CN101278408B - 光伏屋顶屋脊盖和安装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光伏屋顶系统以及一种安装光伏屋脊盖结构的方法。该光伏屋顶系统包括屋脊盖，其用于覆盖屋顶结构的屋脊。该系统还包括至少一个光伏电池，其设置在屋脊盖内。安装光伏屋脊盖结构的方法包括在沿屋顶结构的屋脊在多个光伏电池上安装屋脊盖。该方法还包括布置电引线从每个光伏电池开始穿过沿屋顶结构的屋脊的一个或多个开口。

Description

光伏屋顶屋脊盖和安装方法
技术领域
本发明总体上涉及光伏屋顶系统，更具体地说，涉及集成光伏(PV)模块到新的或者现有的屋顶结构中的系统和方法。
背景技术
光伏模块包括一组光伏电池，也称作太阳能电池，这些光伏电池以串联或并联的方式连接并且封装在保护环境的层压板中。该光伏电池为光伏模块的基本构件块，其将太阳辐射转化为电能。太阳能到电能的转化包括：接收光线(如日光)，吸收日光到太阳能电池，产生并分离正和负电荷以在太阳能电池中形成电压，以及通过联接到太阳能电池的端子收集并传递电荷。
光伏能正在成为电力的重要来源，除自使用独立的光伏模块之外，住宅和商业建筑上的屋顶很适合于安装光伏设备。然而，不同于在已有屋顶的顶部上安装标准通用光伏模块，希望直接将光伏设备集成到屋顶结构中。为了普遍认同在屋顶上使用光伏设备，它们必须满足审美需求，并且因此必须在外观和结构上与传统屋顶形成整体。此外，它们必须满足传统屋顶材料的所有需求，包括易于安装性，气候密封性，防火性，对局部预期天气条件的对抗性，最近的材料可用性，以及满足地方规范和习俗。除了对传统屋顶产品的这些需求之外，光伏屋顶材料必须提供用于单元与单元之间的电连接、并最终与建筑相连的装置。例如，有一些现有的光伏屋顶产品设计成用于替代或者加强标准的屋顶砖瓦或木瓦，然而这些光伏瓦片分别具有通向集成光伏电池的电供给。但是，该标准屋顶结构不包括用于各个独立光伏瓦片的电供给管道。因此，为了将光伏瓦片合并到该屋顶结构中，需要相当大的修改。此外，大量的光伏砖瓦或木瓦(以及相关的电引线)可能造成透过屋顶结构的更大可能性的漏水。
因此，需要一种改进的技术来合并光伏模块到屋顶结构中。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种光伏屋顶系统。该光伏屋顶系统包括屋脊盖，该屋脊盖适合于覆盖屋顶结构的屋脊。该系统还包括设置在该屋脊盖内的至少一个光伏电池。
根据本发明的另一方面，提供一种在屋顶系统之上安装光伏屋脊盖结构的方法。该方法包括沿屋顶结构的屋脊在多个光伏电池之上安装屋脊盖。该方法还包括布置一个或多个电引线从多个光伏电池穿过沿着该屋顶结构的屋脊的一个或多个开口。
附图说明
当参考附图阅读以下的详细说明时，可以理解本发明的这些和其它特征，方法以及优点，在整个附图中，相同的附图标记表示相同的部件，其中：
图1为光伏屋脊盖结构的示意图，该光伏屋脊盖结构在屋顶结构关于屋脊的每一侧上具有一排光伏模块，其中，根据本发明的某些实施例，光伏模块布置成与该盖结构的光引导或聚集部分相接触；
图2为该光伏屋脊盖结构的另一种可选实施例的示意图，其中，在屋顶结构关于屋脊的每一侧上布置有三排光伏模块，并且，该光伏模块布置成与该盖结构的光引导或聚集部分相接触；
