JP2019517159A - 太陽光タイルシステム - Google Patents

Abstract

タイルユニットは、発電のための1つ以上の太陽光セルを含むことができる。光起電性被覆タイルユニットは、タイルの物理的な保護特性を太陽光発電装置のエネルギ生産と組み合わせる。このような光起電性被覆タイルユニットを製造し、設置し、電気的に接続するための方法も説明される。光起電性被覆タイルユニットは、複数の等しい長さの配線チャネルを含み、これらの配線チャネルは、配線されたタイルを、依然として互いに配線されたまま異なる相対位置に設置することを可能にする。等しい長さの配線チャネルは、他の技術および個々のタイル間を配線する技術と比較して、太陽光発電被覆タイルのコスト、重量、および設置時間を低減する。

Description

優先権の主張
本出願は、その全体が参照により本明細書に援用される2016年5月17日に出願された米国特許仮出願第62/337,651号の優先権を主張する。

分野
本発明は、太陽光パネルに関し、より詳細には、建物の外面上での太陽光エネルギの収集を提供するための光起電性被覆タイルに関する。

背景
電気は高価なユーティリティであるため、節約のための一歩は、送電網から購入する電気の需要を減らす建物を設計することである。建物への電力供給に必要なエネルギの量を減らす1つのやり方は、建物および建物内の機器に電力供給するために太陽光エネルギなどの再生可能なエネルギ源を使用することによって、送電網から購入するエネルギへの依存を補うことまたはそれを置き換えることである。

一般に、光起電力セルまたは光電池は、光のエネルギを光起電力効果によって直接的に電気へと変換する電気デバイスである。太陽光エネルギの使用の一例は、建物または構造物の屋根および外壁などの、建物および構造物の外表面上での光起電力アレイの使用である。このような光起電力アレイは、建物が建てられた後に建物に取り付けて相互接続することができるので、建物を再生可能エネルギを使用するように改装することができる。

発電のための1つ以上の光起電力セル（例えば、太陽電池）を含む光起電力タイルユニット。本タイルは、タイルの物理的な特性を太陽光発電装置のエネルギ生産と組み合わせる。タイルは、容易な製造、設置、および電気的接続を提供するように構成される。

光起電性被覆タイルユニットを、住宅用もしくは商業用の建物の壁、中空壁、擁壁、公用地、庭の塀、遮音壁（sound wall）、または一日のうちの一部の時間日光を受けるファサードの任意の壁もしくは一部分を「太陽光を利用できるようにする（solarize）」ために使用することができる。また、光起電性被覆タイルユニットを、幹線道路の遮音壁、橋梁、立体駐車場、鉄道用地、所有壁、または任意の他の好都合な壁のある場所から再生可能エネルギを集めるために使用することができ、ならびに/あるいは無人の建物、標識、または送電網を利用していない建物に太陽光による電力を提供するために使用することができる。さらに、光起電性被覆タイルユニットを、送電網による電力を失う可能性があり、ならびに/あるいは屋根に取り付けられた従来型の太陽電池がハリケーン級の強風などの厳しい条件において損傷する可能性がある重要な建物またはシェルタに電力を供給するために使用してもよい。

いくつかの態様においては、光起電性被覆タイルユニットは、後面を有する硬質支持構造体を含み、後面は、硬質支持構造体内の複数の等しい長さの配線チャネルと、タイルを横切って直線状に延びる通過チャネルとを画定しており、かつ光起電性被覆タイルユニットは、バッカー板と、硬質支持構造体によって支持された1つ以上の光起電力セルと、1つ以上の光起電力セルの上方に配置され、1つ以上の光起電力セルを取り囲む保護筐体を設けるために硬質支持構造体に固定されるように構成された透明カバーとを含む。

実施形態は、以下の特徴のうちの1つ以上を含むことができる。

いくつかの実施形態において、複数の等しい長さの配線チャネルは、隣接する光起電性被覆タイルユニット間の隣接する配線チャネルが光起電性被覆タイルユニットの外向きの面上に設けられるように構成される。

いくつかの実施形態において、複数の等しい長さの配線チャネルの各々は、バッカー板の第1の縁から、バッカー板の第1の縁、反対側の縁、または第1もしくは第2の隣接する縁のうちの1つへと延びる。

いくつかの実施形態において、複数の等しい長さの配線チャネルは、7つの等しい長さの配線チャネルの群である。

いくつかの実施形態において、7つの等しい長さの配線チャネルの群の各々は、バッカー板の第1の縁における主入口から、バッカー板の縁における対応する7つの出口のうちの1つへと延びる。7つの等しい長さの配線チャネルの群は、反対側の縁における第1の出口へとタイルを横切って延びる第1のチャネルと、第1の縁における第2の出口へと延びる第2のチャネルと、第1の縁における第3の出口へと延びる第3のチャネルと、第1の隣接する縁における第4の出口へと延びる第4のチャネルと、第2の隣接する縁における第5の出口へと延びる第5のチャネルと、反対側の縁における第6の出口へと延びる第6のチャネルと、反対側の縁における第7の出口へと延びる第7のチャネルとを含むことができ、主入口、ならびに第1、第4、および第5の出口は、それぞれの縁のほぼ中央に位置し、第2および第3の出口は、主入口から同じ距離に位置し、第6および第7の出口は、第1の出口から同じ距離に位置する。

