CN103328739B - 建筑物集成的热电混合屋面系统 - Google Patents

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Abstract

在此披露了一种建筑物集成的热电混合屋面系统。该系统包括多个金属压条，该多个金属压条具有水平地安装到多个木制压条上的一个纵向通道、安装到这些纵向通道上的含有液体的一个热配管、安装在该多个金属压条上并且串联连接以形成一个串的多个太阳能电气屋顶瓦片、与这些串中的每一个连接的一个逆变器、连接到该热配管的一个热交换器、以及连接在该热配管与该热交换器之间的一个泵。该多个太阳能电气屋顶瓦片从太阳能产生DC电力，并且该逆变器将该DC电力转换成AC电力以馈送到公用电网。通过使提取到该热交换器的液体流动，该多个金属板条收集太阳能并且转换成热能，导致产生家用热水。

Description

建筑物集成的热电混合屋面系统
技术领域
本发明涉及一种建筑物集成的电气屋面系统，更具体地说，涉及一种建筑物集成的热电气混合屋面系统。
背景技术
全球变暖及其后果是所有国家都在试图找到解决方案的全球性问题。减少全球变暖的一个重要途径会是使用可替代或可再生能源，如太阳能，其是环境友好的并且从长远来看比传统方法成本效益更高。安装了的适当大小的太阳热能收集系统可以是获取一些能源需求的一个实用替代方案。
太阳能电池板用于通过将太阳的能量转换成电力来发电。这些太阳能电池板包括布置在一个平坦栅格上的光伏电池。例如，于1999年11月23日发布到Posnansky上的美国专利号5,990,414披露了一种由纤维水泥制成的屋面元件组成的光伏太阳能屋顶，太阳能电池安装在其上。虽然该光伏太阳能屋顶可以由没有电工专业知识的盖屋顶的人铺设，但是当屋顶上的环境温度进入华氏85度或以上时转换率下降。其他一些示例包括美国专利号5,437,735、5,232,518、和6,065,255以及美国专利申请号20070157963，其示出了一种光伏太阳能屋顶瓦片组件系统。这些现有技术专利只能在屋顶上安装3千瓦至4千瓦的系统时勉强应付。
可以用各种不同的方式收集太阳的能量。一种方式是将太阳的能量转换成热能以加热东西，比如水。于1988年4月19日发布到摩尔(Moore)上的美国专利号4,738,247提供了由一系列相互配合的构件组成的一种屋顶装置，例如瓦片、条带、板条等相互配合以形成一个屋顶覆盖物以及与该屋顶的平面平行的一套热管。热量是从这些热管中提取的，并被直接或间接地(例如通过热泵装置)使用。于2008年6月19日授予汉肯(Hanken)的美国专利申请号20080141999提供了一种用于安装在屋顶下的太阳能加热系统，其包括由片状材料形成的一个面板和由多个配管紧固件保持在该面板下方的至少一圈配管。该面板组件便于将从屋顶及周围空气捕获的热量传输到通过该配管循环的流体中。由于较小的转换率此类安排不会产生用于自我维持的足够能量，并且这些安排不够美观。
于1993年11月9日发布到孔雀(Peacock)上的美国专利号5,259,363教导了一种太阳能屋面板系统，用于采用了传统金属屋面部件的住宅及商业楼宇中。该系统收集和提供来自太阳的热能以加热其内部区域，并且还能够提供用于为家用电器的正常补体提供动力的太阳能发电。然而，该系统产生热能和电能，热能和电能两者不是同时产生以便协同工作并且相互补偿。
因此，需要一种热电混合屋面系统，消除当屋顶上的环境温度超出华氏85度时的转换率的下降问题。此外，这种设备将高效地利用太阳的能量，将自我维持，造型美观，并且经济。这种所需要的设备将同时产生热能和电力，并能应付在屋顶上安装超过4千瓦的系统。本发明实现了这些目标。
发明内容
本发明是一种建筑物集成的热电混合屋面系统，其包括水平地安装到多个木制压条上的多个金属压条，该多个木制压条垂直地安装在一个屋顶上。该多个金属压条中的每一个包括在其一对相对侧上的纵向方向上延伸的一个纵向通道。一个含有液体的热配管被安装在该多个金属压条上。该热配管在该多个金属压条中的每一个的这些纵向通道上延伸。进一步包括了安装在该多个金属压条上的多个太阳能电气屋顶瓦片。该多个太阳能屋顶瓦片是一种具有一个胶合到石棉水泥瓦片上的太阳能模块的建筑物集成的光伏屋顶瓦片。该多个太阳能电气屋顶瓦片中的每一个串联连接以形成一个串。本发明进一步包括连接到这些串中的每一个的逆变器、连接到该热配管的热交换器、以及连接在该热配管与该热交换器之间的一个用于对流过该热配管的液体进行循环的泵。本发明中的热配管可以是PEX、黄铜、铜或铝配管并且流过该热配管的液体可以是水或乙二醇。
