CN117795845A - 光伏屋顶瓦连接构造 - Google Patents

Abstract

本文描述了用于将光伏屋顶瓦电耦合在一起的构造。描述了用于描述光伏屋顶瓦之间的冗余连接的具体实施例。特别地，每个光伏屋顶瓦上的接线盒包括通过二极管电耦合在一起的两个电缆端子。电缆端子之一电耦合到并联延伸到另一个光伏屋顶瓦上的接线盒的两根电缆，并且还耦合到光伏屋顶瓦的内部电路系统。出于安全目的，二极管允许通过旁路电缆绕过内部电路系统。

Description

光伏屋顶瓦连接构造

相关申请的交叉引用

本申请要求2021年6月22日提交的、题为“PHOTOVOLTAIC ROOF TILE CONNECTIONCONFIGURATION”的美国临时专利申请序列No.63/213,622的优先权。其内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本公开一般而言涉及光伏屋顶瓦。更具体而言，本公开描述了用于将相邻光伏屋顶瓦的接线盒电耦合在一起的构造。

背景技术

在住宅和商用太阳能安装中，建筑物的屋顶通常安装有光伏(PV)模块，也称为PV或太阳能面板，其可以包括二维阵列(例如，6x12)的太阳能电池。PV屋顶瓦(或太阳能屋顶瓦)可以是一种特定类型的PV模块，为家庭提供天气保护和令人愉悦的美观外观，同时还用作将太阳能转换成电的PV模块。PV屋顶瓦的形状可以类似于常规的屋顶瓦，并且可以包括封装在前盖和后盖之间的一个或多个太阳能电池，但通常比常规的太阳能面板封闭更少的太阳能电池。

前盖和后盖可以是强化玻璃或其它可以保护PV电池免受天气因素影响的材料。注意的是，典型的屋顶瓦的维度可以为15in×8in＝120in²＝774cm²，并且典型的太阳能电池的维度可以为6in×6in＝36in²＝232cm²。这些太阳能电池的布线和连接器可能是复杂的，并且在安装期间需要密集的劳动力。至少出于这个原因，期望改进布线和连接器构造。

发明内容

一个实施例可以提供光伏屋顶瓦。该光伏屋顶瓦可以具有多个屋顶瓦的装饰性外观并且被配置为机械和电耦合到其它光伏屋顶瓦。

公开了相应的光伏屋顶瓦并且其可以包括如下的光伏屋顶瓦，该光伏屋顶瓦包括保护盖；背板；部署在保护盖和背板之间的多个太阳能电池，太阳能电池包括接近光伏屋顶瓦的第一端的第一电端子和接近光伏屋顶瓦的第二端的第二电端子；粘附到背板的面向屋顶的表面的第一接线盒，第一接线盒包括：第一电缆端子，其包括电耦合到第一电端子的第一端和电耦合到第一电引线和第二电引线的第二端，第一电引线和第二电引线被配置为从相邻的光伏屋顶瓦并联接收电能；第二电缆端子；以及将第一电缆端子电耦合到第二电缆端子的二极管；粘附到背板的面向屋顶的表面的第二接线盒，第二接线盒包括：第三电缆端子，第三电缆端子电耦合到第二电端子并且被配置为接收由多个太阳能电池产生的电能；以及旁路电缆，其包括位于第二电缆端子处的第一电缆端和位于第三电缆端子处的第二电缆端。

公开了一种光伏屋顶并且其可以包括如下的光伏屋顶，该光伏屋顶包括：第一光伏屋顶瓦，其包括第一接线盒；与第一光伏模块相邻的第二光伏屋顶瓦，第二光伏屋顶瓦包括：第二接线盒；第三接线盒；以及二极管，其中第二光伏屋顶瓦的内部电路系统将第二接线盒内的第一电缆端子电耦合到第三接线盒内的第二电缆端子；将第一接线盒电耦合到第二接线盒的第一电缆；与第一电缆并联将第一接线盒电耦合到第二接线盒的第二电缆；以及将第二接线盒电耦合到第三接线盒的第三电缆，其中当第二接线盒处的电压超过预定阈值时，二极管将从第一接线盒接收到的电能跨过第三电缆引导至第二接线盒。

“太阳能电池条”、“光伏条”、“较小电池”或“条带”是光伏结构(诸如太阳能电池)的一部分或片段。光伏结构可以被划分成多个条带。条带可以具有任何形状和任何尺寸。条带的宽度和长度可以彼此相同或不同。条带可以通过进一步划分先前划分的条带来形成。

“指状线”、“指状电极”和“指状物”是指光伏结构的用于收集载流子的细长的导电(例如，金属)电极。

“母线”、“总线线路”或“总线电极”是指光伏结构的细长的导电(例如，金属)电极，用于聚集由两个或更多个指状线收集的电流。母线通常比指状线宽，并且可以沉积或以其它方式定位在光伏结构上或光伏结构内的任何位置。单个光伏结构可以具有一个或多个母线。

“光伏结构”可以指太阳能电池、片段或太阳能电池条。光伏结构不限于通过特定方法制造的设备。例如，光伏结构可以是晶体硅基太阳能电池、薄膜太阳能电池、非晶硅基太阳能电池、多晶硅基太阳能电池或其条带。

