CN102077363A - 光伏模块及模块阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光伏(PV)模块，包括PV器件和框架。PV器件具有PV层压板，PV层压板限定周边和主平面。框架与层压板周边相装配并将其包围，以及，框架包括前框架件、后框架件、和侧框架件，以及，臂部形成与层压板相反的支撑面。支撑面适合于压靠着水平安装表面放置，以对层压板进行支撑并使其以非平行或倾斜布置方式取向。在最终装配时，层压板和框架结合限定整体结构。框架可以使层压板取向于与水平成3°至7°范围的角度，并且，框架可以全部由聚合物材料形成。可选地，臂部结合有一体的功能部件，这些功能部件便于和相同方式形成的第二PV模块的对应功能部件互连。

Description

光伏模块及模块阵列
关于联邦资助研究或开发的声明
本发明得到政府支持完成，美国能源部分派的合同No.DE-FC36-07GO17043。政府在本发明中具有一定权利。
优先权资料
根据35U.S.C.§119(e)(1)，本申请要求2008年6月27日提交的美国临时专利申请序号No.61/076,492的优先权，该申请名称为“Photovoltaic Module and Module Arrays(光伏模块及模块阵列)”，承办代理人文卷号为No.S0134/S812.104.101；以及，该申请的全部教导内容以引用的方式并入本文。
相关申请的交叉引用
本申请还涉及下述专利申请：美国申请序号No.12/492,640，名称为“Ballasted Photovoltaic Module and Module Arrays(压载光伏模块及模块阵列)”，承办代理人文卷号为S0131US/S812.101.102；美国申请序号No.12/492,680，名称为“Photovoltaic Module Kit IncludingConnector Assembly for Non-Penetrating Array Installation(包括非穿透阵列安装用连接器组件的光伏模块套件)”，承办代理人文卷号为S0132US/S812.102.102；美国申请序号No.12/492,729，名称为“Photovoltaic Module with Removable Wind Deflector(带有可拆装导风板的光伏模块)”，承办代理人文卷号为S0133US/S812.103.102；以及，美国申请序号No.12/492,838，名称为“Photovoltaic Module withDrainage Frame(带有排水框架的光伏模块)”，承办代理人文卷号为S0135US/S812.105.102；所有上述申请与本案同日提交，并且上述申请各自的教导内容以引用方式并入本文。
背景技术
本发明涉及太阳能屋面瓦。更特别地，本发明涉及光伏模块，适合于快速安装为阵列化屋顶光伏系统的一部分。
太阳能早就被视为重要的高度可行的替代能源。为了这一目的，已经做出了大量努力和投资，开发并改进太阳能采集技术。特别关注的是产业化或商业化类型应用，这类应用可以采集相对可观的太阳能，并利用于补充或满足电力需求。
对于大规模太阳能采集而言，太阳光伏技术通常被视为最佳途径，并且可以用作主要的和/或次级(或补充)能源。概括而言，太阳光伏系统(或者简称为“光伏系统”)采用硅或其他材料(例如，III-V族太阳能电池诸如砷化镓(GaAs))制成的太阳能电池板将日光转换为电。更特别地，光伏系统典型地包括多个光伏(PV)模块(或“太阳瓦”)，用导线将PV模块与一个(或多个)适当电子部件(例如，开关、变换器、接线箱等)互相连接。PV模块常规地由PV层压板或层压片组成，通常形成经电互连并封装的晶态或非晶态半导体器件的组件。PV层压板载有一个以上导电体，通过导电体传导太阳所产生的电流。
无论PV层压板的具体结构如何，大多数PV应用必然在阳光充足位置将PV模块阵列布置于安装场所。这特别符合商业化或产业化应用，在这些应用中需要相当多的PV模块来产生大量的能量，而商业建筑屋顶提供了可以放置PV模块的便利表面。就此而言，许多商业建筑都具有巨大且平坦的屋顶，这本身就有助于PV模块大阵列的布置。事实上，利用现有屋顶作为PV模块安装场所，能够最有效地利用已经存在的建筑/屋顶结构空间，并因此使对支撑PV模块所需附加单独结构的需求最小化。尽管屋顶安装因此具有高度可行性，但必须克服一定的环境限制。例如，PV层压板通常是扁平的或平面状的；因此，如果简单地“铺”在另外的平坦屋顶上，PV层压板没有处于最佳定位/取向来全天采集最大量阳光。取而代之，理想的是，使PV层压板相对于屋顶以些许角度倾斜(也就是，对北半球安装而言朝南方天空，或者对南半球安装而言朝北方天空)。此外，屋顶安装的PV模块时常经受刮风的情况，这种担心对于如上所述使PV层压板相对于屋顶倾斜的情况而言更为突出。
考虑上述情况，常规PV模块阵列安装技术包括：模块阵列的各单个PV模块直接与现有屋顶结构实际(物理方式)互相连接，或者使其进入现有屋顶结构。例如，有些PV模块结构包括多个框架件，框架件经由穿过屋顶的螺栓实际(物理方式)安装至屋顶。尽管这种技术可以将PV模块更具刚性地安装至屋顶，但这是一种耗时的处理操作，并且本质上永久性地破坏屋顶。此外，因为在屋顶中形成洞，显然容易引起水渍。最近，针对商业化平坦屋顶安装场所提出了PV模块结构，其中使阵列化PV模块以非穿透方式相对于屋顶自保持。更特别地，经由一系列单独的辅助部件使PV模块彼此互连，用互连阵列(以及在安装场所安装至一个或多个PV模块的可能附加的压载物和/或风偏转挡板或“导风板”)的结合重量，起到共同抵消风生力的作用。
