太陽牆體發電構件及其製備方法
2023-09-21 13:58:45 1
專利名稱：太陽牆體發電構件及其製備方法
技術領域：
本發明屬於太陽能利用技術領域，具體涉及一種利用太陽能發電和產熱的太陽牆體發電構件及其製備方法。該太陽牆體發電構件既可作為建築物的朝陽牆體，又可作為發電和產熱裝置。把它設置在建築物的朝陽表面，用於把捕獲到的太陽輻射能轉變成電能和熱能，再分別從不同埠或出口輸出以資利用。
背景技術：
太陽能是人類實現可持續發展和永恆利用的能源。人們在屋頂或平地上安裝太陽電池發電裝置已經進行了大量的研究和實踐活動。這些裝置需要把一個一個的太陽電池板固定在鋼製的安裝框架或支架上，再把支架裝置固定在屋頂或空曠的平地上。如此，對安裝基礎要進行一定的預處理方可使用，同時也使太陽能發電裝置的使用面積受到了一定的限制。由於安裝支架是鋼製的還需採取防雷擊措施。上述安裝支架，安裝基礎預處理和防雷擊以及安裝施工等內容大大增加了太陽能發電裝置的成本。
中國專利公開號CN1132340A公開了一種太陽能光電熱能收集結構，它與常規的太陽能光電(伏)或光熱系統比較可以方便的安裝在屋頂或牆側。但該結構的熱循環性能和耐低溫性能存在缺陷。該結構把水箱放置在建築物的屋頂上增加了房屋的承載負荷。它還存在強度，互換性或成本等問題。
中國專利公開號CN1207830A描述了在建築物的屋面鋪設光電池的裝置。它存在溫度性能和維護性能等問題。
中國專利公開號CN1381658A描述了一種太陽能的光電和光熱複合裝置並把它安裝在建築物的屋頂上。它把太陽能發電，太陽能空氣集熱器和太陽能熱水集熱器組合在一起進行使用。它存在系統成本和系統效率等一系列問題。
中國專利公開號CN1407684A專利描述了把常規的太陽電池板擴大成幕牆，然後再按常規的太陽能光伏發電系統加以組合利用。作為牆體，它的強度，保溫性，安全性，光汙染等問題均需進一步考慮解決。
中國專利授權公告號CN1144297C描述了一種太陽能屋頂構件及其製造和安裝方法。它採用的是非晶體矽太陽電池。該構件存在太陽能光電轉換效率較低和結構較複雜以及維護性等問題。
還有一些涉及太陽能發電或產熱的專利。所有這些專利它們所考慮的都是如何與建築相結合的問題和如何安裝在建築物的屋頂等的結構與裝置。
常規的太陽電池板都需要先固定在一個鋼製的框架或支架上，再把該支架固定在空曠的地面上或屋頂上，有時還需添置避雷裝置。這樣既增加了太陽能發電系統附件的種類和數量又使安裝任務的工作量變大。如，預先埋置和用水泥澆灌膨脹螺栓等，這樣費時費工，並且增加了整個太陽能發電系統的成本。還有一個缺陷就是太陽能發電系統的使用受到了場地限制。因為空曠的土地資源成本較高，屋頂的面積十分有限，對樓房情況更嚴重。這在一定程度上使太陽能發電系統的利用受到制約。
諸多新的專利和科研成果僅僅在一定程度上解決或減少了這些問題。它們構思或研發了新的太陽電池裝置，這些新的裝置可較方便的安裝在建築物的屋頂上或作為屋頂材料的一部分進行使用，但又出現了新的問題，如強度，安全性，互換性，保溫性，成本等。
發明內容
針對上述背景技術的缺陷或不足，本發明的目的在於，提供一種太陽牆體發電構件及其製備方法，本發明將太陽牆體發電構件製成建築牆體的構件，既可作為建築物的朝陽牆體，又具有太陽能發電和產熱的功能，適合大面積推廣和應用。與上述文獻公開的內容相比，他們之間存在著本質的區別。
