用于發(fā)電和熱收集的纖維復(fù)合材料太陽能電池板的制作方法
【專利說明】用于發(fā)電和熱收集的纖維復(fù)合材料太陽能電池板
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求2014年1月22日提交的、標(biāo)題為A FIBER C0MP0STE SOLAR PANEL FORELECTRICITY GENERAT1N AND HEAT COLLECT1N(用于發(fā)電和熱收集的纖維復(fù)合材料太陽能電池板)的美國臨時(shí)專利申請序列N0.61/930，270的優(yōu)先權(quán)，其教導(dǎo)通過參考以其整體包括在本文中。
【背景技術(shù)】
[0003]建筑物集成光伏(BIPV)系統(tǒng)是新興的光伏材料，其建造到建筑物或車輛結(jié)構(gòu)中。太陽能是我們生物圈的重要部分。光伏技術(shù)應(yīng)當(dāng)利用建筑反射集成到我們的環(huán)境中。我們必須根據(jù)人們的需要建立不僅僅是能量，而且是美、舒適、簡單性、可動(dòng)性和靈活性。
[0004]我們提出建立稱為Lotus Awning板的太陽能電池板。Lotus Awning太陽能電池板是給人們遮蔽、可攜帶性、可折疊性、熱和電的基本BIPV系統(tǒng)。這些面板設(shè)計(jì)成用作附接于建筑物的遮陽篷。
[0005]我們想要堅(jiān)固但重量輕的太陽能電池板。常規(guī)的太陽能電池板由玻璃覆蓋在頂部并且以鋁作為框架。它們剛性地安裝在固定結(jié)構(gòu)上，該固定結(jié)構(gòu)必須放在人們不可到達(dá)的地方，諸如在屋頂上。我們想要電池板不僅通過強(qiáng)度而且通過收縮來經(jīng)受暴風(fēng)雪。美和品牌與實(shí)用性一樣重要。
[0006]購買、安裝、維護(hù)、維修和重新定位太陽能電池板時(shí)的簡單性是人們想要的。他們就不想要重且難看的太陽能電池板在屋頂上或在太陽能農(nóng)場中。他們想要他們可觸摸、移動(dòng)和看見的某物。他們想要能夠在太陽上升時(shí)打開這些電池板并在太陽落下時(shí)折疊它們。
[0007]Lotus Awning使用在建筑物的側(cè)面上的可折疊結(jié)構(gòu)的太陽能電池板來給人們遮蔽、電和熱水。在亞利桑那州是非常需要的，在亞利桑那州，太陽暴露可快速地引起健康危害。然而，這里的人們更喜歡以露天吃飯的形式在外面吃喝。此外，這里的房子傾向于避免向南的暴露，因?yàn)檫@傾向于增大房屋溫度。遮陽篷遮蔽窗對避免熱而言是必要的。
[0008]大體上，存在對制造重量非常輕的、能夠不僅產(chǎn)生電而且收集熱的剛性電池板的強(qiáng)烈需要。熱收集還降低了太陽能電池板的溫度。高溫降低了光伏生成的效率并且還可引起太陽能電池板隨著時(shí)間的過去的退化。除了 Lotus Awning應(yīng)用之外，我們還使用這些復(fù)合材料電池板用于移動(dòng)應(yīng)用，諸如電動(dòng)車的太陽能充電。我們還可將這些復(fù)合材料電池板安裝在更大的太陽能電池板系統(tǒng)上，該更大的太陽能電池板系統(tǒng)在兩個(gè)軸線上追蹤太陽，用于另外的能量生產(chǎn)的40%增加。這些電池板用于Lotus Mobile、Lotus Heat和LotusMax系統(tǒng)，它們的公開已提交用于這些太陽能電池板在強(qiáng)風(fēng)期間的傘狀折疊。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]我們發(fā)明了一種建筑物集成的光伏和熱(BIPV AH)太陽能電池板系統(tǒng)，其包括太陽能電池板，該太陽能電池板包括頂部光伏復(fù)合材料層、中間熱交換纖維復(fù)合材料框架和底部纖維復(fù)合材料層。這三層進(jìn)而出于發(fā)電和熱生成的目的形成用于堅(jiān)固且輕重量的結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。我們將這些電池板用作諸如遮陽篷的遮蔽結(jié)構(gòu)和可在夜晚和在不利氣候條件下閉合的花狀太陽能追蹤系統(tǒng)。
