CN106436990A - 整合太阳能帷幕墙系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种整合太阳能帷幕墙系统，将太阳能单元整合于帷幕墙面板，相邻的太阳能帷幕墙面板之间电性连接，从而不会影响帷幕墙的防水性能，且能够从建筑物内部更换太阳能单元。

Description

整合太阳能帷幕墙系统
技术领域
本申请案根据美国专利法第119(e)来主张申请于2015年8月6日的美国临时申请案第62/201,920号的优先权。
本发明涉及一种外部帷幕墙，其于帷幕墙选择的区域具有太阳能板。
背景技术
外帷幕墙通过许多墙面与相邻的墙面以垂直与水平方向组合封装而成，其主要包含项目建筑师提供的美观设计以及外墙系统设计师或供货商所提供的内部环境保护的设计，而众所皆知的内部环境保护的设计的三个最重要的指标为风力阻抗、防水效果以及阻热；为了于帷幕墙系统中增加太阳能板，需要考虑以下因素：
第一，太阳能板的位置要选择能够接收日照，譬如可以接收最大日照海拔或是距离地面最高的墙面。
第二，必须采用拉线的方式将太阳能板所产生的电力带到建筑物内部，为了满足此功能要求，电线必须穿过帷幕墙，而电线穿过的地方就有可能发生渗水的问题；因此减少电线穿过位置的数量将是有益的。为了达到此目的，目前市场上的太阳能墙板具有下面特征：(1)太阳能墙板为水平排列；(2)每一单元上采用工厂组装正、负极连接器，以方便与相邻的单元以串联方式卡入连接；(3)电线开孔位置邻近墙角或是末端墙面框；(4)针对外露的电线与连接器设置永久保护盖。
第三，具有太阳能板的帷幕墙允许替换损坏或是功能异常的太阳能单元，替换个别的太阳能单元的目的是维护整体功能，有以下两种方式可替换个别的太阳能单元：
第一种方式是将太阳能单元整合于帷幕墙系统内，此方式可使电线系统所产生的美观冲击最小化，然而，要将太阳能单元整合入帷幕墙系统具有以下困难：(1)要并联的相邻帷幕墙单元的内部或外部连接器的电线带出，则必然要于每一墙面单元的特定部件开孔，因此，由于开孔上完美密封的要求，使得水渗漏的风险相当高；(2)如果电连接器藏于竖立的帷幕墙系统内，则当需要将旧的单元替换时，要将其连接器拔除并接上新的单元的连接器会非常困难；(3)假如电连接器曝露于内部或外部，帷幕墙系统的美观将会被额外增设的电线系统保护盖所破坏。
第二种方式是将太阳能板外挂于竖立的帷幕墙，其优点如下：(1)额外增设太阳能板所产生渗水的风险相当有限，因为其最终电线开口位置一般位于墙角或是末端墙面框；(2)替换个别的太阳能板的技术困难度较低。而其缺点则为：(1)帷幕墙系统外部的美观会受到太阳能板区域的影响；(2)大幅增加成本；(3)需要外部连接设备来替换个别的太阳能板；(4)于具有景观玻璃的高耸建筑物，其于受到太阳能板夹设的楼板玻璃区域，会因为外挂的太阳能板导致清洗外部玻璃变得相当困难。
几乎所有现存太阳能墙系统均采用外挂的方式，但是整合太阳能单元的帷幕墙系统且不具有渗水风险在现有技术中难以实现，这也是本领域技术人员的一个重要研究方向。
发明内容
本发明所提出的较佳实施例的太阳能墙板设计具有一个或是一个以上的以下特征：(1)可以整合任何市面上可取得的太阳能单元进入帷幕墙面板或单元，而不会有渗水的风险；(2)在所有帷幕墙效能的功能上兼容于一般非太阳能面板或单元；(3)不论于室内或室外都无需额外美观用的电线盖；(4)可以由建筑物内部简单地替换个别的太阳能单元；(5)相较于现有外挂式太阳能墙板单元能大幅降低成本。