為了達到上述目的，本發明採取的技術方案是，一種太陽牆體發電構件，包括一與建築牆體結合的牆基體，該牆基體上依次設置有加強板裝置、串聯或並聯的太陽電池和透光板；太陽電池和透光板由粘結劑粘接在一起，並與加強板裝置密封；其特徵在於，加強板裝置設置在該牆基體內，加強板裝置上有熱能輸送管道，其熱能輸送管道的進出口和太陽電池的正極輸出端和負極輸出端從牆基體周邊引出。
所述的牆基體周邊有燕尾槽，用於熱能輸送管道的進出口和太陽電池的正極輸出端和負極輸出端從牆基體引出。
上述太陽牆體發電構件的製備方法，把高透光率的透光板和多個按串聯和/或並聯的太陽電池粘接，並使太陽電池受光面朝向透光板；其特徵在於，至少還包括以下步驟1)製作一表面積與透光板相同、並與建築牆體結合的獨立牆體，該牆體上下兩個邊留有燕尾槽；牆體的中間層預置一帶有熱能輸送管道的加強板裝置；2)把密封好的太陽電池與透光板和牆體預置的加強板裝置粘接後密封。
其詳細製備過程是1.首先，按圖2太陽電池連接示意圖把太陽電池按一定的串聯和/或並聯要求連接好。其次，用粘結劑膜在太陽電池上下各覆蓋一層。然後，用模壓板把太陽電池與粘結劑進行熱熔封(層)壓。再進行固化處理。
2.製作加強板裝置加強板裝置包括基板和熱能輸送管道，其中基板選用熱扎薄鋼板，而熱能輸送管道選用圓管或方管；基板與熱能輸送管道採用焊接合成一體，並儘可能增大兩者的接觸面積。
3.製作牆基體首先，把工業爐渣，石灰和粘土預先碾壓成粉末狀。其次，把粉末狀的工業爐渣，石灰和粘土與少量的幹細沙和水泥均勻摻和成幹的混合粉。第三步，用摻入微量膠粘劑的水噴灑幹的混合粉使其成為溼的混合粉。第四步，給加強板裝置的熱能輸送管道的管道中填灌滿幹沙。第五步，把加強板裝置放入牆基體模壓箱的最底部，要使熱能輸送管道所在面向上，再給加強板裝置向上的面鋪撒少量水泥粉，接著把溼的混合粉放入牆基體模壓箱中，並在中途放入一定的麻。第六步，對牆基體模壓箱施加一定的壓力使溼的混合粉壓製成型。第七步，脫去牆基體模具並把牆基體涼幹；然後，倒出熱能輸送管道中的幹沙，並用水衝淨該管道。至此，已經做好了牆基體與加強板裝置的合成體。
4.製作透光板把高透光率的透光板的朝陽面進行減反射處理，然後進行去油去汙清潔處理以備待用。
5.把經過減反射處理的透光板與經過熱熔封壓的太陽電池採用熱微熔法壓封成一體，要使太陽電池受光面朝向透光板。
6.把步驟5製成的固壓體再和上述牆基體與加強板裝置的合成體採用熱微熔法壓封成一體，要使太陽電池的背光面朝向加強板裝置，並使太陽電池的正極輸出端和負極輸出端分別位於牆基體中燕尾槽和燕尾槽處。
7.用密封膠把透光板和加強板裝置的四周進行密封膠結，以防止水或其它氣體透過粘結劑滲入到太陽電池的表面影響其性能和壽命。
8.分別對透光板，太陽電池的正極輸出端負極輸出端和熱能輸送管道的兩個端頭(輸入和輸出口)採取防劃傷，短路或損壞的保護處理措施。
本發明和現有技術相比，具有下列特點①建材化 只使太陽能發電裝置與建築物結合在一起或容易裝配成一體還是不夠的，它在美觀上是一個大的進步。本發明則是使得建築構件本身成為太陽能發電裝置或器件，這種器件具有建築構件本身的和利用太陽能發電的雙重功效與作用。