[0010]在一個(gè)示例性實(shí)施例中，我們使用用于太陽能電池的碳氟化合物頂窗，該太陽能電池由離聚物封裝以粘附于頂窗和底部纖維玻璃復(fù)合材料層。所得的光伏層膠粘到矩形管的碳纖維框架上，優(yōu)選諸如乙二醇的冷卻劑流過該矩形管。如在現(xiàn)有技術(shù)中已知的，纖維玻璃復(fù)合材料片的底層膠粘到碳纖維框架上，使兩個(gè)堅(jiān)固復(fù)合材料片的太陽能電池板的堅(jiān)固復(fù)合材料包封堅(jiān)固碳纖維框架。所得的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)是輕重量的并且非常堅(jiān)固，以保持其重量并經(jīng)受風(fēng)力。
[0011]借助于托架，太陽能電池板可安裝于建筑物的側(cè)面，諸如在壁上。托架可使太陽能電池板的方位擺動(dòng)，諸如以允許它們在不需要時(shí)降低，或用于它們的保護(hù)。電池板還可安裝在面向東的壁上并且在太陽上升時(shí)追蹤太陽，在早上沿鉸鏈軸線旋轉(zhuǎn)以第一次顯示為向東，在中午上升成與地面平行，并且繼續(xù)上升以追蹤太陽到西。例如，電池板可以以與水平線的-90 (垂直)或優(yōu)選-60度開始，上升到水平線處的0度，并且延伸超過+5度并且可能朝向優(yōu)選+60度，如果并未+90度(垂直)面向西。
【附圖說明】
[0012]為了更完整地理解本公開及其優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在參照結(jié)合附圖進(jìn)行的以下描述，在該附圖中同樣的附圖標(biāo)記表示同樣的部分，其中:
[0013]圖1示出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的復(fù)合材料電池板的組成層的分解圖；
[0014]圖2示出了組裝、層疊和成框架的本發(fā)明的太陽能電池板的背側(cè)；
[0015]圖3示出了用于結(jié)構(gòu)支承和用于熱收集的碳纖維框架的優(yōu)選實(shí)施例；
[0016]圖4示出了展示冷卻劑如何在框架中循環(huán)用于熱收集的碳纖維框架的優(yōu)選實(shí)施例；
[0017]圖5示出了本發(fā)明中的碳纖維管的閥栓連接器連接區(qū)段的優(yōu)選實(shí)施例；
[0018]圖6示出了具有本發(fā)明的冷卻劑循環(huán)和電連接的兩個(gè)電池板系列；
[0019]圖7示出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其包括由此將電轉(zhuǎn)化至電板和使冷卻劑流至水加熱器的系統(tǒng)。
【具體實(shí)施方式】
[0020]本公開提供纖維復(fù)合材料太陽能電池板的新方法和設(shè)備，其借助于輕重量的、堅(jiān)固的和易于折疊的集成的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)生光伏電并收集太陽能熱能。2013年1月16日提交的標(biāo)題為Foldable Solar Power Receiver (可折疊太陽能接收器)的美國專利公開N0.2013/0327371由此通過參考并入。
[0021]我們使用的優(yōu)選的纖維材料包括但不限于纖維玻璃和碳纖維。對于本發(fā)明而言，具有足夠的強(qiáng)度和這些材料的類似特征的本領(lǐng)域中已知的其它聚合物和材料也是可接受的。
[0022]我們使用的優(yōu)選的聚合物包括但不限于代替玻璃作為太陽能電池窗的聚四氟乙烯(PTFE)、離聚物或作為粘合劑的乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)、以及聚丙烯、聚乙烯或作為纖維增強(qiáng)型聚合物的環(huán)氧基樹脂。
[0023]我們使用的優(yōu)選的光伏材料包括但不限于單晶硅電池、多晶硅電池以及諸如基于無定形硅、硫化鎘和銅銦鎵砸(CIGS)的那些的其它薄膜太陽能電池。
[0024]我們公開了基于使用粘結(jié)劑、加熱和壓力層疊以及夾持而使這些材料一起成層以建立堅(jiān)固的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的方式。
[0025]我們公開了如何將層疊的電池板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)用于輕重量，而同時(shí)具有高抗拉強(qiáng)度以處理其重量和風(fēng)力載荷。我們通過使用少量的諸如碳纖維的堅(jiān)固材料的纖維復(fù)合材料框架來增大或建立層疊結(jié)構(gòu)的深度。電池板的硬度基于使用夾住足夠厚度的中空碳纖維框架的纖維復(fù)合材料片。整個(gè)結(jié)構(gòu)是用于電收集和熱收集兩者的集成復(fù)合材料。在現(xiàn)有技術(shù)中，大部分的熱收集系統(tǒng)是添加到現(xiàn)有的太陽能電池板，其較重并且增加了支承結(jié)構(gòu)的負(fù)載要求，而不是將強(qiáng)度添加至系統(tǒng)。