于本发明的较佳实施例，太阳能板整合于空气回路帷幕墙单元，于空气回路系统中(合并参考美国专利公告第5,598,671号以及第7,134,247号专利)，帷幕墙系统渗水的问题可以通过周围内、外空气回路来将气密隔离于防水密封而能有效解决；环绕于每个面板的外空气回路通过三层阻障来达到天候的保护，分别为水气驱除阻障、水气密封线、以及气密线。水气驱除阻障将能驱除大部分风吹雨打的水气，并允许外界空气进入墙板接合来使得整个墙板接合槽压力平衡，水气驱除阻障以及水气密封线之间的空间为湿润外空气回路部分，并具有实时排水机制；水气密封线以及气密线之间的空间则为干燥外气体回路部分。
由于所有的墙板接合槽都形成压力平衡，空气回路系统可以于水气密封线以及气密在线承受较高的瑕疵，从而不会引起渗水；因此，于需要整合太阳能板的帷幕墙面板框架上的电线，可以于压力平衡的两个空间穿越，而不会增加渗水的风险。
于较佳实施例中，太阳能板通过空气回路帷幕墙面板框架固定，框架构件形成环绕太阳能板周围的压力平衡的空气回路；当帷幕墙竖立时，邻接于帷幕墙单元的太阳能板则可以通过穿越每一个帷幕墙单元的头框架构件的孔洞、以及位于帷幕墙单元的间的竖框，来构成串联的电性连接。
为了达到上述目的，本发明提供了一种整合太阳能帷幕墙系统，其包含：
一第一空气回路帷幕墙面板，包含一固定于一第一周围框架的第一太阳能单元；
一第二空气回路帷幕墙面板，包含一固定于一第二周围框架的第二太阳能单元；
一竖框，设置于该第一空气回路帷幕墙面板与该第二空气回路帷幕墙面板之间；及
一竖框电线，穿过该第一周围框、该竖框、该第二周围框并电性连接该第一太阳能单元与该第二太阳能单元。
为了达到上述目的，本发明还提供了另一种整合太阳能帷幕墙系统，其包含：
一第一空气回路帷幕墙面板，包含一固定于一第一周围框架的第一太阳能单元；
一第二空气回路帷幕墙面板，包含一固定于一第二周围框架的第二太阳能单元，其中该第一周围框架与该第二周围框架为水平接合；
一竖框，接合于该第一空气回路帷幕墙面板与该第二空气回路帷幕墙面板；及
一竖框电线，穿过该第一周围框、该竖框、该第二周围框来并电性连接第一太阳能单元与该第二太阳能单元。
在本发明的一实施例中，能够从一建筑物的内部将该第一太阳能单元从该第一周围框移除。
在本发明的一实施例中，该第一太阳能单元为一隔热玻璃太阳能单元。
在本发明的一实施例中，该第一太阳能单元为一单一玻璃太阳能单元。
附图说明
图1为典型隔热玻璃太阳能单元结合于本发明的墙板的立体示意图；
图2为单一玻璃太阳能单元结合本发明的墙板的立体示意图；
图3为较佳工厂组装且用来作为本发明结合图1中的隔热玻璃太阳能单元的竖立空气回路面板的后视立体图；
图4为较佳工厂组装且用来作为本发明结合图2中的单一玻璃太阳能单元的竖立空气回路面板的后视立体图；
图5A为较佳工厂预先穿线并作为本发明的竖立空气回路竖框，用以串联电性连接于相邻太阳能板的部分立体示意图；
图5B为图5A中的竖框的部分剖面立体示意图；
图6A为工厂预先穿线并作为本发明的竖立空气回路竖框，用以电性连接一列太阳能面板的一端至较低起始列的太阳能面板、或是至建筑物的电源分配中心的配线系统的部分立体示意图；
图6B为图6A中的竖框的部分剖面立体示意图；
图7为两相邻竖立太阳能面板连接于两相邻面板之间的部分立体内部示图；
图8为工厂制造头窗户压条，其于电连接器位置上具有缺槽的部分立体示意图；
图9为已经安装的具有太阳能面板的墙面的部分内视图，其显示没有电路外露，且较佳的线路布局为隐藏的串联走线系统；
图10为图9中沿着剖面线10-10的剖面示意图，其绘示通过规则排列的非太阳能面板与隔热玻璃太阳能面板所构成的水平连接；
图11为图9中沿着剖面线11-11的剖面示意图，其绘示单一玻璃太阳能单元之间所构成的水平连接。
