CN103563246A - 屋顶板样光伏模块 - Google Patents

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CN103563246A CN201280026143.9A CN201280026143A CN103563246A CN 103563246 A CN103563246 A CN 103563246A CN 201280026143 A CN201280026143 A CN 201280026143A CN 103563246 A CN103563246 A CN 103563246A
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Abstract

光伏系统，其包含一个或多个屋顶板样光伏（PV）模块，每个模块都具有与光活性材料层相邻的光学透明材料层，所述光活性材料层被构造成在暴露于来自所述光学透明材料层的光时产生电能。在有些情况下，所述一个或多个屋顶板样PV模块的每个的光学透明材料层具有屋顶板样构型的凹陷图案。

Description

屋顶板样光伏模块
交叉参考
本申请要求2011年4月1日提交的美国临时申请No.61/516,274的权益，所述申请通过引用全部并入本文。
背景技术
当前的光伏（PV）模块可以利用与低铁钢化玻璃顶板、TPE（
Figure BDA0000424757240000011
聚酯，EVA）背板、挤压铝框和具有连接相邻模块的电缆的接线盒包装在一起的晶体硅电池。所述模块安装到通常用屋顶穿透型螺钉固定的金属支撑结构上，所述金属支撑结构由于漏水的风险高而是不理想的。另外，模块阵列和相关的安装结构可能很重，并且在有些情况下，标准的屋面结构在没有补救的支护装置的情况下将承载不了所增加的重量。
光伏建筑一体化（BIPV）是用于建筑物外体部分例如屋顶、天窗或立面中代替常规建筑材料的材料。一体化光伏器件相对于更常见的非一体化系统的优点是可以通过减少建筑材料上的花费量和通常用于构建BIPV模块所代替的建筑部分的劳动力而抵销初始安装成本。BIPV的例子是整合到屋顶结构中的太阳能电池，它起到光电器件和屋面材料二者的作用。虽然这些产品提供了常规屋面结构的一些功能，但是它们在住宅屋面想要的功能和外观方面提供不了一体化解决方案。
BIPV可以容纳在庞大的结构、或在安装期间不提供最小化光伏电池断裂的充分支持的结构中。一些当前框架的巨大性可能导致因材料角度和加工角度二者的制造成本增加，以及与运输和安装所述BIPV有关的成本。
发明内容
鉴于当前光伏（PV）模块的限制，本发明认识到对提供无缝整合到住宅PV装置如屋顶板屋面装置中，同时还提供结构功能，例如屋面功能的光伏（PV）模块和系统的需要。
本发明提供了用于产生太阳能电力的太阳能光伏模块。本发明公开了大面积的PV（或太阳能）模块屋顶板样屋面模块和系统，它们可以容易地与常规屋面屋顶板一起使用或与其一体化，以产生重量轻、功能和视觉相容的常规太阳能模块装置的替代品。
本发明的一个方面提供了经济的并且对安装劳动的要求降低的屋顶板样太阳能模块屋面系统。
本发明的另一个方面提供了不需要穿透现有屋顶结构的屋顶板样太阳能模块屋面系统。
本发明的另一个方面提供了大面积屋顶板样太阳能模块屋面系统，其重量比常规的PV模块阵列轻得多。
本发明的另一个方面提供了一种光伏模块，其包含对至少一部分入射光可透过的光学透明材料的第一层以及与所述第一层相邻的水蒸汽阻挡材料的第二层，其中所述第二层对至少一部分来自第一层的光是可透过的。所述PV模块包括与所述第二层相邻的具有一个或多个互连光伏（PV）电池的第三层，其中所述一个或多个互连PV电池在暴露于从第一层通过第二层引导到第三层的光时发电，以及与所述第三层相邻的电绝缘材料的第四层。所述第一层可以包括一个或多个外表面，所述外表面相对于与所述第一层相邻的所述第二层的表面以大于零度的角度取向。在有些情况下，第一层由单一基底形成，所述基底被压花以提供屋顶板样构型的凹陷图案。
本发明的另一个方面提供了一种光伏模块，其包含对至少一部分入射光可透过的光学透明材料的第一层以及与所述第一层相邻的第一湿汽阻挡材料的第二层，其中所述第二层对至少一部分来自第一层的光是可透过的。所述第一层具有凹陷的图案，其在有些情况下是屋顶板样构型。所述PV模块还包括与所述第二层相邻的具有一个或多个互连光伏（PV）电池的第三层，其中所述一个或多个互连PV电池在暴露于来自第二层的光时发电，以及与所述第三层相邻的电绝缘材料的第四层。在有些情况下，所述光伏模块沿着从所述光伏模块的第一侧到第二侧取向的轴可具有不均一的厚度。在有些情况下，所述第一层沿着从所述光伏模块的第一侧到第二侧取向的轴具有不均一的厚度。
本发明的另一个方面提供了一种光伏系统，其包含一个或多个屋顶板样光伏模块，所述一个或多个屋顶板样光伏模块的每个屋顶板样光伏模块具有与光活性材料层相邻的光学透明聚合材料（例如PMMA）的压花层，所述光活性材料层被构造成在暴露于来自所述压花层的光时发电。在有些情况下，光学透明的聚合材料的压花层可以具有至少一个外表面，其相对于所述光学透明材料层和所述光活性材料层之间的表面成大于0°的角度。在有些情况下，所述系统还包括与所述一个或多个屋顶板样PV模块的单个屋顶板样PV模块相邻的屋顶板，例如非PV屋顶板。
