CN102893394A - 具有阳光控制性质的光伏窗组件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光伏窗组件。该光伏窗组件包括光伏元件、阳光控制涂层和间隔。阳光控制涂层被定位为与光伏元件相邻。间隔定位为与阳光控制涂层的表面直接相邻。间隔在光伏元件和阳光控制涂层之间，或者在阳光控制涂层与光伏元件相反的一侧。本发明还提供了光伏窗组件另外的实施例。

Description

具有阳光控制性质的光伏窗组件
技术领域
本发明涉及多功能的窗组件。更特别地，本发明涉及建筑物集成的光伏窗组件。
背景技术
将光伏器件布置于场地内或者于屋顶上以产生电能是已知的。但是，这些光伏器件大部分都不适用于窗单元，因为它们是不透明的。
美国专利No.6,646,196（专利’196）公开了用于给窗单元内的电致变色涂层提供功率的光伏电池的用途。当由光伏电池来提供功率时，电致变色涂层能够从透明状态变为不透明状态。因而，电致变色涂层能够被控制用于提供可变的透光率。同样，在它们的不透明状态中，电致变色的涂层能够阻挡太阳辐射。
但是，这些窗单元具有几个缺点。例如，电致变色的元件是昂贵的，并且消耗由光伏元件产生的电能。同样地，这些窗单元的成本是高的，并且由它们产生的电能不可以用于其它用途。同样，为了使光伏电池在低光照条件期间提供足够的电能来控制电致变色的元件，这些窗元件仅适用于集成到建筑物的立面的朝南部门。而且，在专利’196公开的优选配置中，光伏电池仅定位为沿着窗单元的边缘部分。这种配置降低了窗单元的能量密度，并且对于建筑上的应用来说是不可接受的。
因此，需要有美感的，能够使用于建筑物立面的所有面上的，产生高密度的电能并且不需要所述能量来调整该单元的光学及阳光控制性质的光伏窗组件。
发明内容
本发明涉及改进的光伏窗组件。通过使用光伏元件和阳光控制涂层，光伏窗组件提供太阳热控制并且利用接触窗组件的太阳辐射来产生电能。
光伏窗组件包括光伏元件、阳光控制涂层和间隔。阳光控制涂层定位为相邻于光伏元件。间隔定位为与阳光控制涂层的表面直接相邻，其中间隔在光伏元件与阳光控制涂层之间或者在与阳光控制涂层与光伏元件相对的一侧上。
在一种更具体的实施例中，光伏窗组件包括层合结构。层合结构至少包括透明的电介质基板材料的第一窗格（pane）和第二窗格。每个窗格具有第一和第二主表面。第一窗格具有布置于其主表面中的一个或两个主表面上的功能薄膜涂层。功能薄膜涂层之一包括导电层。第二窗格具有布置于其主表面中的一个或两个主表面上的功能薄膜涂层。功能薄膜涂层之一包括半导体层。布置于第一和第二窗格之间的是电解质材料，在该电解质材料的一个表面上布置有发色材料，前者被布置为使得起着光伏元件的作用。
与层合结构最接近的且为平行的、间隔开的关系的是透明的电介质基板材料的至少第三窗格。该至少第三窗格具有两个主表面。功能薄膜涂层被布置于该至少第三窗格的主表面中的一个或两个主表面上。功能薄膜涂层的至少一个包括阳光控制涂层。间隔元件以及预定宽度的间隔使透明的电介质基板材料的至少第三窗格与层合结构分离开。
在另一种实施例中，光伏窗组件包括层合结构。层合结构包括透明的电介质基板材料的至少第一窗格和第二窗格。每个窗格都具有第一和第二主表面。第一窗格具有布置于其主表面中的一个或两个主表面上的功能薄膜涂层。功能薄膜涂层之一包括导电层。第二窗格具有布置于每个主表面上的功能薄膜涂层。功能薄膜涂层之一包括半导体层，并且功能涂层之一包括阳光控制涂层。布置于第一和第二窗格之间的是电解质材料，在该电解质材料的一个表面上布置有发色材料，前者被布置成使得起着光伏元件的作用。
附图说明
图1示出了一个光伏窗组件的截面图；以及
图2示出了另一个光伏窗组件的截面图。
具体实施方式
