璃窗结合了新颖的隔热技术,它可以把玻璃窗的R值进一步增加到45。这种玻璃窗在附图中作了阐释,其中窗户的外表面是一个光伏模板3,最好是薄膜光伏建筑一体化模板,如基于非晶硅和纳米晶硅的光伏模板等。这是因为薄膜光伏模板在玻璃衬底上沉积地非常均匀,比由单个电池拼凑起来的晶体硅模板看起来更美观。
根据需要制作不同透光度的薄膜光伏模板非常简单。光伏模板3包含一层外玻璃板1;一个光伏电池8,该光伏电池包括半导体光电转换层和导电电极;还有一个背部保护玻璃层11。光伏模板3是部分透明的,如透视型,最好透光度大于5%。光伏玻璃窗本身由经改进的低辐射玻璃制成,因为光伏器件中有至少两层透明导体(金属氧化物),并且光伏模板被另一层玻璃11(所谓的玻璃盖板)用有机粘合剂(如EVA)密封起来。这种光伏模板3本身就是一个被双层玻璃封装的光伏元件,其估计R值大于20。在本发明中这种光伏模板和第二层玻璃21之间是真空密封的,它们之间的距离约为1-6毫米。两层玻璃之间的间隙57是真空,真空度不低于0.1mbar,最好不低于10-4mbar或更高。为了使玻璃板承受住非常可观的大气压力(因为内部是真空的),少量透明的玻璃球55分布在光伏模板3和第二层玻璃21之间。结构中还用到一个密封口44,这个密封口要足够严密而且结实牢固,这样在很长一段时间内(至少几年内)不会出现漏气的情况。玻璃边沿的框架33也同样起一个支撑的作用。
建造这种真空隔热玻璃面临双重挑战:首先,为了防止因为大气压力使两层玻璃变形而相互接触的现象,玻璃之间要放置少量小玻璃球(玻璃珠)55,以便提供支撑。这些玻璃球(玻璃珠)非常坚固,导热性低,并且是完全透明的,不影响窗户的观感。此外,真正结实可靠的玻璃之间的真空密封口只有在先进的技术和技能条件下通过精细地制作才可能得到。
本发明的独特之处在于,它提出了一种非常节能同时还生成能量的方法。新颖的真空隔热光伏建筑一体化玻璃窗的R值可超过50,当然如果当前玻璃之间的真空距离增大的话还能得到更高的R值(如附图所示,加另外一层玻璃,中间也是真空隔开的),其基本原理不变。然而,这种玻璃窗的成本将会更高。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
附图显示了一个部分透明的真空隔热光伏玻璃窗的结构。
具体实施方式
如附图所示,一个部分透明的光伏模板3,最好是薄膜光伏建筑一体化模板,如基于非晶硅的光伏模板,包含:一个外层玻璃1;一个光伏电池8,包括半导体光电转换层和导电电极;还有一个背部支撑玻璃板11。光伏模板的透光度大于5%,它与第二层玻璃21之间有隔层57。透明玻璃球55(玻璃珠)稀疏地分布在光伏模板3和第二层玻璃21之间,这样可以使玻璃板11和玻璃板21之间保持均匀的不超过6毫米的间隔。为了把空间57制成真空并使其保持真空状态,光伏模板3和玻璃片21连接到一起,并在连接处形成一个真空封口44。这一封口可以通过对玻璃片进行激光焊接,或者用高级真空胶和玻璃填充剂制成,胶将在紫外线的照射下逐渐变硬(固化)。封口形成后,把玻璃板11和21之间抽成0.1mbar以下,最好是0.001mbar以下的真空。最后把抽气口密封。在外部,框架33沿着封口44把玻璃板1和21固定到一起,固定时最好使用有助于真空密封的胶剂。

Claims (6)

1. 一个透视型光伏窗,其特征在于:该透视形光伏窗包含下列组成部分:
a)一个透视型光伏模板,该光伏模板包含一层外玻璃片、一层背玻璃片以及一个透视型光伏元件,该元件沉积于所述某一层玻璃片之上。上述部分密封粘和在一起,形成一个迭片整体;
b)第二个玻璃板,被放置于所述透视型光伏模板的背后,并与所述透视型光伏模板之间保持均匀的距离,距离范围在1-6毫米之间;
c)完全透明的隔离块,包括大小相同的玻璃球或塑料球,它们稀疏且均匀地分布于所述透视型光伏模板和所述第二个玻璃板之间;
d)真空封口,很牢固地连续地形成于所述透视型光伏模板的背玻璃片和所述第二个玻璃板之间的所有边缘区域,并使两者沿着边缘相连接;
e)一个真空间隔,该间隔的周围分别是所述透视型光伏模板,所述第二个玻璃板和所述真空封口,其中的气压不高于大气压的千分之一;
f)一个窗户框架,沿着所述透视型光伏模板和所述第二个玻璃板的所有边缘把它们固定保护起来。
2. 根据权利要求1所述的透视型光伏窗,其特征在于:所述透视型光伏模板是一个基于氢化非晶硅的光伏模板。
3. 根据权利要求1所述的透视型光伏窗,其特征在于:所述真空封口是通过玻璃激光焊接技术制成的。
4. 根据权利要求1所述的透视型光伏窗,其特征在于:所述真空封口包含真空密封的复合材料,包括真空粘合剂和填充介质。
5. 根据权利要求1所述的透视型光伏窗,其特征在于:所述窗户框架与所述透视型光伏模板和所述第二个玻璃板之间通过真空密封剂或胶合剂牢固地粘和在一起。
6. 根据权利要求1所述的透视型光伏窗,其特征在于:它是另一个窗户或一个大型建筑组件的一部分。
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