CN102713455B - 太阳能电池屋顶瓦 - Google Patents

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Abstract

一种被设置成利用太阳能的板（105），特别是具有被设计成屋顶瓦（101）的板的形式，其中，热量从板传导至流体或反之。在这种板上可以设置一个或更多个太阳能电池板（107），使得它在操作期间被有效地冷却，同时热能可以得到利用。例如被设计成屋顶瓦的、单独的或组装式的板被安装到适于该目的的屋面板条（110）上，并且被连接到电连接点和用于流体传输的衬套。屋面板条（110）以惯常方式安装在衬板垫条（112）上。一些衬板垫条用于地板板条（112）内电导体的连接和地板板条（110）内任何流体回路的连接。这种结构便于安装和维护。

Description

太阳能电池屋顶瓦
技术领域
本发明涉及一种利用太阳能的设备，特别是具有被设计成屋面瓦的板的形式。
背景技术
太阳能板已经为人所知并且已经使用了许多年，然而，由于能源价格上涨、环境问题及用于电能产生的太阳能电池生产的加速发展，使得近来太阳能板已经变得倍受关注。
在垂直于入射太阳光方向上太阳能具有约为1kW/m2的能量密度，入射太阳光横跨包括红外光、可见光及紫外光的宽光谱而分布。这个接收的能量可以按照若干种方式利用，其中有用于电流产生的基于半导体的太阳能电池，还有用于加热介质的太阳能收集器，用于加热目的。
被设计成屋面瓦的太阳能电池板是已知的，参见美国专利5986203：“太阳能电池屋顶瓦及其制造方法”，其公开了包括太阳能电池的屋面瓦，以及美国专利5768831：“屋顶瓦对光电池板的支持”，其公开了屋面瓦，其中，太阳能电池被设置到每一片屋顶瓦上。
用于屋顶安装的太阳能收集器是已知的，参考美国专利4202319：“具有太阳能收集器的建筑物屋顶”，其公开了包括太阳能收集器的屋面瓦，并且美国专利4083360公开了一种太阳能收集系统，其中，半透明的屋面瓦允许太阳光穿透至吸收片，其中，具有液体热介质的管道被设置用于运载热。
关于现有技术和市场上产品的问题有许多：
利用率低，对于太阳能电池而言约为10%，并且温度升高时效率降低。
对于太阳能收集器而言，能量的本质是热能，而不是电能，这就限制了适用区域及实际上可以被利用的能量的量；
复杂度高，并且安装优选由专业人士执行，这就限制了市场普及，特别是在自己动手做（do-it-yourself，DIY）的市场中的普及；
太阳能电池和太阳能收集器是易损坏的，在生产、安装及维护诸如从屋顶清除雪时需要小心谨慎。
因此需要一种解决方案，这种解决方案可以容易地进行生产和安装，并且是节能的。
发明内容
鉴于现有技术，本发明的目的是提供一种坚固的设备，以便有效利用太阳光的能量，适于容易地生产、安装和维护。
根据本发明，此目的借助于一种利用太阳能的设备而实现。该设备包括屋顶铺瓦的基部（base）材料和在表面与流体之间具有热传导的板，其中，板设有至少一种装置，该装置用于连接至热传导流体的收集和分配系统。还可以将太阳能电池板设置到这个板上，以便在操作期间被有效冷却，热能可以同时得到利用。
板，例如被设计成单独的或组装式屋面瓦的板，被安装到适当的屋面板条（roofing battens）上并且被连接至电接合点和至用于流体输送的衬套。屋面板条按正常情况是被安装在衬板垫条（furring strips）上，衬板垫条平行于屋顶的斜面安装。一些衬板垫条适合于屋面板条内电导体的连接及屋面板条内任何流体回路的连接。
附图说明
将在下面结合参考附图的各图进一步描述本发明，这些附图示出多个实施方式的实例，并且，其中，
图1是典型屋顶瓦的示意图，该屋顶瓦具有适合于布置太阳能电池的区域，并且其中，通过流体流经屋顶瓦内的空腔进行冷却；
图2是典型屋顶瓦的示意图，该屋顶瓦具有适合于布置用于热传导的板的区域，这种热传导板可能具有太阳能电池；
图3是典型屋顶瓦的示意图，具有适合于布置太阳能电池的区域，其中通过流体流经屋顶瓦和用于太阳能电池的基部之间的空腔进行冷却；
图4是根据本发明的用于安装屋面瓦的屋面板条和衬板垫条的典型实施方式的示意图；
图5是热回路的示意图，其中，根据本发明的流体冷却是通过具有热传导板而无附连的太阳能电池的屋面瓦而实现的。
具体实施方式
图1是屋顶瓦系统100的视图，屋顶瓦系统100包括至少一个具有菱形缩进（indented）区域102的屋顶瓦101，区域102被设置用于安装板105，用于热传导。板105是中空元件，通常由导热性良好的金属制成，并且配备有管道106，管道106与空腔成流体连通，以便输送用于热传输的流体。
板105被设置到屋顶瓦101的缩进区域102上，以便管道106穿过孔103，使得管道106被固定至屋面板条110上，使机械附连的方式类似于将屋面瓦安装至屋面板条上以及流体连接至收集和分配系统的传统方式。
使用例如转接器113在至少一个区域内将各屋面板条110共同连接至例如衬板垫条112，以使用于热传输的流体被集中收集和传导。这便于敷设管和管道，并且还确保各瓦之间的正确间距。