附图说明

图1示出了房屋上PV屋顶瓦的示例性构造。

图2示出了根据实施例的示例性光伏屋顶瓦的透视前视图。

图3A示出了根据一个实施例的多瓦模块的示例性构造。

图3B示出了根据一个实施例的示例性多瓦模块的横截面。

图4A图示了根据一个实施例的三个相邻级联光伏条之间的串联连接。

图4B图示了根据一个实施例的一串级联条带的侧视图。

图4C图示了根据一个实施例的示例性太阳能屋顶瓦。

图5A示出了根据一个实施例的示例性多瓦模块的俯视图。

图5B示出了根据一个实施例的另一个示例性太阳能屋顶瓦的俯视图。

图6示出了具有多个太阳能屋顶瓦和无源屋顶瓦的屋顶的局部视图。

图7A-7B示出了根据一个实施例的光伏屋顶瓦的面向屋顶的表面。

图8A示出了根据一个实施例的示例性接线盒的分解视图。

图8B示出了图8A中所示的接线盒中的电缆端子和二极管的特写视图。

图8C示出了根据一个实施例的接线盒的电缆端子的特写视图。

图8D示出了组装在接线盒主体内的电缆端子和将电引线和旁路电缆固定在接线盒主体的入口内的压盖(glands cap)的特写视图。

图9A-9B示出了被配置为承受光伏屋顶瓦的至少一部分的重量的支脚的不同视图。

图10A示出了根据一个实施例的相邻光伏屋顶瓦的面向屋顶的表面。

图10B示出了根据一个实施例的附接至四根电引线的接线盒的特写视图。

具体实施方式

呈现以下描述以使得本领域的任何技术人员能够实现和使用实施例，并且在特定应用及其要求的上下文中提供以下描述。对所公开的实施例的各种修改对于本领域技术人员来说将是显而易见的，并且本文中定义的一般原理可以应用于其它实施例和应用而不脱离本公开的精神和范围。因此，所公开的系统不限于所示的实施例，而是符合与本文所公开的原理和特征一致的最宽范围。

概述

本发明的实施例至少解决了提高光伏屋顶瓦安装的可靠性、寿命和安全性的技术问题。太阳能屋顶瓦(或PV屋顶瓦)可以包括夹在前玻璃盖和后盖之间的多个太阳能电池。虽然容纳在光伏屋顶瓦内的电路系统得到了很好的保护，但将光伏屋顶瓦链接在一起的电缆随着时间的推移更容易磨损和退化。用多根引线将相邻光伏屋顶瓦的接线盒链接在一起有助于解决这个问题。特别地，使用多根电缆在光伏屋顶瓦之间传输能量将每根电缆传输的能量的量减少一半，从而提高了电缆的使用寿命。此外，在电缆确实比预期更早失效的情况下，当每根电缆的规格足以在相邻光伏屋顶瓦之间安全地传输预期量的能量时，光伏屋顶仍然可以维持光伏屋顶瓦之间的能量流。

除了添加将光伏屋顶瓦链接在一起的第二电缆之外，本文还描述了具有安全组件的接线盒构造。冗余电缆均终止于接线盒内的单个电缆端子，其中，在正常操作期间，从两根电缆接收到的能量通过光伏屋顶瓦的内部电路系统进行路由。在光伏模块内的一个或多个电路退化并导致接线盒处积聚过电压的情况下，通常采用半导体二极管形式的安全组件允许从相邻光伏屋顶瓦接收到的能量绕过当前的光伏模块，使得单个光伏屋顶瓦的退化导致共享光伏屋顶瓦安装的相同区域或行的其它光伏屋顶瓦的损失。

“太阳能电池”或“电池”是能够将光转换为电的光伏结构。电池可以具有任何尺寸和任何形状，并且可以由多种材料制成。例如，太阳能电池可以是在硅晶片上制造的光伏结构或在基板材料(例如，玻璃、塑料或任何其它能够支撑光伏结构的材料)上的一个或多个薄膜或它们的组合。

“太阳能电池条”、“光伏条”、“较小电池”或“条带”是光伏结构(诸如太阳能电池)的一部分或片段。光伏结构可以被划分成多个条带。条带可以具有任何形状和任何尺寸。条带的宽度和长度可以彼此相同或不同。条带可以通过进一步划分先前划分的条带来形成。

“指状线”、“指状电极”和“指状物”是指光伏结构的用于收集载流子的细长的导电(例如，金属)电极。

“母线”、“总线线路”或“总线电极”是指光伏结构的细长的导电(例如，金属)电极，用于聚集由两个或更多个指状线收集的电流。母线通常比指状线宽，并且可以沉积或以其它方式定位在光伏结构上或光伏结构内的任何位置。单个光伏结构可以具有一个或多个母线。

“光伏结构”可以指太阳能电池、片段或太阳能电池条。光伏结构不限于通过特定方法制造的设备。例如，光伏结构可以是晶体硅基太阳能电池、薄膜太阳能电池、非晶硅基太阳能电池、多晶硅基太阳能电池或其条带。

PV屋顶瓦和多瓦模块

PV屋顶瓦(或太阳能屋顶瓦)是一种形状像屋顶瓦的PV模块，通常比常规太阳能面板封装更少的太阳能电池。注意的是，这样的PV屋顶瓦可以同时用作PV电池和屋顶瓦。在一些实施例中，本文公开的系统可以应用于PV屋顶瓦和/或其它类型的PV模块。

图1示出了房屋上的PV屋顶瓦的示例性构造。PV屋顶瓦100可以像常规屋顶瓦或木瓦(shingles)一样安装在房屋上。特别地，PV屋顶瓦可以与其它瓦一起放置成使得防止水进入建筑物。

PV屋顶瓦可以封闭多个太阳能电池或PV结构，并且相应的PV结构可以包括一个或多个电极，诸如母线和指状线。PV屋顶瓦内的PV结构可以彼此电耦合，并且可选地机械耦合。例如，多个PV结构可以通过金属接片经由它们各自的母线电耦合在一起，以创建串联或并联连接。此外，相邻两块瓦片之间可以进行电连接，使得多个PV屋顶瓦可以共同提供电力。PV屋顶瓦的装饰性特征可以使PV屋顶瓦与非PV屋顶瓦融为一体并且看起来与非PV屋顶瓦相同。在一些实施例中，装饰性特征可以被设计为当从角度102观看时理想地操作。

图2示出了根据实施例的示例性光伏屋顶瓦的透视图。太阳能电池204和206可以气密地密封在顶部玻璃盖202和背板208之间，其可以共同保护太阳能电池免受各种天气因素的影响。在图2中所示的示例中，金属连接带(tabbing strips)212可以与太阳能电池204的正面电极接触并且延伸超出玻璃202的左边缘，从而用作PV屋顶瓦的第一极性的接触电极。连接带212还可以与太阳能电池206的背面接触，从而在太阳能电池204和太阳能电池206之间创建串联连接。另一方面，连接带214可以与太阳能电池206的正面电极接触并且延伸超出玻璃盖202的右边缘，用作PV屋顶瓦的第二极性的接触电极。在一些实施例中，背板208可以是由一层或多层聚合物(诸如例如含氟聚合物或PET和EVA层的组合)形成的标准背板。替代地，背板208可以采用后玻璃盖的形式。