当太阳能击中该多个太阳能屋顶瓦片的一个表面时，该多个太阳能屋顶瓦片产生DC电力。该逆变器将该DC电力转换成AC电力并馈送至公用电网。该多个金属压条通过使液体在整个屋顶上的热配管中流动来收集太阳能并将其转换成热能。热能被提取到该热交换器下，导致加热家用供水并且提供家用热水。当热能被提取到该热交换器时，该多个太阳能电气屋顶瓦片冷却，由此使该多个太阳能电气屋顶瓦片在将太阳能转换成DC电力时高效地运转。在优选实施例中，一个热系统和一个电气系统同时运转以分别生成家用热水和电力。
使用一个风暴锚定钩将该多个太阳能屋顶瓦片中的每一个安装在该多个金属压条上，该风暴锚定钩被锤打在设置于该多个金属压条的每一个中的孔中。该金属压条沿着其上的纵向通道单独保持该热配管及该多个太阳能电气屋顶瓦片。
附图说明
图1是根据本发明的建筑物集成的热电混合屋面系统的布局；
图2是安装到一所房子上的建筑物集成的热电混合屋面系统的图解；
图3是本发明的金属压条的布局，展示了一个纵向通道；
图4是根据本发明的建筑物集成的热电混合屋面系统的方框图；
图5是展示用于安装建筑物集成的热电混合屋面系统的方法的流程图；
图6是本发明的另一实施例提供的大型屋顶上的热系统的方框图；以及
图7是本发明的另一实施例提供的带多个屋顶平地的大型屋顶上的热系统的方框图。
具体实施方式
图1示出了建筑物集成的热电混合屋面系统10的布局，该系统包括水平地安装到多个木制压条14上的多个金属压条12，该多个木制压条垂直地安装在一个屋顶上(未示出)。该多个金属压条12中的每一个包括在其相对侧上的纵向方向上延伸的一个纵向通道16。一个含有液体的热配管18被安装在该多个金属压条12上。该热配管18在该多个金属压条12的每一个的这些纵向通道16上延伸。该系统进一步包括了安装在该多个金属压条12上的多个太阳能电气屋顶瓦片20。该多个太阳能屋顶瓦片20是一种具有一个胶合到石棉水泥瓦片24上的太阳能模块22的建筑物集成的光伏屋顶瓦片。该多个太阳能电气屋顶瓦片20中的每一个串联连接以形成一个串26。串联连接中的多个太阳能电气屋顶瓦片20的安排可根据设计而改变。由于屋顶规模可能根据屋顶设计而改变，设置了一个起动部28来相应地调整该多个太阳能电气屋顶瓦片20的串26。
使用一个风暴锚定钩29将该多个太阳能屋顶瓦片20中的每一个安装在该多个金属压条12上，该风暴锚定钩被锤打在设置于该多个金属压条12的每一个中的孔(未示出)中。以使该多个太阳能屋顶瓦片20相互重叠的方式来设计该风暴锚定钩29。根据指定位置预先在该多个金属压条12的每一个上钻出多个孔(未示出)，这节省了时间并且还简化了安装程序。这些指定位置基于该多个太阳能电气屋顶瓦片20的大小。
图2是安装到一所房子30上的建筑物集成的热电混合屋面系统的图解。在本发明中，热系统与电气系统协同工作并且彼此补偿。如所示，本发明进一步包括连接到每一个串26的一个逆变器32、连接到该热配管18的一个热交换器34、以及连接在该热配管18与该热交换器34之间的一个用于对流过该热配管18的液体进行循环的泵36。本发明中的热配管18可以是PEX、黄铜、铜或铝配管并且流过该热配管18的液体可以是水或乙二醇。在本发明的另一个实施例中，可以将每个串26连接到该逆变器32，或者可以将多个串并联连接到该逆变器32。
当太阳能击中该多个太阳能屋顶瓦片20的一个表面时，该多个太阳能屋顶瓦片20产生DC电力。该逆变器32将该DC电力转换成AC电力并馈送至公用电网38。在本发明中，可以将高达7千瓦的系统安装在屋顶上(未示出)。该多个金属压条12通过使液体在整个屋顶18上的热配管(未示出)中流动来收集太阳能并将其转换成热能。热能被提取到该热交换器34下，导致加热家用供水并且提供家用热水。当热能被提取到该热交换器34时，该多个太阳能电气屋顶瓦片20冷却，由此使该多个太阳能电气屋顶瓦片20在将太阳能转换成DC电力时高效运转。因此，本发明的热系统消除了当屋顶上(未示出)的环境温度超出华氏85度时太阳能到电能的转换率下降的问题。此外，当该建筑物集成的热电混合屋面系统10捕获更多的太阳能时，该系统10具有高得多的能量转换率，由此减少HVAC的功耗。在该优选实施例中，该热系统和该电气系统同时运转以分别产生家用热水和电力。使用本系统时，由于该热部分没有暴露于外部，屋顶(未示出)变得更加美观。
