CN111851727A - 一种曲面色彩化模块化预制发电建材及制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种曲面色彩化模块化预制发电建材及制作方法，所述发电建材由若干单个光伏模块拼装而成；所述光伏模块包括一体保温层，一体保温层上通过快速安装支架粘接有光伏组件，至少有两个快速安装支架设置在光伏组件下端面的左右两侧边沿，且快速安装支架的长度大于一体保温层的长度，一体保温层的顶端与快速安装支架的顶端对齐设置，光伏组件的底端与快速安装支架的底端对齐设置，所述光伏组件的顶端面顶沿处固定设置有垂直于快速安装支架的橡胶条，光伏组件的电池层为可弯曲的柔性晶体硅电池。本发明制作的发电建材集保温、隔热、防水、发电、装饰、安装结构于一体，相比传统光伏组件，施工更简单，效率更高。

Description

一种曲面色彩化模块化预制发电建材及制作方法
技术领域
本发明涉及建材技术领域，特别是一种发电建材及制作方法。
背景技术
装配式建筑能有效地减少施工现场湿作业量，降低劳动成本，可在一定程度上降低材料浪费，减少施工噪声、粉尘污染、建筑垃圾和污水排放，在保证作业质量的前提下，又利于节能环保，因此装配式建筑是未来建筑业的发展趋势。
光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术，作为应用新能源光伏发电的一种新概念，光伏建筑一体化(BIPV)是将光伏产品“集成”到建筑上的一种技术。光伏建筑一体化在提高能源效率和减少温室气体排放成本的同时，可以在加速全球经济去碳化方面起到关键的作用。光伏建筑一体化要求把太阳能光伏发电部件安装在建筑的围护结构外表面，成为建筑围护结构的一部分，具有建筑功能还能提供电力。
目前，市场上应用的标准光伏组件从设计上并没有考虑与建筑的结构，实际使用中发现传统组件因为防火性能、防水结构、室内防潮、通风散热与建筑保温的矛盾等问题，实质上并不能大规模应用于建筑一体化体系。具体体现为：1)传统光伏组件大面积应用于建筑，大多采用平板玻璃，会发生大面积的反光造成视觉污染；同时因为光伏电池的结构及物理特性，结构尺寸固定，呈现排列组合的蓝色矩阵色块，颜色形式单一，与建筑整体设计风格不一致，对于城市文化的展现装饰效果差。2)随着建筑外形设计的多样化，曲面造型越来越多，这就要求建筑材料能不断变换造型，适应建筑需要；但是受晶体硅光伏组件硅材料易碎特性的影响，光伏组件只能做成平板，无法与建筑材料合二为一。3)传统光伏组件采用玻璃+光伏电池+塑料背板的复合封装结构，塑料背板的使用使常规光伏产品只能达到防火等级c的标准，单独作为屋面或墙面的围护结构，存在一定的安全隐患；因此建筑安装常规光伏组件，额外增加了屋面或墙面的负荷，存在结构隐患，并且容易造成火灾风险。4)传统光伏组件四周采用铝合金边框，应用于建筑一体化时，需要增加防水结构，才能保证屋面或墙面的防水，这造成了费用的增加，现有的光伏组件安装结构与防水结构并未设计成一体式，并且大多采用刚性连接，随着建筑的沉降，会造成局部结构变形，防水失效。5)传统光伏组件应用于光伏建筑一体化，不同于空旷的地面电站，其背部紧贴屋面或墙面，没有形成连续的散热通道，在发电同时，热量聚集在光伏组件背部，造成局部高温达60℃以上，光伏组件在高温下性能下降，发电量损失同时还会造成屋面或墙面把热量传递到室内，增加建筑的用电能耗。6)现有光伏组件应用于光伏建筑一体化，需要设计安装金属框架，使用螺栓和特制的安装夹具结构，将光伏组件紧固在金属框架；整个结构部件种类多，步骤繁琐，尤其在屋面和墙面进行安装作业时，需要多人配合，安装效率不高。