CN102725861B - 具有改进的前夹子的直接安装的光伏装置 - Google Patents

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Abstract

本发明建立在用于将至少多个竖直邻近(重叠)的光伏装置组件(10)彼此固定和/或对准的光伏组件系统的基础上。固定功能由夹构件(50)完成，所述夹构件可以是单独的部件或者与光伏装置组件中的一个或多个成整体。

Description

具有改进的前夹子的直接安装的光伏装置
本发明在美国政府的支持下、在能源部DE-FC36-07G017054号合同下完成。美国政府享有本发明的一定权利。
优先权声明
本申请要求编号为61/253,974(于2009年10月22日提交)的美国临时申请的提交日的权益，该美国临时申请的内容整体上通过引用包含于此。
技术领域
本发明涉及直接安装至结构的光伏装置及其方法，更具体地，涉及能够直接安装至诸如屋顶平台或壁的建筑结构的光伏盖板及其方法。
背景技术
近年来，改进太阳能发电领域、特别是建筑物安装型发电领域的技术现状的努力已经受到不断增长的业界关注。建筑物整体型光伏装置(BIPV)是建筑物安装型发电装置的一个子集，其中光伏元件是建筑物的整体部分(例如，提供诸如盖板或侧板的外部天气防护装置)。一个特别重要的目标是提供一种以最低的成本提供最高的千瓦时(KwH)的可靠且耐久的太阳能发电系统。与达到该目标相关联的一些问题涉及发电系统容易组装和安装、具有相对高的KwH输出、和耐久(诸如长时间经受大风大雨的可能的环境状况)的能力。与耐久性相关的一个特别的问题是风载荷的问题，例如根据UL(Underwriters Laboratories)1897的屋顶组件的抗拔性测试所确定的。这是系统受到例如超过100英里每小时或更大的风时的抗损坏能力。与安装容易性相关的一个特别的问题是在需要之前保持BIPV不被激活(例如发电)的需求。其他潜在的问题涉及相邻的太阳能装置的对准，以及潜在的包装和运输问题。
建筑物安装型太阳能发电系统的技术现状具有多种形式，但是总体上可以概括成太阳能板或柔性层压结构，太阳能板安装至复杂精细的安装结构(例如内部箱型框架、平台竖立件，例如美国加利福尼亚州圣何塞的的SunPower Model)，形成具有横截面厚度(例如25mm或更大)和高刚度(例如弹性模数为约70000MPa(兆帕))的太阳能发电组件，柔性层压结构(例如美国密歇根州罗切斯特山的Uni-提供的滚制太阳能层压件)在横截面区域厚度(例如约1.5至7mm)和刚度(例如约5至50MPa)上与普通的沥青屋顶盖板相类似。一般认为传统的柏木瓦顶型屋顶盖板通常为普通的沥青屋顶盖板的1到5倍厚并且具有约4000到9000MPa的刚度，但是不会受到风力上拔的问题。SunPower型系统不受到风力上拔问题并不奇怪(例如由于复杂精细的安装结构和/或高刚度)。Uni-Solar型系统能够经受风力上拔问题也不奇怪，因为整个层压结构粘合性地结合至建筑物结构。
与该技术有关的文献包括下述专利文献：美国专利公开：20090000220、20080245404、20080245399、20080196358、20080196231、20080083169、20080000173、20070295391、20070193135、20050229924、20040216405、20040206035、20040083673、20030188500、20030154680、20020066235；美国专利：7299598、7204063、7178295、7118794、6845592、6758019、6725623、6397556、6247289、6148570、5950387、5239802、4686808、4641472、4641471、4627207、4586301、2631887；RE38988；以及PCT公开：WO2007123927A2、WO2007079382A2、WO2003071047A2，以上文献就所有目的而言均通过引用包含于此。
