CN104221109B - 一种整合杂化太阳能电池的玻璃砖以及一种由干砌玻璃砖制成的用于构建半透明建筑围护的预应力板 - Google Patents

Abstract

一种整合杂化太阳能电池的玻璃砖结构，包括至少一个玻璃壳(0)，该玻璃壳(0)具有至少一个用于暴露于太阳辐射下的透光表面(2、9、13)，染色敏化太阳能组件(DSC)设备(3、8)与所述表面(2、9、13)相连以接收通过所述表面的太阳辐射，所述设备还具有电触点以及至少一个通孔(7、11、15、17)，为通向设备触点的电接头提供通往玻璃砖外部区域的通道；以及一种用于构成半透明建筑围护的预应力干砌玻璃砖面板，甚至可应用于高层建筑，此玻璃砖面板在能源产出和节约方面也具有较高的性能。

Description

一种整合杂化太阳能电池的玻璃砖以及一种由干砌玻璃砖制 成的用于构建半透明建筑围护的预应力板

技术领域

本发明涉及玻璃砖以及杂化太阳能电池，还涉及用于构成半透明建筑围护、具有在面板上干砌的玻璃砖及杂化太阳能电池的创新设备。其应用领域为建筑和工程业。

背景技术

玻璃砖由两个通过在印模上压入少量熔凝玻璃获得的玻璃壳构成，再通过热或冷胶合工艺将玻璃壳连接在一起构成内腔。根据玻璃的颜色以及玻璃壳的表面抛光度不同，玻璃砖允许不同百分比的光通过。

玻璃砖优选为传统的平板玻璃，构成半透明的建筑围护，这是因为它们在绝热和隔音、防火(由于存在腔体)、光传导以及模块性上具有更好的性能。

染色敏化太阳能模块可由多个染色敏化太阳能电池(DSC)-又被称为杂化太阳能电池-构成。

一个典型的染色敏化太阳能电池在结构上由透明衬底(例如玻璃)构成，该透明衬底与薄层透明导电氧化物(TCO)(例如FTO，氟掺杂二氧化锡)电导通，并涂覆有半导体材料中孔薄膜，通常为具有毒性和生物相容性的TiO2。该光敏染色分子在 TiO2表面被吸收，构成DSC设备的光电阳极；然后电池在透明FTO覆板的对电极处封闭，该覆板上涂覆有具有催化作用的铂膜。最后，设备由密封胶(如树脂或玻璃粉) 密封封闭，并填充有电解质溶液，由此完成电池并使其运行。

DSC通过光学分子激励、电子和离子转移工作，过程类似于植物的光合作用。

近来，DSC技术已经实现了世界级的效率水平(就电池和组件而言)，足以与当下在市场中占据统治地位的硅基太阳能技术相媲美。

根据最新技术，市场上已经出现了一些DSC产品。这些组件以部件或者成套的形式出售，同样适用于建筑一体化。

传统的用于构建玻璃砖面板/墙壁/屋顶的湿装配系统不适于构建高层建筑围护，尤其是不适用于构建由安装于建筑结构垂直平面外部的玻璃砖面板构成的建筑围护。由于其结构，装配有砂浆棒和钢棒的预铸玻璃砖面板可被砌筑墙同化，由于垂直于墙面的作用力的存在，产生典型的与压力相关的缺陷。作用在面板上的水平风力的确会根据不同的因素而引起可变实体的弯曲变形。因此，可以很容易地理解，湿装配系统用于玻璃砖建筑的围护，尤其是用在高层建筑上是不合适的。

对最新技术的分析突出说明了多个显示预铸干砌玻璃砖面板构建解决方案的专利的存在。然而，它们通常涉及室内应用，并不用于构建建筑表面。在最重要的解决方案中，那些涉及到连续或部分连续的元件-作为面板的支撑结构-会被提及。这些元件位于玻璃砖之间，其积极配合增加面板的机械阻力，并作为封闭元件(即Earl Thompson，玻璃砖结构装配(Glass block construction assembly)，专利n.US5010704， 1991年4月30日)。涉及到此类干装配系统的专利本质上在制作支撑元件的材料(也就是钢、铝、塑料)以及形状上有所不同。可以为所述铝或塑料元件提供特殊的空间，定位加固杆从而使面板/墙壁建筑可以承受较高的机械压力。在这些被分析的专利中，只有Shimizu Construction有限公司的专利(n°JP5230899(A)，1993年)预见了在两个方向(垂直和水平)上施加预应力的玻璃砖面板的构建。