いくつかの実施形態において、通過ワイヤは、タイルから隣接するタイルへと電流を導くワイヤと同じチャネルを辿る。

いくつかの実施形態において、タイルは、タイルの後面上に配置された接着層をさらに含み、接着層は、光起電性被覆タイルユニットを構造物に固定するように構成される。

いくつかの実施形態において、光起電性タイルユニットは、複数の等しい長さの配線チャネルのうちの1つまたは通過チャネル内に、バッカー板の後面に接着された通過ワイヤをさらに含み、通過ワイヤは、1つ以上のPVセルから電気的に絶縁されている。

いくつかの実施形態において、硬質支持構造体は、入力開口および出力開口を含み、開口は、1つ以上の光起電力セルへの電気的接続を提供する。

いくつかの実施形態において、光起電性タイルユニットは、複数の等しい長さの配線チャネルのうちの1つまたは通過チャネル内に、バッカー板の後面に接着された電力導体ワイヤをさらに含み、電力導体ワイヤは、入力開口を介して1つ以上の光起電力セルに電気的に接続している入力ワイヤと、出力開口を介して1つ以上の光起電力セルに電気的に接続している出力ワイヤとを含む。

いくつかの実施形態において、後面は、入力開口と出力開口との間のキャビティを画定しており、キャビティは、バイパスダイオードを収容するようにサイズ決めされかつ位置付けられている。

いくつかの実施形態において、後面は、コネクタを収容するようにサイズ決めされかつ位置付けられた切り抜きを画定している。

いくつかの実施形態において、バッカー板は、バッカー板の表面から隆起した位置合わせ装置を含む。

いくつかの実施形態において、光起電ユニットは、カバーの外面に接着された不透明な除去可能ラベルをさらに含む。いくつかの実施形態において、ラベルは、溶ける材料で作られた予め印刷されたラベルを含む。いくつかの実施形態において、ラベルは、正端子の位置を示す第1のインジケータおよび負端子の位置を示す第2のインジケータを含む。

いくつかの実施形態において、カバーは、透明なガラスカバーまたはポリマーカバーを含み、カバーは、上面と、上面に対してほぼ垂直に延びる側壁とを含む。

いくつかの実施形態において、光起電性被覆タイルユニットは、ガスケットをさらに含む。

いくつかの実施形態において、光起電性被覆タイルユニットは、光起電力アレイを形成するために他の光起電性被覆タイルユニットに電気的に接続されるように構成される。

いくつかの実施形態において、バッカー板は、セメントおよび補強繊維を含む。いくつかの実施形態において、バッカー板は、ガラス繊維マットで補強されたポルトランドセメントベースのコアを含む。いくつかの実施形態において、バッカー板は、施釉したまたは無釉のセラミックまたは磁器材料を含む。

後述される光起電性被覆タイルユニットなどの太陽光技術は、特に、都市部および地方の構造物のファサードにおいて、破壊されにくく、盗難されにくく、長寿命であるように設計される。これらの光起電性被覆タイルユニットは、壁または他のファサードを覆うための建築用ブロックを提供する。これらの設計特徴を備えた太陽光技術は、無人または遠方の場所の重要な負荷に電力を供給することができる。タイルユニットは、伝統的なやり方で取り付けてグラウトで処理することができ、その後光起電力セルの配線を、ブロックの前側の外向きの面（例えば、ブロックの、光起電力セルを含む面）において完成させることができる。光起電性被覆タイルユニットは、タイルユニット壁の物理的な保護特性および太陽光電気モジュールのエネルギ生成を提供する。タイルユニットの材料は、太陽電池に構造的支持を提供するとともに、高温による性能および信頼性の低下を軽減する熱シンクも提供する。タイルユニットはまた、太陽電池を損傷からより良好に保護することを可能にする強度を提供し、セルのための高価な金属骨格の支持体を不要にする。

光起電性被覆タイルシステムの1つの技術的利点は、壁における種々の構成での柔軟な設置のために充分に軽量である、光起電性被覆タイルユニットのストリングの設置を可能にする。この技術的利点の1つの態様は、相互接続配線および通過配線の事前配線という独特の形態であり、ここでは、各タイルのバッカー板が、1つのタイルから次のタイルへの相対的配置を顧客が選択することを可能にするように構成されている。光起電性被覆タイルユニットをストリングへと事前に配線することにより、個々のタイルを互いに接続することに伴う重量、コスト、および労力の要件が回避される。ユーザが指定する後続のタイルの可能な位置ごとに、バッカー板内の一定の長さのチャネルが、対応する配線経路を生成する。

これらの利点および他の利点は、添付の図面を参照して、好ましい実施形態の以下の説明を読むことによって明らかになるであろう。

図1A〜図1Gは、タイルのさまざまな幾何学的配置の例である。 タイルのさまざまな設置の例である。 タイルのさまざまな設置の例である。 タイルのさまざまな設置の例である。 タイルのさまざまな設置の例である。 タイルのさまざまな設置の例である。 タイルのさまざまな設置の例である。 タイルのさまざまな設置の例である。 タイルの前面の図である。 電気配線なしのタイルの後面の図である。 電気配線ありのタイルの後面の図である。 隣接するタイルへの接続を識別している、タイルの後面の図である。 通過配線が等しい長さのチャネルを通ってとることができる各経路を示している。 通過配線が等しい長さのチャネルを通ってとることができる各経路を示している。 通過配線が等しい長さのチャネルを通ってとることができる各経路を示している。 通過配線が等しい長さのチャネルを通ってとることができる各経路を示している。 通過配線が等しい長さのチャネルを通ってとることができる各経路を示している。 通過配線が等しい長さのチャネルを通ってとることができる各経路を示している。 通過配線が等しい長さのチャネルを通ってとることができる各経路を示している。 図6A〜図6Cは、それぞれバッカー板の正面図、背面図、および側面図である。 図7A〜図7Dは、単一のタイルについてのさまざまな配線の選択肢の回路図である。 図8A〜図8Cは、10枚のタイルの3つの異なるストリングの電気回路図である。 典型的な壁の図である。