在一些实施例中，太阳能电池204和206的阵列可以封装在顶部玻璃盖202和后盖208之间。可以基于聚合物的顶部封装层可以用于将顶部玻璃盖202密封至太阳能电池204/206的阵列。具体而言，顶部封装层可以包括聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、热塑性聚烯烃(TPO)、乙烯醋酸乙烯酯(EVA)或N,N'-二苯基-N,N'-双(3-甲基苯基)-l,l'-二苯基-4,4'-二胺(TPD)。类似地，可以基于类似材料的下部封装层可以用于将太阳能电池的阵列密封至后盖208。PV屋顶瓦还可以包含其它可选层，诸如光学滤光器或涂敷层或纳米粒子层，以提供期望的颜色外观。在图2的示例中，模块或屋顶瓦300还可以包含位于太阳能电池阵列和前玻璃盖202之间的光学滤光层。

为了促进更大规模的生产和更容易的安装，可以将多个光伏屋顶瓦制造在一起，同时将瓦片以刚性或半刚性的方式链接。图3A图示了根据一个实施例的多瓦模块的示例性构造。在这个示例中，可以制造三个PV屋顶瓦302、304和306，从而在相邻瓦片之间建立半刚性耦合322和324。将多个瓦片预制成刚性或半刚性的多瓦模块可以显著降低屋顶安装的复杂性，因为模块内的瓦片已与连接带连接。注意的是，每个多瓦模块中包含的瓦片数量可以多于或少于图3A中所示的数量。

图3B图示了根据一个实施例的示例性多瓦模块的横截面。在这个示例中，多瓦模块350可以包括光伏屋顶瓦354、356和358。这些瓦片可以共享公共背板352，并且分别具有三个单独的玻璃盖355、357和359。每个瓦片可以封装两个太阳能电池。例如，瓦片354可以包括封装在背板352和玻璃盖355之间的太阳能电池360和362。连接带可以用于在每个瓦片内以及相邻瓦片之间提供电耦合。例如，连接带366可以将太阳能电池360的前电极耦合到太阳能电池362的后电极，从而在这两个电池之间创建串联连接。类似地，连接带368可以将电池362的前电极耦合到电池364的后电极，从而在瓦片354和瓦片356之间创建串联连接。

相邻PV瓦片之间的间隙322和324可以用密封剂填充，从而保护互连两个相邻瓦片的连接带免受天气因素的影响。例如，密封剂370填充瓦片354和356之间的间隙，从而保护连接带368免受天气因素的影响。此外，三个玻璃盖、背板352和密封剂一起形成多瓦模块350的半刚性构造。这种半刚性构造可以促进更容易的安装，同时在瓦片之间提供一定程度的柔韧性。

除了图3A和图3B中所示的示例之外，PV瓦片还可以包括不同形式的光伏结构。例如，为了降低内阻，图3A中所示的每个方形太阳能电池可以被划分成多个(例如，三个)较小的条带，每个较小的条带在其两个相对的边缘上具有不同极性的边缘母线。边缘母线允许条带一个接一个地级联，以形成串联连接的串。

图4A图示了根据一个实施例的三个相邻级联光伏条之间的串联连接。在图4A中，条带502、504和506以这样的方式堆叠，使得条带504在其右侧与相邻的条带506部分地在下方重叠(underlap)，并且在其左侧与条带502重叠。由此产生的条带串形成与屋顶木瓦类似的级联模式。条带502和504经由条带502顶表面处的边缘母线508和条带504底表面处的边缘母线510串联电耦合。条带502和504可以以这样的方式布置，使得底部边缘母线510位于顶部边缘母线508上方并且与顶部边缘母线508直接接触。条带504和506之间的耦合可以是类似的。

图4B图示了根据一个实施例的一串级联条带的侧视图。在图4A和4B中所示的示例中，条带可以是六英寸方形或准方形太阳能电池的片段，每个条带具有大约两英寸乘六英寸的维度。为了减少阴影，相邻条带之间的重叠应尽可能小。因此，在图4A和4B中所示的示例中，单个母线(位于顶表面和底表面两者处)可以放置在条带的最边缘处或附近。相同的级联模式可以沿着多个条带延伸以形成串联连接的串，并且多个串可以串联或并联耦合。

图4C图示了根据一个实施例的示例性太阳能屋顶瓦。太阳能屋顶瓦412包括顶部玻璃盖414和太阳能电池516和518。太阳能屋顶瓦412的底盖(例如，背板)在图4C中看不见。太阳能电池416和418可以是常规的方形或准方形太阳能电池，诸如六英寸太阳能电池。在一些实施例中，太阳能电池416和418可以各自被划分成类似尺寸的三个单独的片。例如，太阳能电池416可以包括条带422、424和426。这些条带可以以相邻条带在边缘处部分重叠的方式布置，类似于图4A-4B中所示的那些。为了简化说明，图4C中未示出条带的电极网格，包括指状线和边缘母线。除了图4C中所示的示例之外，太阳能屋顶瓦还可以包含更少或更多的级联条带，这些条带可以具有各种形状和尺寸。

在一些实施例中，可以组装多个太阳能屋顶瓦，每个太阳能屋顶瓦封装级联串，以获得多瓦模块。瓦间电耦合是通过重叠相邻条带的对应边缘母线来实现的。但是，这种多瓦模块内的瓦间电耦合可能是一个挑战。应力消除连接器和长总线带已用于促进瓦间的耦合。但是，应力消除连接器可能是昂贵的，并且在布局级联串之后布置总线带可能是麻烦的。为了促进太阳能屋顶瓦的低成本、高产量制造，在一些实施例中，可以将金属条预先铺设到太阳能瓦的后盖上，形成可以类似于印刷电路板(PCB)上的金属迹线的嵌入式电路系统。更具体而言，嵌入式电路系统可以被配置为使得其促进多瓦模块内的多个太阳能屋顶瓦之间的电耦合。

