TW201407084A - 太陽能照明系統 - Google Patents
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Abstract
本發明揭示一種太陽能照明系統，其結合太陽能電池元件與LED照明元件兩者，使太陽能的利用領域更加全面化。
Description
本申請案有關一種太陽能照明系統，特別是一種具有複數個高發光效能的發光照明元件與具有雙玻太陽能電池元件的整合系統。
太陽能為目前最受歡迎的環保能源。一般而言，太陽能電池的光伏效應將太陽能轉換為電能。
太陽能電池組件通常為玻璃、聚乙烯醋酸乙烯酯(ethylene Vinyl Acetate,EVA)、光電組件及太陽能背板之多層結構，再加上由鋁、鍍鋅鋼板、木材或合成材料(例如聚乙烯、聚丙烯、乙烯丙烯橡膠等)制得的外框、接線盒、導線、蓄電池等周邊構件組合而成。在陽光照射下，太陽能電池元件會藉由光電效應輸出一定之工作電壓及工作電流。若能將太陽能電池元件與發光照明元件整合，形成太陽能照明系統，則不但可更有效的利用太陽能，亦可有太陽能發電與發光照明一體化的效果。此外，將太陽能電池元件與發光照明元件整合形成太陽能照明系統，亦可減少部分材料的使用而產生BIPV(Building-Integrated Photovoltaics)建築光伏一體化的經濟效益。
本申請案即提供一種高效率及高可靠性的太陽能照明系統。
本發明之一目的為提供一種太陽能照明系統，其包含：一太陽能電池組件，其包含透明玻璃前蓋、透明封裝材料、透
明玻璃背板及被該透明封裝材料包覆的光電元件，各光電元件間具有足以使光透過的間隔；一發光照明組件，其包含透明玻璃前蓋、透明封裝材料、透明背板及被該透明封裝材料包覆的一個或複數個發光二極體元件元件；其中該發光二極體組件位於該發光照明組件的透明背板上形成發光背板；該發光二極體組件可為點光源的發光二極體組件，或面光源的有機發光二極體組件，且該發光照明元件的透明背板具有透明導電薄膜層的圖案；其中該太陽能電池組件與該發光照明組件系利用夾膠玻璃的封裝技術結合。
本發明之另一目的為提供一種太陽能照明系統，其包含：一太陽能電池組件，其包含透明玻璃前蓋、透明封裝材料、及被該透明封裝材料包覆的光電組件；一發光照明組件，其包含透明封裝材料、透明背板及被該透明封裝材料包覆的一個或複數個發光二極體組元件；其中該發光二極體組件位於該發光照明組件的透明背板上形成發光背板；該發光二極體組件可為點光源的發光二極體組件，或面光源的有機發光二極體元件，且該透明背板具有透明導電薄膜層的圖案；其中該太陽能電池組件與該發光照明組件的結合，系以夾膠玻璃的封裝技術，將置於透明玻璃前蓋及透明背板間該太陽能電池元件中的光電元件以及該發光照明元件中的發光二極體元件分別置放於各組件的封裝材料中，再以透明封裝層區隔該太陽能電池組件及該發光照明組件。
另一方面，本發明另提供一獨立型太陽能照明系統，其系以上述太陽能照明系統外接一個直流-直流的蓄電池系統，形成一獨立型太陽能照明系統。
另一方面，本發明可提供一並網型太陽能照明系統，其系以上述太陽能照明系統透過逆變器與市電併網，形成一組併網型的太陽能照明系統。
101‧‧‧透明玻璃前蓋
102‧‧‧光電組件
103‧‧‧透明封裝材料層
104‧‧‧透明玻璃背板
105‧‧‧透明玻璃前蓋
106‧‧‧發光二極體組件
107‧‧‧發光二極體組件
108‧‧‧透明封裝材料層
109‧‧‧透明背板
201‧‧‧透明膠黏材料層
301‧‧‧透明玻璃前蓋
302‧‧‧光電組件
303‧‧‧透明封裝材料層
304‧‧‧透明封裝層