附图标记说明：10-太阳能单元；11-外玻璃墙面；12-内玻璃墙面；13-正极输出线；14-正极连接器；15-负极输出线；16-负极连接器；20-太阳能单元；21-玻璃墙面；22-线槽；23-正极输出线；24-正极连接器；25-负极输出线；26-负极连接器；28-结构性间隔块；30-面板；31-头框架构件；32-门窗边框构件；33-窗台构件；34-窗户压条；35-电线开孔；40-面板；41-头框架构件；42-门窗边框构件；43-窗台构件；44-窗户压条；45-电线开孔；46-结构性面板；50-竖立空气回路竖框；51-竖框电线；51a-竖框电线；51b-竖框电线；52-竖框壁面；53-竖框壁面；54-竖框腹板；57-竖框盖；58a-正极连接器；59b-负极连接器；60-竖立空气回路竖框；61-竖框电线；62-竖框壁面；63-竖框壁面；64-竖框腹板；67-电线末端；69-电线末端；70a-太阳能板；70b-太阳能板；71a-头框架构件；71b-头框架构件；74a-窗户压条；74b-窗户压条；75a-电线开孔；75b-电线开孔；76a-负极连接器；76b-正极连接器；80-头窗户压条；81-缺槽；82-腿部；83-腿部；90-非太阳能空气回路面板；93-起点；94-最终负极埠；95-水平走线；96-向下走线；98-向下走线；99-向下走线；133-窗台框架构件；151-竖框电线；175-空间；176-空间；177-空气开孔；178-内空气回路空间；180-窗户压条；188-内空气回路空间；191-连接器组件；251-竖框电线；275-空间；276-空间；277-空气开孔；278-内空气回路空间；280-窗户压条；288-内空气回路空间；291-连接器组件；298-压力平衡空间；10-10-剖面线；11-11-剖面线。
具体实施方式
为清楚呈现本发明所公开的较佳实施例，以下将提出几个实施例以详细说明本发明的技术特征，同时佐以图式以使该些技术特征得以彰显；为了以下的描述清楚地呈现，电线于铝挤型知孔洞位置所需要的保护筒于图中并未绘示。
图1为典型隔热玻璃太阳能单元10的立体示意图，其具有外玻璃墙面11与内玻璃墙面12，线槽(图中未示)夹设于两个玻璃墙面之间，并具有正极输出线13、工厂安装的正极连接器14、负极输出线15、以及工厂安装的负极连接器16。
图2为传统具有单一玻璃墙面21的单一太阳能单元20的内部立体示意图，由线槽22延伸出正极输出线23、工厂安装的正极连接器24、负极输出线25、以及工厂安装的负极连接器26；正极连接器24与负极连接器26可以整合为线槽22的一部分，从而能省去输出线23、25。为了适用于本发明，具有与线槽22相同深度的结构性间隔块28于玻璃墙面21周围间隔排列，结构性间隔块28可以于工厂内胶黏于玻璃墙面21，间隔块28的数量则取决于玻璃墙面21的尺寸。
图3为典型工厂组装且用来作为本发明结合图1中的隔热玻璃太阳能单元10的竖立空气回路面板30的内视立体图(由头框架构件31底侧的视角)，工厂安装的空气回路面板周围框架包含有头框架构件31、两个门窗边框构件32以及窗台构件33；太阳能单元10利用可拆下窗户压条34由三个侧边(窗台以及两个门窗边框)来结构上固定于面板框架的内侧，头框架构件31的窗户压条34于面板竖立时来装设，其于图7处有详尽描述，两个电线开孔35则由头框架构件31来提供。
一项现有技术已描述于美国专利公告第5,598,671号以及第7,134,247号专利中，组合空气回路面板具有空气空间来概略形成环绕且靠近面板面向单元(譬如太阳能单元)、且于面板周围框架内的循环，空气回路连通于外界气体来提供压力平衡，防止水气渗入；额外的压力平衡空间则形成于相邻面板的连接处之间，如图10、图11所示。