此外，为了促进嵌入式电路系统和位于级联串的前表面上的边缘母线之间的电耦合，在一些实施例中，Si基桥电极可以附接到级联串。Si基桥电极可以包括覆盖其整个背表面的金属层，并且可选地包括后边缘母线。通过将其边缘(例如，后边缘母线)与级联串的前边缘母线重叠，Si基桥电极可以将自身转变为级联串的电极，从而将级联串的正向电极转换成可从级联串的背侧访问的电极。

图5A示出了根据一个实施例的示例性多瓦模块的俯视图。多瓦模块600可以包括并排布置的PV屋顶瓦502、504和506。每个PV屋顶瓦可以包括封装在前盖和后盖之间的六个级联条带，这意味着位于条带级联串的相对边缘处的母线具有相反的极性。例如，如果PV屋顶瓦502中的条带的最左边缘母线具有正极性，那么条带的最右边缘母线将具有负极性。可以通过电耦合具有相反极性的母线在瓦片之间建立串联连接，而并联连接可以通过电耦合具有相同极性的母线在瓦片之间建立。

在图5A中所示的示例中，PV屋顶瓦以这样的方式布置，使得它们的朝阳侧具有相同的电极性。因此，相同极性的边缘母线将位于相同的左边缘或右边缘。例如，所有PV屋顶瓦的最左边缘母线可以具有正极性，并且所有PV屋顶瓦的最右边缘母线可以具有负极性，或者反之亦然。在图6中，所有条带的左边缘母线都具有正极性(用“+”号指示)并且位于条带的朝阳(或前)表面上，而所有条带的右边缘母线都具有负极性(用“-”号指示)并且位于背表面上。取决于太阳能电池的层结构的设计，边缘母线的极性和位置可以与图5A中所示的那些不同。

瓦片之间的并联连接可以通过经由金属接片510将所有最左边的母线电耦合在一起以及经由金属接片512将所有最右边的母线电耦合在一起来形成。金属接片510和512也称为连接总线并且通常可以用于互连各个太阳能电池或串。金属接片可以由诸如铜的导电材料冲压、切割或以其它方式形成。铜是一种高导电性且相对低成本的连接器材料。但是，可以使用其它导电材料，诸如银、金或铝。特别地，银或金可以用作涂敷材料来防止铜或铝的氧化。在一些实施例中，已被热处理以具有超弹性特性的合金可以用于全部或部分金属接片。适合的合金可以包括例如铜-锌-铝(CuZnAl)、铜-铝-镍(CuAlNi)或铜-铝-铍(CuAlBe)。另外，可以整体或部分地操纵本文所公开的金属接片的材料以更改机械特性。例如，金属接片510和512的全部或部分可以被锻造(例如，以增加强度)、退火(例如，以增加延展性)和/或回火(例如，以增加表面硬度)。

通过专门设计的应力消除连接器可以促进金属接片和母线之间的耦合。在图5A中，应力消除连接器516可以用于耦合母线514和金属接片510。由于金属(例如，铜)和硅之间的热膨胀系数不匹配，因此需要这种应力消除连接器。如图5A中所示，金属接片(例如，接片510和512)可以与相反极性的应力消除连接器路径交叉。为了防止光伏条的电短路，金属接片和/或应力消除连接器的部分可以涂有绝缘膜或包裹有绝缘材料片。

在一些实施例中，代替如图5A中所示使用冲压金属接片和应力消除连接器并行耦合瓦片模块内的瓦片，还可以在瓦片之间形成串联耦合。图5B示出了根据一个实施例的示例性多瓦模块的俯视图。瓦片模块540可以包括太阳能屋顶瓦542、544和546。每个瓦片可以包括以图4A和4B中所示的方式布置的多个(例如，六个)级联太阳能电池条。此外，金属接片可以用于互连封闭在相邻瓦片中的光伏条。例如，金属接片648可以将条带632的前部与条带630的后部连接，从而在条带630和632之间创建串联耦合。虽然图5B中的示例示出了互连光伏条的三个金属接片，但是也可以使用其它数量的金属接片。此外，每个太阳能屋顶瓦可以包含更少或更多的级联条带，这些条带可以具有各种形状和尺寸。

为了简化说明，图5A和5B没有示出提供支撑并促进相邻瓦片之间的机械和电耦合的瓦间间隔件。这种瓦间间隔件的详细描述可以在题为“INTER-TILE SUPPORT FOR SOLARROOF TILES”的美国专利申请US20190260328A1中找到，该专利的公开内容通过引用整体并入本文。

太阳能屋顶瓦的颜色匹配

如图4C、图5A和图5B中所示，当从透明且无色的前盖的侧面观看时，封装在前盖和后盖之间的光伏结构和外部电极可以看起来与背景不同。更具体而言，Si基光伏结构通常看起来具有蓝色/紫色色调。虽然在后盖上施加颜色可以改善光伏结构与背景之间的颜色匹配，但是它们不能解决颜色的角度依赖性问题。换句话说，光伏结构在不同的视角下可能看起来具有不同的颜色，使得颜色匹配变得困难。此外，除了太阳能屋顶瓦之外，屋顶有时还可以包括一定数量的“无源(passive)”或“死”屋顶瓦，即，没有嵌入太阳能电池的屋顶瓦。这些无源屋顶瓦可以仅包括前盖和后盖以及夹在这些盖之间的密封剂。太阳能屋顶瓦和无源屋顶瓦之间的外观差异通常会导致美观程度较差。