图3为该光伏屋脊盖结构的另一种可选实施例的示意图，其中，在屋顶结构关于屋脊的每一侧上布置有一排光伏模块，并且，该光伏模块从该盖结构的光引导或聚集部分偏移开；
图4为该光伏屋脊盖结构的另一种可选实施例的示意图，其中，在屋顶结构关于屋脊的每一侧上布置有三排光伏模块，并且，该光伏模块从该盖结构的光引导或聚集部分偏移开；
图5为该光伏屋脊盖结构的另一种可选实施例的示意图，其中，在屋顶结构关于屋脊的每一侧上布置有一排光伏模块，并且，该光伏模块从该盖结构内的光引导或聚集窗口偏移开；
图6为该光伏屋脊盖结构的另一种可选实施例的示意图，其中，在屋顶结构关于屋脊的每一侧上布置有一排光伏模块，并与该盖结构分开，并且，该光伏模块从该盖结构内的光引导或聚集窗口偏移开；
图7为该光伏屋脊盖结构的另一种可选实施例的示意图，其中，在屋顶结构关于屋脊的每一侧上布置有一排光伏模块，并且，该光伏模块从该盖结构的光引导或聚集部分偏移开并直接接触瓦；
图8为该光伏屋脊盖结构的另一种可选实施例的示意图，其中，在该屋顶结构关于屋脊的每一侧上布置有具有两排光伏模块的支撑结构，并与模块化屋脊盖结构分离开，该模块化屋脊盖结构包括上和下光引导或聚集部分，并且，该光伏模块从该盖结构的上和下光引导或聚集部分偏移开；
图9为建筑结构的局部顶视透视图，该建筑结构具有设置在屋顶结构上的光伏屋脊盖结构的实施例。
图10为光伏电池的横截面图，其位于根据本发明的实施例的屋脊盖之下。
具体实施方式
如下文详细讨论的那样，本发明的实施例提供了屋顶系统，该屋顶系统在屋脊盖或屋脊通风孔中具有光伏面板。在通常的尖屋顶中，以交叠的方式从屋檐到屋脊铺盖有木瓦或砖瓦。在屋顶的顶端，沿着屋脊安装称为屋脊盖的屋顶元件，并且该屋脊盖覆盖最后一层木瓦或砖瓦或其它材料，以防止渗漏。该屋脊盖可以为阁楼提供通风。这里公开的光伏屋顶系统还包括设置在该屋脊盖内的至少一个光伏电池。该屋脊盖包括光聚集部件，该光聚集部件包括用于向光伏电池聚集或引导太阳能的多个光学组件。该屋脊盖还包括用于太阳能电池散热的装置，该散热借助于传导，对流或辐射，以便提高它的转化效率。
该光伏屋脊盖的两个功能是屋顶功能和光伏功能。该屋顶功能包括提供一种屋脊覆盖结构或形状，该屋脊覆盖结构或形状与屋顶的斜度相匹配并密封该屋脊。在本发明的一些实施例中，为了最大化的效率，安装光伏屋脊盖的角度与安装位置的地理纬度相等。在一个非限定性示例中，如果该光伏屋脊盖安装在纬度35°(度)的以地理位置处，则理想的安装角度为35°。在某些实施例中，该屋顶功能可以包括倒V形盖，以便在屋脊通风开口之上这样延伸，即，在允许空气流通通风的同时防止雨和水流过该开口。
该光伏功能包括提供光伏电池，该光伏电池用于在暴露在来自太阳光谱的光子下时产生电流。在某些实施例中，该光伏功能还包括提供具有光引导或聚集部件的光伏屋脊盖，该光引导或聚集部件包括光学元件，用于聚集撞击到光伏屋脊盖上的光线并且引导光线到光伏电池。光学元件的一些非限定性示例包括反射器，镜，折射透镜，菲涅耳透镜以及光学涂层。光学元件材料的非限定性示例包括塑料和玻璃。通过以下对示意图的说明可以更好地理解本发明的各个实施例。