应当理解，本发明可以假定各种可替换的取向和步骤顺序，除非另有明确说明。还应当意识到，在下面的说明书中所示出的和所描述的具体实施例是所附的权利要求书定义的本发明概念的简单示例性实施例。
本发明涉及光伏（PV）窗组件10，优选地用作建筑物立面或玻璃窗系统的构件。
PV窗组件10具有太阳热控制性质，并且使用接触窗组件10的太阳辐射来产生电能。因而，虽然在图1和2的实施例中没有示出，但是PV窗组件10同样会需要外围密封、电引线/接头和电控制器。
PV窗组件10包括PV元件12。PV元件12可以具有层合结构并且优选为染料敏化元件12，也称为再生光电化学（RPEC）元件和/或纳米染料太阳能电池。以下，PV元件12将被称为RPEC型的。概括地，在本发明中使用的RPEC PV元件12在例如美国专利No.4,927,721、No.6,297,900和No.7,649,140中描述，在此以提及方式全文引用这些专利。
RPEC PV元件12吸收可见光，并将其转换成电能。RPEC PV元件12并不将其所吸收的全部可见光都转换成电能。优选地，RPEC PV元件12具有5%或更大的，并且更优选地为7%或更大的转换效率。但是，RPEC PV元件12即使在低光照条件下也能够提供电能。例如，当在PV窗组件10与太阳之间的入射角为低，窗组件10被遮蔽时，和/或通过吸收由建筑物内部的照明产生的光，RPEC PV元件12能够产生电能。可见光的吸收量可以在适合于在PV窗组件10内使用的RPEC PV元件之间变化。优选地，在实施本发明时使用的RPEC PV元件将吸收穿过它们的大约80%-96%的可见光。因而，穿过RPEC PV元件12的可见光的一部分没有被吸收。有利地，没有由RPEC PV元件12吸收的可见光的一部分透射穿过PV窗组件10并进入建筑物。优选地，没有由RPEC PV元件12吸收的大部分可见光透射进入了建筑物。
应当指出，在美国专利No.6,297,900（专利’900）中，由PV元件产生的电能被用来给电致变色（EC）的元件供电并控制它。EC元件通过使“智能窗”变暗或变亮来允许更多的或更少的太阳辐射穿过“智能窗”来提供阳光控制性质。在专利’900中描述的智能窗是相对复杂的，并且由于其复杂性估计是相对昂贵的。但是，因为阳光控制性质通过控制EC元件来调整，所以智能窗消耗能量以节省能量；即，在专利’900中，由PV元件产生的能量由EC元件所消耗，以防止或允许太阳能透射率。
本发明提供比专利’900的窗更简单的PV窗组件10。同时，本发明达到了与专利’900的窗相同的或相似的阳光控制性质，例如，类似的U值和/或较低的太阳得热系数（SHGC），没有消耗由PV元件12产生的电能。因此，由PV元件12产生的电能可用来使用于其它建筑物功能，例如，照明、加热、冷却等。
另外，PV窗组件10可以有效地包括由于避免与EC元件的操作有关的问题而具有比专利’900所描述的那些窗格的表面积大的表面积的窗格。以上所描述的RPEC PV元件12的优点和性能特性有助于允许PV窗组件10用于建筑物立面或玻璃窗系统的所有面上。因而，建筑物的总体美感能够保持于建筑标准。
如图1和2所示，PV窗组件10包括PV元件12、阳光控制涂层14和间隔16。阳光控制涂层14被定位为与PV元件12相邻。间隔16定位为与阳光控制涂层14的表面18直接相邻。在某些实施例中，间隔16在PV元件12与阳光控制涂层14之间，或者在阳光控制涂层14与PV元件12相反的侧面20上。
PV元件12是RPEC型的。RPEC PV元件12优选为层合结构，包括透明的电介质基板材料26、28的至少第一窗格和第二窗格。每个窗格26、28具有第一和第二主表面。第一窗格26具有布置于其主表面中的一个或两个主表面上的功能薄膜涂层，其中功能薄膜涂层之一包括导电层30。第二窗格28具有布置于其主表面中的一个或两个主表面上的功能薄膜涂层，其中功能薄膜涂层之一包括半导体层32。布置于第一和第二窗格26、28之间的是电解质材料（未示出），在该电解质材料的一个表面上布置有发色材料（未示出），前者被布置成使得起着RPECPV元件12的作用。