发明内容
本发明涉及直接安装至结构(例如建筑物结构、壁和/或屋顶平台)的光伏装置及其方法。本发明解决了上述问题中的一个或多个。
此外，本发明涉及一种新型的建筑物安装型太阳能发电系统。该新型系统是通过紧固件(例如钉子、螺钉等)安装至建筑物结构的多个单独的“盖板型”结构，并且具有高刚度(例如高达约10000MPa)和约15mm的厚度。出人意外的是，虽然该系统具有相对高的刚度/厚度，它可能仍需要本发明所公开的改进来实现上述目标。
因此，根据本发明的一个方面，设想一种光伏组件系统，其用于将至少部分地彼此重叠的多个光伏装置阵列固定和对准，所述阵列至少包括：1.第一光伏装置组件，其具有第一下部部分和第一上部部分，包括第一顶表面部分、第一底表面部分、跨过该顶表面部分和底表面部分之间的第一中间表面部分；2.第二光伏装置组件，其具有第二下部部分和第二上部部分，包括：i.第二顶表面部分、第二底表面部分、跨过该顶表面部分和底表面部分之间的第二中间表面部分；和3.至少一个夹子，其连接地设置在所述第一光伏装置或第二光伏装置上，所述夹子包括：i.至少一个夹钩部分，其能够至少部分地与重叠的光伏装置配合。
本发明的特征还在于这里所述的特征的一种或任意组合，例如：第一光伏装置组件、第二光伏装置组件或二者包括从顶表面部分朝向底表面部分突出的至少一个凹腔部分，所述凹腔部分具有凹腔内壁和凹腔侧壁，且其中夹子底表面部分和夹子中间表面部分能够至少部分地与至少一个凹腔部分的壁的至少一部分配合；所述至少一个凹腔部分包括从凹腔内壁突出的至少一个凸出部，并且至少一个夹子包括用于所述至少一个凸出部的夹配合表面；顶表面部分包括从顶表面突出的至少一个凸出部，并且至少一个夹子包括用于所述至少一个凸出部的夹配合表面；所述至少一个夹子包括紧固件孔，其能够匹配第一光伏装置组件、第二光伏装置组件或二者上的紧固件位置特征；至少一个夹子的至少一部分是与第一光伏装置组件、第二光伏装置组件或二者成整体的整体夹子；所述整体夹子包括加强构件；第一光伏装置组件、第二光伏装置组件或二者包括两个或更多个夹子、两个或更多个凹腔部分、或二者；所述至少一个夹子从第一上部部分、第二上部部分或二者向外突出；所述至少一个夹子从第一下部部分、第二下部部分或二者向外突出；第一光伏装置组件、第二光伏装置组件或二者包括至少部分地被框架构件封装的光伏装置；所述框架构件包括聚合材料，并且至少一个夹子与框架构件成整体，其中二者包括相同的聚合材料；至少一个夹子包括根据ASTM D790-03弯曲模量为至少600MPa的材料；第三光伏装置组件或更多光伏装置组件(例如多个)组成光伏装置阵列；至少一个夹子在光伏装置组件中的至少两个之间提供电连接。
应当理解，如本发明中示出和描述地，上述提及的方面和例子是非限制性的，在本发明中也存在其他的方面和例子。
附图说明
图1是根据本发明的组装成组的装置的示例性例子的透视图。
图2是具有所示的各种实施方式的一个装置的示例性例子的透视图。
图3是钩式夹子的示例性例子。
图4是设置在根据本发明的装置上的凹腔部分内的钩式夹子的示例性例子。
图5是设置在根据本发明的装置上的钩式夹子的示例性例子。
图6是与根据本发明的装置成整体的钩式夹子的示例性例子。
图7是图6的钩式夹子的侧视图。
图8A-C是根据本发明的示例性卡扣式夹子的侧视图。
图9是根据本发明的示例性互锁钩设计的截面侧视图。