附图说明

在附图中：

图1.1-5.5示出了根据本发明的玻璃砖的多个实施例；

图6-9示出了根据本发明的面板；

具体地：

图1.1示出了在作为假设1的描述中列举并在段【0050】中出现的玻璃砖结构的轴向爆炸视图；

图1.2示出了所述结构的前视图；

图1.3示出了所述结构的细节放大截面图；

图1.1a示出了在作为假设1a的描述中列举并在段【0053】中出现的玻璃砖结构的轴向爆炸视图；

图1.2a示出了所述结构的前视图；

图1.3a示出了所述结构的细节放大截面图；

图2.1示出了在作为假设2的描述中列举并在段【0054】中出现的玻璃砖结构的轴向爆炸视图；

图2.2示出了所述结构的前视图；

图2.3示出了所述结构的细节放大截面图；

图2.1a示出了在作为假设2a的描述中列举并在段【0056】中出现的玻璃砖结构的轴向爆炸视图；

图2.1a示出了所述结构的前视图；

图2.2a示出了所述结构的细节放大截面图；

图3.1示出了在作为假设3的描述中列举并在段【0058】中出现的玻璃砖结构的轴向爆炸视图；

图3.2示出了所述结构的前视图；

图3.3示出了所述结构的细节放大截面图；

图3.1a示出了在作为假设3a的描述中列举并在段【0060】中出现的玻璃砖结构的轴向爆炸视图；

图3.2a示出了所述结构的前视图；

图3.3a示出了所述结构的细节放大截面图；

图4.1示出了在作为假设4的描述中列举并在段【0061】中出现的玻璃砖结构的轴向爆炸视图；

图4.2示出了所述结构的截面图；

图4.3示出了所述结构的前视图；

图4.4示出了所述结构的细节放大截面图；

图5.1示出了在说明书中列举为“温度带”并在段【0062】中出现的塑料异型材分解结构的前视图，在此示例中安装有DSC模块；

图5.2示出了所述塑料异型材组装后结构的前视图；

图5.3示出了所述塑料异型材的水平截面图；

图5.4示出了在作为假设4的描述中列举并在段【0061】中出现的玻璃砖分解结构的侧视图；

图5.5示出了所述玻璃砖组装后结构的侧视图；

图6示出了根据本发明在段【0069】中出现的面板的前视图和俯视图；

图7为所述面板的细节放大后的前视图和俯视图；

图8.1为所述面板的垂直剖面的俯视图和截面图；

图8.2为所述面板的水平剖面的俯视图和两个截面图；

图9为所述面板的3D分解图。

具体实施方式

杂化太阳能电池于玻璃砖上的应用可通过多种方式实现。DSCs可以沉积在其中一个玻璃壳(假设1和2)的外表面，或者内表面(假设3)上；它可以分别在特定的支承上组装，然后固定到玻璃砖的玻璃壳的外侧(假设1a，2a)或者内侧(假设3a)，或者在两壳中间，两壳利用特殊的异型塑料垫片构成自身的隔阻，也起到“温度带”的作用，玻璃壳在其上冷胶合(假设4)。有效层的沉积可通过简单的丝网印刷工艺实现，其还可设计具有特殊形状的DSC模块。

为了实现本发明的目的，其生产工艺基于太阳能模块应用于玻璃砖的方式而定。

每一个假设表示不同的玻璃砖结构。每个整合有DSC的玻璃砖均会伸出两个电接头(+/-)，以与其他的玻璃砖/PV模块相连并且构成干砌PV面板18(图6)，可用于建成半透明的建筑围护。这种由连续的玻璃砖并置形成的水平和垂直腔体可容纳面板18的含有加固钢杆23以及电气互连部的塑料异型材20、21。