本发明的另一个方面提供了用于形成屋顶板样光伏模块的方法，所述方法包括提供与光学透明聚合物板相邻的光活性材料层，所述光学透明聚合物板具有在其中形成的屋顶板样构型的凹陷图案。所述光活性材料在暴露于来自所述光学透明聚合物板的光时发电。在一种实施方式中，在提供光活性材料层之前，在所述光学透明聚合物板中形成凹陷图案。所述凹陷图案可以通过压花形成。
根据下面的详细说明，本公开的其他方面和优点对本领域技术人员将变得很容易明白，所述详细说明中只显示和描述了本公开的说明性实施方式。要认识到，本公开能够具有其它的和不同的实施方式，并且它的若干细节能够在各种显而易见的方面进行修改，所有这些都不背离本公开。因此，附图和说明书将被认为本质上是说明性的，而不是限制性的。
通过引用并入
本说明书中提到的所有出版物、专利和专利申请通过引用并入本文，其程度与好像各单个出版物、专利或专利申请被具体地和单独地指明通过引用并入一样。
附图说明
本发明的新颖特征在所附权利要求书中详细阐明。通过参考下面阐述利用本发明原理的说明性实施方式的详细说明以及附图，将获得对本发明的特征和优点的更好理解，在所述附图中：
图1是根据本发明的实施方式，屋顶板样外观的太阳能模块的大比例尺的透视示意图；
图2是根据本发明的实施方式，图1的屋顶板样外观太阳能模块的一部分的示意性侧视图；
图3是根据本发明的实施方式，图1的PV模块的示意性侧视图，显示了所述屋顶板样外观太阳能模块的顶部和底部区域；
图4是根据本发明的实施方式，屋顶脊线的两种图示（A和B）的示意性横截面侧视图，显示了具有布线的所述屋顶板样外观模块的安装；
图5显示了根据本发明的实施方式，图1的PV模块的外表面；
图6示意性地示出了根据本发明实施方式的光伏（PV）模块；
图7是根据本发明的实施方式，具有六边形支撑构件的PV模块的示意性顶视图；和
图8示意性地示出了根据本发明的实施方式，在图6的PV模块中边缘夹具（edge clip）的使用。
具体实施方式
虽然本文中显示和描述了本发明的各种实施方式，但对本领域技术人员明显的是，这样的实施方式只作为例子提供。对本领域技术人员而言，可以在不背离本发明下可以想到许多变化、改变和替代。应该理解，对本文中描述的本发明实施方式的各种替代方案可用于实施本发明。
术语“光伏电池”在本文中使用时是指被构造成在暴露于光时发电的装置或装置的部件。光伏电池可以包括一个或多个层，所述层单独地或合起来限定光活性材料。例如，光活性材料可包含p-n结。光活性材料可以是V族或III-V族半导体。在一些实例中，PV电池可以包含CdTe、二硒化铜铟镓（CIGS）、硫化铜锌锡（CZTS）、铜锌锡硒（CZTSe）或硅（例如非晶硅）。
术语“屋顶板”在本文中使用时是指屋顶覆盖物，其具有在有些情况下可以重叠的单个元件。屋顶板可以具有从屋顶下缘向上成排铺设的平面长方形形状，其中各个相继的较高排搭接下面排中的接合处。屋顶板样元件可以具有屋顶板的功能属性（例如引导水流），但是可以形成为单片（或集成）的样式。屋顶板样元件可以是被图案化为类似于屋顶板的单片部件，例如具有提供单个搭接元件的功能属性的凹陷（或沟槽），所述功能属性包括但不限于引导水流和防止积水。
本发明提供了用于各种情况、例如住宅的情况的光伏（PV）模块。一些实施方式提供的PV模块被构造用于代替住宅屋顶上的屋顶板，或用于整合到具有屋顶板或类似结构的屋面体系中。在一些实施方式中，PV屋顶板的尺寸和形状被设置为替代现用的屋顶板或结合所述屋顶板使用。这有利地使得当前屋顶板的功能性（例如引导水流）与PV电池的功能性（例如发电）能够整合在一起。
本文中提供的屋顶板样PV模块（本文中也称为“PV屋顶板”）可以与非PV屋顶板例如标准屋顶覆盖物功能上相似（如果不是相同的话）。PV屋顶板可以具有非PV屋顶板的外观和感觉（例如非PV屋顶板的尺寸、形状和颜色）以及具有一个或多个PV电池的PV模块的功能性。这有利地使得本发明的PV屋顶板能够替代非PV屋顶板，从而使得能够发电而同时提供标准屋顶板的功能，或者能够整合到具有PV屋顶板和在有些情况下具有非PV屋顶板的屋面系统中。
太阳能模块
本发明的一个方面提供了光伏（PV）模块（本文中也称为“PV屋顶板”），其包括对至少一部分入射光可透过的透明材料的第一层和与所述第一层相邻的水蒸汽阻挡材料的第二层。所述第二层对来自第一层的至少一部分光是可透过的。所述PV模块包括与所述第二层相邻的具有一个或多个互连光伏（PV）电池的第三层。所述一个或多个互连PV电池在暴露于来自所述第二层的光时发电。电绝缘材料的第四层与所述第三层相邻。所述第一层包括一个或多个外表面，所述外表面相对于与所述第一层相邻的所述第二层的表面以大于零度的角度取向。
在一些实施方式中，所述第一层包括一个或多个外表面，所述外表面被构造成提供屋顶板样功能性。这样的功能性除了最小化积水之外，还可以包括接收水并将水流引向地面。在有些情况下，所述一个或多个外表面除了脊之外还包括凹陷或沟槽，它们以图案提供从而提供这种屋顶板样功能性（参见，例如图1）。这样的图案可以帮助水从高点流向低点（相对于地面），并且还有助于最小化（即使不能防止）积水，例如入射在具有所述PV模块的屋顶上的雨水。
凹陷或沟槽的图案可以借助于压花形成，例如使用轧辊（或冲模）在聚合材料（例如聚(甲基丙烯酸甲酯)）层中压印屋顶板图案。压花是用于在基底（例如聚合材料板）中产生凸出或凹陷的设计或起伏的过程。在有些情况下，压花可以借助于匹配的阳和阴辊模或通过将基底材料板或条通过具有所需图案的辊之间来实现。在一些情况中，可以在压花的模具上浇铸聚合材料例如聚(甲基丙烯酸甲酯)（PMMA）的片。