图6示出了具有多个太阳能屋顶瓦和无源屋顶瓦的屋顶的局部视图。在图6中，屋顶600可以包括以这样的方式布置的多个屋顶瓦，即，使得顶排中的瓦片的下边缘与底排中的瓦片的上边缘重叠，从而防止漏水。此外，瓦片以这样的方式偏移，即，使得一排中的相邻瓦片之间的间隙与位于不同排中的瓦片的中心稍微对齐。在图6中所示的示例中，瓦片602、604、606和608是太阳能屋顶瓦，其可以包括封装在前盖和后盖之间的光伏结构，并且瓦片610和612是无源屋顶瓦。如从附图中可以看出，后盖和光伏结构之间的颜色对比可以形成太阳能屋顶瓦的“相框”外观。事实上，光伏结构通常看起来是“漂浮”在彩色后盖上方的。理想地，太阳能屋顶瓦602-608应当具有与无源屋顶瓦610和612类似的外观。间隔件614可以填充相邻瓦片之间的间隙并防止水在光伏瓦片602-608之间通过。在一些实施例中，间隔件614可以包括便于电力和/或信号在相邻光伏瓦片之间通过的电导体。在一些实施例中，间隔件614可以限定通道，电线或类似导体可以通过该通道在相邻光伏瓦片之间传送电力和/或信号。

光伏屋顶瓦连接构造

图7A-7B示出了相邻光伏屋顶瓦的面向屋顶的表面以及用于将相邻光伏屋顶瓦耦合在一起的电引线构造。图7A描绘了通过间隔脚706机械地耦合在一起的光伏屋顶瓦702和704。在一些实施例中，机械耦合可以采取间隔脚的相对侧上的槽的形式，其具有与光伏屋顶瓦的一端对应的高度和宽度。间隔脚706还可以被配置为防止水在相邻的光伏屋顶瓦702和704之间通过。间隔脚706通常还将包括紧固件开口，用于将光伏屋顶瓦固定至屋顶板条，以将光伏模块702和704保持在屋顶的顶上的适当位置。光伏屋顶瓦702和704中的每一个包括位于PV屋顶瓦模块的相对端处的接线盒708和710。接线盒708被配置为接收由相邻光伏屋顶瓦产生的电力并且将该电力路由通过光伏屋顶瓦的电路系统。在光伏屋顶瓦发生故障或由于某种原因无法输出电力的情况下，接线盒708包括通过旁路电缆712路由相邻的一个或多个光伏模块产生的电力的电气组件，旁路电缆712将接线盒708和710直接电耦合在一起。在一些实施例中，电气组件可以采用二极管的形式。当内部电路系统内的电压超过预定阈值时，二极管允许到达光伏屋顶瓦的接线盒708处的电能通过经由旁路电缆712直接行进到接线盒710来绕过光伏屋顶瓦的内部电路系统。通常，该预定阈值将被设置为当电压处于提高可能出现电弧或其它电气问题的不安全操作的可能性的水平时允许旁路。

在光伏屋顶瓦之一的正常操作期间，接线盒710被配置为接收通过光伏屋顶瓦的内部电路系统路由的来自相邻光伏屋顶瓦的能量以及由光伏屋顶瓦的太阳能电池产生的任何能量。接线盒710包括用于将在接线盒710处接收到的能量输出到相邻光伏屋顶瓦的双电引线714。在图7A中，引线714被示出为附接至支脚716的电缆管理特征件。支脚716的电缆管理特征件防止引线714在运输和/或安装期间四处摆动。支脚716主要用于支撑光伏屋顶瓦的中心区域，并且可以包括用于将每个支脚716固定至屋顶板条或直接固定至屋顶基板的紧固件开口。

图7B示出了电引线714与支脚716的保持特征脱离并且在间隔脚706的前面耦合在一起以在相邻光伏屋顶瓦702和704之间提供冗余电耦合。除了提供备用连接器之外，冗余电耦合还减少了每根引线714在光伏屋顶瓦安装的寿命期间必须承载的电能的量，从而大幅延长了电引线714的预期寿命。还应当认识到的是，在电引线714之一退化到由电引线714之一的退化引起电弧的程度的情况下，使用本文描述的构造允许电力继续在相邻光伏屋顶瓦之间流动。在电引线714中而不是在光伏屋顶瓦内发生电弧的情况下，能量可以继续正常地流过冗余电引线714，而不会造成电引线714的故障导致整个光伏屋顶瓦发电损失的情况。

图7B还允许安装者在将光伏屋顶瓦模块702和704附接到屋顶之后方便地接近电引线714。此构造还允许安装者检查电引线714的连接。在一些实施例中，连接器718可以是公母型连接器，其通过将公连接器718插入到母连接器718中来电连接。应当注意的是，光伏模块702和704可以采用多种形式，包括图3B和4C中描绘的形式。在一些实施例中，光伏屋顶瓦的面向屋顶的表面720可以是由聚合材料、半导体材料、玻璃等形成的背板的表面。

虽然在图7B中示出了以特定方式连接的电引线714，但是应该认识到的是，引线714可以具有许多其它构造。例如，引线714可以替代地从接线盒中的每一个的相对侧延伸，因此引线714不是围绕间隔件706环绕，而是在间隔件706下方延伸，从而大幅减少了引线714中的每一根的长度。在一些实施例中，电引线714仅从接线盒710或接线盒708突出。在这样的构造中，电引线714可以附接到不包括突出的电引线714的接线盒外部上的外部端子。还应当注意的是，虽然描绘了支撑每个光伏模块的固定数量的支脚716，但是基于每个光伏屋顶瓦的尺寸，更多或更少数量的支脚716是可能的。

图8A示出了接线盒708之一的分解视图。如图所示，接线盒708包括接线盒主体802。接线盒主体802可以由诸如塑料的电绝缘材料形成，并且包括被配置为容纳电缆端子804并便于将电缆端子804定位在接线盒主体802内的多个凹部。接线盒主体802还可以包括一个或多个紧固件开口，用于接纳将电缆端子804牢固地固定在接线盒主体802内的紧固件。图8A还描绘了二极管806，其将来自电引线714的端子与旁路电缆712的端子电耦合。电引线714的电缆端子804被合并在一起，允许来自相邻光伏屋顶瓦的电能均匀地分布在电引线714上，然后在正常操作期间通过柔性连接器808被路由到光伏屋顶瓦的内部电路系统中。柔性连接器808具有弯曲的几何形状，其允许柔性连接器808的一些弯曲以适应电缆端子804在接线盒主体802内的定位和电焊盘810的移位的微小变化，以便于容易地将电焊盘810与光伏屋顶瓦的内部电路系统连接。