图10是具有根据本发明的示例性推销式夹子的两个装置的分解透视图。
具体实施方式
本发明涉及一种用于将至少多个竖直相邻(重叠)的光伏装置组件10(或重叠的光伏装置阵列)彼此固定和/或对准的光伏组件系统。装置10优选地直接安装至结构(例如建筑物结构、壁和/或屋顶平台)。本发明旨在通过独特的夹子方案克服风力上拔的问题，并且可选地利用该方案解决前文所讨论的其他一些潜在问题。图1示出处于组装构造的三个光伏装置10(例如包括两个水平相邻的装置10的下部光伏装置阵列和包括一个装置10的重叠的上部光伏装置阵列)。
光伏装置
一般而言，本发明所设想的光伏装置(“光伏装置组件”)10在结构上与要求美国临时申请61/050,341优先权的PCT申请PCT/US09/42496中所公开的类似；二者就所有目的而言均通过引用包含于此。装置可以广义地描述为多层层压结构(包括聚合和非聚合层)的组件，其在至少三侧通过聚合壳体12(例如框架构件)封装。装置10优选地能够不需要中间保持结构(例如框架、轨道、竖立件等)而直接安装至结构，例如建筑物屋顶平台(包括或不包括诸如屋面油毡或原有的沥青盖板层的其他部件)。从广义上讲，装置10用于以类似于标准沥青盖板的方式安装至建筑物(例如屋顶)。还设想的是装置10可以安装在例如类似于墙板托板(例如乙烯基墙板)的结构的侧面上。在一种优选的实施方式中，装置10的形状为矩形，具有大致平的轮廓和小于约20mm、更优选地小于约15mm但大于约2mm、更优选地大于约5mm的厚度。可以设想其他形状(方形、圆形、多边形等)、其他轮廓(例如弯曲、阶梯形等)和厚度(大于约15mm或20mm)是可能的。为了简洁，下面描述第一光伏装置，但是可以设想第二、第三和/或更多装置类似地构造(例如第二表面部分、第三表面部分等)。
如图1-2所示，光伏装置10可以进一步限定为装置10，其具有第一顶表面部分20、第一底表面部分30、以及在顶表面部分和底表面部分之间跨过的第一中间表面部分40。第一中间表面部分40还能够是远离顶表面20或底表面30突出的任何表面(例如，诸如装置10内部的凹腔的侧壁)。该装置具有周向边缘42和厚度44。
装置10也可以具有从顶表面部分20向下突出并且能够接收下文所述的夹子50的一个或多个局部凹腔部分22。凹腔部分22可以包括凹腔内壁(例如凹腔的底部)和凹腔侧壁(例如中间表面部分40)。
装置10也可以包括从顶表面部分20上升并且能够与相应的夹配合表面76相配合的一个或多个凸出突起24。
光伏装置10也可以具有有源部分120和无源部分140，有时分别被称为“下部”和“上部”部分。有源部分120可以包括光伏电池组件122，光伏电池组件122能够将光能传递至光伏装置10的光敏部分126以转化为电能。
无源部分140可以包括用于接收紧固件(例如螺钉、钉子或其他机械紧固件，未示出)的区域142，紧固件能够将装置10连接至结构(例如屋顶平台或壁)。无源部分140也可以包括连接装置，例如电连接器外壳144，用于将多个装置10串连在一起。区域142可以包括例如视觉或几何形状指示器的紧固件位置特征146(如图4-6所示)以指明要布置紧固件的位置。
在一种优选的实施方式中，例如在无源部分140中的聚合壳体12或框架构件可以包括聚乙烯、聚丙烯、热塑性聚烯烃、烯烃嵌段共聚物、热塑性尿烷、硅酮和具有或不具有填充剂(例如玻璃填充剂)的很多其他聚合物。
在一种优选的实施方式中，例如在有源部分120的区域中的底表面部分30中，可以包括热塑性聚烯烃(“TPO”)、热塑性弹性体、烯烃嵌段共聚物(“OBC”)、天然橡胶、合成橡胶、聚氯乙烯以及其他弹性和塑性材料、聚烯烃、聚酯酰胺、聚砜、醋酸纤维、丙烯酸、聚氯乙烯、尼龙、聚碳酸酯、酚醛树脂、聚醚醚酮、聚对苯二甲酸乙二醇酯、环氧树脂，包括玻璃和矿物填充的合成物或其任何组合。