305‧‧‧發光二極體組件
306‧‧‧透明封裝材料層
307‧‧‧透明背板
308‧‧‧鋼化玻璃
401‧‧‧透明導電膜層
501‧‧‧中空層
502‧‧‧封邊固定構件
601‧‧‧蓄電池
602‧‧‧市電併網
圖1A為本發明一實施態樣之太陽能電池組件之剖面示意圖。
圖1B為本發明一實施態樣之發光照明組件之剖面示意圖。
圖2為本發明一實施態樣之太陽能照明系統之剖面示意圖。
圖3為本發明另一實施態樣之太陽能照明系統之剖面示意圖。
圖4為本發明另一實施態樣之太陽能照明系統之剖面示意圖。
圖5為本發明之另一實施態樣之太陽能照明系統之剖面示意圖。
圖6A及6B為本發明之另一實施態樣之太陽能照明系統之剖面示意圖。
于本文中，除非特別限定，單數形之用語(例如「一」)亦包括其複數形。本文中任何及所有實施例及例示性用語(如「例如」)目的僅為了更加突顯本發明，並非針對本發明的範圍構成限制，本案說明書中的用語不應被視為暗示任何未請求的組件可構成實施本發明時的必要組件。
本發明提供一種太陽能照明系統，其包含：一太陽能電池組件，其包含透明玻璃前蓋、透明封裝材料、透明玻璃背板及被該透明封裝材料包覆的光電組件，如圖1A所示，其中101為透明玻璃前蓋，102為光電組件、103為透明封裝材料層、104為透明玻璃背板，箭頭為太陽光入射方向；一發光照明組件，其包含透明玻璃前蓋、透明封裝材料、透明背板及被該透明封裝材料包覆的一個或複數個發光二極體元件，如圖1B所示，其中105為透明玻璃前蓋，106為發光二極體組件、108為透
明封裝材料層、109為透明背板，箭頭為照明光射出方向；其中該發光二極體組件位於該發光照明組件的透明背板上形成發光背板；該發光二極體組件可為點光源的發光二極體組件，或面光源的有機發光二極體組件，且該發光照明元件的透明背板具有透明導電薄膜層的圖案；其中該太陽能電池組件與該發光照明組件系利用夾膠玻璃的封裝技術結合，如圖2所示，該太陽能照明系統為圖1A與圖1B之結合。其中107為發光二極體組件，201為透明膠黏材料層，該夾膠玻璃的封裝技術包含層壓及滾壓技術。
本發明另提供一種太陽能照明元件系統，其包含：一太陽能電池組件，其包含透明鋼化玻璃前蓋、透明封裝材料、及被該透明封裝材料包覆的光電組件；一發光照明組件，其包含透明封裝材料、透明背板及被該透明封裝材料包覆的一個或複數個發光二極體元件元件；其中該發光二極體組件位於該發光照明組件的透明背板上形成發光背板；該發光二極體組件可為點光源的發光二極體組件，或面光源的有機發光二極體元件，且該透明背板具有透明導電薄膜層的圖案；其中該太陽能電池組件與該發光照明組件的結合，系以夾膠玻璃的封裝技術，將置於透明玻璃前蓋及透明背板間該太陽能電池元件中的光電元件以及該發光照明元件中的發光二極體元件分別置放於各組件的封裝材料中，再以透明封裝層區隔該太陽能電池組件及該發光照明組件，如圖3所示，其中301為透明玻璃前蓋，302為光電組件、303及306為透明封裝材料層、304為透明封裝層、305為發光二極體組件，307為透明背板，上方箭頭為太陽光入射方向，下方箭頭為照明光射出方向。
在一具體實施例中，可利用鋼化玻璃作為透明玻璃前蓋、透明
封裝層及透明背板中一者、二者或全部的材料，再以夾膠玻璃的封裝技術使三者或三片鋼化玻璃形成三明治結構，其中太陽能電池及發光二極體組件分別置放於三片鋼化玻璃間的封裝材料中，以中間共用的透明鋼化玻璃區隔該光電組件及該發光照明組件，如圖4所示，其中308為鋼化玻璃，401為透明導電膜層。
在另一具體實施例中，本發明的太陽能照明系統中所使用的鋼化玻璃為物理鋼化玻璃。