②提高能源利用量 這有二層含義。一層含義是擴大了捕獲太陽輻射能的面積，作為牆體捕獲太陽能不佔用空曠土地，它比屋頂的受光面積大很多，對於樓房牆體的受光照面積要比屋(樓)頂受光照面積大若干倍。由於捕獲陽光的面積增加，那麼太陽能的利用量也隨之增加。另一層含義是提高太陽能的利用率。當今世界先進水平的太陽電池也只能把照射在它表面太陽輻射能的不足20％轉變成直流電能，其餘絕大部分能量變成熱能而白白散失掉了。這些熱能的滯留還會降低光能轉變成電能的效率。本發明則是將這些熱能迅速輸送走，再加以利用。從而提高了太陽牆體發電構件的發電量，又可獲得相當的熱能，可謂一舉兩得。因此，它大大提高了太陽能的利用率。
③綠色性 本發明製備的構件不僅在運行工作過程中不產生汙染，而且在生產和加工過程中也不產生汙染。它還有消聲隔音，防火阻燃，絕熱保溫一系列功能。同時它還是一個產出能量的構件。因此它是一個「綠色」建材器件，也是實現零耗建築或綠色建築的重要構件。
④低成本 由於充分發揮了牆體各種材料的作用並且儘可能的選用價格低廉的材料，再使各種材料的性能相互取長補短以達最佳效果，從而實現了太陽牆體發電構件的低成本。如，由於使用金屬材料作為加強板裝置105，而使牆基體106可以大量採用工業爐渣，粘土等這些廢棄物和價格極低的原料，並且牆106還不用燒結既可減少能耗又利於環境保護。
圖1是按本發明方法製備的構件剖面圖，圖中的符號為101-透光板，102-太陽電池，103-密封膠，104-粘結劑，105-加強板裝置，106-牆基體。
圖2太陽電池連接示意圖。圖中的符號為201-正極接線端子，202-匯流串焊帶，203-太陽電池片，204-負極接線端子。
圖3加強板裝置示意圖。圖中的符號為301-基板，302-熱能輸送管道，303——牆體固連筋。
圖4太陽牆體發電構件的牆基體示意圖。圖中的符號401，402，403和404均為燕尾槽；圖5實施例示意圖，圖中的符號為501-控制變換器，502-循環泵，503——貯熱箱。
具體實施例方式
以下結合附圖和發明人給出的實施例對本發明作進一步的詳細說明。
參見附圖，圖1是牆體剖面圖，顯示了太陽牆體發電構件各部分的相對位置關係。透光板101，太陽電池102，密封膠103，粘結劑104，加強板裝置105，牆基體106依次連接並密封。
加強板裝置設置在該牆基體內，加強板裝置上有熱能輸送管道，其熱能輸送管道的進出口和太陽電池的正極輸出端和負極輸出端從牆基體周邊引出。
牆基體周邊有燕尾槽，用於熱能輸送管道的進出口和太陽電池的正極輸出端和負極輸出端從牆基體引出。
其製備方法是透光板101可選用價格低和透射率高的材料以替代常用的鋼化玻璃；如選用低鐵白玻璃或一些抗輻射的有機材料。對於低鐵玻璃要降低它表面的反射率以免產生光汙染和提高透射率。為達到該目的，可採取表面處理措施，如進行化學腐蝕或鍍膜等。
太陽電池102由晶體矽材料製造，其工作原理是根據「光生伏打效應」吸收太陽光而發出直流電能的。