假设1(图1.1、1.2、1.3)预见了其中一个玻璃壳0用于与DSCs整合的形状改进，其中假定该玻璃壳0向阳。玻璃壳0的面2在结构上具有边框1，该边框1像框架一样贯穿外表面的整个边界。可在面2上涂覆不同的TCOs。该边框1具有足够的厚度从实现玻璃板4的整合，其中该玻璃板4预先涂覆有TCO以及一层催化剂并用于封闭位于玻璃壳0平面区域2内的电池3。虽然该边框减少了用于沉积的有效区域，但它可更好地固定玻璃板并保护其边缘。传统的玻璃砖热胶合组装依然得以沿用：事实上，电池3在玻璃砖组装之后实现沉积。将玻璃砖的组装过程从DSC层的层积分离开来会为实现此产品带来好处。在组装透明电极和密封设备之后，可以通过玻璃封闭板4的表面上的孔洞5来完成电解质填充，这对于电池3的保护和功能性而言是必要的。所述孔洞必须由透明的密封胶封闭。该设备通过密封部6密封封闭，以防止其受大气微粒的影响，并可将玻璃封闭板4固定到玻璃壳0上。为了使电接头(+/-)从设备中凸显出来，可以预见这需要至少一个穿过玻璃壳0的通孔7。对于半透明干砌光敏面板18，所述电接头可以分组隐藏在塑料异型材20、21内，位于在并置玻璃砖之间的空间内。

在【0050】段中描述的假设1中，还可以研究使用准固态(凝胶)聚合材料代替电解液的可行性，以避免电解液封装和蒸发相关的问题，而沉积处理可以通过其他工艺完成。

还可预见到逆向电极，以及由此产生的逆向DSC3沉积处理，通过将催化剂沉积在玻璃壳0的平面区域2上，并将电池3应用到预先涂覆有TCO的玻璃板4上，以确保此设备的生产过程具有更高的效率和更容易的工艺。通过这种方式，活动层暴露于玻璃砖的外侧，最终获得更高的太阳照射率。

假设1a(图1.1a、1.2a、1.3a)预见了在改进的玻璃壳0内进行整合的可能性，如假设1所描述的，完整的DSC模块8已经得以生产出，其中两电极由可导玻璃板构成。其可以位于玻璃壳0的平面区域2内，由边框1镶边。一方面，假设1a意味着更大程度地利用玻璃，而另一方面，它也简化了设备(DSC模块以及玻璃砖)的生产。

假设2(图2.1、2.2、2.3)预见了玻璃壳0，以及将DSC与已经装配的玻璃砖整合的改进。该方案增加了DSC沉积的有效区域。玻璃壳0的整个面9是平坦的，以使其可能为太阳能电池3的沉积提供完全的平面区域。它作为太阳能设备的透明衬底，其由合适形状的玻璃板10封闭，并且在穿过DSCs的整个圆周的边缘上通过密封胶6固定在玻璃壳0上，互相接触的两个平坦表面可以简化电解质注入的工艺，此工艺能够利用电极间的接合，并避免了在封闭玻璃板10表面上的钻孔处理。为了使电接头(+/-)从设备中凸显出来，可以预见至少一个通过玻璃壳0的通孔11。对于半透明干砌光敏面板18，电接头可以分组隐藏在塑料异型材20、21内，位于在并置玻璃砖之间的空间内。

对于假设2，也可以预见到替代电解质，如【0051】段所描述的那样。还可能预见到逆向电极，如【0052】段所述。

假设2a(图2.1a、2.2a、2.3a)预见了将假设2a中描述的玻璃壳0的改进面9与已经生产的完整的DSC模块8整合的可能性。它固定在玻璃壳0的平坦面9上。这意味着在更大程度上使用玻璃，事实上，玻璃壳0的表面不构成电池的衬底，但同时，该假设可简化设备(DSC模块加上玻璃砖)的生产。

【0054】和【0052】段中描述的玻璃砖结构的弱点在于上玻璃板的边缘，其位于已经装配的玻璃砖的玻璃壳0的平面区域9上。需要一种保护元件，如可以防止由大气导致的设备可能受到的腐蚀并可确保边缘的机械耐力的衬垫。保护框架12可由塑料材料构成，并通过机械接头固定到玻璃壳0的外围，即通过玻璃壳0后部的沟槽和 /或通过冷胶合。对于【0052】段描述的假设2a，保护框架意味着玻璃砖装配以及设备维护和/或替换的简化。