尽管非穿透式PV模块阵列的方法已经广为接受，但仍然存在一些不足。例如，需要大量的零部件、以及这些零部件的后勤管理，以便于PV模块阵列的非穿透式互连安装。就此而言，用于各安装场所的PV模块布置(例如，数量、位置、以及类型)有所不同。因此，所需辅助安装部件的数量及类型也会有所变化，而且，必须准确定制，并与PV模块一起发送至安装场所。因此，需要相当多的先期计划。同理，几种非穿透式PV模块设计形式的安装要求风偏转辅助部件(例如，周边围栏(perimeter curb))，这些辅助部件构造或者大小设计成适合作为所得到阵列化PV模块周边形状或几何形状的引导功能部件。同样，必须进行大量的先期计划，从而，以保证根据PV模块阵列的预期形状以适当确定其大小及形状的形式，将这些风偏转部件以及其他安装部件提供至安装场地。显然，先期计划中的任何错误、安装参数的错误传达、错误的定制零件清单等，都会不利地影响并明显延误安装过程。此外，作为工业生产中的通常做法，辅助安装部件与PV模块分开包装，在这种情况下，对于安装人员而言，多数情况下很难迅速认识到是否出现了订货和/或运输错误。而是只有在实际安装过程中才能发现这些错误，而且，通常无法快速纠正。类似地，在商业建筑屋顶安装非穿透式PV模块，需要相当大量的劳动和专门技能(并因此需要成本)。最后，提供所有PV模块、以及所有辅助安装部件和相关设备需要运输材料，对其进行处理及处置又必须相当多的费用。
对于减少商业或工商业对常规基于天然资源的能源依赖而言，基于PV模块的太阳能技术代表着非常有前途的技术。然而，为了与市政电力的传统来源相比具备竞争力，太阳能PV系统的还应当尽可能降低相关成本。因此，需要一种能够容易地以非穿透方式安装至商业屋顶的PV模块以及相关的PV模块系统或阵列。
发明内容
根据本发明原理的一些方面涉及一种光伏(PV)模块，其包括PV器件和框架。PV器件包括PV层压板，PV层压板具有周边以及限定主平面的正面。框架与PV层压板的周边装配并将其包围。就此而言，框架包括相对的前框架件和后框架件、以及相对的第一侧框架件和第二侧框架件。此外，设置臂部，臂部自框架件之一伸出并形成支撑面，支撑面与PV层压板的正面相反，支撑面适合于压靠着单独安装表面放置，从而，对PV层压板进行支撑并使其相对于安装表面取向。考虑到这一点，支撑面的平面和PV层压板的主平面非平行(例如，PV层压板相对于支撑面倾斜)。无论哪种情况，在最终装配(例如，工厂装配)时，PV层压板与框架结合限定整体结构。在有些实施例中，框架构造成，当支撑面置于平坦表面时，PV层压板相对于平坦表面取向为非平行角度，例如，在3°至7°范围内的角度。在其他实施例中，PV模块的整体结构特点导致在不毁坏至少一个框架件的情况下，无法将框架从PV层压板拆除。在又一些实施例中，框架件全部由聚合物材料形成。在又一些实施例中，一个以上框架件结合有一体的功能部件或特征，这些功能部件或特征有利于与相同方式形成的第二PV模块的对应功能部件互连。
根据本发明原理的其他方面涉及一种制造PV模块的方法。该方法包括：提供PV器件，PV器件包括PV层压板，PV层压板具有周边，在正面限定主平面。还提供框架，框架包括前框架件、后框架件、以及第一侧框架件和第二侧框架件。此外，框架包括臂部，臂部自一个框架件伸出并限定支撑面。将PV层压板安装至框架件，使得框架件包围周边。进一步，将框架件互相安装。在最终装配(例如，工厂装配)时，PV层压板和框架结合限定整体结构，而支撑面的平面和PV层压板的主平面非平行。在有些实施例中，同时进行框架件的互相安装以及框架件与PV层压板的安装，从而，简化总体制造过程。
根据本发明原理的其他方面涉及一种光伏模块系统套件，用于在大致平坦表面诸如商用建筑屋顶上进行非穿透式安装。系统套件具有至少两个PV模块，各PV模块包括PV器件和框架。PV器件包括PV层压板。框架与PV层压板装配并包围PV层压板，以限定整体结构。此外，框架包括臂部，臂部形成平面状支撑面，支撑面用于压靠着单独安装表面放置，以使PV层压板相对于安装表面倾斜。支撑面和PV层压板非平行，以在非穿透安装至平坦屋顶时实现倾斜布置。在适合用于运输的套件形式中，第一PV模块的框架套入第二PV模块框架的顶上，藉此，框架所具有的臂部不会影响套入关系。
附图说明
图1A是根据本发明原理的光伏模块的顶部后侧轴测图；
图1B是图1A所示光伏模块的分解图；
图2是图1所示光伏模块安装于安装表面的侧视图；
图3A是图1A和图1B所示光伏模块所用框架一部分的外部轴测图；
图3B是图3A所示框架部分的内部平面图；
图3C是图3A和图3B所示框架部分的片段的放大轴测图；
图3D是图3A和图3B所示框架部分的简化剖视图；
图3E示出光伏层压板与图3D所示框架部分的装配；
图4A是装配之前图1B所示框架部分的外部轴测图；
图4B是图4A所示框架部分的内部轴测图；
图5是图1A所示光伏模块的侧视图，包括与之相关的引线；
图6是图1A所示光伏模块一部分内部的抬高轴测图；
图7是根据本发明原理的光伏模块阵列一部分的顶部轴测图；
图8是图7所示阵列的侧视图；
图9是图7所示阵列的顶视图；
图10是多个图1A所示模块提供为堆叠系统的后部轴测图；以及
图11是根据本发明的光伏模块相对于彼此进行堆叠并且结合有导风板部件的后部轴测图。
具体实施方式