図面は、本発明の好ましい実施形態を充分かつ完全に示すために選択されており、特許請求の範囲に包含される考えられるすべての変更を示すようには選択されていない。

詳細な説明
建物の屋根空間が大量の太陽光発電をもたらすには不充分である都市部において、ファサードのうちの日光で照らされる領域が、代替手段を提供する。後述される光起電性被覆タイルユニットなどの太陽光技術は、特に、破壊されにくく、盗難されにくく、長寿命である都市部および地方の構造物のファサードのために設計される。これらの光起電性被覆タイルユニットは、壁または他のファサードを覆うための建築用ブロックを提供する。これらの設計特徴を備えた太陽光技術は、無人または遠方の場所の重要な負荷に電力を供給することもできる。

太陽光発電被覆タイルユニットは、電力を生成することができる建物、壁、ファサード、または他の構造物を覆う建築用ブロックを提供する。タイルユニットは、伝統的なやり方で設置することができ、その後光起電力セルの配線を、ブロックの前側の外向きの面（例えば、ブロックの、光起電力セルを含む面）において完成させることができる。光起電性被覆タイルユニットは、タイルユニット壁の物理的な保護特性および太陽光電気モジュールのエネルギ生成を提供する。タイルユニットの材料は、太陽電池のための構造的支持を提供するとともに、高温による性能および信頼性の低下を軽減する熱シンクも提供する。タイルユニットはまた、太陽電池を損傷からより良好に保護することを可能にする強度を提供し、セルのための高価な金属骨格の支持体を不要にする。

本明細書に記載される光起電性被覆タイルユニットは、米国特許第9,059,348号に記載の太陽光組積システムに類似しており、その詳細は、全体が参照により本明細書に援用される。しかしながら、本発明の光起電性被覆タイルユニットは、コンクリート組積基材も個々の接続点も含まない。さらに、本発明の光起電性被覆タイルユニットは、光起電性被覆タイルユニットを既存の壁に従来どおり適用することを可能にする配線技術を含む。

しかしながら、コンクリートブロックの大きな重量およびサイズは、複数のブロックの連続配線を非現実的なものにし、現場での各ブロックの間の相互接続が必要になる。対照的に、タイルのより小さな重量およびサイズは、タイルが製造業者によって複数のタイルのストリングへと事前に配線され、まとめて出荷され、その後、建設現場でタイルのストリングとして配線されることを可能にする。これは、光起電性被覆タイルユニットの配線の重要な設計特徴である。

光起電性被覆タイルシステムの1つの技術的利点は、壁における種々の構成での設置のために軽量かつ柔軟である、光起電性被覆タイルユニットのストリングの設置を可能にする。この技術的利点の1つの態様は、相互接続配線および通過配線の事前配線という独特の形態であり、ここでは、各タイルのバッカー板が、1つのタイルから次のタイルへの配置を顧客が選択することを可能にするように構成されている。光起電性被覆タイルユニットをストリングへと事前に配線することにより、個々のタイルを互いに接続することに伴う重量、コスト、および労力の要件が回避される。ユーザが指定する後続のタイルの可能な位置ごとに、バッカー板内の一定の長さのチャネルが、対応する配線経路を生成する。

さらに、いくつかの場合において、バッカー板は、1つのストリングから次のストリングへの現場でのスプライスを可能にするために、各タイル内に充分な空間を提供するように構築される。いくつかの場合においては、バッカー板内の中央キャビティが、スプライスコネクタを作製してタイルの後ろへと隠すための空間を提供する。

光起電性被覆タイルユニットの配線は、2導線ワイヤを含んでもよく、一方の導線はタイルからタイルへの電力接続用であり、他方は通過配線用である。いくつかの場合には、配線は、直接埋設用途のために構築および絶縁される。

物理的設計
光起電性被覆タイルユニットは、自身を従来型のタイルおよび光起電性被覆組積ユニットの両方から差別化する明確な物理的および電気的設計を有する。物理的な相違点は、製品の表面を形成する光起電性部品が存在し、光起電性被覆組積ユニットのコンクリートフレームおよび基材がないことである。光起電性被覆組積ユニットと比べた電気的な相違点は、接続箱が存在しないことである。一例において、光起電力セルは、すべての電気的接続を日陰側に有する市販の単結晶シリコンセルであり、タイルの寸法は、147mm（5.8インチ）四方であり、光起電力セルは、125mm（4.9インチ）四方である。この例において、タイル間のグラウトは、幅4.6mm（0.18インチ）である。

図1A〜図1Gは、本設計の一実施形態を用いて可能である、タイルのさまざまな幾何学的配置の選択肢の例である。図1A〜図1Gにおける小さな正方形A、Bは、図におけるタイル101、102の方向付けを助けるために含まれている。タイル101は、設置済みのタイルであり、タイル102は、設置される予定の次のタイルである。ワイヤ103は、入力リードワイヤ/通過ワイヤであり、ワイヤ104は、タイル102へと通じる出力リードワイヤ/通過ワイヤである。図1A〜図1Gは、タイル102をタイル101に対して設置することができる7つの可能な位置を示している。配置は、段から段への正方形パターンまたはオフセットパターンのいずれかに対応する。