夹子
夹子50通常起将两个至少部分地竖直邻接(重叠)的装置10彼此连接的部件的作用。可以设想的是夹子50(或其一部分)可以与装置框架12成整体(“整体夹子”)(例如由框架材料自身形成，具有或不具有加强构件，或者作为“插入模制”到框架12中或以其它方式附接到框架12的单独的构件)，或者可以是在将装置10组装到一起时添加的单独的构件。在位置上，优选地夹子50中的至少一个定位在装置10中的一个的周向边缘42处或附近，当然可以设想的是夹子50可以更接近装置10的中心。在一种优选实施方式中，夹子50与无源部分140的周向边缘共同延伸或设置在无源部分140的周向边缘的大约25mm内，如图2所示。为了说明清楚，术语“设置”指元件的定位，且“连接地设置”指元件彼此接触地定位。
一般而言，夹子50单独地或者成组地优选在-40℃到85℃之间的温度下根据ASTM D 903-98维持最小剥离力(例如能够在组装好时将竖直相邻的装置10保持住)为约3PLI(磅每线性英寸)，更优选地为约5PLI，最优选地为约10PLI或更高。在一种优选的实施方式中，至少一个夹子50可以包括弯曲模量根据ASTM D 790-03为至少600MPa的材料。
一般而言，至少一个夹子50在作为单独的构件时可以进一步被限定为具有至少一个夹配合部分60，其包括夹顶表面部分62、夹底表面部分64、在顶表面部分和底表面部分之间跨过的夹中间表面66。夹子50(无论是整体夹子还是单独的件)都能够限定为具有带竖向高度72的钩部分70，例如如图3和7所示。
由于可能暴露于环境状况，夹子50可以包括抗腐蚀材料(例如涂层金属、不锈钢、铝、聚合物或类似材料)。更优选地，它们包括不生锈、不消耗式材料。例如，不锈钢更优于铝，并且铝更优于镀锌钢。
可选地，夹子50也可以包括加强构件(未示出)，其起增加夹子50的刚度和/或强度的作用。可以设想，加强构件可以包括金属、纤维(例如玻璃、碳等)或具有比夹材料更高的模数的任何材料。
夹子50还可以包括允许装置10(在组装时)之间流过电流的电路或导电材料，并且其中装置10包括到夹子50的电连接点(未示出)。
在第一种优选的实施方式中，如图3至7所示，夹子50可以为大致“L或C”形，形成从一个装置10伸出并且绕其周边的一部分“钩住”邻接的第二装置的钩形结构。可以进一步限定为至少一个夹子50包括至少一个夹钩部分70，至少一个夹钩部分70能够至少部分地与第一或第二光伏装置的中间表面部分40和第一或第二光伏装置中的另一个的顶表面部分20或底表面部分30配合。
在第一种实施方式的一个方面，夹钩部分70可以(至少在夹钩部分70表面的一部分上)具有比与之相配合的装置的厚度44大至少约5％的竖直高度72。为了安装目的，更优选地大至少约10％且最优选地大至少约15％。钩70的该部分中的竖直高度72在邻接的装置10之间形成间隙区域170。
在第一种实施方式的另一个方面，夹钩部分70可以(至少在夹钩部分70表面的一部分上)具有与与之相配合的装置的厚度44大致相同或小至少约2％的竖直高度72。更优选地小至少约4％且最优选地约7％或更小，使得(在安装后)夹子将装置10的边缘更靠近竖直邻接的装置10地压迫，从而在两者之间产生最小间隙。钩70的该部分中的竖直高度72在邻接的装置10之间形成干涉区域172。
在第一种实施方式的另一个方面，夹钩部分70具有至少一个间隙区域170和至少一个干涉区域172。可以设想这些区域170、172可以跨过钩的长度(例如如图7)、宽度或二者的一部分。
可选地，夹子50还可以包括一个或多个紧固件孔52，其能够允许紧固件(例如将装置10保持到结构的紧固件)穿过夹子50。其还可以被定位成使其匹配上述的紧固件位置特征146。夹子50还可以包括夹定位特征76(例如钩部分70中的孔，如图6所示)，且在另一装置10上具有相应的配合特征(未示出)。