图1A和图1B示出根据本发明原理的光伏(PV)模块20的一个实施例。PV模块20包括PV器件22(通用标号)和框架24。下文提供关于各种部件的细节。然而，概括而言，PV器件22包括被框架24包围的PV层压板26。就此而言，框架24提供一个以上的支撑面，该支撑面实现PV层压板26相对于平坦安装表面(例如，平坦屋顶)的倾斜取向。此外，在有些实施例中，框架24结合有一个以上功能部件，这些功能部件便于PV模块20与一个以上类似构造的PV模块进行安装。无论哪种情况，将框架24与PV层压板26互相装配，以形成或限定整体结构。采用这种结构，PV模块20非常有利于非穿透式商业化屋顶安装，在此种安装中，需要最少数量的附加零部件来将多个PV模块20安装作为PV系统阵列的一部分。这因而大大简化了安装过程，例如在劳力、零部件、以及先期计划方面，同时也大大降低了运输和处理成本。在将PV模块20安装到任何大致平坦表面(例如，最大倾斜度2:12)时都会体现出其优点，上述大致平坦表面包括商用建筑屋顶、住宅屋顶、或地面安装应用。
PV器件22，包括PV层压板26，可以采取适用于太阳光伏器件的任何当前周知的形式、或将来可能开发的形式。概括而言，PV层压板26由光伏电池阵列组成。可以将玻璃叠层置于光伏电池上以免于环境影响。在有些实施例中，光伏电池有利地包括背面接触式电池(backside-contact cells)，诸如可从加利福尼亚州圣何塞市SunPower公司购买的那些类型。作为参考，在背面接触式电池中，通向外电路的引线在电池背面(即安装时背向太阳的一面)进行连接，以便增加用于太阳能采集的面积。美国专利No.5,053,083和No.4,927,770也披露了背面接触式电池，这两篇专利的全部内容在此以引用方式并入本文。也可以使用其他类型的光伏电池，而不脱离本发明范围。例如，光伏电池可以结合薄膜技术，诸如硅薄膜、非硅器件(non-silicondevices)(例如包括砷化镓的III-V族太阳能电池)等。因此，尽管图中未示出，但在有些实施例中，除PV层压板26之外，PV器件22还可以包括一个以上部件，诸如引线或其他电子部件。
不管确切结构如何，PV层压板26可以描述成限定正面30和周边32(图1A和图1B中的通用标号)。作为参考，如果设置有PV器件22的附加部件，其通常位于或者沿着PV层压板26的背面，此背面隐藏在图1A和图1B的视图中。
考虑到对PV器件22尤其是对PV层压板26的上述理解，框架24通常包括前框架件40、后框架件42、第一侧框架件44、以及第二侧框架件46。如下文所述，框架24结合有一个以上附加功能部件，这些功能部件便于以期望取向(例如，倾斜)将PV层压板26相对于大致平坦表面诸如屋顶进行布置。为了进一步的说明，图2提供了PV模块20相对于相对平坦的水平表面S的简化图示。尽管隐藏在图2的视图中，PV层压板26上概括方式示出的位置为PV层压板26的平面PPV，该平面PPV另外由正面30(图1A和图1B)构成。考虑到这一点，关于图2的布置，框架24相对于平坦表面S以坡度或倾角θ支撑PV层压板26。倾角θ也可以定义为形成在PV层压板平面PPV与平坦表面S的平面之间的夹角。考虑到这一点，框架24构造成以1°至30°范围内的倾角θ支撑PV层压板26，在有些实施例中倾角θ在3°至7°范围内，以及，还有些实施例中倾角θ为5°。作为参考，采用倾斜的PV太阳能采集安装，PV层压板26优选定位成面向南方或向南倾斜(在北半球安装中)。给定这种典型的安装取向，于是，前框架件40因此可以通常称为南框架件，而后框架件42称为北框架件。回到图1A和图1B，以及，与这些方向名称相一致，第一侧框架件44可以称为西框架件，而第二侧框架件46可以称为东框架件。
框架件40至46可以采用多种适合于包围PV层压板26周边32并建立期望倾角θ(图2)的形式。在有些实施例中，框架件40至46分开形成，随后，以在最终构造成形时产生整体结构的方式，再互相装配并与PV层压板26装配。
在有些实施例中，框架件40至46各自可以结合有相同的功能部件，这些部件有利于与PV层压板26的装配。图3A和图3B示出关于第一侧框架件44的这些功能部件的示例。特别地，第一侧框架件44一般包括框架本体50和支架组件52。框架本体50可以采取多种形式或形状，以及，在有些实施例中，截面上与如图3A所示的工字梁类似。无论哪种情况，支架组件52自框架本体50向上凸出(针对图3A和图3B的取向)，并且包括C形支架60，支架60限定下面62、上面64、以及端面66，或者，支架60由下面62、上面64、以及端面66限定。下面62靠近于框架本体50形成，以及，上面64形成为与下面62相对。端面66使下面62与上面64互连，以及，下面62、上面64、以及端面66结合限定凹槽68，凹槽68大小适合于容纳PV层压板26(图1)。更特别地，凹槽68大小适合于容纳PV层压板26的对应边缘，以及，用适当的粘合剂，将PV层压板26与支架60永久性地固定或粘合。
下面62与上面64之间的间距可以大于PV层压板26(图1B)的预期高度或厚度，以及，在有些实施例中，支架组件52进一步包括多个分隔开的引导功能部件70，引导功能部件70适合于将PV层压板26居中方式保持在下面62与上面64之间。图3C更具体地示出一个引导功能部件70，以及，引导功能部件70包括自下面62凸出的下引导凸部(tab)72a、以及自上面64凸出的上引导凸部72b。引导凸部72a、72b可以竖向对齐，并具有在朝端面66延伸过程中增加的高度或厚度，如图3D所示。因此，在引导凸部72a、72b的区域中，凹槽68的高度自开口端74至端面66逐渐减小。