在一些实施方式中，所述第一层适合于是所述PV模块的最外层。在所述PV模块与其它非PV屋顶板一起提供在屋顶上的情况中，所述最外层被构造成提供非PV屋顶板的功能性而同时保持对至少一部分入射光可透过。入射在第一层上的至少一部分光因此可以穿过所述第一层并到达能够发电的一个或多个PV电池。
所述第一层在一些实施方式中适合于承受机械应力，例如来自风或直接撞击所述第一层的物体。因此，当安装在屋顶或其它结构上时，所述第一层可以保护所述PV模块以免于损伤或劣化。
所述层可以借助于化学或机械紧固件彼此结合。化学紧固件的例子是能够提供在相邻层之间以将它们固定在一起的粘合剂。机械紧固件的例子是将相邻层或堆叠层固定在一起的钉子或螺钉。例如，所述PV模块可在它的周缘包括多个螺钉，以借助于通过将所述螺钉固定到所述PV模块所提供的压缩力将所述层固定在一起。
所述第一层可由聚合材料例如聚甲基丙烯酸甲酯形成。所述聚合材料可抵抗紫外辐射。也就是说，在暴露于紫外辐射时，构成所述第一层的材料在预定时段内，例如至少1天、10天、1个月、12个月、1年或更长时间，没有明显的衰变。
所述水蒸汽阻挡材料是由水蒸汽渗透性低或相当低的材料形成的。在一些情况中，所述水蒸汽阻挡材料的水蒸汽渗透性低于或等于约300ng/s·m2·Pa、200ng/s·m2·Pa、110ng/s·m2·Pa、10ng/s·m2·Pa、3ng/s·m2·Pa、1ng/s·m2·Pa或0.3ng/s·m2·Pa。在有些情况下，所述水蒸汽阻挡材料的渗透性从约10-6克/m2/天至10-3克/m2/天、或约10-5克/m2/天至10-4克/m2/天。在一些情况中，所述水蒸汽阻挡材料由聚合材料例如涂布的聚合材料（例如聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚萘二甲酸乙二醇酯）、金属或氧化物例如硅氧化物SiOx形成，其中“x”是大于零的数字。构成第二层的水蒸汽阻挡材料对从第一层引导到所述第二层的至少一部分光是可透过的。
在一些实施方式中，所述PV模块的所述一个或多个外表面的至少一部分相对于第二层的表面而言被弄成崎岖不平。这可在第一层中提供光耦合结构，其可将来自所述PV模块外部环境的光耦合到所述第一层中。
在一些情况中，所述PV模块还包括与所述第四层相邻的水蒸汽阻挡材料的第五层。所述第五层的水蒸汽阻挡材料可包含聚合材料（或聚合物基底）、金属氧化物或金属，例如铝。在一个实例中，所述第五层包括涂有一个或多个阻挡层如一个或多个金属氧化物层的聚合物基底。在一些情况中，所述第五层的水蒸汽阻挡材料的水蒸汽渗透性低于或等于约300ng/s·m2·Pa、200ng/s·m2·Pa、110ng/s·m2·Pa、10ng/s·m2·Pa、3ng/s·m2·Pa、1ng/s·m2·Pa或0.3ng/s·m2·Pa。在有些情况下，所述第五层的水蒸汽阻挡材料的渗透性从约10-6克/m2/天至10-3克/m2/天或约10-5克/m2/天至10-4克/m2/天。
在有些情况下，所述PV模块还包括保护材料的第六层，其适合于在所述PV模块的运输和/或安装过程中防护或保护第五层免受损伤。所述保护材料可由金属材料（例如不锈钢板或铝板）、聚合材料或复合材料形成。
PV模块可借助于化学或机械紧固件而彼此固定。例如，可利用在第一PV模块的下侧和第二PV模块的顶侧的粘合剂层将所述第一PV模块紧靠所述第二PV模块固定。在一个实例中，所述粘合剂被施加于第一PV模块的第六层以及第二PV模块的第一层的侧面部分。或者，机械紧固件可用于将第一PV模块固定到第二PV模块上。
化学和/或机械紧固件可用于将PV模块固定到它们要安装的结构上，例如屋顶或适合于被电磁辐射源例如太阳照到的其它支撑结构上。在一个实例中，化学紧固件，例如粘合剂，被施加于PV模块的下侧，所述PV模块随后施加于表面例如屋顶上。在另一个实例中，机械紧固件，例如螺钉或钉子，用来将PV模块固定于表面例如屋顶上。
所述PV模块包括使其能够整合到支撑结构例如屋面结构中的功能性。屋面结构可以相对于水平表面成角度。屋面结构在有些情况下可以包括木制或金属表面，在其上可以在紧固件例如化学或机械紧固件的帮助下设置屋顶板。
在一些实施方式中，PV模块包括一个或多个有角度的外表面以促进沿着所述PV模块和沿着重力加速度向量的方向的水流，并且在有些情况下利于光引入PV模块中，这可以帮助优化电发生。在一些实施方式中，所述PV模块包括一个或多个外表面。外表面可以各自相对于与第一层相邻的第二层的表面以大于零度的角度取向。在一些实例中，外表面以大于或等于约0°、0.1°、0.2°、0.3°、0.4°、0.5°、0.6°、0.7°、0.8°、0.9°、1°、2°、3°、4°、5°、6°、7°、8°、9°、10°或20°，或在有些情况下以约0°和2°、或1°和1.5°之间的角度取向。
在有些情况下，形成的所述PV模块的一个或多个外表面包括特征（例如凹陷或沟槽）的图案以提供屋顶板样功能性。这样的特征图案可以促进水沿着所述PV模块流动，从而最小化积水。
在一些实施方式中，所述PV模块包括一个或多个外表面，所述外表面被构造成提供屋顶板样功能性。所述外表面适合于接收光并将至少一部分接收的光引导到所述PV模块的一个或多个PV电池。在有些情况下，所述一个或多个外表面包括以图案提供的凹陷或沟槽，以提供这种屋顶板样功能性（参见例如图1）。例如，屋顶板样特征可以通过在聚合材料（例如聚(甲基丙烯酸甲酯)）层中压花出凹陷或沟槽的图案而形成。
在一些实施方式中，所述PV模块的外表面与所述第一层整合。例如，所述外表面可以与所述第一层是一体（或单片）的。在有些情况下，可以将所述第一层制造成具有如上所述的一个或多个有角度的外表面。