图3示出了本发明中使用的多个金属压条12的布局。该多个金属压条12中的每一个包括在其相对侧上的纵向方向上延伸的纵向通道16。该多个金属压条12水平地安装到该多个木制压条14之上，该多个木制压条垂直地安装在屋顶上(未示出)。该热配管18在该纵向方向上沿该纵向通道16延伸，并被安装到该多个金属压条12。因此，该金属压条12单独保持该热配管18及该多个太阳能电气屋顶瓦片20。
该多个金属压条12中的每一个之间的间距可以受到该多个太阳能电气屋顶瓦片20的大小和所需的热规格的限制而改变。由于该多个金属压条12更紧密地间隔开，可以安装更多的热配管18以实现高的热能转换效率。该建筑物集成的热电混合屋面系统10的主要应用将是在商业和住宅的坡屋顶上。然而，该系统还可以被应用于建筑物的幕墙或外墙上。本发明的又一个实施例提供了一个独立的系统，其中该电气系统单独可以通过在12伏、24伏、和48伏的串配置该多个太阳能电气屋顶瓦片20来对多个电池(未示出)充电。
图4是该建筑物集成的热电混合屋面系统的方框图。当太阳能击中该多个太阳能屋顶瓦片的一个表面时，该多个太阳能屋顶瓦片如在方框40所示产生DC电力。该逆变器如在方框42所示将DC电力转换成AC电力，并如在方框44所示馈送到公用电网。该多个金属压条将太阳能转换成热能由此加热该热配管，如在方框46所示。该热配管将热能提取到该热交换器下，导致如在方框48所示加热家用供水，由此导致如在方框50所示提供家用热水。连接在该热配管与该热交换器之间的泵通过该热配管循环该液体，如在方框52所示。此外，万一该电气系统中存在的技术问题可能妨碍该热系统的运转，如在方框54所示的一个单独的光伏模块和如在方框56所示的冷水供应可被附装到该泵用于该热系统的独立工作。使用如在方框54所示的单独的光伏模块的另一个优点是，流过该热配管的液体可以根据太阳能的强度而改变，这导致提取更多热量。如果从屋顶提取了更多的热量，阁楼冷却下来(由此产生更多的家用热水并且冷却该多个太阳能电气屋顶瓦片)，并且降低了空调负荷。
图5是用于安装建筑物集成的热电混合屋面系统的方法的流程图。如步骤62中所示，将多个金属压条水平地安装在多个木制压条上。如步骤64中所示，在这些纵向通道上安装一个热配管系统，这些纵向通道设置在该多个金属压条的每一个中。如步骤66中所示，使用一个风暴锚定钩将多个太阳能电气屋顶瓦片安装在该多个金属压条上。如步骤68中所示，将该多个太阳能电气屋顶瓦片中的每一个串联连接并且这些串联连接中的每一个形成一个串。如步骤70中所示，将一个逆变器连接到这些串中的每一个。如步骤72中所示，将一个热交换器连接到该热配管。如步骤74中所示，在该热配管与该热交换器之间连接一个泵。
参照图6，本发明的另一实施例可包括穿过屋顶的许多热配管回路。在大型屋顶的情况下，液体的电阻随着该热配管变长而增加，这导致流动压力的建立。穿过屋顶的许多热配管回路减少了流动压力。如在大型屋顶上的热系统的方框图中所示，通过如在方框84所示的歧管将来自如在方框80所示的热交换器的液体如在方框82所示泵入到如在方框86所示的热系统的至少三个不同的回路。循环通过这些回路的液体从该屋顶提取热太阳能，并且然后流过如在方框88所示的另一个歧管到达如在方框80所示的热交换器，由此如在方框90所示生成家用热水。
本发明的又一实施例可包括一个热系统，该热系统在带有多个屋顶平地的大型屋顶上，如图7所示。在一所带多个屋顶平地的大房子中，太阳能强度在每个屋顶平地上都不同。由于太阳能强度的变化影响在不同的屋顶平地中的液体的流速和压力，多个热系统用来容纳多个屋顶平地。来自如在方框92所示的热交换器的液体通过如在方框96所示的歧管被如在方框94所示泵入到如在方框98所示的多个热系统。循环通过如在方框98所示的该多个热系统的液体从屋顶提取热太阳能，并且然后经过如在方框100所示的另一个歧管到达如在方框92所示的热交换器，由此如在方框102所示生成家用热水。