图4为典型工厂组装且用来作为本发明结合图2中的单一玻璃太阳能单元20的面板30的内视立体图(由头框架构件41底侧的视角)，工厂组装空气回路面板周围框架包含有头框架构件41、两个门窗边框构件42以及窗台构件43；结构性面板46设置于太阳能单元20之后，且抵靠于间隔块28以及线槽22。太阳能单元20以及结构性面板46利用可拆下窗户压条44由三个侧边(窗台以及两个门窗边框)来结构上固定于面板框架的内侧，头框架构件41提供两个电线开孔45；为了清楚显示，于图4中部分的结构性面板46予以剖开，来显示具有线槽22以及间隔块28的太阳能单元20。
图5A为典型工厂预先穿线并作为本发明的竖立空气回路竖框50的部分立体示意图，用来连接太阳能面板的竖框电线51安装于竖框50的每一侧，其于工厂穿线、以末端向上缠绕于竖框腹板54两侧来安装，竖框电线51的长度取决于竖框50每一侧所安装的太阳能面板连接所需的距离。
图5B为靠近缠绕于竖框50内的电线的竖框50剖面图，竖框电线51穿过竖框腹板54每一侧的两竖框壁面52、53，并缠绕于竖板壁面52，电线开孔的位置较佳会选择稍微低于要连接的太阳能面板的面板螺丝的位置；于此位置，当地震所引发的内楼板间的偏移时，竖板50与头面板框架31(见图3)或41(见图4)的相对移动会相当有限。因此，而于安装竖板电线51时可以不需要考虑面板偏移所造成的挤压。
图6A为典型工厂预先穿线并作为本发明的竖立空气回路竖框60的部分立体示意图，竖框电线61于工厂预安装于竖框60的竖框腹板64的一侧，以一松散的电线末端67向上缠绕并连接置每一列太阳能面板的起始或是末端的太阳能面板，另一松散的电线末端69连接于另一列太阳能面板的起始太阳能面板、或是建筑物的电源分配中心的电线系统。于图6A所绘示的实施例，第二电线末端69向下缠绕而连接于下列的太阳能面板，于另一个实施例中，第二电线末端也可以向下缠绕而连接于上列的太阳能面板。竖框电线61的长度取决于要连接所需的距离。
图6B为靠近图6A中实施例的竖框60内的竖框电线61的竖框60的剖面图，竖框电线61于竖框腹板64一侧穿过两竖框壁面62、63。
图7绘示连接于竖框50的左太阳能板70a与相邻右太阳能板70b的部分立体内部示图(由底部往上看来显示出左太阳能板70a的头框架构件71a以及右太阳能板70b的头框架构件71b的下方)；本发明整合太阳能单元墙板较佳的竖立方式为：(1)将太阳能板70a、70b嵌合并固定于竖框50、(2)将位于竖框腹板54左侧的竖框电线51a的一端向下拉，使其穿过头框架构件71a的电线开孔75a、(3)将正极连接器58a安装于竖框电线51a末端，并连接于工厂安装的太阳能板70a的负极连接器76a、(4)将位于竖框腹板54右侧的竖框电线51b的一端向下拉，使其穿过头框架构件71b的电线开孔75b、(5)将负极连接器59b安装于竖框电线51b末端，并连接于工厂安装的太阳能板70b的正极连接器76b，来完成两个太阳能板70a、70b的电性连接、(6)分别安装窗户压条74a、74b于头框架构件71a、71b来完成气密并隐藏太阳能板70a、70b的电力系统、(7)扣合竖框盖57来隐藏竖框电线51。
太阳能单元于损坏或是故障、或是升级新的太阳能技术、或是任何其他理由时都可以替换，本发明较佳实施例允许从建筑物内侧方便地替换太阳能单元，如图3中的空气回路面板30，替换隔热玻璃太阳能单元10的步骤可以如下：(1)于太阳能单元10的四个侧边去除窗户压条34来松开空气回路面板30、(2)拔除太阳能单元10分别连接于竖框电线连接器的两个连接器，并将太阳能单元10由面板框架移除、(3)将新的太阳能单元置入于面板框架，并重新连接连接器(不需要重新接线连接竖框电连接器，因为其已经设置于其上)、(4)重新安装窗户压条34于新的太阳能单元四个侧边，来将新的太阳能单元固定于面板框架。