在其中所述第一层包括多个外表面的情况中，所述外表面可以彼此平行。例如，第一外表面可以平行于第二外表面。这可使得所述PV模块的形状和功能能够均一化，因为彼此平行的外表面可促进水（或其它液体）的均匀流动。
在一些实施方式中，所述PV模块沿着从所述光伏模块的第一端到第二端取向的轴具有不均一的厚度。在一个实例中，所述PV模块通过使第一层具有相对于与所述第一层相邻的第二层的表面有角度的外表面而具有不均一的厚度。
现在将参考附图。可以理解，所述附图，包括其中的部件和结构，不一定是按比例绘制的。
图1是根据本发明的实施方式具有屋顶板样外观的PV模块1的透视图。入射光（例如太阳光）的方向在图中示出。PV模块1中显示的所示屋顶板样特征可以在尺寸和外观上与典型的屋面屋顶板相似。PV模块1可以分别具有约8英尺x4英尺的长度和宽度，但是其它长度和宽度也是可能的。在一些实施方式中，PV模块1的长度可以大于或等于约1英尺、2英尺、3英尺、4英尺、5英尺、6英尺、7英尺、8英尺、9英尺、10英尺或更大，和宽度大于或等于约1英尺、2英尺、3英尺、4英尺、5英尺、6英尺、7英尺、8英尺、9英尺、10英尺或更大。在一些情况下，选择PV模块1的尺寸以使得PV模块1可以以降低或最少的成本容易地安装。
在一些实施方式中，PV模块1由薄而重量轻的材料构成，因而不使用框架。PV模块1在等面积的基础上可以比一些常规模块轻。PV模块1具有“顶部”和“底部”边缘，其中所述顶部部分在屋顶上比所述底部部分高，因此水可以以从所述顶部到所述底部取向的向量方向流下，类似于在斜屋顶上普通屋顶板的方式。图1的插图显示了PV模块1的放大部分。PV模块1包括第二部分（或层）2，其包括抗紫外辐射（UV）材料的透明模制板。在一个实例中，所述UV抗性材料是聚合材料，例如聚(甲基丙烯酸甲酯)（PMMA）。PV模块1包括屋顶板样模制脊,在有些情况下最大厚度从约八分之一英寸到四分之一英寸。所述模制脊的边缘可以是颜色加深的或着色的以提供与相邻材料或屋面部件的反差，这可以帮助提高屋顶板外观。这样的反差功能上可以帮助安装PV模块1，因为对比度差异可以帮助将所述PV模块设置在支撑表面上。
PV模块1可以具有凹陷（或沟槽）的图案，其提供屋顶板样功能性。所述图案可以通过在第二部分2的材料中压花出凹陷而形成。所述图案可以包括在第二部分2的材料表面中形成的交替的线（作为凹陷），例如当从太阳光进入的方向观察时的正交线。
PV模块1包括第三部分（或层）3，其包括活性光伏材料和在有些情况下的封装材料，其包括多个层。第三部分3可以包括多个层（或亚层）。所述第三部分3可以包括一个或多个光伏电池，它们各自被构造成在暴露于光时发电。PV电池在有些情况下是薄膜PV电池。在一些实例中，所述PV电池包括CdTe、二硒化铜铟镓（CIGS）、硫化铜锌锡（CZTS）、硒化铜锌锡（CZTSe）或非晶硅PV活性材料，但也可以使用其它光活性材料（吸收剂）。
第三部分3可以具有各种尺寸和形状。在一些实施方式中，第三部分3基本上覆盖第二部分2。在其它实施方式中，第三部分3没有基本上覆盖第二部分2（参见图3）。第三部分3的厚度可以小于第二部分2的厚度。在一些情况中，第三部分3的厚度是从约200微米至5mm，或300微米至1mm。
图2是根据本发明的实施方式PV模块1的示意性侧视图。第三部分3的厚度相对于第二部分2的厚度被放大了，以示出第三部分3的组成层。第二部分2的层借助于粘合剂层4结合在一起。粘合剂层4可以各自具有从约0.001英寸至0.01英寸的厚度。粘合剂层4可以彼此具有不同的厚度和组成。所述粘合剂层4（入射光透过粘合剂层4传播到PV电池）对于光可以是至少部分可透过的；然而，其它阴影线的层4不需要对光可透过。第三部分3在PV模块1的光接收侧（即面对入射光的方向的侧面）上包括湿汽阻挡层5。在有些情况下，湿汽阻挡层5是聚合材料的透明层，其上已经沉积了可以帮助阻止湿汽到达所述PV模块的PV电池的透明薄膜或系列薄膜。所述聚合材料可以是聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）或聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）。或者，所述湿汽阻挡层5可以是薄层的玻璃，其可以在浮法玻璃生产线上形成。在有些情况下，薄玻璃可以与第二部分2预先结合以便帮助操作薄玻璃片。
PV模块1还包括光活性材料层6，其包含一个或多个PV电池，所述PV电池被构造成在暴露于来自第二部分2并透过湿汽阻挡层5的光时发电。光活性材料层6可以包括单个太阳能电池或多个电互连的太阳能电池，例如沉积在薄金属箔基底（例如不锈钢基底）或薄聚合物基底上的薄膜电池。在有些情况下，所述光活性材料层6的所述一个或多个PV电池包含CdTe、CIGS、CZTS、CZTSe或非晶硅光活性材料。
PV模块1包括电绝缘材料层7，其有助于将由所述光活性材料层6的PV电池产生的任何电压保持在光活性材料层6内。电绝缘材料层7包含电绝缘材料，例如电介质。在一个实例中，电绝缘材料层7包括氧化物（例如金属氧化物）或者具有陶瓷物质的电绝缘聚合材料或复合材料。电绝缘材料层7位于所述电池后面并远离第二部分2。在有些情况下，电绝缘材料层7是由光学透明材料形成的，但在其它情况下它是由光学不透明的或部分透明的材料形成的。
PV模块1包括位于所述屋顶板样模块背面的另一个湿汽阻挡层8，其包含湿汽阻挡材料。湿汽阻挡层8可以是薄层铝箔或水蒸汽传递速率低的其它低成本材料。所述铝箔可以用可以构成湿汽阻挡层5的阻挡薄膜代替，所述聚合物层面向外部（即远离电绝缘材料层7），并且在有些情况下具有与电绝缘材料层7相邻的湿汽阻挡涂层。