在另一具體實施例中，該透明封裝層為透明導電玻璃基板，其厚度介於2.0 mm至0.7 mm，該基板上包含透明導電氧化物薄膜層，其材料為ITO、IZO、IGZO、ZnO、SnO2、AZO等金屬透明氧化物薄膜材料。
在另一具體實施例中，可利用外框將太陽能電池元件與發光照明元件的四週邊固定安裝，使兩元件中間間隔形成一個密閉的中空層，可用來區隔該太陽能電池元件及該發光照明元件，可提供保溫、隔音及隔熱等效果，其中該太陽能電池元件及發光照明元件的厚度皆小於或等於5 mm，如圖5所示，其中501為中空層，502為封邊固定構件(外框)。而其中該外框系由鋁、鍍鋅鋼板、木材或合成材料(例如聚乙烯、聚丙烯、乙烯丙烯橡膠等)制得的外框固定安裝該兩組件。
在另一具體實施例中，上述本發明之太陽能照明系統可再外接一個直流-直流的蓄電池系統，形成一組獨立型的太陽能照明系統，如圖6A所示，其中601為蓄電池；在另一具體實施例中，上述本發明之太陽能照明系統可透過逆變器與市電併網，形成一組並網型的太陽能照明系統，如圖6B所示，其中602為市電併網。
以下針對本發明之太陽能照明系統之各部分及技術特徵做進一步的說明。
本發明的太陽能電池組件可為任何種類的太陽能組件。除了前述的前蓋、封裝材料、光電組件、背板外，本發明的太陽能電池元件尚包括外框、接線盒、導線、蓄電池等周邊構件。由於前述周邊構件均可使用公知的技術製造，因此在本申請案中不再詳述。
本發明的太陽能電池元件所使用的前蓋無特殊限制，通常使用低反射的透明玻璃板，以提供足夠的透光性以及抗壓、抗張及硬度等機械強度，並阻絕水氣進入太陽能電池元件內部。
本發明的太陽能電池元件所使用的封裝材料主要是用以固定太陽能電池的光電元件並對其提供物理上的保護，例如抗衝擊及防止水氣進入等。本發明之太陽能電池元件中的封裝材料可使用任何公知的材料，目前聚乙烯醋酸乙烯酯(Ethylene Vinyl Acetate；EVA)為使用最為廣泛的太陽能電池封裝材料。EVA為一種熱固性樹脂，其固化後具有高透光、耐熱、耐低溫、抗濕、耐候等特性，且其與金屬、玻璃及塑膠均有良好的接著性，又具有一定的彈性、耐衝擊性及熱傳導性，因此為理想的太陽能電池封裝材料。
本發明的太陽能電池元件中的光電元件並無特別限制，可為各種形式的光電元件，例如矽晶光電元件、薄膜光電元件、染料光敏化光電組件等。
本發明的太陽能電池組件中，應有至少一部份的照射面積不為光電元件所覆蓋，光電元件的覆蓋面積比例，可依據如光電組件轉換效率、日照時間、日照強度及電力熱量需求比例等具體實施條件調整。一般來說，覆蓋面積比例介於30%至80%之間均為合適，較佳為40%至60%之間。
在本發明的一個具體實施例中，太陽能電池元件中的光電元件可為單多晶結晶矽的太陽能電池組件，及薄膜型的太陽能電池組件。
本發明的太陽能電池元件中的背板在某些實施例中可同時做為
發光照明元件的頂蓋，因此需具備特殊的性質。其具備優異的機械性質，一般來說，合適的背板材料應具有至少約120 MPa的抗壓強度(compressive Strength)、至少約120 MPa的抗彎強度(bending strength)及至少約90 MPa的抗拉強度(tensile strength)。