如图4中较佳实施例的面板40，替换单玻璃太阳能单元20的较佳步骤与上述近似，除了步骤(2)、(3)涉及了移除以及替换结构性面板46(其可重复使用)。
图8为典型工厂制造头窗户压条80的部分立体示意图，其具有多个电线或连接器的缺槽81，头窗户压条80具有两囓合腿部82、83，腿部82曝露于气密部分之内，腿部83的缺槽81的尺寸取决于电线以及/或连接器干涉的尺寸；腿部83于室内是隐藏的，因为腿部83位于压力平衡回路内，缺槽81不会冲击空气回路帘幕墙防水性能。
图9为已经安装的具有太阳能面板的墙面的部分内视图，其可看出没有电路外露，且较佳的线路布局为隐藏的串联走线系统，以下解释：(1)太阳能板区域包含有两列太阳能板，每列具有两个具有隔热太阳能单元(见图3)的面板30以及两个具有单一玻璃太阳能单元(见图4)的面板40；(2)走线的起点93为正极埠，具有位于竖框50a内的向下电线98，导引至电源分配中心(图中未示)；(3)水平走线95串联连接第1列的两个面板30与两个面板40至另一个竖框50b；(4)接续线路并联连接于底下列的面板，其具有位于竖框50b内的向下走线96，然后，转弯至位于底下列太阳能面板的第二水平路径67，然后到达位于竖框50a的最终负极埠94；(5)位于竖框50a的向下走线99连接到最终负极埠94，并连接至电源分配中心；以此配置，最终正极与负极线会位于相同的竖框内，如此将会简化电源分配中心的走线系统的管理。上述步骤(4)也可以由其他方向的电性埠一列一列完成，额外的太阳能面板列也可以相同的方式连接，太阳能面板的区域也可以随机受到兼容、多种覆面材料的非太阳能空气回路面板90的环绕，而不会有任何接口效能的问题。
图10为图9中沿着剖面线10-10的剖面示意图，绘示通过上方规则排列的非太阳能面板90与下方的隔热玻璃太阳能面板30所构成的水平连接，根据前述美国专利针对空气回路系统的设计，空间175为压力平衡外回路中潮湿部分、空间176为压力平衡外回路中干燥部分；位于非太阳能面板90的窗台框架构件133的空气开孔177用来提供内空气回路空间178的压力平衡。本领域技术人员可以理解，内空气回路空间178(于第10图中显示为相邻于窗台框架构件133)通过对应、连接位于墙面框架构件以及面板90的头框架构件的气体空间，来形成围绕于框架周围的压力平衡气体回路。
相同的，形成于邻近隔热太阳能电池面板30的头框架构件的内空气回路空间188，也可通过对应、连接位于墙面框构件以及面板30的窗台架构件的气体空间，来形成围绕于面板30的框架周围的压力平衡气体回路。
受到竖框电线151贯穿且位于隔热太阳能面板30的头框架构件的开孔35位于干燥的外空气回路空间176以及内空气回路空间188的上面部分(所有压力平衡的区域)；因此，开孔35无需要空气或是水气密封。连接的连接器组件191(连接太阳能单元与竖框电线151的正、负极连接器)被藏于具缺槽的窗户压条180。
唯一承受不同气压的竖框电线孔洞为如图5A、图5B中贯穿竖框壁面53的电线开孔，然而，这些电线开孔位于干燥的空气回路部分，因此，纵使这些孔洞没有任何密封，也不会有水气泄漏；因为穿过者些孔洞的竖框电线可以于工厂预安装，从而可于工厂内进行孔洞的填隙，以消除微量空气于此孔洞的泄漏的疑虑。