通过使引导凸部72a、72b与PV层压板26的预期厚度相关联，使支架组件52适合于快速容纳PV层压板26，并使PV层压板26相对于支架60进行期望的定位，以用于随后的粘合剂粘结，如图3E所示。作为参考，图3E以简化形式表示PV层压板26，以及，PV层压板26可以具有没有明确示出的多种特征，这些特征用引导功能部件70加以说明(例如，PV层压板26的厚度朝周边可以逐渐减小)。无论哪种情况，经由引导凸部72a、72b，将PV层压板26保持在凹槽68内相对于表面62至66偏离或隔开的位置处。在有些实施例中PV层压板26在下面62与上面64之间居中，这种偏离在凹槽68内提供了足够的间距，用于容纳并保持适量粘合剂(未示出)，诸如RTV硅胶(RTV silicone，室温硫化硅橡胶)，以便将PV层压板26与支架60(尤其是表面62至66)进行粘合。
回到图3B和图3C，一个以上框架件40至46(图1A)可以包括有利于与PV层压板26装配的附加功能部件。例如，关于第一侧框架件44，支架组件52可以进一步包括一个以上斜坡80。斜坡80彼此横向分隔开(例如，与各个引导功能部件70对齐)，以及，斜坡80设置有斜面82，斜面82自框架本体50延伸至支架60的下面62。更特别地，斜面82以带一定角度的方式从下面62向下并远离下面62延伸，以及，斜面82提供用于引导PV层压板26(图3D)进入凹槽68的表面。因此，PV层压板26的装配使PV层压板边缘沿斜坡80的斜面82滑动，斜面82引导PV层压板26，使其经由各个下引导凸部72a(图3C)进入凹槽68，如上所述。可选择地，可以采用便于框架24与PV层压板26装配的广泛多样的其他结构，因而，上述功能部件中的一个或多个也可以省略。
回到图1B，一个或多个或全部框架件40至46可以结合有如上所述的工字梁式(或其他形状)框架本体50和/或支架组件52(图3A)。另外，在有些实施例中，框架件40至46包括或者形成有连接器适配装置，这些连接器适配装置适合于方便框架件40至46彼此进行坚固的互连或装配。例如，前框架件40和后框架件42可以包括或形成有相同且相反的凸状连接器100、102(图1B中用于后框架件42的标号)，而侧框架件44、46各自包括或形成有相反的第一凹状连接器104和第二凹状连接器106(图1B中用于第一侧框架件44的标号)。概括而言，凹状连接器104、106各自构造成以压配合式关系容纳凸状连接器100、102中对应的一个凸状连接器。应当注意，与各框架件40至46相关联的连接器类型(即凸状或凹状)可以有所不同(例如，前框架件40可以形成有两个凹状连接器、或一个凹状连接器和一个凸状连接器)，只要在各框架件40至46相交处构成凸/凹连接对即可。
图4A和图4B示出本发明所用凸状连接器和凹状连接器的一个实施例，尤其是后框架件42的凸状连接器100、和第一侧框架件44的凹状连接器104。如图所示，凸状连接器100和凹状连接器104具有一致形状，凹状连接器104形成容座110，凸状连接器100容纳在容座110内。与连接器100、104相关的对应形状是大致十字状，包括第一片段112和第二片段114(图4A中用于凸状连接器100的标号)。片段112、114相对于彼此以近似垂直方式延伸，在有些实施例中，第二片段114将第一片段112一分为二。为了提供框架件42、44对于框架24内部(也就是，PV层压板26(图1A)的部位)的增强支撑，第二片段114具有细长的内延伸部116(相对于第一片段112)。此外，在有些构造中，至少第二片段114自基端120到悬空端122宽度上逐渐减小。除非另行说明，第二片段114在基端120处的水平尺寸大于在悬空端122处的水平尺寸。采用这种楔形构造，连同由凹状连接器104或106所限定的对应形状一起，可容易地将凸状连接器100插进凹状连接器104的容座110。随着进一步迫使凸状连接器100进入容座110(和/或反之亦然)，实现楔形压配联结，藉此，将凸状连接器100摩擦方式锁定在凹状连接器104内。
回到图1A和图1B，框架24可以结合其他设计，以便于框架件40至46的坚固装配。然而，有些实施例中将框架件40至46同时进行与PV层压板26(经由粘合剂)的装配以及互相的装配(例如，经由连接器100至106)，至少对于这样的实施例，所形成的组件包括PV层压板26和框架24，二者结合而限定了整体结构，框架件40至46完全“锁位”PV层压板26。在本说明书中使用时，“整体结构”指坚固不变的组件，藉此，在不毁坏框架件40至46中至少一个的情况下，无法自PV层压板26拆下框架24。明显地，根据上述构造，不需要附加部件或专门工具，即可实现框架24和PV层压板26的完全最终装配。由于不需要安装人员在安装场所装配零部件来“完成”单个PV模块，这代表着大大节约了安装时间。
除了上述框架件40至46之外，在有些实施例中，框架24进一步包括一个以上的臂部，这些臂部便于PV层压板26相对于安装表面的期望取向、以及两个以上PV模块20彼此进行安装。例如，在有些实施例中，框架24包括第一臂部130、第二臂部132、第三臂部134、以及第四臂部136。臂部130至136可以由各个框架件40至46形成、或者与之相关联；采用图1A和图1B的构造，例如，第一臂部130和第三臂部134设置为第一侧框架件44(或自第一侧框架件44)相反的伸出部分，而第二臂部132和第四臂部136设置作为第二侧框架件46(或自第二侧框架件46)相反的伸出部分。在最终装配框架24时，如图1A所示，第一臂部130和第二臂部132纵向上凸出或伸出(例如，向前)至前框架件40之外，而第三臂部134和第四臂部136纵向上凸出或伸出(例如，向后)至后框架件42之外。
第一臂部130和第二臂部132可以是相同的构造，在框架24的最终构造上形成镜像。考虑到这一点，图1B示出第一臂部130，其包括或者限定有侧壁140和凸缘142。凸缘142自侧壁140沿其周边向里凸出。凸缘142有效地限定第一臂部130的总体宽度。此外，凸缘142相对于侧壁140的延伸部分形成安装区144，安装区144适合于方便与如下所述第二PV模块20臂部(未示出)的安装，安装区144包括或形成有穿过侧壁140的孔146。无论哪种情况，安装区144纵向上不仅位于第一侧框架件44之外(或与之分隔开)，而且也位于前框架件40之外。关于第二臂部132的安装区144相对前框架件40(通用标号)的这种关系，图5中所示最为清楚。