在有些情况下，如果湿汽阻挡层8是铝箔的话，可能难以避免可损害PV模块1的湿汽完整性的运输损伤。在有些情况下，PV模块1包括与湿汽阻挡层8相邻的保护层9。保护层9可以在运输之前附着于PV模块1上。保护层9可以由屋面毡（例如沥青浸渍的毡）、薄膜屋面（例如聚(氯乙烯)）或其它聚合材料形成。层9的组成可取决于准备如何建造屋顶。在一些情况下，层9是除含氟聚合物材料以外的材料，但在有些情况下可以使用含氟聚合物材料。
PV模块1可以包括在所述屋顶板边缘上的对比加深或着色，如加深的部分10所示的。PV模块1的第二部分2可以具有调理的表面11，例如粗糙化的表面。调理的表面11可有助于减少眩光并阻止PV模块1与非PV（或非发电）屋顶板相比显得发亮。除了减少眩光之外，这种处理还可以同时提供抗反射功能，这可使更多的光能够到达PV模块1的光活性材料层6中的PV电池，例如通过散射。调理的表面11可以被着色，但是为了不降低PV电池的性能，这样的着色可以加以选择。在这样的情况下，包含所述调理的表面11的颜色的反射光是不被光活性材料层6的PV电池用于发电的光。因此，为了改善性能，调理的表面11在有些情况下不着色。
PV模块1的光活性材料层6的PV电池吸收所有可利用光时可显得发暗，例如深灰色。在有些情况下，所述PV电池可以看起来具有其他颜色。这种颜色配置可以与普通的屋顶板相容，从而使PV模块1能够与非PV屋顶板一起安装。
图3显示了图1和2的屋顶板样PV模块的顶部和底部区的展开图。含有太阳能电池和封装层的第三部分3布置在所述第二部分下面并远离入射光（例如太阳光）的方向。为了提供所述屋顶的遮雨和水密封，PV模块1包括延伸过第三部分3的区域12和13。虽然图中未清楚描绘，但在所述屋顶板样模块的各个侧面上都可以提供相似的区域以用于沿着各侧的遮雨。沿着区域12，普通的屋顶板（即非PV屋顶板）可覆盖第二部分2中所有或大部分的相应区域，但是可以不经过含有活性PV电池的第三部分3的边缘。这一区域可包括用于将PV模块1钉在屋顶上的孔2a。类似地，沿着底部区域13，第二部分2的相应区域可覆盖普通的屋顶板。可以提供粘合剂区域2b用于将第二部分2粘贴到PV屋顶板或非PV屋顶板的上部覆盖部分。沿着每个边缘（未显示），普通屋顶板可以覆盖并密封第二部分2中延伸过第三部分3的太阳能材料的区域。在PV模块1的顶部、底部和边缘之间，可以利用附加的粘合剂将PV模块1的中央区固定于屋顶。在有些情况下，整个PV模块1可以贴附（例如胶合、紧固）于屋顶上，在有些情况下固定到其它屋顶板上。
图4是根据本发明的实施方式两种屋脊线的示意性横截面侧视图。在示意图A中，屋面材料板14（例如胶合板和毡）与椽15相连，椽15固定在屋脊梁16上。在有入射光的侧面上，如箭头指示，安装具有第二部分2和第三部分3的屋顶板样PV模块1，同时另一个侧面接受普通的屋顶板21。或者，图4的屋顶在两侧都具有屋顶板样PV模块。脊顶盖17提供水密封，同时在顶点形成开放区，在其中可以安排用于PV模块1的布线18。脊顶盖17可以被构造成不导致遮蔽PV模块1，包括第三部分3中PV电池。在有些情况下，屋顶板14中的小切口可以提供安装用于与PV模块1电连接的接线盒（J-盒）19的空间。可以提供类似的切口用于电逆变器，以使得布线18可以被全部配置成传输交流电（AC）。或者，可以传输直流电。图4的示意图B除了脊顶盖17与示意图A相比较大并延伸过具有间隔物20的一部分屋顶之外，与示意图A相似。这允许沿着脊线错置开口，用于为屋顶下的空气空间（或通风空间）通气。可以改善通风或另外地用风轮机或风扇加强通风。在有些情况下，这样的通风可以帮助PV模块1的PV电池在热天在较低温度下运行以提高发电。在一个实例中，由屋顶间隔物20提供的空间将空气吸入所述通风空间中，且空气的流动有助于冷却PV模块1的PV电池。在有些情况下，脊顶盖17下的空间除了提供用于布线（例如将PV模块1产生的电传输到输电网络和/或储能装置（例如电池）中的布线）的空间之外，还可以提供用于安装J-盒19和/或小逆变器的空间。在一些实施方式中，布线可以由坐落在屋顶顶部并具有屋顶排气口外观的低剖面盒(low profile box)提供。
在一些实施方式中，本文中提供的屋顶板样PV模块，例如图1的PV模块，具有一个或多个外表面（例如单个压花的外表面），其相对于与所述第一层相邻的第二层的表面以大于零度的角度取向。参考图5，PV模块1包括第二层2的外表面30以及第二部分2和第三部分3之间的内表面40。PV模块1可以包括一个或多个外表面，例如至少2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30、40、50个外表面。外表面30相对于内表面40成角度φ。在有些情况下，φ大于或等于约0°、0.1°、0.2°、0.3°、0.4°、0.5°、0.6°、0.7°、0.8°、0.9°、1°、2°、3°、4°、5°、6°、7°、8°、9°、10°或20°，或者在有些情况下在约0°和2°、或1°和1.5°之间。PV模块1沿着与内表面40平行并从PV模块1的一侧通向另一侧的轴可以具有非均一的厚度。这样的构型使屋顶板能够彼此邻接地铺设而同时容许流体从第一屋顶板流向相对于所述第一屋顶板升高的第二屋顶板。例如，在PV模块1与屋顶上相对于水平表面成角度的屋顶板（例如屋顶板样PV模块或非PV屋顶板）相邻安装的情况下，入射在PV模块1上的水可以沿着重力加速度向量的方向（参见图4，‘g’）流向所述屋顶板并最终流到地面或集水系统（例如沟槽）。图1、2和5的有角度的屋顶板样PV模块1因此容许流体从一个屋顶板流向另一个，同时使水或其它流体的截留最小化。