当每片瓦被附连至屋面板条时，紧固钉（fastening peg）109用于通过屋顶瓦的较低边缘内的孔104附连每片屋顶瓦，以这种方式固定屋顶瓦，避免强风将屋顶瓦从屋顶吹脱。这样还能够使轻的屋顶瓦安全地保持在适当位置。紧固钉109还可以被用作用于站立的台阶而不会造成危险。
在用于热传导的板105上，太阳能电池107可能以这种方式被设置，即，板105维持太阳能电池107冷却，而所接收太阳能的热能部分也得到利用。太阳能电池通常具有用于传导电流的两个电极；一个后端电极，其和板105电接触，并且进一步通过管道106至屋面板条110，并且从那里到衬板垫条112；和一个前端电极108，其通过紧固钉109与电轨111电接触，紧固钉109具有穿过孔104的销109a，电轨111可以对应于用于其它屋顶瓦的屋面板条110，其它屋顶瓦相对于屋顶瓦101横向和在高度上错开。
在用于热传导的板上具有太阳能电池的实施方式中，除用于流体传输的装置外，屋面板条110、衬板垫条112及转接器113还设有用于电能的传导和匹配（adaption）的装置。电能的匹配包括调整供应至衬板垫条112的电压并且防止电流在错误方向上流动。
有利的是，制造期间，在这种装配前，太阳能电池107被安装到热传导板105上，然后再被安装到屋顶瓦101上。在洁净度与容许误差都比较低的更粗糙的材料上进行装配前，这将要求更细微的容许误差、对洁净度提出的更高要求的产品集中到一处。这样安装的太阳能电池使太阳能电池受到更好的保护并且更坚固，以便于后续处理。
图2示出单独的屋顶瓦200的一个实施方式，单独的屋顶瓦200具有用于安装太阳能电池的区域202。
热传导还可以用同样适于本发明的其它方式发生。图3示出一种装置，其中，基部被形成为长形元件300，元件300设有用于流体传输的内部通道301，其中，流体传输来自太阳能电池302的热量并带走该热量。通常在屋脊和屋顶的较低边缘内的歧管内各元件被连接，以便收集流体用于进一步传导。
还可以将屋顶瓦单元生产成多个相组装的板所形成的组装板。这便于安装，因为将有更少和更大的单元，并且有更少的连接点要连接。另一个优势是，电连接可以被设置成各个板的垂直或对角的连接，因为用这种方式能够避免例如由树或柱子在屋顶或墙上面造成的影子的负面影响。利用菱形的各个屋顶瓦，提供一种对各板进行对角连接的方便的方式。每个屋顶瓦可以包括多个太阳能电池。一个组合板中是3x3个板的组合，其中每个板包括4个太阳能电池，并且每个太阳能电池的输出大约1V，这种组合板将提供大约36V，这在DIY市场允许的限制范围内。
为了易于安装，屋面板条和衬板垫条设有用于安装屋顶瓦系统的预制配件是有利的。图4示出实施方式400，其中，管道106被连接至屋面板条110，以便流体从两个孔402和403中的一个孔流动至另一个孔。用于流体传输的通道404和405中的至少一个通道被设置成产生从一个电极通过管道106的电接触，而具有销109a的紧固钉109产生从另一个电极至轨111中的紧固设备409的电接触，从而提供电路。屋面板条以常规方式安装在衬板垫条上，其中，至少一个衬板垫条适合于终止来自于屋面板条和轨的流体流动及电流。通过转接器113将屋面板条110和衬板垫条112连接在一起，以便在屋面板条和轨之间建立用于流体流动和电流的可脱离的连接。衬板垫条112包括装置406和电导体407以及电导体408，装置406被设置成在多个屋面板条之间传导流体流，电导体407用于在多个屋面板条之间传输电流，电导体408用于在多个轨之间传输电流。衬板垫条112还包括用于接合部410与411中的流体流动的末端终端（end termination）和用于连接部412与413中的电流的末端终端。
在另一种实施方式中，通过设置在顶部的喷洒设施，以水朝下流向屋面瓦系统的方式冷却屋面瓦，其中，水可选地穿过太阳能电池107下方的空腔。可以在紧固钉109内设置过滤器，它接着将水引导至下面的下一个屋面瓦。在槽内收集被加热的水，因此在大多数房子中采用现有结构。
热能比电能更难以转换成其它形式的能量。因此，可以提供比能够被直接利用的更多的热能，特别是在暖季，甚至是在加热热水器、房间和用于存储热量的蓄热器后，直到需要出现。一种可能的解决方案是使用斯特林发动机将热能转换成机械能，并且可能从机械能转换成电能。在这种情况下，需要一种具有大型散热设备（thermal sink）的冷端（cold side）。根据本发明，还提供一种可能性，即，在阴影处内使用象散热器这样的元件，以便以这种方式通过对流和辐射而散发热量。没有被太阳充分光照而有益地使用太阳能电池的区域可以改为设有屋面瓦，这种屋面瓦设有无太阳能电池107的用于热传导的板105。图5示出一种系统，其中，板501承受加热并且提供热能，而板502是散热设备。集管箱（junction box）503将可使用的热量分配至包括加热系统504在内的多个设备，通常将这些设备实施成散热器和水管道、热水器505及斯特林发动机506。
利用夜间屋面瓦和热水器之间的温差也可能是有利的，特别是在昼夜之间温差大的地区，像例如在沙漠中。除了由于昼夜之间温差而增大效率之外，在日落时，通过保持流体依然流动，与流动的流体已经被中断相比，会使板受到的温度波动更小。