7)光伏组件、保温层和安装结构均为分散的部件，未进行统一设计，需要现场施工装配，工作效率不高，需要不同工种进行分阶段施工，周期长，同时存在材料浪费现象，进一步增加了建筑建造成本。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种曲面色彩化模块化预制发电建材及其制作方法，来提高建筑安装的效率，降低安装成本，提高与建筑表面的吻合度。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。
一种曲面色彩化模块化预制发电建材，所述发电建材由若干单个光伏模块拼装而成；所述光伏模块包括位于底部的一体保温层，一体保温层上通过间隔且平行设置的快速安装支架粘接有与一体保温层平行且大小相同的光伏组件，至少有两个快速安装支架设置在光伏组件下端面的左右两侧边沿，且快速安装支架的长度大于一体保温层的长度，一体保温层的顶端与快速安装支架的顶端对齐设置，光伏组件的底端与快速安装支架的底端对齐设置，所述光伏组件的顶端面顶沿处固定设置有垂直于快速安装支架的橡胶条，光伏组件的电池层为可弯曲的柔性晶体硅电池。
上述一种曲面色彩化模块化预制发电建材，所述一体保温层由上下两层平行的钢板和中间装夹的保温棉构成，底层钢板、保温棉和顶层钢板之间复合为一体结构。
上述一种曲面色彩化模块化预制发电建材，所述快速安装支架包括承托光伏组件的长条形支撑板，支撑板长边的一侧固定连接有导水槽，支撑板长边的另一侧固定连接有折线形固定板，导水槽的底端面与固定板的底端面同平面设置，导水槽的外侧顶边沿与支撑板同平面设置；
上述一种曲面色彩化模块化预制发电建材，支撑板的底端设置有伸出光伏组件并向上弯折、用于钩挂光伏组件的安全钩。
上述一种曲面色彩化模块化预制发电建材，所述导水槽的截面为倒梯形结构。
上述一种曲面色彩化模块化预制发电建材，所述橡胶条的截面为E型结构，光伏组件的顶沿卡装在橡胶条的下半部插槽中，且下半部插槽的内壁上设置有防止光伏组件滑脱的倒刺。
上述一种曲面色彩化模块化预制发电建材，所述光伏组件包括自下而上依次设置的封底层、电池层和盖板，封底层与电池层之间通过下粘接层固定连接，电池层和盖板之间通过上粘接层固定连接。
上述一种曲面色彩化模块化预制发电建材，所述盖板包括中部的支撑层，支撑层面向空气侧的外表面为防眩物理表面，支撑层靠近电池层的内表面为纳米膜层；所述支撑层为玻璃或者高分子膜。
一种曲面色彩化模块化预制发电建材的制作方法，具体包括以下步骤：
A.一体保温板的制作，首先根据生产的曲面度要求弯制钢板，再在底层钢板上铺设保温棉，然后在保温棉上铺设顶层钢板，最后在边缘部位采用U型钢板进行锁边；
B.光伏组件的制作，首先制作盖板，然后从下而上依次敷设封底层材料、粘接材料、柔性晶体硅电池、粘接材料以及盖板，采用柔性热压工艺复合五层材料制成光伏组件；检验合格后修边擦拭；
C.将一体保温板和快速安装支架用铆接方式固定连接，将橡胶条卡装在光伏组件顶端边缘，在快速安装支架的支撑面上涂抹结构胶，将光伏组件从上而下插装到快速安装支架的挂钩处后压平；
D.静置12小时，修整边缘即得单个光伏模块。
上述一种曲面色彩化模块化预制发电建材的制作方法，步骤B中所述柔性热压工艺的具体方法为：将敷设好的五层材料放置于耐高温硅胶气囊之上，并在敷设的材料上方再放置一层耐高温气囊，将上下气囊的边缘锁紧，将气囊放置在镂空的钢架底托上，推入高温箱体内，并抽真空，工艺温度120度，持续10分钟；升高温度至140度，持续30分钟；降低温度至100度，持续10分钟；之后降至室温，得到光伏组件。