虽然已经阐明和描述了本发明的一种特定形式，明显的是在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行各种修改。相应地，除非所附权利要求，本发明并非旨在用来限制。

Claims (13)

1.一种建筑物集成的热电混合屋面系统，包括：
水平地安装在多个木制压条上的多个金属压条，该多个木制压条垂直地安装在一个屋顶上，该多个金属压条中的每一个包括在其相对侧上的纵向方向上延伸的一个纵向通道；
一个含有液体的热配管，该热配管被安装在该多个金属压条的每一个的这些纵向通道上并且在其上延伸；
安装在该多个金属压条上的多个太阳能电气屋顶瓦片，该多个太阳能电气屋顶瓦片中的每一个串联连接以形成一个串；
连接到每个串的一个逆变器，用于将从该多个太阳能电气屋顶瓦片馈送的直流(DC)电力转换成交流(AC)电力；
连接到该热配管的一个热交换器；
连接在该热配管与该热交换器之间的一个泵，用于通过该热配管对该液体进行循环；以及
被操作地连接到该泵的一个单独的光伏模块和冷水供应，用于热系统的独立工作；
其中该热配管及该多个太阳能电气屋顶瓦片同时运转以分别生成家用热水和电力。
2.如权利要求1所述的建筑物集成的热电混合屋面系统，其中，该多个太阳能屋顶瓦片是一种建筑物集成的光伏屋顶瓦片，该光伏屋顶瓦片具有胶合到一个石棉水泥瓦片上的一个太阳能模块。
3.如权利要求1所述的建筑物集成的热电混合屋面系统，其中，使用一个风暴锚定钩将该多个太阳能屋顶瓦片中的每一个安装在该多个金属压条上，该风暴锚定钩被锤打在设置于该多个金属压条的每一个中的孔中。
4.如权利要求1所述的建筑物集成的热电混合屋面系统，其中，当太阳能击中该多个太阳能屋顶瓦片的一个表面时该多个太阳能屋顶瓦片产生DC电力。
5.如权利要求1所述的建筑物集成的热电混合屋面系统，其中，该逆变器将该DC电力转换成AC电力并且馈送到公用电网。
6.如权利要求1所述的建筑物集成的热电混合屋面系统，其中，该多个金属压条通过使该液体在该屋顶上的该热配管中流动来收集太阳能并且将其转换成热能。
7.如权利要求6所述的建筑物集成的热电混合屋面系统，其中，热能被提取到该热交换器，导致加热家用供水并且提供家用热水。
8.如权利要求7所述的建筑物集成的热电混合屋面系统，其中，当热能被提取到该热交换器时，该多个太阳能电气屋顶瓦片被冷却，由此使该多个太阳能电气屋顶瓦片在将太阳能转换成DC电力时高效运转。
9.一种用于安装建筑物集成的热电混合屋面系统的方法，包括：
a.将多个金属压条水平地安装在多个木制压条上，该多个木制压条垂直地安装在一个屋顶上，该多个金属压条中的每一个包括在其一对相对侧上的纵向方向上延伸的一个纵向通道；
b.将含有液体的一个热配管安装在该多个金属压条的每一个的这些纵向通道上；
c.使用一个风暴锚定钩将多个太阳能电气屋顶瓦片安装在该多个金属压条上，该风暴锚定钩被锤打在设置于该多个金属压条的每一个中的孔中；
d.将该多个太阳能电气屋顶瓦片的每一个串联连接以形成一个串；
e.将一个逆变器连接到每一个串，用于将从该多个太阳能电气屋顶瓦片馈送的DC电力转换成AC电力；
f.将一个热交换器连接到该热配管，用于提取热能；
g.将一个泵连接在该热配管与该热交换器之间，用于对流过该热配管的液体进行循环；以及
h.连接一个单独的光伏模块和冷水供应，所述一个单独的光伏模块和冷水供应被操作地连接到该泵，用于热系统的独立工作。
10.如权利要求9所述的方法，其中，该多个太阳能屋顶瓦片是一种带有一个胶合到石棉水泥瓦片上的太阳能模块的建筑物集成的光伏屋顶瓦片。
11.如权利要求9所述的方法，其中，当太阳能击中该多个太阳能屋顶瓦片的一个表面时，该多个太阳能屋顶瓦片产生DC电力。
12.如权利要求9所述的方法，其中热能被提取到该热交换器，导致加热家用供水并且提供家用热水。
13.如权利要求9所述的方法，其中，当热能被提取到该热交换器时，该多个太阳能电气屋顶瓦片被冷却，由此使该多个太阳能电气屋顶瓦片在将太阳能转换成DC电力时高效运转。
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