图1为光伏屋顶建筑或屋顶系统10的实施例的侧视横截面图，该系统10具有光伏屋脊盖结构11。所示的光伏屋脊盖结构11包括光引导或聚集系统12和一个或多个光伏模块14，该光伏模块14设置在外部倒V形盖结构15的一侧或两侧上。该光伏模块14包括一个或多个光伏电池，这些光伏电池被安装到一封装件内，该封装件通常包括：允许光透过的透明衬底、将电池安装到衬底的封装材料以及用于保护该封装件的背板材料。在本领域中已知有各种各样的封装结构，这些结构的细节取决于光伏电池厚度、大小和类型以及其它因素。该光引导或聚集系统12可以与盖结构15形成一整体或者是进入该盖结构15的入口。此外，该光引导或聚集系统12可以包括各种光学材料、反射器、折射率匹配层或膜、透镜等等。例如，该光引导或聚集系统12可以包括具有菲涅耳透镜的玻璃或塑料材料，其将光线聚焦到光伏模块14。如另外一个例子，若双面太阳能电池包含在该模块14中，则可以在电池后面设置反射器，以将光线反射回到电池。该盖结构15和/或该光引导或聚集系统12可以由各种材料构成，诸如聚碳酸酯，聚氯乙烯，玻璃，木材，金属或它们的组合。当该屋脊盖的外表面15设计为混合有不直接垂直于日光的屋顶斜度时，该系统12可以将入射的太阳能重新定向或聚集到模块14。
该光伏屋脊盖结构11设置成关于外部屋顶结构16的相对两侧基本对称，该外部屋顶结构16设置在内部支撑结构或屋顶盖板18上。例如，该屋顶结构16可以包括各种木瓦或砖瓦，该内部屋顶支撑结构18可以包括桁架(未示出)、胶合板或其它材料板、屋顶衬垫物等等。如图所示，该光伏屋脊盖结构11设置在屋脊通风孔或开口19之上，这有助于空气流通以及将连接到各排光伏模块14的电缆或电线20全部在一个集中的位置布线。例如，该屋脊通风孔或开口19可以包括沿屋顶结构16的顶点或屋脊纵向延伸的多个开口或者一个长型开口。这样，取决于各排中各个光伏模块14的数量，可以将该电缆20捆扎在一起成为一个或多个组，然后可以将这些组连接到该光伏屋顶建筑或屋顶系统10内的电源。
在图1所示的实施例中，该光伏屋脊盖结构11包括内部支撑或安装结构22，该内部支撑或安装结构22具有倒V形几何形状，其相对于该外部倒V形盖结构15和透镜元件12处于偏移位置，也就是与该外部倒V形盖结构15和透镜元件12间隔开。相比，图3所示实施例具有的光伏模块14布置成与该外部倒置V型盖结构15的光引导或聚集系统12直接接触、或粘着、或紧邻。光引导或聚集系统12与光伏模块14之间的这种紧邻或接触可以大量提高光到光伏模块14的传输。然而，如下文讨论的那样，其它的实施例使得光伏模块14与该外部倒V形盖结构15成偏移的关系。该外部盖结构15、内部安装结构22和内部屋顶支撑结构18由支撑件99保持在一起。
这些内部和外部结构15和22可以与该光引导或聚集系统12和光伏模块14一起制成为一个或多个模块结构，这样该光伏屋脊盖结构11可以快速并且容易地安装或改型到该光伏屋顶建筑或屋顶系统10。例如，整个光伏屋脊盖结构11可以在现场之外进行建造，然后输送并安装到常规屋顶结构，以形成光伏屋顶建筑或屋顶系统10，从而几乎不需要对现有屋顶结构进行改造。该屋脊盖结构10可以用钉子，螺丝钉，夹子或本领域技术人员熟知任意其它方式安装到该屋顶。在一些实施例中，该光伏屋脊盖结构11可以构造成多个模块单元或标准部件，例如，1到5米或更长。以这种方式，可以将模块单元快速且容易地沿光伏屋顶建筑或者屋顶系统10的屋脊在纵向上联接到一起。该内部支撑或安装结构22可以包括各种底座，密封件或紧固装置，诸如法兰，遮雨板，钉接板等等。