図2A〜図2Gは、本設計の固定長チャネルを用いて可能である、タイルのさまざまな設置の例である。図2A〜図2Gは、この設計の柔軟性を利用する、光起電性被覆タイルユニットの例示的な設置を示している。小さな黒い正方形Aは、方向付けの目的で図に含まれている。図2Aは、デフォルトの内部配線を使用する、壁に沿ったタイル101の直線的な設置を示している。図2Bは、格子様式でのタイル101の2つの列210a、210bの設置を示しており、ワイヤ経路13は、第1の列210aを横切って水平方向に進み、第1の列210aの終端において第2の列210bへと下方に進み、第2の列210bを横切って水平方向に進む。図2Cは、第2の列210bが第1の列210aから水平方向にずれた、タイル101の第1および第2の列210a、210bの互い違いの幾何学的配置を示している。図2Dは、タイル101の単一のストリング210cで窓220を囲む例を示している。図2Eは、例えば2つの窓220の間など、複雑な構造上の制約内の領域を埋めるように配置されたタイル101のストリング210dを示している。

図2Fは、図2Eの「詳細図A」を示している。図2Fには、窓202の周囲の個々のタイル101の配線パッチ13が、タイル101の向きを示す各タイル101上の黒い正方形Aとともに示されている。図2Gは、詳細図Aにおいて実際のワイヤ14が複数のタイル101を通ってとるコースの図であり、各タイル101を通るコース14は、タイル101の向きおよび隣接するタイル101へのワイヤ14の接続に依存する。各タイルのこのワイヤ経路14は、図5A〜図5Gにさらに詳しく示されている。

図3はタイルの前面の図である。図3は、透明なガラス製またはポリカーボネート製の前面カバー301の縁と、透明な封止材料層302と、バッカー板（図4Aの305）の上側層303と、光起電力（PV）セル304と、各角部の4つの位置決めピン401とを示している。入力ワイヤ103、出力ワイヤ104、および通過ワイヤ105も示されている。この例において、タイル101は、バッカー板（図4Aの305）と、エラストマー封止材料302（例えば、Dow Corning製のポリジメチルシロキサンSylgard 184）と、PVセル304と、耐UV性および耐摩耗性のカバー410と、ガスケット（図示せず）とを含む複数の層で形成される。

ひとたび組み立てられると、エラストマー封止材料302がPVセル304を包み、耐UV性および耐摩耗性のカバー301が封止材料302を取り囲み、耐候性のアセンブリを形成する。いくつかの場合には、透明な前面カバー301とバッカー板304との間のすべての他の空隙も、エラストマー封止材料302で充填される。

一般に、PVセル304は、光のエネルギを光起電力効果によって直接的に電気へと変換する電気デバイスである。PVセル304を、結晶シリコンまたは多結晶シリコンを含むさまざまな材料で製作することができる。さらなる例においては、PVセル304を、テルル化カドミウム、セレン化銅インジウムガリウム、ヒ化ガリウム、または窒化インジウムガリウムなどの材料から製作することができる。PVセル304は、PVセル304へと結合する光の量を増加させるための反射防止コーティングを含んでもよい。典型的な反射防止コーティングは、窒化ケイ素および二酸化チタンを含む。PVセル304は、後面（例えば、バッカー板305に最も近い表面）上に作製された全面金属接点を含む。

タイル101の上面は、耐UV性および耐摩耗性の透明カバー301で作られている。一例においては、カバーを、ガラス材料で製作することができる。他の例においては、カバー301を、ポリカーボネート材料で製作することができる。いくつかの場合には、タイルは、透明でありかつ紫外光による劣化を軽減するように処理されたポリカーボネートカバーで覆われており、タイルアセンブリを保護するように表面から垂直に延びる側壁を備えて独特に形成される。タイルを、ガラスまたは石英などの同じ技術的役割を果たす他の材料で覆ってもよい。ガラスではなくポリカーボネート材料を使用することで、さまざまな利点がもたらされる。例えば、ポリカーボネートは、粉砕するまたは割れる可能性がより低い。UV保護添加剤およびUV保護コーティングが、日当たりの良い条件における長寿命を提供する。さらに、ポリカーボネート層を製造するためのコストは、射出成形プロセスを使用してポリカーボネート層を製作することができるため、ガラス層を製造するためのコストよりも低くなり得る。

いくつかの場合には、壁への設置の前に、タイル101は、不透明な接着ラベルを備えて出荷される。ラベルは、施工中のタイルの損傷を防止するとともに、さらに重要なことには、設置中に光によってタイルが通電されて設置作業者に対する安全上の問題が生じることを防止する。不透明な接着ラベルは、壁システムの電気的試運転が完了するまでそのまま残され、一例において、ラベルの除去は、ラベルを溶解させる洗浄プロセスによって達成される。