在一种实施例中，像图1所示的实施例一样，PV窗组件10还包括太阳热控制元件22和间隔物24。
太阳热控制元件22优选地紧接于RPEC PV元件12的层合结构并与其处于平行的、间隔开的关系。太阳热控制元件22包括具有两个主表面的透明的电介质基板材料34的至少第三窗格。该至少第三窗格34具有布置于其主表面中的一个或两个主表面上的的功能薄膜涂层，其中功能薄膜涂层的至少一个包括阳光控制涂层14。在一种实施例中，太阳热控制元件22可以是由Pilkington North America公司分别以商标ENERGY ADVANTAGE或SOLAR E销售的有涂层的玻璃制品。但是，应当意识到，具有布置于它们的主表面中的一个或两个主表面上的阳光控制涂层的其它玻璃制品在本发明中能够用作太阳热控制元件22。
间隔物24允许产生并保持预定宽度的间隔16，并且使透明的电介质基板材料34的至少第三窗格与层合结构分离。间隔物24能够是本领域所已知的且适用于该用途的任意常规的间隔物。在本实施例中，间隔16能够以空气或者以惰性气体（例如，氩气）来填充。
在图2所示的一种可替换的实施例中，PV窗组件10包括RPECPV元件的层合结构。该层合结构包括透明的电介质基板材料的至少第一窗格和第二窗格26、28。每个窗格26、28都具有第一和第二主表面。第一窗格26具有布置于其主表面中的一个或两个主表面上的功能薄膜涂层。功能薄膜涂层之一包括导电层30。第二窗格28具有布置于两个主表面上的功能薄膜涂层。功能薄膜涂层之一包括半导体层32，并且功能薄膜之一包括阳光控制涂层14。布置于第一和第二窗格26、28之间的是电解质材料，在该电解质材料的一个表面上布置有发色材料，前者被布置成使得起着RPEC PV元件12的作用。
当被配置于第一和第二窗格26、28之间时，RPEC PV元件12在外观上是基本上均匀的。但是，本领域技术人员应当意识到，RPECPV元件12可以具有用于使RPEC PV元件12的各部分分离及互连的特征，当近距离检查RPEC PV元件12时，这些特征可以是看得见的。此类特征可以包括例如划线。但是，当观看出现于RPEC PV元件12的任一侧的对象时，它们看起来并非是模糊的或变形的。同样，通过PV窗组件10观看到的对象的外观不是模糊的或变形的。
另外，由于RPEC PV元件12基本上相等地布置于第一和第二基板窗格之间，因而PV窗组件10具有高功率密度。优选地，PV窗组件10的功率密度在大约40W/m2以上。在一种实施例中，PV窗组件10的功率密度在大约41-64W/m2之间。在另一种实施例中，PV窗组件10的功率密度在大约64W/m2。
在某些实施例中，电介质基板材料26、28的第一窗格和第二窗格由玻璃组成。优选地，该玻璃是对太阳辐射是基本上透明的，例如，钠钙硅玻璃。在另一种实施例中，该玻璃是吸收性最低的、低铁的钠钙硅玻璃。优选的是，当第一窗格26和第二窗格28由玻璃组成时，该玻璃由浮法玻璃工艺形成。在图1所示的实施例中，电介质基板材料34的至少第三窗格由玻璃组成。在本实施例中，优选的是，至少第三窗格34是对太阳辐射是基本上透明的且由浮法玻璃工艺形成的钠钙硅玻璃。
阳光控制涂层14可以是低辐射率（低E值）或太阳辐射（solar-E）型的。阳光控制涂层14提供了PV窗组件10的阳光控制性质。特别地，阳光控制涂层14允许PV窗组件10在夏天拒绝太阳能量，在冬天提供低U值，并且降低总的太阳能透射率。具体地，PV窗组件10具有低于4的U值以及在大约0.15-0.45之间的太阳得热系数（SHGC）。