图11为图9中沿着剖面线11-11的剖面示意图，绘示两个相同具有单一玻璃太阳能单元的面板40所构成的水平连接，大部分的功能特征与上述第10图中的描述相同；根据前述美国专利针对空气回路系统的设计，空间275为压力平衡外回路中潮湿部分、空间276为压力平衡外回路中干燥部分；位于窗台框架构件43的空气开孔277用来提供内空气回路空间278的压力平衡。本领域技术人员可以理解，内空气回路空间278(于图10中显示位于窗台框架构件43)通过对应、连接位于墙面框架构件以及面板的头框架构件的气体空间，来形成围绕于框架周围的压力平衡气体回路。
受到竖框电线251贯穿且位于头框架构件的开孔45，位于干燥外空气回路部分276以及内空气回路空间288的上面部分(所有压力平衡的区域)；因此，开孔45无需要空气或是水气密封。连接的连接器组件291(连接太阳能单元与竖框电线251的正、负极连接器)被藏于线槽22以及相邻结构性间隔块28(见图2、图4)之间，窗户压条280位于竖框电线251的位置上具有缺槽。
位于单一玻璃墙面21以及结构性面板46之间的气体空间，由于空气可以自由地由内空气回路空间288、经过结构性间隔块28之间的间隙(见图2、图4)，因此能形成压力平衡；由于压力平衡空间298而可使得单一玻璃墙面21的净风负载降低至零。因此，单一玻璃墙面21于压力平衡的程序中，可以仅依照动态风力负载来设计，其一般保守估计为净风力负载的百分之五十。相较于非压力平成系统，由于使用了较薄且较大面积的单一玻璃墙面21，从而能大幅降低成本。
前述较佳实施例的详细说明为设计来内部进行走线连接以及单元替换，如果是倾向于外部进行(譬如墙板由建筑物内部不容易靠近)，本领域技术人员也可以轻易根据前述描述的较佳实施例来调整，使其能够以外部通往太阳能单元。
尽管本发明绘示使用典型的空气回路帷幕墙单元，但其他现有的系统所使用的特殊功能设计用来增进其特殊效能也能予以采用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围。故即凡依本发明权利要求范围所述的特征及精神所为的均等变化或修饰，均应包括于本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种整合太阳能帷幕墙系统，其特征在于，包含：
一第一空气回路帷幕墙面板，包含一固定于一第一周围框架的第一太阳能单元；
一第二空气回路帷幕墙面板，包含一固定于一第二周围框架的第二太阳能单元；
一竖框，设置于该第一空气回路帷幕墙面板与该第二空气回路帷幕墙面板之间；及
一竖框电线，穿过该第一周围框、该竖框、该第二周围框并电性连接该第一太阳能单元与该第二太阳能单元。
2.根据权利要求1所述的帷幕墙系统，其特征在于，能够从一建筑物的内部将该第一太阳能单元从该第一周围框移除。
3.根据权利要求1所述的帷幕墙系统，其特征在于，该第一太阳能单元为一隔热玻璃太阳能单元。
4.根据权利要求1所述的帷幕墙系统，其特征在于，该第一太阳能单元为一单一玻璃太阳能单元。
5.一种整合太阳能帷幕墙系统，其特征在于，包含：
一第一空气回路帷幕墙面板，包含一固定于一第一周围框架的第一太阳能单元；
一第二空气回路帷幕墙面板，包含一固定于一第二周围框架的第二太阳能单元，其中该第一周围框架与该第二周围框架为水平接合；
一竖框，接合于该第一空气回路帷幕墙面板与该第二空气回路帷幕墙面板；及
一竖框电线，穿过该第一周围框、该竖框、该第二周围框来并电性连接第一太阳能单元与该第二太阳能单元。
6.根据权利要求5所述的帷幕墙系统，其特征在于，能够从一建筑物的内部将该第一太阳能单元从该第一周围框移除。
7.根据权利要求5所述的帷幕墙系统，其特征在于，该第一太阳能单元为一隔热玻璃太阳能单元。
8.根据权利要求5所述的帷幕墙系统，其特征在于，该第一太阳能单元为一单一玻璃太阳能单元。
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