在一些实施方式中，屋顶板样PV模块可以包括相互平行的多个外表面。在一个实例中，图1的PV模块包括相互平行的两个外表面。
在一些实施方式中，光伏（PV）系统（本文中也称为“太阳能系统”）可以包括多个PV模块，每个PV模块具有用于发电的一个或多个PV电池。在汇流条和用于将所述PV模块固定到屋顶或其它安装结构上的其他结构支撑的帮助下，所述PV模块可以彼此电耦合。PV模块可以彼此串联和/或并联地电耦合。在一些情况下，屋顶板样PV模块与不具有PV模块的屋顶板（即标准屋顶板）结合使用。在一个实例中，一段屋顶的屋顶板可以被用于发电的PV屋顶板代替以提供具有与非PV（或标准）屋顶板混杂的PV屋顶板的屋顶。
在一些实施方式中，浮法线玻璃技术使得能够制备相当薄的各种尺寸的玻璃板。例如，这样的技术可以使得能够形成约1mm厚而尺寸高达约1米×1.8米的玻璃板。在其它实例中，这样的技术可以使得能够形成约0.7mm厚而尺寸高达约1.2米×1.5米的玻璃板。0.55mm厚的玻璃可以制备成较小的尺寸，而稍厚的玻璃可以制成较大的尺寸。较大和较薄的玻璃可以使得能够形成较大和/或较轻的常规太阳能模块和屋顶板样PV模块。在一个实例中，用1mm厚度的玻璃顶板和0.7mm的玻璃背板形成的PV模块其重量是用单一玻璃板和TAPE（
Figure BDA0000424757240000151
铝，聚酯，EVA）背板制成的当前常规PV模块（没有框架）重量的约50%。薄的玻璃-玻璃模块可以有利地提供额外的环境保护，特别是薄膜太阳能电池。
在一些实施方式中，提供了玻璃-玻璃屋顶板样PV模块。在一个实例中，对于图2的PV模块1而言，第二部分2是由玻璃形成的，并且湿汽阻挡层5是由玻璃形成的。这样的玻璃-玻璃构造的潜在问题是PV模块1可能承受不了具有铝框的常规模块所要求的各种机械负载，这可导致结构缺陷、断裂和操作问题。在有些情况下，对于玻璃-玻璃屋顶板样PV模块而言，可以借助于例如支撑构件、例如2012年1月10日提交的美国专利申请No.13/347,383（“PHOTOVOLTAIC MODULES ANDMOUNTING SYSTEMS”）的中空支撑构件和安装系统，来提供附加的结构支撑，所述美国专利申请全部通过引用并入本文。
图6示意性地示出了根据本发明实施方式的光伏（PV）模块。图6的PV模块可以是薄的层状结构。图6的PV模块可以具有本文中描述的屋顶板样构型，例如一个或多个相对于内表面成角度（参见例如图5）的外表面。图6的PV模块包括光学透明材料层1，例如低铁钢化玻璃。光学透明材料层1被构造成允许光（hν）进入模块。在一个实例中，光学透明材料层1包括厚度在约1mm至5mm、或2mm至4mm之间的钢化玻璃。在某些情形中，钢化玻璃是低铁钢化玻璃。在一个实例中，光学透明材料层1具有约3.2mm的厚度。模块还包括粘合剂层2和光伏（PV）电池层3。PV电池层3包括多个PV电池，其各自可以包含CdTe、CIGS、CZTS、CZTSe或无定形硅PV活性材料（或吸收剂）。然而，在某些情况下，PV电池层3可以包括单一PV电池。粘合剂层2用于将PV电池3粘附于光学透明材料层1。粘合剂层2可以包括乙烯-乙酸乙烯酯（EVA）。模块还包括粘合剂层4，其可以由与粘合剂层2相同的材料形成。粘合剂层4将所述PV电池3固定于介电层5，所述介电层被布置成与防潮金属箔6相邻。介电层5可以由聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）形成，和金属箔层6可以由铝形成，在某些情况下具有与TAPE类似的组成。或者，可以使用沉积在薄衬底上的具有湿汽屏障性质的介电薄膜来代替介电层5和金属箔层6。
继续参考图6，PV模块包括与具有层1-6的组堆相邻布置的支撑元件。在某些情况下，支撑元件具有采取蜂窝构型的多个通孔。各单个孔为六边形形状——也就是说，单个孔由具有6个侧面的外壳限定。支撑元件可以由聚合材料、碳纤维材料或复合材料形成。所述通孔可以允许空气到达所述PV模块的PV电池，其可以提供能够帮助提高PV模块性能（例如功率输出）的冷却。
在图6的说明性实施方式中，粘合剂层7将内板8a粘结到层1-6上，并且六边形（蜂窝）支撑结构8通过扩散焊接连结到内板8a上。这样的构造可以代替常用的TAPE组堆中的相对昂贵的“T”构造。在某些情况下，支撑元件8可以在胶粘剂或者一种或多种机械紧固件例如螺丝、稳固件(stable)或夹具的帮助下连结到内板8a上。
在一些情况下，内板8a是厚度t1的内板，且支撑结构8具有厚度t2、高度h和特征性小室宽度（W）的网板(web)。支撑结构8和内板8a可以借助于例如注塑成型方法由聚合材料形成。在一个实例中，支撑结构8和内板8a由从经济的聚合物材料例如聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯（PVC）或耐紫外（UV）辐射的材料制成的注塑成型部件形成。这可以消除对利用焊接来接合8a和8的需要。
图6的支撑结构8包含具有各种形状和配置例如堆积密度(packing density)的通孔。在一个实例中，通孔采取蜂窝构型，其中各单个孔具有6个壁。孔可以具有其他几何形状，例如圆形、三角形、正方形、矩形、五边形、七边形或八边形。通孔可以以密堆积六方（hcp）构型堆积，尽管也可以使用其他堆积配置例如面心立方（fcc）配置。