由于采用了以上技术方案，本发明所取得技术进步如下。
本发明充分考虑作为建筑围护结构，将保温、排水、通风、装饰等建筑功能需求与光伏发电技术相结合，利用柔性晶体硅电池可弯曲的特性，采用柔性封装工艺，制作具有曲面造型的光伏组件；通过对光伏组件表面封装材料的设计，使其具有彩色外观，并呈现视觉均匀性，特殊光学结构纹理和纳米膜层，可以有选择的进行光线吸收和反射，提高发电效率。
本发明在彩色的发电光伏组件下部设计具有一体式保温结构层可降低室内能耗，方便施工；隐藏式的排水通风结构，设置为倒梯形结构，不仅可快速将雨水疏导，而且倒梯形结构在光伏面板和保温层之间构建的空腔，可形成散热通道，有效降低了屋面/墙面温度，同时可带走光伏面板的热量，提高光伏发电量。
本发明将光伏发电功能单元和安装结构采用一体式设计，可根据屋面或墙面尺寸和要求，用于装配式建筑和绿色建筑的快速模块化组合安装，提高了建设效率。另外，本发明采用模块结构可以做到标准化设计，可实现工业化生产，规范化安装，提高了工作效率，降低了材料浪费，符合国家建筑绿色发展要求。
附图说明
图1为本发明实施例1中单个平面光伏模块的结构示意图；
图2为实施例1的结构分解图；
图3为本发明所述一体保温层的结构示意图；
图4为本发明所述快速安装支架的结构示意图；
图5为本发明所述快速安装支架的截面图；
图6为本发明所述橡胶条的截面图；
图7为本发明所述光伏组件的结构示意图；
图8为实施例1中单个平面光伏模块的截面图；
图9为实施例1中大面积搭接安装的结构示意图；
图10为本发明实施例2中单个曲面光伏模块的结构示意图；
图11为实施例2中单个曲面光伏模块的截面图；
图12为实施例2中大面积搭接安装的结构示意图；
图13为本发明的制作工艺流程图。
其中：1.一体保温层，11.顶层钢板，12.保温棉，13.底层钢板，2.快速安装支架，21.导水槽，22.支撑板，23.安全钩，24.固定板，3.橡胶条，4.光伏组件，41.盖板，411.防眩物理表面，412.纳米膜层，42.上粘接层，43.电池层，44.下粘结层，45.封底层。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步详细说明。
实施例1
一种曲面色彩化模块化预制发电建材，本发明的发电建材由若干单个光伏模块拼装而成，如图9和图12所示。
光伏模块的结构如图1至图8所示，包括一体保温层1、快速安装支架2、橡胶条3和光伏组件4；其中一体保温层1位于底部，一体保温层上通过间隔且平行设置的快速安装支架2粘接光伏组件4，光伏组件与一体保温层平行且大小相同，至少有两个快速安装支架2设置在光伏组件4下端面的左右两侧边沿。橡胶条3固定设置在光伏组件的顶端面顶沿处，垂直于快速安装支架，用于搭接上方的光伏组件底沿。
为实现快速拼装，本发明中快速安装支架的长度大于一体保温层的长度，一体保温层的顶端与快速安装支架的顶端对齐设置，光伏组件的底端与快速安装支架的底端对齐设置。
本实施例中，发电建材采用若干平面光伏模块拼装成一个大面积结构，如图9所示，本实施例中的单个平面光伏模块的结构如图1和图2所示，即一体保温层和光伏组件均为平面结构。
一体保温层1为夹心式结构，采用高强度发泡剂将钢板和岩棉进行复合一体成型，改变了岩棉保温材料现场复合的方式。本发明中，一体保温层1的结构如图3所述，由上下两层平行的钢板和中间装夹的保温棉构成，底层钢板13、保温棉12和顶层钢板12之间复合为一体结构。本实施例中，钢板采用镀铝锌彩色钢板，强度高，耐腐蚀性好，保温棉采用岩棉；制作时，岩棉的纤维走向垂直于上下钢板，保证复合夹心后仍具有很好的刚度，在满足建筑物保温隔热、隔声、防火等要求的前提下，更达到了优质、高效、可靠、安全的目的。