在第二优选实施方式中，夹子50可以是卡扣配合式夹子150，如图8A和8B所示。该夹子可以在装置10的边缘处或优选附近(例如在约25mm内)从第一或第二装置10突出，且在相对的装置10中具有配合孔80、配合凹陷或配合槽82、或接收装置84。卡扣式夹子150可以是单独的构件或与装置10成整体(例如插入模制或自/与框架模制)。图8A-C中能够看到卡扣配合式夹子150的示例性例子。在该实施方式的一个优选方面，配合槽82或接收装置84长为至少约10mm，更优选地长为至少15mm，并且最优选地长为约20mm或更长。这种长度可以在安装过程中提供一些跨装置调节性。
在第三优选实施方式中，如图9所示，可以设想的是夹子50能够是一对互锁夹子50、50’。一个夹子在装置10的前下边缘上，并且配合的夹子在无源部分140的边缘处或附近，远离顶表面142地突出。在该实施方式中，夹子50、50’能够如上述第一实施方式中所描述的那样类似地构造。
在第四优选实施方式中，如图10所示，可以设想的是夹子50可以是单独的推销式紧固件(例如类似于上述第二实施方式中所描述的)，其在安装时经过顶部装置10的通孔86进入到下部装置10的配合孔80、配合凹陷或配合槽82、或接收装置84中。
在第五优选实施方式中，上面实施方式中描述的任意夹子50、50’能够用作竖直邻近的装置10之间的电连接件。这能够允许电流从阵列的一排或一列流到邻近的排或列。
除非另外说明，这里所示的多种结构的尺寸和几何特征并不意于限制本发明，其他的尺寸或几何特征是可能的。多个结构部件可以由单个整体结构提供。替代地，单个整体结构可以被分为多个单独的部件。此外，虽然仅在一种示出的实施方式的情况下描述了本发明的特征，但对于任何给定的应用，该特征可以与其他实施方式中的一个或多个特征结合。根据上文也可以理解，这里的独特的结构的制造及其操作也构成根据本发明的方法。
已经公开了本发明的优选的实施方式。但是本领域普通技术人员将理解，一些修改也在本发明的教导的范围内。因此，应当以权利要求书来确定本发明的真正范围和内容。
上述应用中所述的任何数值包括从较低值到较高值以一个单位为增量的所有值，只要在任何较低值和任何较高值之间有至少二个单位的间隔。例如，如果表述诸如温度、压力、时间等过程变量的分量或值的大小为例如从1到90，优选地从20到80，更优选地从30到70，那么诸如15到85、22到68、43到51、30到32等的值也在该说明书中明确地列举。对于小于1的值，单位可以适当地认为是0.0001、0.001、0.01或0.1。这些仅仅是具体意指的例子，所列举的最低值和最高值之间的数值的所有可能组合应当认为以类似的方式明确地说明在本说明书中。
除非另有说明，所有范围包括两个端点以及端点之间的所有数字。当用于范围时“约”或“大约”适用于范围的两个端。因此，“约20至30”意指包括“约20至约30”，至少包括所明确的端点。
所有文章和参考文献的公开，包括专利申请和公开，就所有目的而言均通过引用包含于此。
描述组合的术语“主要包括”应当包括所指出的元素、成分、部件或步骤，以及不实质影响组合的基本和新颖特征的其他的元素、成分、部件或步骤。
这里使用术语“包括”或“包含”来描述元素、成分、部件或步骤的组合也可以设想到主要包括元素、成分、部件或步骤的实施方式。
多个元素、成分、部件或步骤可以由单个整体的元素、成分、部件或步骤提供。替代地，单个整体的元素、成分、部件或步骤可以被划分为单独的多个元素、成分、部件或步骤。用于描述元素、成分、部件或步骤的公开内容“一”或“一个”并不意于排除额外的元素、成分、部件或步骤。这里对于属于特定族的元素或金属的提及参考CRC Press，Inc.于1989年出版和具有版权的元素周期表。对于一个或多个族的任何提及应当是指如该元素周期表中所反映的一个或多个族，该元素周期表使用用于族编号的IUPAC系统。