本發明中的透明玻璃及發光背板可使用一種新型式的物理鋼化玻璃，其可藉由氣動加熱及冷卻之處理程式制得。詳言之，此種物理鋼化玻璃可在約600℃至約750℃，較佳為630℃至約700℃的氣動加熱鋼化爐(例如李賽克公司(LiSEC)生產的平板鋼化爐(flatbed tempering furnace)中加熱，再經由例如空氣噴嘴使其急速冷卻而制得。本文中，術語「氣動加熱」是指物體與空氣或其他氣體作高速相對運動時所產生的高溫氣體對物體的傳熱過程。由於以氣動加熱方式鋼化玻璃時，玻璃與鋼化爐不直接接觸，因此不會造成玻璃的變形，而能適用較薄的玻璃。其中當該透明玻璃及發光背板為透明超薄鋼化玻璃時，其厚度小於2.0毫米。適用于本發明之物理鋼化玻璃其具有約120 Mpa至約300Mpa、較佳約150 MPa至約250 MPa的抗壓強度，約120 Mpa至約300Mpa、較佳約150 MPa至約250 MPa的抗彎強度及約90 Mpa至約180Mpa、較佳約100 MPa至約150 MPa的抗拉強度。
更詳細的物理鋼化玻璃的制法可參考中國專利第201110198526.1號申請案的內容。
又，一般的玻璃亦無法達到以上機械性質的要求(例如一般玻璃僅有約40MPa的抗拉強度)，因此無法適用于本發明。此外，一般物理鋼化玻璃雖然可能具有足夠的機械性質，但是為了避免產生變形，其厚度一般來說必須在3毫米以上，此會造成重量的增加，不但造成反光器的承載增加，亦不適合裝設在一般住家屋頂上。又一般化學鋼化玻璃亦可能達到以上機械性質的要求，且較無加工厚度的限制。然而化學鋼化玻璃很容易因為環境因素造成破壞，且有後續塗膜
不易、易產生脫膜現象及成本較高之缺點，其使用亦受限制。
本發明的發光照明組件，其包含透明玻璃前蓋、透明封裝材料、透明背板及被該透明封裝材料包覆的一個或複數個發光二極體元件，或當前述太陽能電池元件中的背板作為發光照明元件的頂蓋時，本發明的發光照明組件包含透明封裝材料、透明背板及被該透明封裝材料包覆的一個或複數個發光二極體元件。
本發明的發光照明元件中的透明背板材料可使用各種材料製造，例如玻璃或塑膠。上述塑膠材料可由一或多個高分子樹脂層所構成。用以構成上述高分子樹脂層之樹脂之種類並無特殊限制，其例如但不限於聚酯樹脂(polyester resin)，如聚對苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate,PET)或聚萘二甲酸乙二酯(polyethylene naphthalate,PEN)；聚丙烯酸酯樹脂(polyacrylate resin)，如聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate,PMMA)；聚烯烴樹脂(polyolefin resin)，如聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)；聚苯乙烯樹脂(polystyreneresin)；聚環烯烴樹脂(polycycloolefin resin)；聚醯亞胺樹脂(polyimide resin)；聚碳酸酯樹脂(polycarbonate resin,PC resin)；聚胺基甲酸酯樹脂(polyurethane resin,PU resin)；三醋酸纖維素(triacetate cellulose,TAC)；聚乳酸(polylactic acid)；或彼等之混合物。較佳為聚對苯二甲酸乙二酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚環烯烴樹脂、三醋酸纖維素、聚乳酸或其混合物。
上述內容中的透明發光背板表面形狀皆需要鍍制上透明導電氧化物薄膜層，其主要目的是要將電流傳送至基板上的發光元件，而發光元件的正負電極是利用導電銀漿來與透明導電薄膜層接合，當施以電壓使電流注入發光元件產生照明光。其中該透明導電氧化物薄膜層可經圖案化而形成特定圖案設計。
在一具體實施例中，該發光組件中之複數個發光二極體組件可按該發光組件之背板上的透明導電氧化物薄膜層之圖案設計來置放。