参数“t1”、“t2”、“h”和“W”可以根据聚合物材料的强度进行调整以给出与它所代替的玻璃板近似相同的刚度。也可以使得刚度重复常规的铝框模块的刚度，这可能与玻璃的情形没有差别。网板厚度“t2”不需要与内板厚度“t1”相同，尽管它们可以相同。这些厚度“t1”和“t2”可以在约0.01英寸至1英寸、或0.02英寸至0.1英寸之间。小室宽度“W”可以在约0.1英寸至2英寸、或0.5英寸至1.5英寸之间，并且网板高度“h”可以在约0.1英寸至2英寸、或0.5英寸至1.5英寸之间。在某些情况下，刚度可以与材料板的厚度的立方成正比，并且可用的厚度倾向于落在相当窄的范围内。为了获得额外的刚度而不增加显著的重量，可以将厚度类似于“t1”和“t2”的附加板8b连结到背面。该外板可以具有在六边形图案的中心的直径为“D”的开口（即圆孔），以允许在日光暴露期间模块的对流热散失。板8b可以由聚合材料或金属材料例如铝形成。
在图6的PV模块的制造中，将各种材料的板连同边封9堆叠在一起，并在升高的温度下，在某些情况下在真空或惰性环境（例如N2、Ar或He）中，将材料结合在一起。在某些情况下，PV电池3由边封9侧面约束。边封9可以是紧靠层2-5固定的独立部件。或者，边封9可以形成为内板8a或支撑结构8的部分。
图6的支撑结构8可以在模具中形成，并且也可以局部地改变用于形成支撑结构8的模具、模板或面板的厚度参数。例如，可以改变支撑结构8的任一维度，甚至包括网板高度“h”，以实现在某些位置处的局部强化。在某些情况下，可以在其中可能遇到较高应力的模块安装区域中改变“h”。可以使得这些区域更强固而同时可以使低应力区域变薄，从而对于给定的材料重量使总体刚度最大化而同时提高选定区域处的强度。在某些情况下，内板8a的厚度“t1”对支撑结构8的刚度贡献很小，因为负荷最终将通过足够强的连结而转移到玻璃上。在这样的情况下，薄内板8a可以帮助获得可靠的连结。可以使内板8a变薄以减轻重量。在某些实施方式中，如果在支撑结构8的小室壁与层6之间可以形成足够的连结，则可以排除内板8a。
支撑结构8以及（如果使用的话）内板8a和外板8b之一或两者可以限定图6的PV模块的支撑元件。在某些实施方式中，内板8a和外板8b之一或两者与支撑结构8成为整体。在某些情况下，内板8a、支撑结构8和外板8b被形成为单一部件。在其他情况下，内板8a和支撑结构8形成为单一部件，并且将外板8b例如利用焊接紧靠支撑结构8固定。在其他情况下，支撑结构8和外板8b被形成为单一部件，并且将内板8a例如利用焊接紧靠支撑结构8固定。这可以在其中支撑结构8的边缘未连结于层6以及它们可以连结到与内板8a类似的结构或材料上的情形中使用。支撑结构8与层6之间的连结可以扩展到模块的整个区域以获得更好的总体强度。
支撑元件可包括延伸通过支撑结构8的至少一部分并且在某些情况下延伸通过整个支撑元件的孔。孔可以由外壳（例如在六边形构型中具有6个壁的外壳）限定。外壳包括在支撑结构8中。具有延伸通过支撑结构8的至少一部分的孔的外壳可以被称为“支撑小室”。支撑小室与能够提供流体流动（例如空气流动）的孔（例如板8b中的孔）流体连通以用于PV电池3的对流冷却。支撑元件（包括支撑结构8）的强度可以随支撑小室的几何结构（包括支撑小室的尺寸）变化。在某些情况下，支撑元件具有每平方英尺约40至160个支撑小室，或每平方英尺60至120个支撑小室，或每平方英尺70至100个支撑小室。该平方英尺数可以是相关于支撑元件的横截面。在一个实例中，支撑元件具有每平方英尺80个支撑小室。在某些情况下，支撑小室以并排方式分布。在某些实施方式中，支撑小室采取紧密堆积配置例如密堆积六方（hcp）或面心立方（fcc）配置。各单个支撑小室的高度可以小于或等于支撑结构8的高度（h）。
支撑小室的数量密度可以与支撑小室的壁厚度或支撑结构8的高度（h）成反比缩放。在一个实例中，降低支撑小室密度可能需要增加支撑结构8的高度或增加限定支撑小室的外壳的一个或多个壁的厚度。在某些情况下，对于由聚合材料形成的支撑结构来说，厚度为约1英寸至3英寸、或1.5英寸至2.0英寸。
图7是PV模块，例如具有蜂窝支撑构件的图6的PV模块，的顶部部分的示意性后视图。PV模块具有特征性小室宽度（W）。对于约1.25英寸的宽度来说，图7的PV模块可以具有如所示的约1米的模块宽度。这可以提供具有经受风负荷和其他环境和操作问题可能所需的结构完整性的PV模块（包括支撑元件）。在某些情况下，如果宽度加倍，高度（h）以约21/3（或约1.26）的系数按比例放大。对于1米乘1.6米的模块长度来说，总体模块尺寸可以与常规框架构造的硅模块大致相同，但是具有更低的成本以及某些情况下更轻的重量。PV模块的重量可以低于同等尺寸的玻璃-玻璃设计。
继续参考图7，PV模块包括靠近模块顶部的一个或多个阴性插座10以提供与模块中的电池的电连接。插座被示出为适配在六边形结构的小室尺度之内，尽管其他插头构型也是可能的。插座可以跨越其中网板被移除（或者开始未模制）的区域，并且它们的形状不必是圆形的。在某些情况下，插头10可以具有阳性构造。
在一些实例中，以图6的情形中所描述的方式形成图1和2的PV模块1。图6的支撑结构可以对图1和2的PV模块1提供结构完整性，其可以有利地帮助最小化（如果不是消除）作业和安装问题，例如材料破损。具有如图6情形中所述的支撑结构的屋顶板样PV模块可以比常规的PV模块轻，使得能够易于运输和安装。