根据本发明的实施例，该系统11可以包括各种冷却机构，诸如热传导元件或散热器24以及位于内部和外部结构15和22之间的对流冷却或通风通道26。在一个实施例中，热梯度会有助于借助散热器24和通风通道26对光伏模块14进行自然对流冷却。在另一实施例中，风扇或吹风机可以使空气经过通风通道26而吹过散热器24，以对光伏模块14进行强制对流冷却。在又一实施例中，散热器24可以包括热管和液体冷却系统，该系统可以从光伏模块14带走热量。
如上所述，在本发明的各种实施例中，系统10可以具有各种几何形状，材料组分以及总体构造。图2示出了具有光伏屋脊盖结构28的光伏屋顶建筑或屋顶系统10的实施例，其中，沿屋顶结构16的屋脊在该屋脊通风孔或开口19的每一侧布置有三排光伏模块14。在其它的实施例中，该光伏屋脊盖结构28可以在屋脊通风孔19的每一侧包括2、4、5或任何数量排数的光伏模块14。与图1中的实施例类似，图2所示实施例所具有的光伏模块14直接接触、或粘着、或基本紧邻该光引导或聚集系统12。然而，光伏屋脊盖结构28的其它实施例所具有的该光伏模块14相对于该光引导或聚集系统12和外部结构15的下侧成偏移和/或成角度关系。
图3示出了光伏屋顶建筑或屋顶系统10的另一实施例，其具有光伏屋脊盖结构30，其中，在光引导或聚集系统12(和外部结构15)的下面，在屋顶结构16的每一侧上以偏移平行关系布置有一排光伏模块14。在某些实施例中，可以选择该偏移来改进射向光伏模块14的光线的聚焦或放大率，或改进对光伏模块14的冷却。例如，光引导或聚集系统12可以包括透镜或透镜状图案，其焦距对应于光伏模块与光引导或聚集系统12之间的该偏移。以这种方式，光线的聚焦或放大改进了光伏模块14的效率。而且，该偏移可以减少从光伏屋脊盖结构30到光伏模块14的热传递(例如，通过传导)。再次，如上所述，该光伏模块14也可以是相对于光引导或聚集系统12和外部结构15的下侧成角度(而非平行)。
图4示出了光伏屋顶建筑或屋顶系统10的又一实施例，其具有光伏屋脊盖结构32，其中，在屋脊通风孔或开口19的每一侧上，有三排光伏模块14以偏移平行关系沿屋顶结构16的屋脊布置在光引导或聚集系统12(和外部结构15)的下面。如上所述，可以选择该偏移来改进射向光伏模块14的光线的聚焦或放大率，从而改进光伏模块14的效率或性能。还可以选择该偏移来改进对光伏模块14的冷却，例如通过减少从光伏屋脊盖结构30到光伏模块14的热传递(例如，通过传导)。在其它的实施例中，光伏模块14可以相对于光引导或聚集系统12和外部结构15的下侧成角度(而非平行)。
根据本发明的另一实施例，图5示出了光伏屋脊盖结构34，其包括在屋脊盖36的下面以偏移平行关系布置在屋顶结构16的每一侧上的一排光伏模块14。所示的光伏屋脊盖结构34还包括窗口式或入口式光引导或聚集系统38，该系统38设置在光伏模块14的正上方。光伏模块14与具有窗口式或入口式光线聚集系统38的光伏屋脊盖结构34之间的间隔为实现优化的放大率(该放大率能提高光伏模块14的效率)提供了大大改进的设计纬度。注意，与光伏屋顶砖瓦或木瓦比较，该屋脊通风孔能够适应更大的厚度，并且在美学上依然与该屋顶融合。该间隔还提高了对光伏模块14的冷却，例如通过减少从光伏屋脊盖结构40到光伏模块14的热传递(例如通过传导)。在一个实施例中，该屋脊盖36由广泛使用的便宜聚合体制成，例如聚氯乙烯。在窗口38中使用的一些材料的示例为玻璃和聚碳酸酯。