いくつかの例においては、タイル101を最初に、ラベル、または除去されるまでPVセル304への光の到達を防止する他の分解可能な表面材料で覆うことができる。例えば、タイル101の表面101を、ラベルを通る光の透過を阻止することによってPVセル304の活性化を防止するラベルで被覆することができる（例えば、ラベルは、実質的に不透明である）。光によるPVセル304の活性化を阻止することにより、タイル101を、配線に電流が存在していない（例えば、セルが「生きて」いない）状態で互いに電気的に接続することができる。これにより、設置作業者が接続を形成する際に活線（例えば、電流が流れているワイヤ）を取り扱う必要がないため、タイル間の電気的接続を行う作業が簡単になる。さらに、ラベルは、PVユニットの表面を、輸送中および施工中の（例えば、タイルユニットをパレットに載せ下ろしする際の）ひっかき傷から保護することができる。ラベルの除去後に、PVセル304の表面は、光を受けて発電することができる。

いくつかの例においては、タイル101の表面上のラベルを、組積造洗浄液を使用して除去することができる可溶性材料から形成することができる。カバーとして使用することができるこのような生分解性材料の例には、ラベルとしてタイル101の表面に予め印刷するおよび塗布することができるでんぷんベースの製品が含まれる。

いくつかのさらなる例において、タイル101上のラベルは、タイル101の正端子および負端子の表示を含むことができる。正/負の端子の表示を設けることによって、タイル101の正しい向きの視覚的指示が提供されるので、タイル101の敷設を助けることができる。いくつかのさらなる例においては、タイル101の正の側のラベルの部分が、タイル101の負の側のラベルの部分とは異なる色であってよい。したがって、タイル101が組み立てられたときに、タイル101が計画された向きで配設されていない場合、それがラベルのパターンに基づいて視覚的に明らかとなる。

図4Aおよび図4Bは、それぞれ電気配線なしおよび電気配線ありのタイルの後面の図である。図4Aは、バッカー板305の後面に挿入されたキャビティ410を露出させるために、配線を取り除いて示している。透明な前面カバー301の縁を、外側縁において見て取ることができ、透明な封止材料層302が隣接している。いくつかの場合には、キャビティ410は、バッカー板305の前部層303の可視部分を露出させる。ピン401は、各角部の4つの位置決めピンのうちの1つである。穴402が、光起電力セルからの出力ワイヤ104の位置であり、穴403が、光起電力セル304への入力ワイヤ103の位置である。PVセル304は、バッカー板305の前側に位置している。PVセル304は、位置合わせピン401を使用してバッカー板305に位置合わせされる。

バッカー板305は、タイルの裏面を形成する。バッカー板305は、PVセル304の下のタイルユニットの粗い表面を平らにするなどの、PVユニット400のための種々の機能を提供する。PVセル304の下に平らな表面を設けることは、脆弱なPVセル304の破損の防止に役立つ。例えば、破損は、タイルユニット101の上部に圧力が加わるときに生じ得る。さらに、バッカー板305は、PVセル304を損傷させ得る水分、酸素、または他の汚染物質に耐える閉じたユニットを形成するためにタイルユニット101の他の層を接着させる表面を提供する。また、バッカー板305は、熱の伝達を助け、PVセル304の性能および寿命を低下させ得るPVセル304の高い動作温度を下げる可能性がある熱シンクとして機能することができる。

バッカー板305を、セメントと補強繊維とを組み合わせたものであるセメント板を含む、さまざまな材料で形成することができる。セメント板を使用すると、セメント板は、タイルユニット101に耐衝撃性および強度を追加する。いくつかの例において、バッカー板305は、ガラス繊維マットにより両面で補強されたポルトランドセメントベースのコアから製作される。いくつかの例において、バッカー板305はガラス製である。

バッカー板305は、バッカー板305の表面から隆起した位置合わせピン401を含む。位置合わせピン401は、PVセル304を、バッカー板305のPVに対向する面303上の適切な位置に位置付けて保持するために使用される。位置合わせピン401は、耐摩耗性カバー301をPVセル304から離して間隔をあけるように調整された高さを有する。いくつかの例において、ピン401は、1mm〜4mmの高さを有する。これらのピンの長さは、PVセル304と透明カバー301との間に所定の厚さを形成する。位置合わせピン401は、カバー301に加わる衝撃力がPVセル304を通るのではなく主にバッカー板305に伝達されるように、透明カバー301に接触する。カバー301からの（例えば、PVユニットの表面からの）力をバッカー板305へと伝達することで、比較的脆弱なPVセル304に対する損傷を防止することができる。

図4Bは、電力404、405および通過配線105が蛇行チャネル410内に配置されたデフォルトの配線パターンを示している。電力導体ワイヤ404、405および通過ワイヤ105は、2ワイヤのペアとして束ねられている。通過ワイヤ105は、タイル101を完全に通過して続いている。キャビティ410の蛇行経路は、図5A〜図5Gにそれぞれ示される後続のタイルの7つの可能な位置のそれぞれへの配線について、等しい長さの選択肢をもたらすために必要である。位置404と位置405の間のバッカー板305のキャビティ406は、個々の現場の用途の必要に応じてバイパスダイオードを収容するために充分なサイズである。

通過ワイヤ105は、封止材料とバッカー板305との間に位置する。いくつかの例において、通過ワイヤ105は、エポキシ樹脂を使用してバッカー板305に固定される。通過ワイヤ105は、タイルを通してエネルギを通過させるように構成されているが、特定のタイルのPVセル304には接続されていない。通過ワイヤ105は、個々の用途における電気的設計の柔軟性を可能にするために、接続された一組のタイルのための戻り線として機能する。したがって、タイルの個々の配線103、104および通過配線105の両方が、バッカー板305の後面にある蛇行チャネル303内に配設される。