参考图8，图6的结构借助于附接于蜂窝支撑结构8的边缘的边缘夹具21与蜂窝支撑结构8相连。边缘夹具21借助于螺钉（显示）或通过其它连接元件或紧固件与蜂窝支撑结构8相连。在图8的PV模块的顶表面上的机械负荷（例如风、雪）可以迫使所述层状结构靠着坚固的蜂窝支撑，这可以不导致断裂。然而，来自背面的风负荷可能抬高图8的PV模块的中心，如果只使用边缘约束的话，可能引起断裂或其它破裂。因此，图8的PV模块可以包括其中蜂窝小室壁相交的连接位置22。连接位置22可以包括化学紧固件以将图6的结构与蜂窝结构8相连。在有些情况下，所述化学紧固件是粘合剂。连接粘合剂（如硅橡胶）可以选择以具有适合于各种气候条件的性质，并且是足够柔性的以使得在不同热负荷下为松弛的。在一些实施方式中，蜂窝结构的板8a可以被取消或构造成（即成形、加工成）类似于8b而没有任何的功能性损失。这是小连接位置22显示在小室壁相交处的原因。在有些情况下，如果图8的PV模块中包括板8a的话，粘合剂连接区域根据需要可以大得多。因为面料的整体结构强度可以归于蜂窝背板结构，因此在太阳能电池的层合中可以使用很薄的玻璃而不会损害所述PV模块的水蒸汽阻挡性能。这样的构造提供若干益处。例如，所述PV模块可以按比例地重量减轻，并且较薄的玻璃具有提高的光透过率，从而改善PV效率（即暴露于光时的功率输出）。
在一些实施方式中，提供了屋顶板样集热器。屋顶板样集热器可以具有如本文屋顶板样PV模块的情形中所描述的外表面，但是被构造成捕集热能或辐射能，所述能量可以用于例如斯特林发动机（Stirlingengine）。
虽然本文中已经显示和描述了本发明的优选实施方式，但对本领域技术人员而言将显而易见的是，这样的实施方式仅作为实例提供。对本领域技术人员而言，在不背离本发明的情况下，许多变化、改变和替代现在是可以想到的。应该理解，对本文中描述的本发明实施方式的各种替代方案可用于实施本发明。意图是下面的权利要求限定本发明的范围并且因此覆盖在这些权利要求范围内的方法和结构以及它们的等效物。

Claims (24)

1.光伏模块，其包含：
对至少一部分入射光可透过的光学透明材料的第一层；
与所述第一层相邻的水蒸汽阻挡材料的第二层，其中所述第二层对至少一部分来自所述第一层的光是可透过的；
与所述第二层相邻的具有一个或多个互连光伏（PV）电池的第三层，其中所述一个或多个互连PV电池在暴露于从所述第一层通过所述第二层引导到所述第三层的光时发电，和
与所述第三层相邻的电绝缘材料的第四层，
其中所述第一层包括一个或多个外表面，所述外表面相对于与所述第一层相邻的所述第二层的表面以大于零度的角度取向。
2.权利要求1的光伏模块，其中所述第一层包含抗紫外辐射的聚合材料。
3.权利要求2的光伏模块，其中所述聚合材料是聚甲基丙烯酸甲酯。
4.权利要求1的光伏模块，其中所述层借助于粘合剂彼此接合。
5.权利要求1的光伏模块，其中所述水蒸汽阻挡材料包含涂布的聚合材料。
6.权利要求1的光伏模块，其中所述水蒸汽阻挡材料包含SiOx，其中“x”是大于零的数字。
7.权利要求1的光伏模块，其中所述湿汽阻挡材料的水蒸汽渗透性小于或等于约10-4克/m2/天。
8.权利要求1的光伏模块，其中所述一个或多个外表面的至少一部分相对于所述第二层的所述表面被弄成崎岖不平。
9.权利要求1的光伏模块，其还包括与所述第四层相邻的另一种水蒸汽阻挡材料的第五层。
10.权利要求9的光伏模块，其中所述另一种水蒸汽阻挡材料包括铝。
11.权利要求9的光伏模块，其中所述另一种水蒸汽阻挡材料包括涂有一个或多个阻挡层的聚合物基底。
12.权利要求9的光伏模块，其还包括保护材料的第六层。
13.权利要求1的光伏模块，其中所述一个或多个外表面是与所述第一层整合的多个外表面。
14.权利要求1的光伏模块，其还包括与所述第四层相邻的支撑构件，所述支撑构件具有多个延伸穿过所述支撑构件的孔。
15.权利要求1的光伏模块，其中所述一个或多个外表面包含多个凹陷部。
16.光伏模块，其包含：
对至少一部分入射光可透过的光学透明材料的第一层，所述第一层具有凹陷的图案；
与所述第一层相邻的第一湿汽阻挡材料的第二层，其中所述第二层对至少一部分来自所述第一层的光是可透过的；
与所述第二层相邻的具有一个或多个互连光伏（PV）电池的第三层，其中所述一个或多个互连PV电池在暴露于来自所述第二层的光时发电；和
与所述第三层相邻的电绝缘材料的第四层。
17.权利要求16的光伏模块，其还包含与所述第四层相邻的另一种湿汽阻挡材料的第五层。
18.权利要求16的光伏模块，其还包括与所述第四层相邻的支撑构件，所述支撑构件具有多个延伸穿过所述支撑构件的孔。
19.光伏系统，其包含一个或多个屋顶板样光伏模块，所述一个或多个屋顶板样光伏模块的每个屋顶板样光伏模块具有与光活性材料层相邻的光学透明聚合材料压花层，所述光活性材料层被构造成在暴露于来自所述压花层的光时发电。
20.权利要求19的光伏系统，其还包含与所述一个或多个屋顶板样光伏模块中的单个屋顶板样光伏模块相邻的屋顶板。
21.权利要求19的光伏系统，其中所述压花层包含屋顶板样构型的沟槽图案。
22.形成屋顶板样光伏模块的方法，所述方法包括提供与光学透明聚合物板相邻的光活性材料层，所述光学透明聚合物板具有在其中形成的屋顶板样构型的凹陷图案，其中所述光活性材料在暴露于来自所述光学透明聚合物板的光时发电。
23.权利要求22的方法，其中在提供所述光活性材料层之前，在所述光学透明聚合物板中形成所述凹陷图案。
24.权利要求23的方法，其中所述凹陷图案通过压花形成。
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