快速安装支架2的结构如图4和图5所示，包括承托光伏组件的长条形支撑板22，支撑板长边的一侧固定连接有导水槽21，支撑板长边的另一侧固定连接有折线形固定板24，导水槽的底端面与固定板的底端面同平面设置，导水槽的外侧顶边沿与支撑板同平面设置。支撑板22的底端设置有安全钩23，安全钩23伸出光伏组件并向上弯折，用于钩挂光伏组件，保护组件边缘，同时起到光伏组件固定和防滑落的功能。
本发明中，导水槽21的截面为倒梯形结构，倒梯形导水槽，方便雨水的导流，避免屋顶积水；支撑板与光伏组件之间通过结构胶进行粘接，以固定光伏组件；固定边用于实现与一体式保温层的连接，可采用铆接或焊接方式固定。本发明的倒梯形导水槽与光伏组件形成背部空腔，可以起到通风的作用，带走光伏发电时产生的热量，提高光伏发电效率。
为方便制作，本实施例中的快速安装支架采用高强度铝合金或钢板，外表进行防腐耐候处理(阳极氧化或氟碳漆或耐候漆)后弯折成一体结构。
橡胶条3的结构如图6所示，其截面为E型结构，光伏组件的顶沿卡装在橡胶条的下半部插槽中，且下半部插槽的内壁上设置有防止光伏组件滑脱的倒刺。本实施例中，橡胶条采用硅橡胶或EPDE材料，具有减压防撞作用，保护光伏组件边缘，橡胶条的顶端面与上方光伏模块的光伏组件底沿接触，不仅可防止雨水倒灌，具有防水作用，还可以起到减震的作用，分散上下组件接触的压力。
光伏组件4是制作曲面色彩化光伏模块的关键，其电池层采用可弯曲的柔性晶体硅电池，以满足曲面组件的生产要求。光伏组件的结构如图7所示，包括自下而上依次设置的封底层45、电池层43和盖板41，封底层45与电池层43之间通过下粘接层44固定连接，电池层43和盖板41之间通过上粘接层45固定连接。
其中，盖板41具有透光性，保护光伏电池，起到抗风压抗荷载以及耐腐蚀的作用，包括中部的支撑层，支撑层为玻璃或者高分子膜；支撑层面向空气侧的外表面为防眩物理表面411，支撑层靠近电池层的内表面为纳米膜层412。
防眩物理表面411为具有物理方式制造的光学表面，如三棱、四棱、五棱等多棱结构，或者波浪型，或不规则突起凹陷等的排列组合，使外表面与普通玻璃相比具有较低的反射比，使光的反射率降低到1％以下，可使光伏组件外观呈现很好的视觉均匀性，具有防眩光效果，能减少光污染；同时形成的陷光结构，增加入射光线在玻璃表面的反射次数，增加光线反射路径，提高光线的利用率，增加发电量。本实施例中，防眩物理表面的截面结构为三棱型结构。
纳米膜层内表面，在靠近光伏电池侧，表面均匀，物理性能好，具有耐压特性和耐腐蚀性，制作过程中，可通过工艺调整膜层厚度，可形成不同的颜色，从而可以有选择的进行光线吸收和反射。纳米膜层的设置，可使光伏模块整体呈现视觉均匀性，具有85％以上的可见光透过率，对光伏发电影响小。由于纳米膜层由不导电氧化物制成，不会对光伏发电造成电气安全隐患。
本发明的快速安装支架结构，上部连接发电的彩色、具有外装饰效果的光伏组件，下部连接具有保温防水功能的一体保温层，不仅可以实现左右上下快速搭接，在屋面或墙面形成整体保温层和防水层，实现建筑围护结构的隔热保温、整体防水；还可形成的连续通风空腔，依靠空气流动带走光伏组件发电产生的热量，避免了热量的聚集，有效降低了光伏发电因为高温造成的能量损失，提高了光伏组件的发电量。单个光伏模块采用的一体式安装结构，可实现快速铺装，方便快捷，提高了工作效率，降低了安装成本，拼装后的大面积建材结构如图9所示。