参照图5，尤其是关于图5视图中可见的第二臂部132，进一步描述第一臂部130和第二臂部132的附加可选功能部件。如图所示，第二臂部132自第二侧框架件46(以及因此自图5中总体标注的前框架件40)向外并向下伸出。更具体地，第二臂部132的向前(即在图5的取向中为向左)延伸部分终止于前面150。前面150(连同第一臂部130(图1B)的相同表面)作为框架24的最前端，因此也是PV模块20的最前端。如下所述，以建立两个PV模块20期望的端对端装配的方式，对此向前延伸部分或尺寸、连同安装区144的纵向定位进行选择，以使其与第四臂部136(以及从而所形成的安装区)相对应。易于理解，在第一臂部130(图1B)与第三臂部134(图1B)之间(同样，如定位成端对端的两个PV模块20之间那样)建立类似的关系。
类似地，第二臂部132自第二侧框架件46向下延伸的部分终止于底面152。底面152(连同第一臂部130(图1B)的相同表面、以及由下文描述的第三臂部134和第四臂部136所提供的一个以上表面一起)作为框架24的最底面，并提供支撑面，在此支撑面处，相对于安装表面对PV模块20进行支撑。更特别地，根据所选择的第三臂部134和第四臂部136(下文更具体地描述)的尺寸特性，选择第一臂部130和第二臂部132向下延伸的部分，以便共同创建或限定共用支撑面(例如，包括底面152)，此共用支撑面进而规定PV层压板26在上述平坦安装表面上的期望倾斜取向。
回到图1B，第三臂部134和第四臂部136在某些实施例中具有相同构造，在框架24的最终结构上相互形成镜像。考虑到这一点，图3A和图3B示出第三臂部134的某些功能部件。第三臂部134可以为L形，并且包括肩部160和脚座162。肩部160可以形成为自第一侧框架件44向下伸出，并伸至第一侧框架件44之外。如图所示，沿第一侧框架件44的长度且靠近于其后端164，建立肩部160与第一侧框架件44(尤其是框架本体50)之间的支持对接。就此而言，肩部160的下延部分(以及如下所述使脚座162定位)成，使得肩部160的最里面166横向偏离第一侧框架件44的最外面168。这就是说，第三臂部134中自第一侧框架件44伸出的整个部分，空间上定位于第一侧框架件44的侧面并与之分隔开。因为下文解释的理由，此可选布置有助于在并排布置两个PV模块20时在二者之间建立期望间距。此外，第三臂部134(以及第四臂部136)的横向偏离位置便于多个PV模块20的套入方式、堆叠方式布置，例如，在运输和/或贮存期间。同理，如图6中最清晰地示出，肩部160(伸出第一侧框架件44之外)的最里面166可以形成有槽部170，进一步便于堆叠方式布置、套入方式布置。
回到图3A和图3B，脚座162自肩部160向后延伸，并形成安装区180、下面182、以及上面184。安装区180限定于纵向与第一侧框架件44分隔开(并因此在图1A所示最终构造上纵向与后框架件42分隔开)的空间位置。更特别地，脚座162自肩部160的纵向延伸部分在空间上定位安装区180，使安装区不仅位于第一侧框架件44后方，而且也位于后框架件42后方。脚座162的所选延伸尺寸(尤其是安装区180的空间坐标)与上述第一臂部130延伸尺寸(尤其是安装区144(图1B)的空间坐标)建立联系，从而，当两个PV模块20互相安装时，使两个PV模块20具有期望的端对端间距(应当理解，在第二臂部132和第四臂部136之间建立相同关系)。考虑到这一点，安装区180可以包括孔190，孔在内面192与外面194之间延伸。
回到图5，沿脚座162的长度，下面182是相对平面状的，以及，经由在自第二侧框架件46延伸的部分中布置第四臂部136(在有些实施例中第三臂部134(图3A和图3B)具有相同构造)，下面182建立PV层压板26(通用标号)的期望取向。特别地，下面182起到上述PV模块支撑面的一部分的作用，并限定平面PA，平面PA相对于PV层压板26的平面PPV(在空间上被框架件40至46所保持)为非平行的。此外，下面182的平面PA(以及限定第三臂部134下面的相同平面与第二臂部132的底面152(以及第一臂部130(图1B)的相同底面)相交。因此，臂部130至136结合起来在空间上使PV层压板26相对于平坦安装表面具有期望倾斜取向。
如上所述，肩部160自沿对应侧框架件44、46(例如，图5视图中的第二侧框架件46)长度方向的某位置伸出。考虑到这一点，脚座162形成有上面184，上面184在第二侧框架件46下方(以及后框架件42下方)与其分隔开。因此，上面184、肩部160、以及第二侧框架件46结合起来限定间隙200(图5中的通用标号)。间隙200提供高度便利的受保护区域，沿着间隙200可以放置与PV器件22相关的引线202(例如，东西引线)(以及来自阵列中所组装其他PV模块22的引线)，而没有如常规设计所要求那样难处理地在各PV模块下方安排引线。就此而言，引线202可以放置于上面184，并由上面184安全地保持。
参照图7，可以说明上述臂部构造的用途在于便于两个以上PV模块20彼此进行安装。特别地，图7示出根据本发明的四个相同构造PV模块20的相关部分，包括安装在阵列210中的PV模块20a至20d。第一PV模块20a和第二PV模块20b以端对端关系互相安装，与第三PV模块20c和第四PV模块20d一样。另外，第一PV模块20a和第三PV模块20c以并排关系互相安装，与第二PV模块20b和第四PV模块20d一样。