在假设3(图3.1、3.2、3.3)中，玻璃壳0的形状得以保持：其内平坦面13作为电池3沉积的衬底。然后具有合适形状的玻璃板14用于封闭设备。电池位于玻璃砖腔体内，一方面有利于设备的耐久性，事实上，它避免了显露于外部环境，因此，也避免了大气因素(如雨、冰雹、雨)以及其他机械或化学因素的影响。另一方面，当玻璃砖装配后，电池3是不能沉积的，此外，两玻璃壳0进行传统的高温(900℃) 热胶合对DSCs是致命的，因此，必须通过树脂进行冷装配。在电极组装-由玻璃板 14构成-以及设备密封6后，电解质可通过封闭玻璃板14表面上的孔洞5进行填充，之后该孔洞必须被密封。该电接头(+/-)会进入玻璃砖的腔体内部，通过至少一个通孔15出来，其中该通孔15在两玻璃壳0之间的接合的树脂处钻开。

对于假设3，也可以预见到替代电解质，如【0051】所描述的那样。

假设3a(图3.1a、3.2a、3.3a)预见到将一已经制造的DSC模块8整合到其中一个玻璃壳的平面内面13上。这意味着在更大程度上利用玻璃，事实上，玻璃壳0的内表面不构成电池的衬底，但同时，该假设可简化设备(DSC模块以和玻璃块)的生产。

假设4(图4.1、4.2、4.3、4.4)基于玻璃砖的一种新结构，用于优化产品的热性能，其包括对玻璃砖内腔的分隔，以减少透明度，并且特别地，通过在玻璃砖自身内部插入由玻璃或不同的半透明高绝缘材料，如聚碳酸酯+气凝胶、气凝胶或者聚碳酸酯，构成的板，以减少对流。

“温度带”16用于插入绝缘板内并构成热阻断(图5.1、5.2、5.3)。它是由塑料异型材构成，在其上两个玻璃壳0冷胶合(图5.4、5.5)。

在假设4中(图4.1、4.2、4.3、4.4)，DSC模块8插入“温度带”16中，替代在【0061】段中所述的不同材料的板。该“温度带”通过一简单的装配系统支撑DSC 模块。“温度带”16a的U形部分容纳DSC模块8，并通过一公母连接系统由一上部 16b封闭。然后，玻璃壳0与装配好的“温度带”冷胶合。

在假设4中，该“温度带”16还提供至少一个通孔17，用于使电接头(+/-)伸出设备外。这些用于布线的通孔位于“温度带”的上部16b中。

具有两面并且位于玻璃砖中间的DSC设备可以容易地吸收来自外部环境和室内的光。玻璃壳0的内表面可以抛光或者调整，以使到达DSC模块的光接收最优化。另外，两个玻璃壳0可保持不变。然而，可以预见到修改玻璃壳0侧面的尺寸，以根据产品不同的隔热/音水平获得玻璃砖内部腔体的不同尺寸。本假设的优势在于工业生产，因为它可能会采用为整合到“温度带”而定制的、即时使用的DSC模块，然后可容易地继续装配玻璃砖。

为了建成由玻璃砖19构成的半透明面板18，如【0050】-【0064】所述的传统的或PV整合，本发明还提供有一种创新的干装配系统。

该新的干装配系统克服了传统的湿装配系统的局限，使面板具有足够的机械耐力。本发明利用玻璃砖的机械耐力作为面板应对外部压力的主动组件。预应力技术是本发明的基础，并且可以预见，面板的预应力仅在垂直方向上存在，对应于其优势尺寸。这样，使得仅面板的上部和下部的必要的元件具有预应力的倾向，并且使得面板并排排列成为可能，并保持水平带之间非常窄的接合部以及水平带的连续性，这些水平带构成了建筑围护本身。应用在玻璃砖面板上的预应力产生了与水平作用力(即风或者地震作用)相对的压力状态：压力的两种状态(预应力+水平作用力)的重叠确定了面板在外力作用下更高的抗力。