説明を容易にするために、図4Cに、図4Bおよび図5A〜図5Gの指定されたチャネルに対応する種々のチャネル入口およびチャネル出口が識別されている。

図5A〜図5Gは、通過配線が等しい長さのチャネルを通ってとることができる各々の経路を示している。図5A〜図5Gの各々は、図1に示した相対的なタイル101の位置に対応する内部配線経路の概要を示している。さらに、図5Dは、直接埋設に適した突合せ型（butt-style）コネクタ505のための空間を提供する正方形の切り抜き領域504にスプライスコネクタ505を隠すように、タイル101を使用することができる場合を示している。正方形の切り抜き領域504またはキャビティは、配線がその後、次のタイル102までどの経路をとったとしてもスプライス部を形成することができる場所に、意図的に配置される。

バッカー板内の物理的なチャネル410は、接続配線を、可能な各場所へと、その場所への到達に同じ長さのワイヤが必要であるようなやり方で、導くように設計されている。

図6A〜図6Cは、それぞれバッカー板の正面図、背面図、および側面図である。図6は、バッカー板の2つの層303、305を示している。一例において、板305は、ポルトランドセメントと他の結合剤との成型混合物であり、前部層303は、タイル101の構造ベースを形成しつつ光起電力セル304を位置決めピンによって所定の場所に保持する単一片である。図6Bは、後部層305が、配線および相互接続用のキャビティ410を形成する11片の構成要素の組であることを示している。図6Cは、組み立てられたバッカー板片303、305の側面図を示している。いくつかの例において、前部303および後部305は、結合されるかまたは単一片として成型される。他の例においては、カバーを設ける前に設備内のすべての相互接続点の検査を提供するために、2つの片303、305が分離しており、現場において取り付けられる。この場合、後部層305が、タイル101の残りの部分と共に壁へと設置され、接続が行われ、前部層303、封止材料302、光起電力セル304、およびポリカーボネートカバー301のアセンブリが、その後に取り付けられる。この場合、配線103、104、105は、雌雄ラグ端子を介して接続される。

ストリングの最後のタイルから配線が出る場所において、出口ワイヤは、スプライスコネクタによってタイルのキャビティ内で接続され、壁貫通部内へ、建物の内部まで配線され、建物の内部において従来型の太陽光PV接続箱、ACインバータ、またはDCバッテリシステムに接続される。

電気的設計
図7A〜図7Dは、単一のタイルについてのさまざまな配線の選択肢の回路図である。入力リード（−）103、出力リード（＋）104、光起電力セル304、通過ワイヤ105、およびダイオード701による、単一のタイルについてのさまざまな配線の選択肢の電気回路図が、図7A〜図7Dに示されている。図7Aは、従来型の電力配線を有し、バイパスダイオードを含まないタイル101を示している。図7Bは、バイパスダイオードが追加された同じ配線を示している。図7Cは、出力104が通過ワイヤ105へと配線されたセル304を示しており、図7Dは、図7Cと同じ配線であるが、バイパスダイオード701が追加されている配線を示している。

下記の表1に、例示的な光起電力セル304の製造業者の典型的な単一セルの電気的パラメータに基づく、例示的な単一タイル101の電気的特性を列挙する。この例において、単一のタイル101は、公称の定格が3.5ワットであり、0.58ボルトで6アンペアを生成する。

タイル101の単一の箱に含まれる30枚のタイルのストリングについて、公称の電気性能が表2に提供される。最大定格電力の単一タイル101の場合、電流は公称6アンペアであり、電圧は0.58ボルトである。30枚のタイルのストリングについて、公称最大電流は、単一セル304の場合と同じで6.0アンペアである。直列接続における電圧は加算的であるため、最大電力における30枚のタイルの電圧は、17.5ボルトである。したがって、30枚のタイルのストリングの場合、最大DC電力は、17.5ボルト×6.0アンペア＝105ワットである。

（表１）単一のタイルの電気的特性

（表２）30枚のタイルのストリングの電気的特性

例示的な構成において、タイル101は、公称152mm（6インチ）の中心間距離で配置され、すなわち1平方フィート当たりに4枚のタイル101である。面積単位の最大電力は、1平方メートル当たり150ワットピークDC（1平方フィート当たり14ワットピークDC）である。高さ3メートル（高さ10フィート）の壁区画の場合、最大電力は、水平直線方向1フィート当たり140ワットピークDCであると算出される。

図8A〜図8Cは、10枚のタイルの3つの異なるストリングの電気回路図である。図8Aは、「箱から取り出したままの状態（out-of-the box）」で設置される場合の10枚のタイルのストリングを示している。図8Bは、タイル101内で回路を閉じるために通過配線105がどのように使用されるのかを示している。図8Cは、10枚のタイルの群にバイパスダイオード701回路を設けるために通過配線105をどのように使用し得るのかを示している。これらの配線の選択肢は、図4に示したキャビティおよび等しい長さの配線チャネル410を使用して達成することが可能である。

現場での設置
図9は、例示的な光起電力タイルシステム900の壁への設置を示している。タイル101は、壁901にセメントで固定され、継ぎ目902がグラウトで処理される。目に見えるコネクタは存在しない。タイル101は、完全なタイルまたは切断片として設置される。タイル101を、図示のとおりのブロック様式で設置するかまたは行ごとに互い違いに配置することができる。切断片が完成した壁システムに含まれてよいが、電気を生成するための配線は行われない。