在一具體實施例中，該發光組件中之複數個發光二極體組件是置放於透明導電的PET基板上，此PET基板與太陽能電池組件間系以一層透明封裝層區隔。
本發明所提供之太陽能照明系統其主要目的是為了讓入射的太陽光進入太陽能電池組件後，使太陽光局限於其中並藉由光學能轉為直流電能後，加以充分應用。為了促使太陽能照明系統的應用領域更加廣泛，系統電力設計有兩種，一者是可配備蓄電池系統，例如外接一個直流-直流的蓄電池系統，形成一組獨立型的太陽能照明系統；二者是可配備逆變器系統，形成一組並網型的太陽能照明系統，可用於市電併網。
在另一具體實施例中，為了增加太陽能照明元件系統的發光效率，可於該太陽能電池元件之透明玻璃背板或介於太陽能電池元件與發光照明元件間之透明封裝層面向太陽能電池元件之表面覆上反射層，或使用金屬貼膜做為反射層的材料。此反射層最主要的功能為反射全波段的光線，因此其材料之種類並無特殊限制，其較佳可為金屬，例如銀、金、鋁或鉻等；亦可使用金屬氧化物或非金屬材料，而諸如TiO2、BaSO4、Teflon等材料因具有白色外觀，可有效的增加光線反射，而成為較佳之材料。除上述反射全波段的光線之功能外，該等反射層亦可將太陽光線反射回太陽能電池組件內，再次增加太陽能電池組件的發電效率。可用任何適合的方法將反射層與太陽能電池元件或發光照明元件結合，例如使用黏著劑將其黏結。當反射層的材料為金屬時，較佳的方法是利用物理氣相沈積直接將金屬沈積於玻璃基板上，無需使用黏著劑，除了節省制程步驟外，亦可避免黏著劑變質所產生之問題，因此具有較佳的可靠性。該反射層的波長介於380 nm
至780 nm之間，較佳在450 nm至700nm之間，更佳為500 nm至650 nm之間且，平均反射率大於70%。
101‧‧‧透明玻璃前蓋
102‧‧‧光電組件
103‧‧‧透明封裝材料層
104‧‧‧透明玻璃背板
105‧‧‧透明玻璃前蓋
107‧‧‧發光二極體組件
108‧‧‧透明封裝材料層
109‧‧‧透明背板
201‧‧‧透明膠黏材料層
Claims (23)
- 一種太陽能照明系統，其包含：一太陽能電池組件，其包含透明玻璃前蓋、透明封裝材料、透明玻璃背板及被該透明封裝材料包覆的光電組件；一發光照明組件，其包含透明玻璃前蓋、透明封裝材料、透明背板及被該透明封裝材料包覆的一個或複數個發光二極體元件；其中該發光二極體組件位於該發光照明組件的透明背板上形成發光背板；該發光二極體組件可為點光源的發光二極體組件，或面光源的有機發光二極體組件，且該發光照明元件的透明背板具有透明導電薄膜層的圖案；其中該太陽能電池組件與該發光照明組件系利用夾膠玻璃的封裝技術結合。
- 根據請求項1之太陽能照明系統，其中該透明玻璃前蓋、透明玻璃背板及透明背板皆為物理鋼化玻璃。
- 根據請求項2之太陽能照明系統，其中該物理鋼化玻璃具有約120 MPa至約300 Mpa的抗壓強度、約120 Mpa至約300 Mpa的抗彎強度及約90 Mpa至約180 Mpa的抗拉強度。
- 根據請求項1之太陽能照明系統，其中該太陽能電池元件與該發光照明組件系藉由透明膠黏材料，於兩個組件中形成透明封裝層貼合。
- 根據請求項1之太陽能照明系統，其中該發光照明元件的透明背板上形成一片大面積發光背板。
- 一種太陽能照明系統，其包含：一太陽能電池組件，其包含透明玻璃前蓋、透明封裝材料、 及被該透明封裝材料包覆的光電組件；一發光照明組件，其包含透明封裝材料、透明背板及被該透明封裝材料包覆的一個或複數個發光二極體元件；其中該發光二極體組件位於該發光照明組件的透明背板上形成發光背板；該發光二極體組件可為點光源的發光二極體組件，或面光源的有機發光二極體元件，且該透明背板具有透明導電薄膜層的圖案；其中該太陽能電池組件與該發光照明組件的結合，系以夾膠玻璃的封裝技術，將置於透明玻璃前蓋及透明背板間該太陽能電池元件中的光電元件以及該發光照明元件中的發光二極體元件分別置放於各組件的封裝材料中，再以透明封裝層區隔該太陽能電池組件及該發光照明組件。