粘結劑104選用熱固性熱熔膠膜，透光率要高，耐紫外光不老化。它一方面要把太陽電池102封密起來，使太陽電池102不能與外界接觸產生氧化反應影響發電性能，同時也起一定緩衝作用以增加太陽電池的耐衝擊能力；另一方面它要把太陽電池102與透光板101和加強板裝置105粘接在一起，大大克服太陽電池機械性能方面的缺陷。
加強板裝置105選用廉價的普通薄板鋼材替代常用的TPT材料。作為建材使用，即使很薄的鋼板也要比常用的TPT材料性能高若干個數量級。
牆基體106是把工業爐渣、石灰和粘土預先碾壓成粉末再與少量的細沙，麻，水泥一系列材料混合壓製成型。它不要進行燒結，這樣既可減少能耗又可減輕牆體的重量。牆基體也可單獨作為一種輕型非承重建築牆體。牆基體周邊有燕尾槽，熱能輸送管道的進出口和太陽電池的正極輸出端和負極輸出端分別從位於牆基體的燕尾槽中引出。
圖2太陽電池連接示意圖。太陽電池102發出的是直流電，它有正極和負極之分。正極接線端子和負極接線端子204是一塊牆體的二個電力輸出端，務必呈幾何對稱分布並位於牆體長度尺寸靠短邊的1/4位置處。這樣，當數塊太陽能發電牆砌壘在一起時，可根據需要很方便的進行串聯或並聯連接並且保證不會發生短路事故。
匯流串焊帶202的作用是把一塊太陽牆體發電構件中的太陽電池片根據設計要求進行串聯和/或並聯連接。
圖3是加強板裝置103示意圖。基板301的作用主要有三點，①大幅增加牆體承載性能；②保護太陽電池片免遭室內在太陽能發電牆上敲或砸硬物而損壞；③收集熱能，太陽電池可接受照射在它表面90％左右的光能，只有不到20％的光能轉換成了電能，其餘絕大部分變成熱能白白散失掉了，而基板301可把該熱能的大部分收集起來。
熱能輸送管道302作用是把基板301收集的熱能輸送出去。它的兩端須呈對稱分布，分別位於牆體長度尺寸靠兩個短邊的1/4位置處，這樣當多塊發電牆砌在一起時便於連接。熱能輸送管道302是加強板的一部分，它與基板301合為一體並左右盤繞整個基板301以便把基板301收集的熱能迅速傳輸出去。管道中的熱媒可以是空氣也可以是水或其它流體。因此，要求管道在基板301上盤繞時向上有一定的斜度可防止積水。夏季太陽輻射較強時，用水作熱媒，它一個收益可生產熱水供洗浴用，另一收益可隔離或短路朝陽牆體因太陽輻射產生的熱量，使該熱量不能傳入室內，具有空調作用。冬季太陽輻射達到一定強度時，用空氣作熱媒並把加熱過的空氣再通入室內，具有取暖作用。
牆體固連筋303主要作用是進一步加強牆體各部分的連接性和整體性並提高牆體的力學性能。
圖4太陽牆體發電構件的牆基體示意圖。牆基體留有4個燕尾槽，編號分別為401，402，403和404。要求它們上下左右分別呈現對稱分布，以便按需要分別設置不同用途。其中燕尾槽401和403為導線引出轉接處，它是太陽能發電牆所產生的直流電能的輸出接線端處。如果燕尾槽401為正極接線端處，則403為負極接線端處。由於燕尾槽的對稱性，當多塊太陽牆體發電構件砌壘使用時，根據牆體間直流電串聯和/或並聯的需要可很方便的調整每塊牆體上端和下端的正負輸出極性(繞牆中心旋轉180°既可)。燕尾槽402和404為熱能輸送管道轉接處，一端為輸入口，則另一端為輸出口。
燕尾槽除了起到電能或熱能的輸送轉接處的作用外，還有一個重要作用，那就是由於它的幾何形狀，用沙灰水泥等可把上下相鄰的太陽牆體發電構件非常牢固的砌壘起來。
以下是發明人給出的具體實施例。