面板预应力产生的效果还可能使面板安装在水平位置以建成如半透明屋顶成为可能。在这种情况下，预应力会平衡由于垂直负载而造成的影响(自身重力、偶然的积雪压力、风等)。

面板18由干砌玻璃砖19构成，如【0050】-【0064】段所述(图6)，如传统的或PV整合的。在两并置玻璃砖之间的腔体内，置有一由塑料材料制成的支撑结构。该支撑结构由水平连续元件20和垂直元件21构成，其中水平连续元件20长度等于平板18的底部的长度，垂直元件21长度等于玻璃块19的尺寸(图9)。垂直元件21 提供有穿孔22，供用于应力处理的加固钢杆23通过(图8.1)。水平型材20也提供有穿孔24，供垂直加固钢杆23通过(图8.2)。支撑结构20、21的形状根据玻璃砖 19间腔体的形式而定，其连接到玻璃砖的横向表面上，并且通过仅2mm厚的接合部 25间隔开它们的小突出翼(图7)。支撑结构20、21具有不同的功能：预应力需要的加固钢杆23的通过需要垂直元件21；在玻璃砖排上传递并均匀分布预应力作用需要水平元件20(图9)；当玻璃砖如【0050】-【0064】段所述为PV整合的，则需修整水平型材20以容纳平板的电接头。对于面板18的应力，钢板26位于面板18上部或下部的塑料板27上，这对于使该钢板与玻璃砖19的侧面分离是必需的。塑料板27 靠在一层将要固定到玻璃砖的横向面上的树脂上。先前的两个板26、27设有供钢杆 23通过的穿孔，在钢垫圈29定位于钢板26和夹紧螺母28之间后，钢杆23通过夹紧螺母28压紧(图7)。本发明使得构成面板的玻璃砖装配更为容易，根据玻璃砖本身尺寸的不同，面板也具有不同的尺寸。

面板的装配可在工厂内而非施工场地(传统的玻璃砖湿装配通常是这种情况)进行，这使得创建过程更有效率，确保产品的质量，减少构建半透明建筑正面和屋顶的时间和成本。此外，使用预应力技术可确保面板的高机械性能，以及建筑方面的高质量。

综合上文描述，本发明公开了一种整合杂化太阳能电池(又称为染色敏化太阳能电池-DSC)的玻璃砖以及由传统的或者DSC整合的玻璃砖构成的干砌面板。玻璃砖与DSC模块的组合在能源节约和生产方面提高了玻璃砖的性能。最终完成的产品具有两个元件(玻璃砖和DSC模块)的品质，可以最优地产出洁净能源。玻璃砖的透明度以及热-音隔离可以根据每个安装安全的具体需求调整。既然DSCs可以用不同的颜色和多种样式印刷，也可以在美学方面对玻璃砖做出变化，并且由于玻璃砖和面板的模块化，可以容易地在建筑正面做图。此外，DSCs可以在不同的光线情况下积极有效(即使是漫射光，还有转换内部的人造光源)，并且与太阳辐射的角度无关。

本发明提出了7个与DSCs与玻璃砖的整合以及将该新产品和/或者传统玻璃砖装配到预应力板的系统相关的假设，其中所述预应力板构成了建筑围护，甚至是对于高层建筑。由于构建建筑围护不再需要其他的技术要素，该装配系统在成本和材料方面有益于经济性。面板的支撑结构由塑料元件构成，其位于由玻璃砖并置形成的水平或垂直腔体内。该支撑结构容纳有加固钢杆以及电接头(在整合DSC的玻璃砖用于构建光伏电池板的情况下)。为了克服传统的用于装配玻璃砖的湿装配系统的限制，在钢杆上施加预应力以给予面板足够的机械抗力，以抵抗垂直于安装平面的作用力影响，如风和地震等造成的作用力。在此结构中，玻璃砖的机械抗力得以充分利用。单方向的预应力(沿着面板的优势尺寸方向)通过插入钢杆中的螺母的夹紧获得，与位于面板上部和下部的钢板相对。该钢板位于塑料板上，而该塑料板则通过树脂固定在玻璃砖的侧面上。

Claims (11)

1.一种整合杂化太阳能电池的玻璃砖结构，包括：

-一玻璃壳(0)，该玻璃壳(0)具有配置为暴露于太阳辐射下的平坦透光表面(2、9、13)；

-染料敏化太阳能电池(DSC)模块，直接固定至所述玻璃砖的所述平坦透光表面(2、9、13)上以接收太阳辐射，其中所述玻璃砖的边垂直于所述平坦透光表面延伸，所述模块具有电触点；以及