应当意识到，具有低辐射率或太阳辐射型的阳光控制涂层的本发明的PV窗组件可以共同集成于建筑物的立面或玻璃窗系统内。但是，PV窗组件10的透光率和阳光控制性质可以根据在PV窗组件10内包含何种类型的阳光控制涂层而变化。例如，取决于在PV窗组件10内使用的阳光控制涂层的类型，光伏窗组件10的U值可以为≤0.35。而且，在与低辐射率的阳光控制涂层比较时，太阳辐射的阳光控制涂层可以通过吸收较高百分比的近红外能量使穿过PV窗组件10总的太阳能透射率进一步降低。同样，包含太阳辐射型的阳光控制涂层14的PV窗组件10可以优选地具有SHGC<0.2。应当指出，该性能提高会随着穿过PV窗组件10的可见光透射率的降低而被部分抵消。
在一种实施例中，阳光控制涂层14包含于多层的涂层叠层内。在本实施例中，阳光控制涂层14能够是例如掺杂的金属氧化物层。例如，当阳光控制涂层为低辐射率型时，多层的涂层叠层能够包括掺杂氟的氧化锡层（SnO2:F）。在本实施例中，SnO2:F起着低辐射率型阳光控制涂层14的作用。作为选择，SnO2:F能够被替换为阳光控制涂层14或者结合另一个阳光控制涂层来使用。例如，SnO2:F能够被替换为阳光控制涂层14或者结合掺杂铝的氧化锌（ZnO:Al）或掺杂铟的氧化锡（ITO）。而且，在阳光控制涂层14为阳光辐射型的情形中，SnO2:F能够被替换或者结合掺杂锑的氧化锡（SnO2:Sb）来使用。
在上述实施例中，多层的涂层叠层可能类似于沉积于以上已经公开的由Pilkington North America公司以商品ENERGY ADVANTAGE或SOLAR E销售的玻璃制品上的多层的涂层叠层。但是，应当意识到，具有阳光控制涂层的其它多层的涂层叠层能够被用来实现本发明。同样，阳光控制涂层14并不限定于掺杂的金属氧化物层。例如，氮化钛层可以用作PV窗组件10内的太阳辐射型阳光控制涂层14。
应当意识到，阳光控制涂层14的厚度可以被调整用于提供具体的阳光控制和阳光透射性质。而且，当阳光控制涂层14包含于多层的涂层叠层时，所有层的涂层组成及厚度可以被调整以提供具体的阳光控制和光透射性质。另外，还应当指出，具有其它功能的涂层（例如，改变反射率的等级）也可以用来实现本发明。
为了形成阳光控制涂层14，可以采用化学气相沉积（CVD）法。优选地，阳光控制涂层的CVD在大气压力下实施。应当意识到，其它沉积法也可以被用来形成阳光控制涂层14，例如，溅射或溶胶-凝胶。例如，在图2所示的实施例中，虽然阳光控制涂层14可以通过任意适合的方法来沉积，但优选的是，阳光控制涂层14通过真空溅射工艺来沉积。
不管用于沉积阳光控制涂层14的工艺是什么，PV窗组件10允许可接受的可见光透射率。透射穿过PV窗组件10的可见光量将会受RPEC PV元件12的吸收、透明的电介质基板材料26、28、34的组成、以及阳光控制涂层14的配置和组成所影响。同样，图1和2所示的PV窗组件10实施例可以具有大约0.4%-15%的可见光透射率。
由于PV窗组件10提供良好的阳光控制性质和可见光透射率，因而它可以按任意适合的方式来使用，以封闭建筑物的开口。例如，PV窗组件10可以使用于气窗样式的窗口，将本组件与可视区单元结合。PV窗组件10特别有利于建筑物的可视区，因为它提供可接受的可见光透射和眩光控制。PV窗组件10还可以用于拱肩的应用。在某些情况下，它可以单独用作玻璃窗。
将本发明应用于建筑物内降低了建筑物的U值。U值或总的热传递系数与建筑物的耐热性成反比，并且通常表示为Btu/hr/sq-ft/°F。为了此应用的目的，U值可以表示为因室外空气和室内空气之间的环境差异所致的穿过PV窗组件10的热增益或热损失的测量值。较低的U值意味着，从建筑物内部到其外部损失较少的热量，从而节省了能量成本。