图6示出了光伏屋顶建筑或屋顶系统10的实施例，其具有光伏屋脊盖结构40，该结构40包括设置在屋顶结构16的每一侧上的一排光伏模块14，该光伏模块14与屋脊盖36中的窗口38的下侧直接接触或粘合或紧邻。在图6所示的实施例中，光伏模块14夹在窗口38和散热器24之间。图6的实施例还具有该内部结构22，其设置于屋顶结构16(例如，砖瓦或木瓦)的下面。然而，其它的结构也在本发明的范围之内。
图7示出了光伏屋顶建筑或屋顶系统10的又一实施例，其具有光伏屋脊盖结构42，该结构42包括设置在屋顶结构16的每一侧上的一排光伏模块14，该光伏模块14相对于光引导或聚集系统12的下侧成偏移平行关系。此外，支撑光伏模块14的散热器或热传导元件24布置成接触或粘合或紧邻该屋顶结构18。再次，光伏模块14与光引导或聚集系统12之间的该间隔提供了希望的放大率，以提高了光伏模块的效率。该可选的间隔取决于许多因素，包括光伏电池的大小。该间隔还提高了对光伏模块14的冷却，例如通过减少从光伏屋脊盖结构42到光伏模块14的热传递(例如，通过传导)。在所示的实施例中，支撑光伏模块14的该散热器或热传导元件24可以与该光伏屋脊盖结构42的外部结构15和光引导或聚集系统12分离开。由此，可以将支撑光伏模块14的散热器或热传导元件24直接安装到屋顶结构18上，随后独立安装具有光引导或聚集系统12的外部结构15。
图8示出了光伏屋顶建筑或屋顶系统10的另外的实施例，其具有光伏屋脊盖结构44，其中，与图1-7的实施例相比，该光伏模块14和光引导或聚集系统12设置在从屋脊向下到屋顶结构16和18之上之间的更大表面区域和尺度上。由于该更大的表面区域，光伏屋脊盖结构44能够收集光线并且产生比图1-7的实施例更大的电流。例如，所示的光伏屋脊盖结构44包括外部扩展部分46，以提供超出中央部分48的额外的表面区域，其中，这两部分46和48都覆盖屋脊通风孔19和光伏模块14。在所示实施例中，光伏屋脊盖结构44在屋顶结构16的每一侧包括两排光伏模块14，该光伏模块14以基本平行偏移的关系处于该光引导或聚集系统12之下。还通过电线50将这些光伏模块14电耦合。其它的实施例可以具有更大数量的光伏模块14或光伏模块14的更大表面区域。例如，如果光伏屋脊盖结构44通常产生大约200W/m2(瓦/平方米)，那么10平方米的表面区域将产生大约2000瓦特。如果需要更大的功率(例如，3000瓦)，则可以增加该表面区域(例如，15平方米)。
图9示出了根据本发明的一些实施例制造光伏屋顶系统或建筑的示例方法60。该方法60包括提供屋脊盖结构，其适合于覆盖屋顶结构的屋脊(框62)。该方法60还包括提供至少一个光伏电池，该光伏电池位于该屋脊盖的下面(和可选地安装至该屋脊盖)(框64)。该方法60还可选地包括提供热传导元件或散热器，该热传导元件或散热器联接到各光伏电池(框66)。该方法60还包括在屋脊盖内提供冷却通道或通风通道(框68)。最后，该方法60包括提供引线至各光伏电池70，以便经由屋脊开口或通风孔电连接至屋顶系统或建筑内的电路。