图8A还示出了压盖812，压盖812与面向接线盒主体802表面的模块机械耦合，以将旁路电缆712和电引线714的端部固定和保护在接线盒主体802的入口通道内。压盖812包括用于旁路电缆712的第一凹部、用于第一电引线714的第二凹部以及用于第二电引线714的第三凹部。

图8A还描绘了在接线盒802内固化时呈现的形状的灌封材料814。在将电缆端子804固定在接线盒主体802内、将压盖812固定到接线盒主体802以及将接线盒主体802附接到光伏屋顶瓦之后，接线盒802的内部可以填充有灌封材料814。灌封材料814可以采用快速固化硅树脂材料的形式，其被配置为耗散在接线盒708的操作期间在电缆端子804处且由二极管806产生的热量。由于灌封剂814以液态施加，因此它能够在固化之前流入到接线盒主体802和电缆端子804中并符合接线盒主体802和电缆端子804的形状。除了帮助管理热量耗散之外，灌封剂814还用于将接线盒主体802内的组件保持在适当位置。图8A还示出了接线盒708的盖子816，其可以用于关闭接线盒主体802的顶部中的开口，以便进一步屏蔽和保护接线盒708内的组件。

图8B示出了接线盒708的电缆端子804和二极管806的特写视图。特别地，图8B示出了电缆端子804中的每一个如何可以包括形成便于将二极管端子818定位在电缆端子804上的支座(bearing)的对齐的凹进弯曲部。二极管端子818可以焊接到电缆端子804，这将二极管端子818固定在适当位置并且还可以改善二极管端子818和电缆端子804之间的电耦合。电缆端子804可以通过金属冲压操作形成。限定用于二极管端子818和弯曲柔性连接器808的支座的对齐凹部均可以通过弯曲冲压材料来形成，以实现图8B中描绘的几何形状。可以选择冲压材料的厚度以实现柔性连接器808的期望柔性并且具有足够的厚度来承载光伏屋顶瓦的太阳能电池预期产生的电能的量。

图8B还示出了与电引线714相关联的电缆端子804如何包括具有适合于在电缆端子804之间容纳放置二极管806的形状和尺寸的切口区域。在一些实施例中，代替包括对齐的凹部来限定用于二极管端子818的支座，二极管端子可以各自形成直角，这有助于防止二极管806在放置在电缆端子804上时旋转。在放置具有直角几何形状的二极管端子后，每个二极管端子都可以焊接到电缆端子804。

图8C示出了接线盒710的电缆端子820的特写视图。接线盒710可以具有与接线盒708类似的特征，不同之处在于电引线714和旁路电缆共享接线盒710内的单个电缆端子820。在相关联的光伏屋顶瓦的正常操作期间，由相关联的光伏屋顶瓦产生的电能以及由相邻光伏屋顶瓦产生的任何能量将通过柔性连接器822进入电缆端子820。在光伏屋顶瓦退化的情况下，来自相邻光伏屋顶瓦的至少一些电能可以流过旁路电缆712。当进入处于退化状态的电缆端子820的大部分电能通过旁路电缆712进入时，由光伏屋顶瓦产生的一些能量可以通过柔性连接器822进入。进入电缆端子820的电能然后通过电引线714被路由到下一个相邻的光伏模块。在电引线714之一退化或电引线714之一变成未连接的情况下，电能可以继续流动并向包括相关联的光伏屋顶瓦的系统的所有者提供电力。虽然在电引线714之一发生故障的情况下，流过单个电引线714的电压将加倍，但电引线714的尺寸可以被设计为容纳从光伏屋顶瓦卸载的整个负载。

图8D示出了组装在接线盒主体802内的电缆端子804和将电引线714和旁路电缆712固定在接线盒主体802的入口824内的压盖812的特写视图。接线盒主体802包括定位夹臂826，定位夹臂826包括定位夹828，定位夹828被配置为接合光伏屋顶瓦的面向屋顶的表面中的开口。由定位夹828接合的开口被定位成当定位夹828接合开口时将接线盒主体802精确地定位在光伏屋顶瓦的面向屋顶的表面上的期望位置。当接线盒主体802被粘附地耦合到光伏屋顶模块的面向屋顶的表面时，通过定位夹臂起作用的定位夹828还有助于将接线盒主体802保持在适当位置。

图8D还示出了将电缆端子804固定至接线盒主体802的紧固件830。在一些实施例中，紧固件830可以采用可滑动地接合电缆端子804中的紧固件开口的接片的形式。替代地，紧固件830可以采用常规紧固件的形式，诸如螺钉。电缆端子804还可以通过紧固件832固定至接线盒主体802，紧固件832延伸穿过尺寸小于每个紧固件832的头部尺寸的紧固件开口。

图9A-9B示出了支脚716的不同视图。图9A示出了支脚716的透视图，其主要示出了接触屋顶基板或屋顶板条的表面的支脚716的表面902。图9A还示出了桥接元件904上的电缆保持特征902的位置。桥接元件904将前脚部分908联接到后脚部分910。前部分906包括用于接合光伏屋顶瓦的背板中的开口的多个突起912，其在将支脚716附接至光伏屋顶瓦期间帮助定位支脚716并保持支脚716静止。当支脚716粘附地附接至光伏屋顶瓦时，光伏屋顶瓦通过突起912的接合可以改善任何剪切力，否则该剪切力可能最终导致粘附接合失败。

图9B示出了当桥接元件904附接至光伏屋顶瓦的背板910时包括桥接元件904的支脚716的部分的特写局部横截面图。还描绘了包括太阳能电池912的光伏屋顶瓦。应当注意的是，虽然在该实施例中仅示出了背板910和太阳能电池912，但是光伏屋顶瓦具有更复杂的体系结构，其包括前盖和后盖以及用于使太阳能电池912保持在适当位置并使其受到保护的密封剂。

图9B还示出了如何将电引线714显示在由电缆管理特征件902保持的存储位置。旁路电缆712在桥接元件904下方布线，突出通过由桥接元件904、背板910以及前脚部分908和后脚部分910限定的通道。以这种方式，支脚716可以被配置为保持旁路电缆712的一部分固定在适当位置。在一些实施例中，桥接元件904和背板914之间的距离可以大约等于或稍微小于旁路电缆712的直径，以进一步阻止旁路电缆712的移动。