Claims (10)

1.一种利用太阳能的设备，该设备与覆盖屋顶表面的屋面瓦的组件特别相关，其特征在于，该设备包括：
屋面瓦，所述屋面瓦由基部材料(101、300)形成，所述基部材料设有区域(102)；以及
板(105)，所述板用于所述板(105)的表面和流体之间的热的热传导，其中，所述板(105)设有至少一个管道(106)，以便连接至热传导流体的收集和分配系统，
所述板包括第一表面和第二表面，所述第一表面直接接触由所述至少一个管道供应的热传导流体；所述第二表面与所述第一表面相背对、并构造成在其上直接安装至少一个太阳能电池板；并且
每一屋面瓦都连接到收集和分配系统，并且所述屋面瓦被该收集和分配系统所包括。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述基部材料(300)设有通道(301)，从而通过流体流经设置在所述基部材料(300)内的通道(301)而实现热传导。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述板(105)设有空腔，以使得能够通过流体流经设置在所述基部材料上的用于热传导的所述板(105)而实现热传导。
4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述至少一个管道(106)被布置为用于连接至屋面板条(110)，其中，所述屋面板条(110)被热传导流体的收集和分配系统所包括。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，传导用于热传导的流体的所述屋面板条(110)被布置成连接至衬板垫条(112)，其中，所述衬板垫条(112)被热传导流体的收集和分配系统所包括。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，至少一个太阳能电池板(107、302)被设置在用于热传导的板(105、300)上。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述至少一个太阳能电池板(107、302)设有连接元件，从而使电流从所述至少一个太阳能电池板(107、302)传导至所述屋面板条(110)和轨(111)，其中，连接元件包括用于进一步传导电流的管道(106)和销(109a)。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，利用转接器单元(113)将用于传导电流的所述屋面板条(110)和所述轨(111)连接至所述衬板垫条(112)，以便进一步传导电流。
9.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，屋顶瓦被组装成组装板，所述组装板具有多个相组装的板。
10.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，相组装的板内的电连接被设置成各个板的垂直或水平的连接。
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