建設上の要件および実務に対応した適切な設計が、光起電力タイルシステムに不可欠である。タイル101の組は、複数タイルの組にて設置作業者へと出荷される。一例においては、30枚のタイル101が合わせて出荷される。事前配線されるタイルの配線経路は、直線状の配置用に工場で予め設定され、後面の配線の配置変更は、典型的には、より上方またはより下方の段への相互接続のためだけに必要であり、より大きな壁に、複数タイルのストリングを、従来型のタイルとほぼ同じくらい簡単に設置することが可能である。

現場でのスプライスが、30枚のタイルごとに、あるいは顧客の設計に起因して必要となる。太陽光組積システムと同様に、タイル設置作業者および電気技師に求められる作業の分離も達成することができる。タイル101の場合、スプライス部が存在する各位置において、任意のタイル101の上部区域を下部区域から分離させ、電気技師によるアクセスを可能にすることができる。分離は、上側バッカー板303と下側バッカー板305との間の接合部において可能である。上側バッカー板303の配線は、2つの雌雄クイック接続端子を介して下側区域305の配線へと取り付けられる。電気技師がスプライス部を完成させた（ならびに、地元の電気検査員がそれらのスプライス部を検査した）後に、タイル設置作業者が、コネクタタイルの上部区域を下側区域へとセメントで固定し、壁をグラウトで処理する。

いくつかの場合において、光起電力タイル101は、一度に事前配線された30枚のタイルである。各タイル101の負端子が、所定の接続点に事前に配線され、正端子は、隣接するタイルへの配線を、横並びの位置から、それと隣接する他の位置、すなわち現在のタイルの相対位置の直上、直下、互い違いでの上方、または互い違いでの下方の位置へと、導き直すことを可能にする接続点に事前に配線される。

いくつかの場合には、バッカー板305の後部に使用される接続ワイヤ103、104、105は、光起電力用途のためのコンクリート直接埋設用の定格であり、2つの別々の導線、すなわち一方が各々のタイル101を直列に接続するためのものであり、一方が必要な場合の通過配線のためのもので、構成される。

いくつかの場合において、各タイル101は、光起電素子304が機能しない場合に回路の継続を可能にするバイパスダイオード701用の設置キャビティ406を備える。バイパスダイオード701を含めることは、個々の現場の用途によって決定され、地面の付近の壁領域または日陰になる可能性がある他の壁領域にダイオードを取り付けてもよく、日陰になる可能性がない建物の高い領域にはダイオードを取り付けなくてもよい。

ワイヤのスプライス部を作製しなければならない場合に、バッカー板305の後部のチャネル504は、適切なスプライスコネクタ505のための充分なキャビティ空間を提供する。スプライス部は、個々の用途ごとの必要に応じて、タイル101のストリングを接続すること、端部導線をタイル101の組と接続すること、またはスプライス部を通過ワイヤ105と接続することができる。スプライス部が作製される場合、その個々のタイル101を、必要に応じて、後の設備の保守において助けとなるように、小さなマークによって識別することができる。

Claims (25)