第一PV模块20a和第二PV模块20b的安装包括：第一PV模块20a的第一臂部130a与第二PV模块20b的第三臂部134b进行安装，以及，第一PV模块20a的第二臂部132a与第二PV模块20b的第四臂部136b的安装。在第三PV模块20c的第一臂部130c和第四PV模块20d的第三臂部134d之间、以及第二臂部132c和第四臂部136d之间，建立类似的安装关系。最后，第二PV模块20b的第四臂部136b安装于第三PV模块20c的第三臂部134c。
为了在各臂部对(例如，臂部130a/134b)之间进行更完全的安装，可以设置联结器220(通用标号)，例如，包括螺栓部件222和螺母部件224。更特别地，当以端对端关系布置各个PV模块20(例如，第一PV模块20a和第二PV模块20b)时，由安装人员自然或者直观地定位对应臂部对的安装区(例如，第一臂部130a的安装区144a和第三臂部134b的安装区180b(通用标号))，使得各孔146(图1B)、孔190(图3A)对齐，以便共同容纳螺栓222。此外，臂部130至136构造成，第一臂部130或第二臂部132的底面152与对应的第三臂部134或第四臂部136的下面182对齐或共面。例如，另外参照图8，第三PV模块20c的第二臂部132c的底面152与第四PV模块20d的第四臂部136d的下面182对齐。类似地，在其他臂部安装对接处，诸如臂部安装界面130a/134b、132a/136b、以及130c/134d处，建立对齐关系。采用这种构造，于是，在图7和图8的安装后阵列化布置210中，PV层压板26a至26d全都取向为几乎相同的倾角；多种臂部130至136表面152、182在空间上的这种共同定位得到如下效果：无论阵列210内有多少个PV模块20，而且，无论单个PV模块20与多少个PV模块20(包括单个的孤立式PV模块20)进行安装，都能够通过简单的安装处理以一致的方式使对应的PV层压板26具有期望倾斜取向。同理，不需要屋顶穿透部件或专业工具，通过使PV模块20彼此互连，就可以在屋顶上快速地安装阵列210。
简化的阵列210只是通过本发明便利安装的PV模块的一个示例。本发明的PV模块构造几乎考虑到了任何阵列安装构造(例如，大致平坦商业屋顶上互相安装的PV模块20的数量，以及/或者，所得到阵列的总体“形状”或几何形状)。无论期望阵列的参数如何，单个PV模块20如上所述简单快捷地互相安装，并且可以放置在阵列内的任何位置。因此，PV模块20具有通用构造。东西引线(或其他引线)可以在如上所述安装的一连串PV模块20的“下方”行进(例如，图5中)。通过本发明PV模块20的特征，还便于其他引线的简化、一致布置，诸如“本垒打(home run)”引线(例如，南北引线或东西引线)。例如，如图9所示，图中另外提供了阵列210的顶视图，关于对应的PV层压板26a至26d，并排布置的PV模块20a与20c以及PV模块20b与20d限定了纵向间隙230。更特别地，当PV模块20并排布置时，各PV模块20的第三臂部134和第四臂部136(例如，图9中的第二PV模块20b的第四臂部136b和第四PV模块20d的第三臂部134d)的上述横向偏离位置，建立了纵向间距230。通过置于与各臂部134、136相关的上面184上，引线可以沿纵向间距230延伸，使其保持远离屋顶表面或者“在屋顶表面上方”。对于东西引线和南北引线二者，上述构造不再需要在各个PV模块下方进行费时且费力的引线定线(route)。更确切地，不需要抬起PV模块20和/或在PV模块20下定线引线，安装人员必要时可以沿着或者通过阵列210简单地行走并安置引线。
根据上述描述显而易见的是，本发明的PV模块20大大简化了屋顶安装过程。在倾斜非穿透式PV太阳能屋面瓦阵列安装的过程中，只需要极少的现场装配。在进行先期计划情况下可以认识到另外的优点。因为PV模块20可以照本有面目有效地安装(非穿透式)，先期安装计划过程本质上要求订购特定安装场地所需PV模块20数量的步骤。与常规商用屋顶PV太阳能屋面瓦的格式不同，不要求本发明PV模块20的安装人员提前估计辅助安装零部件的数量及类型，也无需寄希望其做出正确估计(以及实际运送正确的零部件)。事实上，可以以套件形式，其中包括PV模块20和标准数量的联结器220(图7)、以及任选的导风板，将各PV模块20供至安装场所。采用这种配套形式，无论待安装PV模块20的数量和/或期望阵列的确切“形状”如何，安装人员具有安装PV模块阵列所必须的全部部件。尽管认识到有些安装场所可能要求附加部件(例如，压载物)，但这些部件的期望数量更容易估计(与常规倾斜非穿透式屋顶PV太阳能屋面瓦的辅助安装零部件相比)，因而，采用本发明非常有利于先期计划。此外，PV模块20可以包括便于共用部件诸如导风板和/或压载物装配的可任选功能部件。
除了有利于简化快捷安装之外，本发明PV模块20的功能部件大大减少了包装及运输费用。回到图1A和图1B，在有些实施例中，框架24全部由塑料或聚合物材料形成。例如，框架24，尤其是框架件40至46和臂部130至136，其可以是模塑的聚合物部件，诸如注射成型的PPO/PS(聚苯醚共聚物/聚苯乙烯共混物)或PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)，然而也可采用其他的聚合物或电绝缘材料。所得到的PV模块20重量轻(例如，在3磅/平方英尺(1bs/ft2)量级)，所以，安装成本相对较低，并且带来极少的屋顶荷载担心。此外，与主要依赖于金属构架及相关安装部件的常规PV模块构造相比，本发明的PV模块20采用了可选的非导电塑料框架24，不需要另外的接地部件(以及相关的安装过程)。然而，可选择地，框架24也可以局部或全部由金属形成。