- 根據請求項6之太陽能照明系統，其中透明玻璃前蓋及/或透明背板為透明鋼化玻璃。
- 根據請求項7之太陽能照明系統，其中該太陽能電池元件與該發光照明元件的結合，可利用鋼化玻璃作為該透明封裝層，以夾膠玻璃的封裝技術使三片鋼化玻璃形成三明治結構，並將該太陽能電池元件中的光電元件及該發光照明元件中的發光二極體元件分別置放於其各自的封裝材料，以中間共用的透明鋼化玻璃區隔該光電組件及該發光照明組件。
- 根據請求項8之太陽能照明系統，其中該鋼化玻璃為物理鋼化玻璃。
- 根據請求項1或6之太陽能照明系統，其中該太陽能電池元件與該發光照明組件的結合，可利用外框將此兩組件的四周邊緣固定安裝，使兩元件中間間隔形成一個密閉的中空腔層，可用來區隔該太陽能電池組件及該發光照明元件，並可用以作為中空層，該太陽能電池元件及發光照明元件的厚度皆小於或等於5 mm。
- 根據請求項1之太陽能照明系統，其中該複數個發光二極體元件可按該發光組件之透明背板上的透明導電薄膜層之圖案設計來置放，該發光組件之透明背板可為玻璃基板或PET基板、PE基板、PC基板及PU等塑膠基板。
- 根據請求項6之太陽能照明系統，其中該複數個發光二極體元件可按該發光組件之透明背板上的透明導電薄膜層之圖案設計來置放，此該發光組件之透明背板可為玻璃基板或PET基板、PE基板、PC基板及PU等塑膠基板。
- 根據請求項11之太陽能照明系統，其中該發光元件之透明背板為PET基板，且此PET基板與太陽能電池組件間系以一層透明封裝層區隔。
- 根據請求項12之太陽能照明系統，其中該發光元件之透明背板為PET基板，且此PET基板與太陽能電池組件間系以一層透明封裝層區隔。
- 根據請求項6之太陽能照明系統，其中該透明封裝層為透明導電玻璃基板，其厚度介於2.0mm至0.7 mm，該基板上包含透明導電氧化物薄膜層，其材料為ITO、IZO、IGZO、ZnO、SnO2、AZO等金屬透明氧化物薄膜材料。
- 根據請求項10之太陽能照明系統，其中該兩元件的四周邊緣固定安裝，可利用選自鋁、鍍鋅鋼板、木材、或聚乙烯、聚丙烯、乙烯丙烯橡膠的合成材料制得的外框。
- 根據請求項1至15中任一項之太陽能照明系統，可在外接一個直流-直流的蓄電池系統，形成一組獨立型的太陽能照明系統。
- 根據請求項1至15中任一項之太陽能照明系統，可透過逆變器與市電併網，形成一組並網型的太陽能照明系統。
- 根據請求項1至15中任一項之太陽能照明系統，其中該太陽能電 池元件之透明玻璃背板或介於太陽能電池元件與發光照明元件間之透明封裝層面向太陽能電池元件之表面系覆上一反射層，其系選自由銀、金、鋁、鉻、TiO2、BaSO4、Teflon所組成之群。
- 根據請求項18之太陽能照明系統，其中該反射層波長介於380 nm至780nm之間，且平均反射率大於70%。
- 根據請求項20之太陽能照明系統，其中該反射層波長介於450 nm至700nm之間。
- 根據請求項18之太陽能照明系統，其中該反射層波長介於500 nm至650nm之間。
- 根據請求項18之太陽能照明系統，其中該反射層系金屬貼膜，該金屬系選自由銀、金、鋁及鉻所組成之群。
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