-一通孔(7、11、15、17)，为通向所述电触点的电接头提供通往玻璃砖外部区域的通道。

2.根据权利要求1所述的整合杂化太阳能电池的玻璃砖结构，其中所述平坦透光表面是外透光外表面(2)，所述外表面(2)可导，以作为染料敏化太阳能电池模块的叠加层的电极，可导玻璃封闭板(4)应用在所述染料敏化太阳能电池模块上以形成一缝隙，所述封闭板(4)具有一个或多个孔洞(5)，电解质通过所述孔洞填充所述缝隙。

3.根据权利要求2所述的整合杂化太阳能电池的玻璃砖结构，其中外表面(2)具有带有厚度的外围边框(1)，所述染料敏化太阳能电池模块以及所述封闭板(4)处在所述边框(1)的厚度内。

4.根据权利要求1所述的整合杂化太阳能电池的玻璃砖结构，其中所述平坦透光表面是在所述玻璃砖的一外侧，所述平坦透光表面(9)可导，以作为所述染料敏化太阳能电池模块的叠加层的电极，通过在层的整个周边边界上应用的密封部(6)，另一可导玻璃板(10)应用于电池(3)的层上，因此构成接合部，通过该接合部填充电解质。

5.根据权利要求1所述的整合杂化太阳能电池的玻璃砖结构，其中所述平坦透光表面是在玻璃砖的一外侧。

6.根据权利要求5所述的整合杂化太阳能电池的玻璃砖结构，其中保护框架(12)通过机械接合或者冷胶合固定至玻璃壳(0)的周边上。

7.根据权利要求1所述的整合杂化太阳能电池的玻璃砖结构，包括两个通过树脂接合部装配的玻璃壳(0)，所述树脂接合部具有通孔(15)以为通向电触点的电接头提供通往玻璃砖外部区域的通道，其中所述平坦透光表面为玻璃壳(0)的透光内表面(13)，所述内表面(13)可导，以作为所述染料敏化太阳能电池模块的叠加层的电极，可导玻璃封闭板(14)通过密封部(6)应用于电池(3)上以形成缝隙，该可导玻璃封闭板(14)具有一个或多个孔洞(5)，电解质通过所述孔洞填充缝隙。

8.一种整合杂化太阳能电池的玻璃砖结构，包括：

-一第一玻璃壳，该玻璃壳(0)具有用于暴露于太阳辐射下的平坦透光表面；

-完整的染料敏化太阳能电池(DSC)模块，直接固定至所述玻璃砖的所述平坦透光表面上以接收通过所述平坦透光表面的太阳辐射，其中所述玻璃砖的边垂直于所述平坦透光表面延伸，所述模块具有电触点；

-一通孔，为通向电触点的电接头提供通往玻璃砖外部区域的通道；以及

-第二玻璃壳，其中

第一和第二玻璃壳是通过树脂接合部装配，所述树脂接合部具有通孔以为通向电触点的电接头提供通往玻璃砖外部区域的通道，其中所述透光表面是所述第一玻璃壳的透光内表面。

9.根据权利要求1所述的整合杂化太阳能电池的玻璃砖结构，其中所述染料敏化太阳能电池(DSC)模块为双面模块。

10.一种预应力面板，其提供一种支撑结构，所述结构包括：

-根据权利要求1所述的整合杂化太阳能电池的玻璃砖结构，

-具有穿孔(22、24)的塑料异型材(21、20)，沿优势方向和非优势方向配置在两排玻璃砖(19)之间，

-加固钢杆(23)，位于沿优势方向布置的异型材(21)的穿孔(22)内，并横穿沿非优势方向布置的异型材(20)的穿孔(24)，所述钢杆在其端部设有螺纹，

-钢板(26)，位于塑料板(27)上面板的顶部和底部，使钢板与玻璃砖(19)的侧面分离，所述钢板和塑料板(26、27)设有穿孔供钢杆(23)通过，

-加压夹紧螺母(28)，能够在钢棒端部上旋入以仅在所述优势方向上压紧面板。

11.根据权利要求10所述的预应力面板，其中所述异型材(20)被设置为容纳面板玻璃砖的电互连。