本发明还提供了上述曲面色彩化模块化预制发电建材的制作方法，其工艺流程如图13所示，具体包括以下步骤。
A.一体保温板的制作。
首先根据生产的曲面度要求弯制钢板，将上下两块带彩色防腐漆或膜的镀铝锌钢板放置于工作台，钢板基材内表面干净，并且不能存在油污，更需要保证基材表面干燥无水分。粘接胶水搅拌均匀，在钢板基材表面涂抹充足的粘接胶，并涂抹均匀，单面涂刷粘接胶。
再在底层钢板上铺设保温棉；利用岩棉裁条机将经过高温融熔加工加入适量粘结剂制成的人工无机纤维保温岩棉切成条，将岩棉条经过90°翻转后，按照垂直于钢板基材面的方向码放整齐，岩棉条之间不能留缝隙。切条翻转之后岩棉丝变成竖向，大大增加了岩棉复合板的抗拉拔力。
然后在保温棉上铺设顶层钢板，顶层钢板与保温棉接触的端面也涂抹粘接胶水，使顶层钢板与保温棉粘接在一起，形成夹层结构。
再将敷设好的夹层结构，放置于热压复合设备中，加压加温进行复合定型。
最后进行边缘修整，然后在边缘部位采用U型钢板进行锁边。U型钢板采用粘接和铆接方式与夹心结构结合。
B.光伏组件的制作。
首先制作盖板，本实施例选用玻璃作为支撑层，在玻璃的内表面采用涂敷工艺将不导电的氧化物如二氧化硅(直径50-100纳米)等物质形成2-10微米厚的微晶结构层，使光伏组件呈现具有单一色彩、单一纹理、或者单一色彩+纹理的不同组合样式；再在玻璃的外表面采用物理方式制作防眩物理结构。本实施例采用波浪形结构，微晶结构层为单一色彩和单一纹理形成的纳米膜层。
然后从下而上依次敷设封底层材料、粘接材料、柔性晶体硅电池、粘接材料以及盖板，采用柔性热压工艺复合五层材料制成光伏组件。
柔性热压工艺的具体方法为：将敷设好的五层材料放置于耐高温硅胶气囊之上，并在敷设的材料上方再放置一层耐高温气囊，将上下气囊的边缘锁紧，将气囊放置在镂空的钢架底托上，推入高温箱体内，并抽真空；工艺温度120度，持续10分钟；升高温度至140度，持续30分钟；降低温度至100度，持续10分钟；之后降至室温，得到光伏组件。
本发明采用的柔性封装工艺，是利用柔性晶体硅电池特性，可以对平面、曲面光伏组件进行封装，制造的光伏组件造型多变，更能适应建筑的设计要求。
再对采用柔性热压复合的半成品光伏组件进行EL图像检测，确定无电池碎片后，安装接线盒。
把光伏组件的边缘溢出的粘接材料修剪平整，并将盖板材料和封底材料用酒精进行擦拭，制作完成光伏组件。
C.将一体保温板和快速安装支架用铆接方式固定连接，并在铆接点涂抹防水胶，进行防水处理；然后将橡胶条卡装在光伏组件顶端边缘，并在卡槽内填充粘接结构胶；再在快速安装支架的支撑面上涂抹结构胶，将光伏组件从上而下插装到快速安装支架的挂钩处后压平。
D.静置12小时，等待结构胶完全固化发挥最大粘接力。最后，检查外观，修整边缘的结构胶，用酒精进行擦拭后，即得单个光伏模块。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于，单个光伏模块为曲面光伏模块，如图10至图11所示。拼装形成的大面积结构如图12所示。
其中，光伏组件制作过程中，在制作纳米膜层时，采用磁控溅射工艺在高分子膜内表面形成。

Claims (10)