图10A示出了相邻光伏屋顶瓦的面向屋顶的表面以及用于将相邻光伏屋顶瓦耦合在一起的替代的电引线构造。图10A描绘了通过间隔脚1006机械地耦合在一起的光伏屋顶瓦1002和1004。在一些实施例中，机械耦合可以采取位于间隔脚的相对侧上的槽的形式，间隔脚具有与光伏屋顶瓦的一端对应的高度和宽度。间隔脚1006还可以被配置为防止水在相邻的光伏屋顶瓦1002和1004之间通过。间隔脚1006通常还将包括紧固件开口，用于将光伏屋顶瓦固定至屋顶板条以将光伏模块702和704保持在屋顶的顶上的适当位置。光伏屋顶瓦1002和1004中的每一个包括接线盒1008。接线盒1008被配置为接收由相邻光伏屋顶瓦产生的电力并且将该电力路由通过光伏屋顶瓦的电路系统，并且还包括用于将电力从每个光伏屋顶瓦路由回的输出。

与图7A-8D中描述的接线盒相比，接线盒1008合并了接线盒708和710的组件和功能。特别地，接线盒1008连接到两组电引线1010，而不是仅连接到单组电引线，并且能够通过全部位于接线盒1008下方的单个开口或多个开口将所有四根电引线1010布线到相应的光伏屋顶瓦中。由与光伏屋顶瓦1002相邻的光伏屋顶瓦产生的电力通过进入接线盒1008的第一侧的电引线输送至接线盒1008，然后通过位于接线盒1008下方的开口进入光伏屋顶瓦1002，然后被路由通过光伏屋顶瓦1002的内部电路系统，在那里它加入与由光伏屋顶瓦1002内部署的太阳能电池产生的电力。由相邻光伏屋顶瓦产生的电力和由光伏屋顶瓦1002产生的电力然后通过离开与接线盒1010的第一侧相对的接线盒1010的第二侧的电引线1010被路由出接线盒1008。

在光伏屋顶瓦发生故障或由于某种原因无法输出电力的情况下，接线盒1008包括电气组件，该电气组件将由相邻的一个或多个光伏模块产生的电力从进入接线盒1008的第一侧的电引线1010的端子直接路由到离开接线盒1008的第二侧的电引线1010的端子。在一些实施例中，该电气组件可以采用二极管的形式。二极管允许到达光伏屋顶瓦的接线盒1008的电能绕过光伏屋顶瓦1002的内部电路系统。内部电路系统的这种旁路对于这种单个接线盒构造是可能的，因为所有四根电引线1010都终止于接线盒1008，这减少了对绕过光伏屋顶瓦电路系统路由电力的额外电缆的需要，因为二极管可以跨越电引线1010的端子之间的间隙。仅在内部电路系统内的电压超过预定阈值时，才绕过光伏屋顶瓦1002的内部电路系统。通常，该预定阈值将被设置为当内部电压处于提高可能出现电弧或其它电气问题的不安全操作的可能性的水平时允许旁路。

接线盒1008包括用于将在接线盒1008处接收到的能量输出到相邻光伏屋顶瓦的双电引线1010。在图10A中，引线1010被示出为在支脚1012下方布线，其方式与图9B中旁路电缆712在支脚716下方布线的方式相同。支脚1012主要用于支撑光伏屋顶瓦的中心区域，并且可以包括用于将每个支脚1012固定至屋顶板条或直接固定至屋顶基板的紧固件开口。

图10A还示出了在间隔脚1006前面耦合在一起以在相邻光伏屋顶瓦1002和1004之间提供冗余电耦合的电引线1010。除了提供备用连接器之外，冗余电耦合还减少了每根引线1010在光伏屋顶瓦安装的寿命期间承载的电能的量，从而大幅延长了电引线1010的预期寿命。在一些实施例中，连接器1014/1016可以是公-母型连接器，其通过将公连接器1014插入到母连接器1016中来电连接。应当注意的是，光伏模块1002和1004可以采用多种形式，包括图3B和4C中描绘的形式。在一些实施例中，光伏屋顶瓦的面向屋顶的表面1018可以是由聚合材料、半导体材料、玻璃等形成的背板的表面。

虽然在图10A中示出了以特定方式连接的电引线1014/1016，但是应该认识到的是，引线1010可以具有许多其它构造。例如，引线1014/1016可以在间隔件1006下方延伸或延伸穿过间隔件1006，从而减少每根引线1010的长度。还应当注意的是，虽然描绘了支撑每个光伏模块的固定数量的支脚1012，但是基于每个光伏屋顶瓦的尺寸，更多或更少数量的支脚1012是可能的。

图10B示出了示例性接线盒1008的特写视图。电引线1010-1和1010-2被示出为进入接线盒1008的第一侧，并且电引线1010-3和1010-4被示出为离开接线盒1010的第二侧。电引线1010-1和1010-2终止于端子1020，并且电引线1010-3和1010-4终止于端子1022。二极管1024被示出为在端子1020和1022之间延伸，并且如图所示，当光伏屋顶瓦1002内预定内部电压阈值时允许电流在端子1020和1022之间流动。在一些实施例中，二极管1024可以采用PN结硅二极管的形式，当二极管1024的输入端处的电压超过预定电压阈值时，其允许电流流过二极管1024。在一些实施例中，在图10B中不可见的附加内部引线也耦合到端子1020并且进入到光伏屋顶瓦1002/1004中以连接到定位在光伏屋顶瓦1002/1004内的太阳能电池的相对侧。

应该认识到的是，虽然示出电引线从特定侧进入和离开接线盒1008，但是其它构造是可能的并且不应被认为在本发明的范围之外。例如，在一些实施例中，所有四根引线可以从接线盒1008的单侧进入和离开。此外，在光伏屋顶瓦被组织成大阵列并承载高电压的情况下，每个接线盒1008可以附接至六根、八根或更多根电引线1010，以便减少由每根电引线1010承载的电压量并且改善系统处理一根或多根电引线1010的损失或退化的能力。