Claims (15)

1.一种光伏组件系统，其用于将直接安装到一结构并且至少部分地彼此重叠的多个光伏装置阵列固定和对准，所述阵列至少包括：
a.第一光伏装置组件，其具有第一有源下部部分和第一无源上部部分，包括：
i.第一顶表面部分、第一底表面部分、跨过所述顶表面部分和底表面部分之间的第一中间表面部分；
b.第二光伏装置组件，其具有第二有源下部部分和第二无源上部部分，包括：
i.第二顶表面部分、第二底表面部分、跨过所述顶表面部分和底表面部分之间的第二中间表面部分；
c.至少一个夹子，其连接地设置在所述第一光伏装置或第二光伏装置上，并且从所述第一无源上部部分、所述第二无源上部部分或二者向外突出，所述夹子包括：
i.至少一个夹钩部分，其能够围绕重叠的光伏装置的周边的一部分至少部分地与重叠的光伏装置配合，其中所述夹子能够至少部分地与所述第一光伏装置或第二光伏装置的中间表面部分和顶表面部分配合。
2.根据权利要求1所述的光伏组件系统，其中，所述第一光伏装置组件、第二光伏装置组件或二者包括从所述顶表面部分朝向所述底表面部分突出的至少一个凹腔部分，所述凹腔部分具有凹腔内壁和凹腔侧壁，且其中夹底表面部分和夹中间表面部分能够至少部分地与所述至少一个凹腔部分的壁的至少一部分配合。
3.根据权利要求2所述的光伏组件系统，其中，所述至少一个凹腔部分包括从所述凹腔内壁突出的至少一个凸出部，并且所述至少一个夹子包括用于所述至少一个凸出部的夹配合表面。
4.根据权利要求1所述的光伏组件系统，其中，所述顶表面部分包括从顶表面突出的至少一个凸出部，并且所述至少一个夹子包括用于所述至少一个凸出部的夹配合表面。
5.根据权利要求1所述的光伏组件系统，其中，所述至少一个夹子包括能够匹配所述第一光伏装置组件、第二光伏装置组件或二者上的紧固件位置特征的紧固件孔。
6.根据权利要求1所述的光伏组件系统，其中，所述至少一个夹子的至少一部分是与所述第一光伏装置组件、第二光伏装置组件或二者成整体的整体夹子。
7.根据权利要求6所述的光伏组件系统，其中，所述整体夹子包括加强构件。
8.根据权利要求1所述的光伏组件系统，其中，所述第一光伏装置组件、第二光伏装置组件或二者包括两个或更多个夹子、两个或更多个凹腔部分或这二者。
9.根据前述权利要求中的任意一项所述的光伏组件系统，其中，所述第一光伏装置组件、第二光伏装置组件或二者包括至少部分地被框架构件封装的光伏装置。
10.根据前述权利要求9所述的光伏组件系统，其中，所述框架构件包括聚合材料，并且所述至少一个夹子与所述框架构件成整体，其中夹子与框架构件包括相同的聚合材料。
11.根据权利要求1所述的光伏组件系统，其中，所述至少一个夹子包括根据ASTM D790-03弯曲模量为至少600MPa的材料。
12.根据权利要求1所述的光伏组件系统，包括组成光伏装置阵列的第三光伏装置组件或更多光伏装置组件。
13.根据权利要求1所述的光伏组件系统，其中，至少一个夹子在光伏装置组件中的至少两个之间提供电连接。
14.根据权利要求1至3中任意一项所述的光伏组件系统，其中，所述至少一个夹子与所述第一无源上部部分或第二无源上部部分的周向边缘共同延伸或设置在所述第一无源上部部分或第二无源上部部分的周向边缘的25mm内。
15.根据权利要求1至3中任意一项所述的光伏组件系统，其中，所述光伏装置具有高达10000MPa的高刚度和大于2至小于20mm的厚度。
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