1.一种曲面色彩化模块化预制发电建材，其特征在于：所述发电建材由若干单个光伏模块拼装而成；所述光伏模块包括位于底部的一体保温层(1)，一体保温层上通过间隔且平行设置的快速安装支架(2)粘接有与一体保温层平行且大小相同的光伏组件(4)，至少有两个快速安装支架(2)设置在光伏组件(4)下端面的左右两侧边沿，且快速安装支架的长度大于一体保温层的长度，一体保温层的顶端与快速安装支架的顶端对齐设置，光伏组件的底端与快速安装支架的底端对齐设置，所述光伏组件的顶端面顶沿处固定设置有垂直于快速安装支架的橡胶条(3)，光伏组件的电池层为可弯曲的柔性晶体硅电池。
2.根据权利要求1所述的一种曲面色彩化模块化预制发电建材，其特征在于：所述一体保温层(1)由上下两层平行的钢板和中间装夹的保温棉构成，底层钢板(13)、保温棉(12)和顶层钢板(12)之间复合为一体结构。
3.根据权利要求1所述的一种曲面色彩化模块化预制发电建材，其特征在于：所述快速安装支架(2)包括承托光伏组件的长条形支撑板(22)，支撑板长边的一侧固定连接有导水槽(21)，支撑板长边的另一侧固定连接有折线形固定板(24)，导水槽的底端面与固定板的底端面同平面设置，导水槽的外侧顶边沿与支撑板同平面设置；
4.根据权利要求3所述的一种曲面色彩化模块化预制发电建材，其特征在于：支撑板(22)的底端设置有伸出光伏组件并向上弯折、用于钩挂光伏组件的安全钩(23)。
5.根据权利要求3所述的一种曲面色彩化模块化预制发电建材，其特征在于：所述导水槽(21)的截面为倒梯形结构。
6.根据权利要求1所述的一种曲面色彩化模块化预制发电建材，其特征在于：所述橡胶条(3)的截面为E型结构，光伏组件的顶沿卡装在橡胶条的下半部插槽中，且下半部插槽的内壁上设置有防止光伏组件滑脱的倒刺。
7.根据权利要求1所述的一种曲面色彩化模块化预制发电建材，其特征在于：所述光伏组件(4)包括自下而上依次设置的封底层(45)、电池层(43)和盖板(41)，封底层(45)与电池层(43)之间通过下粘接层(44)固定连接，电池层(43)和盖板(41)之间通过上粘接层(45)固定连接。
8.根据权利要求7所述的一种曲面色彩化模块化预制发电建材，其特征在于：所述盖板(41)包括中部的支撑层，支撑层面向空气侧的外表面为防眩物理表面(411)，支撑层靠近电池层的内表面为纳米膜层；所述支撑层为玻璃或者高分子膜。
9.一种如权利要求1至8任一项所述的曲面色彩化模块化预制发电建材的制作方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
A.一体保温板的制作，首先根据生产的曲面度要求弯制钢板，再在底层钢板上铺设保温棉，然后在保温棉上铺设顶层钢板，最后在边缘部位采用U型钢板进行锁边；
B.光伏组件的制作，首先制作盖板，然后从下而上依次敷设封底层材料、粘接材料、柔性晶体硅电池、粘接材料以及盖板，采用柔性热压工艺复合五层材料制成光伏组件；检验合格后修边擦拭；
C.将一体保温板和快速安装支架用铆接方式固定连接，将橡胶条卡装在光伏组件顶端边缘，在快速安装支架的支撑面上涂抹结构胶，将光伏组件从上而下插装到快速安装支架的挂钩处后压平；
D.静置12小时，修整边缘即得单个光伏模块。
10.根据权利要求9所述的一种曲面色彩化模块化预制发电建材的制作方法，其特征在于，步骤B中所述柔性热压工艺的具体方法为：将敷设好的五层材料放置于耐高温硅胶气囊之上，并在敷设的材料上方再放置一层耐高温气囊，将上下气囊的边缘锁紧，将气囊放置在镂空的钢架底托上，推入高温箱体内，并抽真空，工艺温度120度，持续10分钟；升高温度至140度，持续30分钟；降低温度至100度，持续10分钟；之后降至室温，得到光伏组件。
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