1. 後面を有し、バッカー板を含む硬質支持構造体であって、前記後面は、前記硬質支持構造体内の複数の等しい長さの配線チャネルと、タイルを横切って直線状に延びる通過チャネルとを画定している、硬質支持構造体と、
   前記硬質支持構造体によって支持された1つ以上の光起電力セルと
   を備える、光起電性被覆タイルユニット。
2. 複数の等しい長さの配線チャネルは、隣接する光起電性被覆タイルユニット間の隣接する配線チャネルが提供されるように構成されている、請求項1記載の光起電性被覆タイルユニット。
3. 前記複数の等しい長さの配線チャネルの各々は、前記バッカー板の第1の縁から、前記バッカー板の前記第1の縁、反対側の縁、または第1もしくは第2の隣接する縁のうちの1つへと延びている、請求項1記載の光起電性被覆タイルユニット。
4. 前記複数の等しい長さの配線チャネルは、7つの等しい長さの配線チャネルの群である、請求項3記載の光起電性被覆タイルユニット。
5. 前記7つの等しい長さの配線チャネルの群の各々は、前記バッカー板の前記第1の縁における主入口から、前記バッカー板の縁における対応する7つの出口のうちの1つへと延びており、前記7つの等しい長さの配線チャネルの群は、
   前記反対側の縁における第1の出口へと前記タイルを横切って延びる第1のチャネルと、
   前記第1の縁における第2の出口へと延びる第2のチャネルと、
   前記第1の縁における第3の出口へと延びる第3のチャネルと、
   第1の隣接する縁における第4の出口へと延びる第4のチャネルと、
   前記第2の隣接する縁における第5の出口へと延びる第5のチャネルと、
   前記反対側の縁における第6の出口へと延びる第6のチャネルと、
   前記反対側の縁における第7の出口へと延びる第7のチャネルと
   を含む、請求項4記載の光起電性被覆タイルユニット。
6. 前記主入口、ならびに前記第1、第4、および第5の出口は、それぞれの縁のほぼ中央に位置し、前記第2および第3の出口は、前記主入口から同じ距離に位置し、前記第6および第7の出口は、前記第1の出口から同じ距離に位置している、請求項5記載の光起電性被覆タイルユニット。
7. 前記通過チャネルは、前記主入口から前記第1の出口へと前記タイルを横切って直線状に延びている、請求項5記載の光起電性被覆タイルユニット。
8. 前記タイルの前記後面上に配置された接着層をさらに備え、前記接着層は、前記光起電性被覆タイルユニットを構造物に固定するように構成されている、請求項1記載の光起電性被覆タイルユニット。
9. 前記光起電性タイルユニットは、前記複数の等しい長さの配線チャネルのうちの1つまたは前記通過チャネル内に、前記バッカー板の前記後面に接着された通過ワイヤをさらに備え、前記通過ワイヤは、前記1つ以上のPVセルから電気的に絶縁されている、請求項1記載の光起電性被覆タイルユニット。
10. 前記硬質支持構造体は、入力開口および出力開口を備え画定しており、前記開口は、前記1つ以上の光起電力セルへの電気的接続を提供する、請求項1記載の光起電性被覆タイルユニット。
11. 前記光起電性タイルユニットは、前記複数の等しい長さの配線チャネルのうちの1つまたは前記通過チャネル内に、前記バッカー板の前記後面に接着された電力導体ワイヤをさらに備え、前記電力導体ワイヤは、前記入力開口を介して前記1つ以上の光起電力セルに電気的に接続している入力ワイヤと、前記出力開口を介して前記1つ以上の光起電力セルに電気的に接続している出力ワイヤとを含む、請求項10記載の光起電性被覆タイルユニット。
12. 前記後面は、前記入力開口と出力開口との間のキャビティを画定しており、前記キャビティは、バイパスダイオードを収容するようにサイズ決めされかつ位置付けられている、請求項10記載の光起電性被覆タイルユニット。
13. 前記後面は、コネクタを収容するようにサイズ決めされかつ位置付けられた切り抜きを画定している、請求項1記載の光起電性被覆タイルユニット。
14. 前記バッカー板は、前記バッカー板の表面から隆起した位置合わせ装置を含む、請求項1記載の光起電性被覆タイルユニット。
15. 前記1つ以上の光起電力セルの上方に配置され、前記1つ以上の光起電力セルを取り囲む保護筐体を設けるために前記硬質支持構造体に固定されるように構成された透明カバーをさらに備える、請求項1記載の光起電性被覆タイルユニット。
16. 前記光起電性ユニットは、前記カバーの外面に接着された不透明な除去可能ラベルをさらに備える、請求項15記載の光起電性被覆タイルユニット。
17. 前記ラベルは、溶ける材料で作られた予め印刷されたラベルを含む、請求項16記載の光起電性被覆タイルユニット。
18. 前記ラベルは、正端子の位置を示す第1のインジケータおよび負端子の位置を示す第2のインジケータを含む、請求項16記載の光起電性被覆タイルユニット。
19. 前記カバーは、ポリカーボネートカバーまたはガラスカバーを含み、前記カバーは、上面と、前記上面に対してほぼ垂直に延びる側壁とを含む、請求項1記載の光起電性被覆タイルユニット。
20. ガスケットをさらに備える、請求項1記載の光起電性被覆タイルユニット。
21. 光起電力アレイを形成するために他の光起電性被覆タイルユニットに電気的に接続されるように構成された、請求項1記載の光起電性被覆タイルユニット。
22. 前記バッカー板は、セメントおよび補強繊維を含む、請求項1記載の光起電性被覆タイルユニット。
23. 前記バッカー板は、ガラス繊維マットで補強されたポルトランドセメントベースのコアを含む、請求項1記載の光起電性被覆タイルユニット。
24. 光起電性被覆タイルユニットが上側バッカー板層および下側バッカー板層を備えており、前記上側バッカー板層は光起電力セルを備えており、前記下側バッカー板層は、前記上側バッカー板層に接して位置付けられた第1の面と、反対側の面とを有する場合に、
    前記下側バッカー板層の前記反対側の面を、表面に接着させるステップと、
    前記上側バッカー板層を前記下側バッカー板層から取り外すステップと、
    前記上側バッカー板層の前記光起電力セルを、前記下側バッカー板層の第1のチャネル内に位置付けられたワイヤから切り離すステップと、
    前記下側バッカー板層のワイヤを前記第1のワイヤチャネルから第2のワイヤチャネルへと配置変更することによって、ワイヤ入口位置およびワイヤ出口位置の少なくとも一方を変更するステップと、
    前記上側バッカー板層を前記下側バッカー板層上へと再び配設することによって、前記上側バッカー板層の前記光起電力セルを前記ワイヤに再び接続するステップと
    を含む、光起電性被覆タイルユニットを設置する方法。
25. 第1および第2の光起電性被覆タイルユニットが、第1の隣接する幾何学的配置においてワイヤによって互いに結合されており、かつ複数の等しい長さの配線チャネルを画定するバッカー板を各々備えており、前記等しい長さの配線チャネルの各々は、前記第1および第2の光起電性被覆タイルユニットの隣接する幾何学的配置に対応しており、前記ワイヤは、前記第1および第2のユニットの各々において前記複数のチャネルのうちの第1のチャネル内に位置付けられている場合に、
    前記ワイヤを、前記第1の光起電性被覆タイルユニットの前記複数の等しい長さの配線チャネルのうちの前記第1のチャネルから取り外すステップと、
    前記第1および第2の光起電性被覆タイルユニットを、第2の隣接する幾何学的配置に位置付けるステップと、
    前記ワイヤを、前記第1の光起電性被覆タイルユニットの前記複数の等しい長さの配線チャネルのうち、前記第1および第2の光起電性被覆タイルユニットの前記第2の隣接する幾何学的配置に対応する第2のチャネル内に配設するステップと
    を含む、光起電性被覆タイルユニットを設置する方法。

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