使用阳光控制涂层14提高了PV窗组件10在夏天和冬天的阳光控制性质。辐射能，从PV窗组件10到建筑物内部的间接增益的分量，在夏天的条件下用阳光控制涂层14来降低。这作为总的太阳热透射率（TSHT）的降低。TSHT被定位包含直接透射穿过PV窗组件10的太阳能以及由PV窗组件10所吸收的太阳能，并且依次对流以及向内热辐射。此外，SHGC被定义为穿过PV窗组件10的总的太阳热增益相对入射的太阳辐射的比。但是，性能的主要提高出现于冬天的情况下，在冬天，PV窗组件10的U值由阳光控制涂层14显著减小。
实例
下面的实例仅用于说明性的用途，并且不应被看作是对本发明的限定。
表1概括了本发明的PV窗组件的几种实施例的光学的、阳光控制的和功率性能的数据。这些数据是使用Lawrence Berkeley国家实验室的Window 5.2建模程序生成的。
实例1-4如同以上所描述的那样被配置用于图1所示的PV窗组件。同样，PV窗组件包括RPEC PV元件的层合结构以及接近层合结构的且与其成平行的分隔关系的太阳热控制元件。
实例1、3和4的太阳热控制元件包括低辐射型阳光控制涂层。实例2的太阳热控制元件包括太阳辐射型阳光控制涂层。在实例1-4中，阳光控制涂层包含于多层的涂层叠层中。具体地，实例1、3和4的阳光控制涂层是具有大约
Figure BDA00002202272300091
的厚度的SnO2:F层。而实例2的阳光控制涂层是具有大约
Figure BDA00002202272300092
的厚度的SnO2:Sb层。另外，在实例2中，具有大约
Figure BDA00002202272300093
的厚度的SnO2:F层被沉积于SnO2:Sb层之上。
实例1、3和4被使用不同的RPEC PV元件来模型化。实例1、3和4的RPEC PV元件吸收不同百分比的可见光。实例1的RPEC PV元件的可见光吸收为91.2%。实例3的RPEC PV元件的可见光吸收为89.1%。实例4的RPEC PV元件的可见光吸收为82%。实例1和2被模型化为具有相同的RPEC PV元件。因此，实例2的RPEC PV元件的吸收为91.2%。
实例1-4的功率密度使用1000W/m2的照度、每个RPEC PV元件5%的可见光吸收率以及每个RPEC PV元件7%的转换效率来计算。功率密度表示为W/m2。对于实例1-4，Tvis表示为透射穿过PV窗组件的可见光的百分比，并且U值表示为Btu/hr/sq-ft/°F。
两个可比较的实例（C5，C5tinted）被提供于表1内。可比较的实例代表相同的EC窗单元。C5代表EC窗单元在EC元件变暗之前的光学及阳光控制性质。C5tinted代表EC窗单元在电能被施加于EC元件并且EC元件变暗之后的光学及阳光控制性质。表1内所列示的值是使用Windows 5.2建模程序来计算的。每个单元都是IGU配置，并且包括EC单元以及与EC元件成间隔开的平行关系的玻璃薄板。在EC元件与玻璃薄板之间的间隔用90%为氩气的气体混合物来填充。
在表1中针对C5和C5tinted给出的光学及阳光控制性质以与实例1-4的PV窗组件的光学及阳光控制性质相同的单位来表示。
表1：光学、阳光控制和功率性能
  实例   Tvis   U值   SHGC   功率密度
  1   0.9   0.33   0.20   45.6/63.8
  2   0.5   0.33   0.19   45.6/63.8
  3   6.8   0.33   0.32   44.6/62.4
  4   11.9   0.33   0.23   41/57.4
  C5   62   0.28   0.48   N/A
  C5tinted   3.5   0.28   0.09   N/A
如表1所示，本发明的PV窗组件提供在EC元件变暗之前相比EC窗元件提高了的阳光性能。而且，本发明的PV窗组件即使在EC元件变暗时也提供类似的阳光控制性质。但是，本发明还具有另加的优点：产生电能，以及在不消耗所述能量的情况下，调整窗组件的光学及阳光控制性质。