无论使用何种材料形成框架24，相同方式形成的PV模块20可以紧凑地排列，以便运输至安装场所。例如，图10示出三个根据本发明的PV模块20e至20g，这三个PV模块堆叠成套入布置，作为套件化系统240的一部分。第一PV模块20e的框架件40e至46e邻接第二PV模块20f的对应框架件40f至46f(可以理解，前框架件40和第一侧框架件44隐藏在图10的视图中)；在第二PV模块20f的框架件40f至46f与第三PV模块20g的框架件40g至46g之间建立类似的布置。对应的第三臂部134与第四臂部136之间的横向偏离布置支持(允许)这种堆叠装配。例如，在将第一PV模块20e的框架24e放到第二PV模块20f的框架20f上时，第一PV模块20e的第三臂部134e和第四臂部136e“悬离”第二模块20f的框架24f。明显地，如上文关于图6所述与第三臂部134和第四臂部136各自相关联的槽部170进一步便于PV模块20e至20g的堆叠套入布置。例如，第二PV模块20f的第四臂部136f的肩部160可滑动方式容纳在第一PV模块20e的第四臂部134e的槽部170(图10中隐藏)中。结果，本发明的PV模块20可以更紧密地堆叠用于高运输密度，从而，极大地减小运输(以及相关包装)浪费及成本。明显地，采用如图11所示包括附加部件诸如导风板250的运输形式，也能进行这种相同的套入或堆叠布置。更特别地，以不影响套件化系统中期望堆叠布置的方式，将各自的导风板250装配至PV模块20e至20g中的每一个，以使导风板250在对应后框架件42与第三臂部134/第四臂部136之间延伸(例如，导风板250e装配至第一PV模块20e的后框架件42e和第三臂部134e/第四臂部136e)。
本发明的PV模块组件对现有设计提供了明显改进。框架允许将PV模块阵列简单、快速、非穿透式安装至平坦商用屋顶，对应的PV层压板理想地布置为倾斜取向。此外，以现有技术不可想象的方式，框架和PV器件(尤其是PV层压板)的整体构造大大减小了订购、运输和处理的步骤及费用。总而言之，与常规非穿透倾斜式PV太阳能屋面瓦安装相比，本发明的PV模块克服了其中即使不是全部缺点也是大部分缺点，从而，增强了这种环境保护相当重要能源技术的市场适应能力。
虽然本发明根据特定的具体实施例加以描述，但是对于本领域技术人员来说，可以容易地改变形式和细节，而不偏离本发明的目的、精神和范围。例如，尽管框架描述成包括四个臂部，但在其他实施例中，可以设置更少或更多数量的臂部。同理，尽管多种臂部描述成形成为某些框架件(例如，侧框架件)的一部分，但在其他实施例中，一个以上的臂部也可以自其它框架件伸出(或者形成为其它框架件的一部分)。

Claims (34)

1.一种光伏模块，用于在大致平坦表面上以非穿透方式进行安装，所述光伏模块包括：
光伏器件，其包括光伏层压板，所述光伏层压板具有周边以及限定主平面的正面；以及
框架，其与所述光伏层压板的周边装配并包围所述周边，所述框架包括：
相对的前框架件和后框架件，
相对的第一侧框架件和第二侧框架件，
第一臂部，其自所述框架件之一伸出，并形成与所述正面相反的支撑面，所述支撑面用于压靠着单独的安装表面放置，
其中，所述支撑面的平面和所述光伏层压板的主平面为非平行布置，
其中，在最终装配时，所述光伏层压板和所述框架结合限定整体结构。
2.根据权利要求1所述的光伏模块，其中，所述框架构造成，当所述支撑面置于平坦表面时，所述光伏层压板的主平面相对于所述平坦表面取向为非平行角度。
3.根据权利要求1所述的光伏模块，其中，所述框架构造成，当所述支撑面置于水平平坦表面时，所述后框架件竖向高于所述前框架件。
4.根据权利要求1所述的光伏模块，其中，所述光伏模块的主平面和所述支撑面的平面结合限定的夹角在1°至30°范围内。
5.根据权利要求4所述的光伏模块，其中，所述夹角在3°至7°范围内。
6.根据权利要求1所述的光伏模块，其中，所述整体结构构造成，在不破坏至少所述框架件之一的情况下，不能将所述框架从所述光伏层压板拆除。
7.根据权利要求1所述的光伏模块，进一步包括将所述框架件与所述光伏层压板进行粘合剂粘结。
8.根据权利要求1所述的光伏模块，其中，所述框架件全部由聚合物材料形成。
9.根据权利要求1所述的光伏模块，其中，所述第一臂部构造成，允许所述框架堆叠到具有相同构造的第二光伏模块组件的对应框架上。
10.根据权利要求9所述的光伏模块，其中：
所述第一侧框架件限定：
相对的上面和下面，所述光伏层压板相邻于所述上面定位，
相对的前端和后端，
外缘，其形成为与所述第二侧框架件相反的一侧；以及
所述第一臂部包括肩部，在相邻于所述后端的延伸位置处，所述肩部自所述第一侧框架件伸出，整个所述肩部位于所述下面的下方，并处在所述延伸点与所述后端之间，在与所述第二侧框架件相反的方向，使所述肩部相对于所述外缘横向分隔开。
11.根据权利要求1所述的光伏模块，其中，至少一个所述框架件横截面是工字形。
12.根据权利要求1所述的光伏模块，其中，所述第一侧框架件包括第一连接器，所述第一连接器构造成用于与所述后框架件的对应第二连接器压配合装配。
13.根据权利要求12所述的光伏模块，其中：
所述第一连接器是以下部件之一：
限定容座的凹状部件，
凸状部件，其所具有的形状与所述容座的形状相对应；以及
所述第二连接器是所述凸状部件和所述凹状部件中的另一个。
14.根据权利要求13所述的光伏模块，其中，所述凸状部件包括第一片段和第二片段，所述第一片段和第二片段彼此相交并接近垂直。