图10示出了在预先存在的屋顶结构或建筑上安装光伏屋脊盖结构的方法80。该方法80包括改型(retrofitting)(框82)，其包括移除预先存在的屋脊盖并且在屋顶结构中形成一个或多个开口。该方法80还包括在沿屋顶结构的屋脊的多个光伏电池上安装屋脊盖(框84)。该方法80还包括布置电引线，该电引线从各光伏电池开始穿过沿屋顶结构的屋脊的开口(框86)。在本发明的某些实施例中，光伏屋脊盖适合于在安装了常规屋顶的砖瓦或木瓦之后进行安装。该光伏屋脊盖的安装可以作为在屋顶安装中的结束步骤或者接近结束的步骤。
这里仅说明和描述了本发明的某些特征，本领域技术人员可以进行许多修改和变化。因此，可以理解所附权利要求书意在覆盖落在本发明精神内的所有这些修改和变化。

Claims (16)

1.一种光伏屋顶系统，包括：
屋脊盖，该屋脊盖适合于覆盖屋顶结构的屋脊，该屋顶结构具有屋脊通风孔；以及
设置在该屋脊盖内的至少一个光伏电池；
其中，所述屋脊盖还包括内部支撑结构，该内部支撑结构具有开口，所述屋脊盖布置在所述屋顶结构的屋脊通风孔之上。
2.如权利要求1所述的光伏屋顶系统，其中，该屋脊盖包括光引导或聚集部件，该光引导或聚集部件构造成引导或聚集太阳能到该至少一个光伏电池。
3.如权利要求1所述的光伏屋顶系统，其中，该至少一个光伏电池包括多个光伏电池，该多个光伏电池布置在该屋脊盖的相对两侧之下。
4.如权利要求1所述的光伏屋顶系统，其中，该屋脊盖包括窗口，该窗口具有设置在该至少一个光伏电池之上的光引导或聚集部件。
5.如权利要求4所述的光伏屋顶系统，其中，该窗口包括聚碳酸酯或玻璃。
6.如权利要求1所述的光伏屋顶系统，其中，该屋脊盖包括聚氯乙烯或聚碳酸酯。
7.如权利要求1所述的光伏屋顶系统，其中，该至少一个光伏电池粘着地联接至透明或半透明的衬底。
8.如权利要求1所述的光伏屋顶系统，其中，该屋脊盖和该至少一个光伏电池集成到一屋脊盖组件中。
9.如权利要求8所述的光伏屋顶系统，其中，该屋脊盖组件包括多个模块部分，每个模块部分包括一个或多个光伏电池。
10.如权利要求1所述的光伏屋顶系统，包括联接至该至少一个光伏电池的散热器。
11.如权利要求1所述的光伏屋顶系统，包括通风通道，其设置在该至少一个光伏电池的前面、或后面、或前面和后面。
12.如权利要求1所述的光伏屋顶系统，包括用于在该至少一个光伏电池的表面上提供对流空气流的装置。
13.如权利要求1所述的光伏屋顶系统，包括电线，该电线联接至该光伏电池并且通向所述屋脊通风孔。
14.一种方法，包括：
在具有屋脊的屋顶结构上安装光伏屋顶系统，
其中，所述光伏屋顶系统包括屋脊盖和设置在该屋脊盖内的至少一个光伏电池；该屋脊盖适合于覆盖屋顶结构的屋脊，该屋顶结构具有屋脊通风孔；并且
其中，所述屋脊盖还包括内部支撑结构，该内部支撑结构具有开口，所述屋脊盖布置在所述屋顶结构的屋脊通风孔之上。
15.如权利要求14所述的方法，包括将该屋脊盖和该至少一个光伏电池集成至一屋脊盖组件，该屋脊盖组件适合于安装在该屋顶结构的屋脊之上。
16.如权利要求14所述的方法，包括向该至少一个光伏电池提供引线，其中，该引线适合于通过该屋脊通风孔进入该屋顶结构。
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