本发明已经在被认为是本发明的优选实施例的实施例中公开了。但是，必须理解，具体实施例仅仅是为了说明的目的而提供，并且在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本发明可以不同于具体示出方式来实现。因此，任意适合的修改和等价物都可以被看作为属于下面的权利要求书所定义的本发明的范围。

Claims (16)

1.一种光伏窗组件，包括：
光伏元件；
定位成与所述光伏元件相邻的阳光控制涂层；以及
设置成与所述阳光控制涂层的表面直接相邻的间隔，其中所述间隔或者在所述光伏元件和所述阳光控制涂层之间或者在所述阳光控制涂层的与所述光伏元件相反的一侧。
2.根据权利要求1所述的光伏窗组件，其中所述光伏元件具有层合结构。
3.根据权利要求1所述的光伏窗组件，其中所述阳光控制涂层是低辐射率型的或太阳辐射型的。
4.根据权利要求1所述的光伏窗组件，其中所述组件具有0.4-15%的可见光透射率。
5.根据权利要求1所述的光伏窗组件，其中所述组件具有在0.15-0.45之间的SHGC。
6.根据权利要求1所述的光伏窗组件，其中所述间隔以空气填充。
7.一种光伏窗组件，包括：
层合结构，包括：
透明的电介质基板材料的至少第一窗格和第二窗格；
每个窗格具有第一和第二主表面；
所述第一窗格具有布置于其主表面中的一个或两个主表面上的功能薄膜涂层，其中所述功能薄膜涂层之一包括导电层；
所述第二窗格具有布置于其主表面中的一个或两个主表面上的功能薄膜涂层，其中所述功能薄膜涂层之一包括半导体层；
布置于所述第一和第二窗格之间的是电解质材料，在所述电解质材料的一个表面上布置有发色材料，前者被布置成使得起着光伏元件的作用；
与所述层合结构最接近的且为平行的、间隔开的关系的是透明的电介质基板材料的至少第三窗格，其具有两个主表面，所述至少第三窗格具有布置于其主表面中的一个或两个主表面上的功能薄膜涂层，其中所述功能薄膜涂层中的至少一个包括阳光控制涂层；以及
间隔元件以及预定宽度的间隔使透明的电介质基板材料的所述至少第三窗格与所述层合结构分离开。
8.根据权利要求7所述的光伏窗组件，其中所述透明的电介质基板材料包含玻璃。
9.根据权利要求7所述的光伏窗组件，其中所述组件被安装作为建筑物立面的构件。
10.根据权利要求7所述的光伏窗组件，其中所述组件具有在大约0.4-15%之间的可见光透射率。
11.根据权利要求7所述的光伏窗组件，其中所述阳光控制涂层是低辐射率型的或太阳辐射型的。
12.根据权利要求7所述的光伏窗组件，其中所述光伏元件是RPEC型的。
13.根据权利要求7所述的光伏窗组件，其中所述组件具有0.4以下的U值。
14.根据权利要求7所述的光伏窗组件，其中所述组件具有0.2以下的SHGC。
15.一种光伏窗组件，包括：
层合结构，包括：
透明的电介质基板材料的至少第一窗格和第二窗格；
每个窗格都具有第一和第二主表面；
所述第一窗格具有布置于其主表面中的一个或两个主表面上的功能薄膜涂层；
其中所述功能薄膜涂层之一包括导电层；
所述第二窗格具有布置于其两个主表面上的功能薄膜涂层，其中所述功能薄膜涂层之一包括半导体层，并且所述功能涂层之一包括阳光控制涂层；
布置于所述第一和第二窗格之间的是电解质材料，在所述电解质材料的一个表面上布置有发色材料，前者被布置成使得起着光伏元件的作用；以及
其中所述光伏窗组件能够提供阳光热控制并且利用接触所述窗组件的太阳辐射来产生电能。
16.根据权利要求15所述的光伏窗组件，其中所述光伏元件是RPEC型的。
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