15.根据权利要求13所述的光伏模块，其中，所述框架件各自限定相对的第一端部和第二端部，并进一步包括：
所述凹状部件和所述凸状部件之一，其位于所述第一端部；以及
所述凹状部件和所述凸状部件中的另一个，其位于所述第二端部。
16.根据权利要求1所述的光伏模块，其中，所述第一侧框架件包括：
细长的框架本体；以及
C形的支架，所述支架自所述框架本体伸出，并形成凹槽，所述凹槽大小适合于容纳所述光伏层压板。
17.根据权利要求16所述的光伏模块，其中，所述支架包括：
下面，其靠近于所述框架本体；
上面，其与所述框架本体相对；
端面，其在所述上面与所述下面之间延伸；
其中，所述上面和所述下面自所述端面伸出，各形成不小于91°的角度。
18.根据权利要求16所述的光伏模块，其中，所述第一侧框架件进一步包括：
多个分隔开的凸部，各所述凸部形成从所述框架本体到所述凹槽的楔形引导面，便于将所述光伏层压板插进所述凹槽。
19.根据权利要求1所述的光伏模块，其中，在与所述前框架件相反的方向，所述第一臂部的支撑面伸出所述后框架件之外，所述框架进一步包括：
第二臂部，其自所述框架件之一伸出，并形成伸出所述后框架件之外的支撑面，该支撑面与所述第一臂部的支撑面共面。
20.根据权利要求19所述的光伏模块，其中，所述框架进一步包括：
第三臂部，其自所述框架件之一伸出，并形成位于所述前框架件之外的支撑面；以及
第四臂部，其自所述框架件之一伸出，并形成位于所述前框架件之外的支撑面；
其中，所述第一臂部至第四臂部的支撑面都共面。
21.根据权利要求20所述的光伏模块，其中，所述框架进一步包括安装区，所述安装区位于所述第一臂部的终止段，所述安装区构造成，用于与相同构造的第二光伏模块的所述第三臂部相关联的对应安装区进行装配。
22.根据权利要求20所述的光伏模块，其中，将所述支撑面置于单独的安装表面上时，所述支撑面位于所述框架件的下方。
23.根据权利要求20所述的光伏模块，其中，所述框架件和所述臂部各自全部由聚合物材料形成。
24.根据权利要求20所述的光伏模块，其中，所述臂部构造成，允许所述框架压靠着具有相同构造的第二光模块的对应框架堆叠。
25.根据权利要求20所述的光伏模块，其中：
所述第一臂部和所述第三臂部自所述第一侧框架件伸出；以及
所述第二臂部和所述第四臂部自所述第二侧框架件伸出。
26.一种制造光伏模块的方法，所述方法包括：
提供光伏器件，所述光伏器件包括光伏层压板，所述光伏层压板具有周边以及限定主平面的正面；
提供框架，所述框架包括前框架件、后框架件、以及第一侧框架件和第二侧框架件，其中，限定支撑面的臂部自所述框架件之一伸出；
将所述光伏层压板安装至所述框架件，使得所述框架件包围所述周边；
将所述框架件互相安装；
其中，在最终装配时，所述光伏层压板和所述框架结合限定整体结构；
以及，进一步地，其中，所述支撑面的平面和所述光伏层压板的所述主平面非平行。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述框架件与所述光伏层压板的安装包括：
用粘合剂使各所述框架件与所述光伏层压板粘合。
28.根据权利要求26所述的方法，其中，将所述框架件与所述光伏层压板安装的步骤与将所述框架件互相安装的步骤同时进行。
29.根据权利要求28所述的方法，其中，将所述框架件与所述层压板安装的步骤以及将所述框架件互相安装的步骤包括：
将所述前框架件与所述层压板安装；以及
将所述第一侧框架件与所述光伏层压板及所述前框架件同时进行安装。
30.一种光伏模块系统套件，用于在大致平坦表面上进行非穿透式安装，所述套件包括：
第一光伏模块和第二光伏模块，各自包括：
光伏器件，其包括光伏层压板，以及
框架，其与所述光伏层压板装配并包围所述光伏层压板，以限定整体结构，所述框架包括形成平面状支撑面的臂部，所述支撑面用于压靠着单独的安装表面放置，
其中，所述支撑面和所述光伏层压板非平行，
其中，所述套件构造成提供一种储存状态，在所述储存状态下，所述第一光伏模块的框架与所述第二光伏模块的框架压靠着放置，使得各自的光伏层压板平行，所述第一光伏模块的臂部横向偏离所述第二光伏模块的框架。
31.根据权利要求30所述的套件，其中，所述储存状态进一步包括所述第二光伏模块的臂部容纳在所述第一光伏模块的臂部的槽部内。
32.根据权利要求30所述的套件，进一步包括：
第一联结器，其与所述第一光伏模块相关联，用于将所述第一光伏模块安装为非穿透式阵列的一部分；以及
第二联结器，其与所述第二光伏模块相关联，用于将所述第二光伏模块安装为非穿透式阵列的一部分；
其中，所述第一联结器和所述第二联结器相同。
33.一种光伏模块系统套件，用于在大致平坦表面上进行非穿透式安装，所述套件包括：
第一光伏模块和第二光伏模块，各自包括：
光伏器件，其包括限定周边的光伏层压板，以及框架，其包括：
包围所述周边的前框架件、后框架件、以及相对的侧框架件，
第一臂部和第二臂部，其伸出所述前框架件之外，
第三臂部和第四臂部，其伸出所述后框架件之外，
其中，所述框架与所述光伏层压板的装配形成整体结构，以及，至少两个所述臂部限定平面状支撑面，所述支撑面用于压靠着安装表面放置，并且相对于所述光伏层压板非平行；
其中，所述套件构造成，在以非穿透方式将所述光伏模块安装至水平安装表面的过程中，提供这样一种安装状态，在该安装状态下，将所述第一光伏模块的第一臂部和第二臂部分别安装于所述第二光伏模块的第三臂部和第四臂部。
34.根据权利要求33所述的套件，进一步包括：
两个链接组件，用于安装所述臂部。
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