前面对各种实施例的描述仅出于说明和描述的目的而呈现。它们并不旨在是详尽的或将本系统限制为所公开的形式。因此，许多修改和变化对于本领域技术人员来说将是显而易见的。另外，以上公开内容并非旨在限制本系统。

Claims (20)

1.一种光伏屋顶瓦，包括：

保护盖；

背板；

部署在所述保护盖和所述背板之间的多个太阳能电池，所述多个太阳能电池包括接近所述光伏屋顶瓦的第一端的第一电端子和接近所述光伏屋顶瓦的第二端的第二电端子；

粘附到所述背板的面向屋顶的表面的第一接线盒，第一接线盒包括：

第一电缆端子，其包括电耦合到第一电端子的第一端和电耦合到第一电引线和第二电引线的第二端，第一电引线和第二电引线被配置为从相邻的光伏屋顶瓦并联接收电能；

第二电缆端子；以及

二极管，将第一电缆端子电耦合到第二电缆端子；

粘附到所述背板的面向屋顶的表面的第二接线盒，第二接线盒包括第三电缆端子，第三电缆端子电耦合到第二电端子并且被配置为接收由所述多个太阳能电池产生的电能；以及

旁路电缆，其包括位于第二电缆端子处的第一电缆端和位于第三电缆端子处的第二电缆端。

2.如权利要求1所述的光伏屋顶瓦，其中所述光伏屋顶瓦是第一光伏屋顶瓦并且所述相邻的光伏屋顶瓦是第二光伏屋顶瓦，其中第二光伏屋顶瓦机械地耦合到第一光伏屋顶瓦并使用第一电引线和第二电引线电耦合到第一光伏屋顶瓦。

3.如权利要求1所述的光伏屋顶瓦，其中所述多个太阳能电池包括位于第一表面的边缘附近的第一边缘母线和位于第二表面的相对边缘附近的第二边缘母线，并且其中所述多个太阳能电池被布置为使得第一太阳能电池的第一边缘母线与相邻太阳能电池的第二边缘母线重叠，从而使得所述多个太阳能电池形成串联耦合的串。

4.如权利要求1所述的光伏屋顶瓦，其中所述二极管被配置为当在第一电缆端子处达到预定阈值电压时允许在第一电缆端子处接收到的电能流过所述二极管并进入到第二电缆端子中。

5.如权利要求4所述的光伏屋顶瓦，其中所述预定阈值电压大于所述光伏屋顶瓦的正常操作电压，并且所述二极管被配置为当与所述多个太阳能电池相关联的一个或多个电路退化时防止电弧。

6.如权利要求4所述的光伏屋顶瓦，其中第一电缆端子与第二电缆端子分离且不同。

7.如权利要求1所述的光伏屋顶瓦，其中当第一电缆端子处的电压超过预定阈值时，所述二极管将在第一电缆端子处接收到的电能引导至第二电缆端子并跨过所述旁路电缆。

8.如权利要求1所述的光伏屋顶瓦，其中第一电缆端子限定切口区域，所述切口区域适于将所述二极管定位在第一电缆端子与第二电缆端子之间。

9.如权利要求1所述的光伏屋顶瓦，还包括被配置为将所述光伏屋顶瓦的重量的至少一部分支撑在屋顶顶部上的支脚，其中所述支脚包括被配置为将第一引线和第二引线固定到所述光伏屋顶瓦的电缆管理特征件。

10.如权利要求1所述的光伏屋顶瓦，还包括被配置为将所述光伏屋顶瓦的重量的至少一部分支撑在屋顶顶部上的支脚，其中所述旁路电缆布线在所述支脚的一部分和所述背板之间。

11.一种光伏屋顶，包括：

第一光伏屋顶瓦，包括第一接线盒；

与第一光伏模块相邻的第二光伏屋顶瓦，第二光伏屋顶瓦包括：

第二接线盒；

第三接线盒；以及

二极管，其中第二光伏屋顶瓦的内部电路系统将第二接线盒内的第一电缆端子电耦合到第三接线盒内的第二电缆端子；

第一电缆，将第一接线盒电耦合到第二接线盒；

第二电缆，与第一电缆并联地将第一接线盒电耦合到第二接线盒；以及

第三电缆，将第二接线盒电耦合到第三接线盒，其中当第二接线盒处的电压超过预定阈值时，所述二极管在第二接线盒处将从第一接线盒接收到的电能引导跨过第三电缆。

12.如权利要求11所述的光伏屋顶，其中第三电缆位于第二光伏屋顶瓦的外部。

13.如权利要求11所述的光伏屋顶，其中所述二极管直接电耦合到第一电缆端子和部署在第二接线盒内的第三电缆端子。

14.如权利要求13所述的光伏屋顶，其中第三电缆的第一电缆端位于第三电缆端子处，并且第三电缆的第二电缆端位于第二端子处。

15.如权利要求11所述的光伏屋顶，其中所述内部电路系统包括多个太阳能电池、与所述多个太阳能电池相关联的电路系统、第一电端子和第二电端子。

16.如权利要求15所述的光伏屋顶，其中第二电缆端子包括第一柔性连接器，第一柔性连接器延伸穿过由第二光伏屋顶瓦的背板限定的第一开口并将第二电缆端子电耦合到第一电端子。

17.如权利要求16所述的光伏屋顶，其中第二电缆端子包括第二柔性连接器，第二柔性连接器延伸穿过由所述背板限定的第二开口并将第二电缆端子电耦合到第二电端子。

18.如权利要求17所述的光伏屋顶，其中第二接线盒比第三接线盒更靠近第一光伏屋顶瓦。

19.如权利要求11所述的光伏屋顶，还包括直接耦合到第一光伏模块和第二光伏模块的间隔脚，其中所述间隔脚被配置为支撑第一光伏屋顶瓦和第二个光伏屋顶瓦的重量的至少一部分。

20.如权利要求19所述的光伏屋顶，其中第一电缆和第二电缆围绕所述间隔脚的前部布线。