[0026]本發(fā)明包括在層疊的太陽能電池板結(jié)構(gòu)內(nèi)循環(huán)的冷卻劑，用于冷卻太陽能電池板和用于以加熱水和空間為目的的熱收集。冷卻劑直接在太陽能電池或太陽能電池層下面的碳纖維管中流動(dòng)。冷卻劑冷卻具有用于增加的電生產(chǎn)的附加益處的太陽能電池。碳纖維管的使用是優(yōu)選的，因?yàn)槠浞浅?jiān)固并且還為非常良好的熱導(dǎo)體。
[0027]本發(fā)明包括優(yōu)選地安裝且抵靠建筑物的側(cè)面支撐的電池板。因而電池板可在夜晚或大風(fēng)期間折疊。這些輕重量的電池板可像雨傘或甲板一樣折疊以避免風(fēng)力。
[0028]該復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的單個(gè)層100在圖1中從頂部(光伏側(cè))到中心(熱收集歧管)和覆蓋纖維復(fù)合材料片的底部示出。這些層將在多個(gè)步驟中層疊以形成太陽能電池板。
[0029]頂部透明層101保護(hù)太陽能電池板免受諸如水、風(fēng)、冰雹和其它沖擊物體的外部元件。材料優(yōu)選為堅(jiān)固的透明層，諸如PTFE，其阻止腐蝕、注水、撕裂、加熱和光降解、電擊穿以及由灰塵和雨水的污染。
[0030]太陽能電池102以陣列定位并且通過使線成為突出物(如本領(lǐng)域中已知的)而串聯(lián)連接，形成光伏層103。通過諸如離聚物或EVA或本領(lǐng)域中已知的其它封裝劑的粘結(jié)劑，將這些電池封裝在頂部封裝104和底部封裝105的兩層封裝中。封裝層104還用作將太陽能電池粘附于窗層101的粘結(jié)劑。
[0031]復(fù)合材料層106，優(yōu)選纖維玻璃片，優(yōu)選地嵌入在聚丙烯或尼龍聚合物中，并且提供用于光伏層103的背板支承。封裝層105還用作將太陽能電池粘附于復(fù)合材料層106的粘結(jié)劑。
[0032]在這些層101-106組裝之后，組件通過熱和壓力層疊，以形成標(biāo)記為107的一個(gè)單個(gè)層疊復(fù)合材料層。我們稱復(fù)合材料層101、103、104、105和106為光伏復(fù)合材料層107。優(yōu)選的是，熱壓力在合適的溫度下完成以確保適當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)和化學(xué)以及性質(zhì)變化，同時(shí)沒有提升溫度太高到削弱聚丙烯片。雖然太陽能電池可經(jīng)受超過300攝氏度的溫度，但是由于層材料的潛在退化和避免不必要的變形，故優(yōu)選的是在大約140攝氏度但不高于180攝氏度下組合該層疊體。
[0033]框架108優(yōu)選由碳纖維復(fù)合材料形成?？蚣軆?yōu)選包括具有矩形橫截面的許多節(jié)段(length)的中空碳纖維桿。這些節(jié)段使用閥栓(如圖5中所示，標(biāo)記500)接合在一起。優(yōu)選地，框架包括設(shè)在環(huán)氧樹脂中的碳纖維。在可選實(shí)施例中，框架可由諸如玻璃纖維的其它纖維和/或諸如聚乙烯的聚合物，以及本領(lǐng)域中已知的其它材料形成，以提供類似的支承和熱傳導(dǎo)?？蚣艿哪康脑谟谔峁┙Y(jié)構(gòu)支承和用于熱交換的液體流動(dòng)歧管兩者?？蚣?08，形成本發(fā)明的層疊復(fù)合材料太陽能電池板的中間層。
[0034]整個(gè)組件的底層優(yōu)選由另一個(gè)纖維復(fù)合材料層109制成。該復(fù)合材料層109與層疊光伏頂部層107 —起夾住碳纖維復(fù)合材料框架108。我們使用諸如硅酮的堅(jiān)固粘結(jié)劑來形成層107、108和109的堅(jiān)固單個(gè)層疊體以形成太陽能電池板100。出于將太陽能電池板100附接于壁(未示出)的目的，我們將兩個(gè)鋁框架110和111添加在太陽能電池板100的兩個(gè)端部處。
[0035]圖3展示了本發(fā)明的層疊且成框架的太陽能電池板200的優(yōu)選實(shí)施例。附加的結(jié)構(gòu)包括用于將乙二醇軟管203和夾具204和206附接在電池板的其它位置處的兩個(gè)閥栓201和202。接線盒207終止成系列的太陽能電