如圖5所示，它是本發明的構件的一個實例簡圖。本發明的構件作為外牆砌立於建築物的朝陽面。
透光板101選用厚度為3.2mm，Fe2O3含量低於或等於3.5‰的平板玻璃並用氟矽酸對其朝陽表面進行減反射處理，可作為替代方案也可選用經減反射處理的鋼化玻璃。
太陽電池102選用面積大於或等於150×150的單晶矽或多晶矽體材料的太陽電池片，它的光電轉換效率要等於或大於15％。
密封膠103採用矽酮膠。
粘結劑104可選用乙烯乙酸乙烯共聚物，乙烯丙烯酸乙酯共聚物或聚乙烯醇縮丁醛。採且乙烯乙酸乙烯共聚物的熱熔層壓溫度為132℃±5℃。固化溫度為158℃±5℃。熱微熔法選取溫度為120℃±3℃。恆溫7～9分鐘。
加強板裝置105選用熱軋薄鋼板，鍍銅鋼板或鋁合金板。
牆基體106成份按體積分工業爐渣32％，粘土24％和石灰22％，其餘為細沙，麻和水泥等壓制而成。
當陽光照射太陽牆體發電構件時，會有電能和熱能產生。電能可通過正極接線端子201或負極接線端子204輸出至控制變換器501。控制變換器501把該電能輸送給負載或送入交流電網。熱能則由循環泵502強制水循環，經由熱能輸送管道302把熱帶入貯熱箱503，以降低太陽電池102的溫度，從而增加其發電量。
按照本實施例的製作的太陽牆體發電構件，其主要特點和投入使用後的技術效果如下1.當太陽光照射到太陽牆體發電構件朝陽面上時，約有90％的光可以穿過透光板101到達太陽電池表面。其餘光的絕大部分又返回空(大)氣中去了，因為透光板101的朝陽表面採取了減反射處理，這部分光是以散射光的形式返回的而不是以通常的反射光(直射光)形式返回；這樣就可以避免產生光汙染。
2.透光板101可選用價格低廉的低鐵水白玻璃以替代常用的價格相當高的鋼化玻璃。雖然水白玻璃承冰雹撞擊遠不如鋼化玻璃，但牆體一般都是鉛垂豎立的，其受力方向發生了變化，因此本發明的構件所能承受的冰雹衝擊與傾斜放置的鋼化玻璃所能承受的衝擊相差不大。另外，如因突發事件使水白玻璃受到撞擊，它會破裂，由於粘結劑104的作用使其不會立即掉下而造成傷害，又因採用了熱微熔技術可把破裂的玻璃拿下來進行更換，一般不至於損壞昂貴的太陽電池。而通常鋼化玻璃採用熱熔層壓技術，如因突發事件受到大的撞擊，它會破碎，不但會損壞太陽電池，而且還會造成人身傷害。所以，本發明產品具有一定的安全性和良好的互換性。
3.太陽電池102可以把照射在它上面的光的一部分轉變成電能進行輸出，而其餘大部分轉變成了熱能傳遞給基板301。
4.太陽電池102經熱熔層壓後，已被粘結劑104圍裹，使太陽電池不與外界接觸，以免發生化學反應導致性能下降，同時粘結劑104對太陽電池還有緩衝力的作用。這些措施使得太陽電池可以工作使用20年以上其電性能幾乎不下降。所以本發明的構件具有壽命長的優點。
5.加強板裝置105可把太陽電池傳遞來的熱能輸送出去。一年四季中，當陽光充足時，可用水作熱媒強制水通過熱能輸送管道302而把熱量攜帶走以資利用。在冬季，陽光較充足時，可用空氣作熱媒使空氣通過熱能輸送管道把熱量帶至房間用於取暖。在冬季陽光較弱或無陽光時，由於熱能輸送管道302的幾何布置可自動使管內的水放淨而不至於結冰脹裂管道302。
熱媒攜帶走熱量會導致太陽電池的溫度下降。太陽電池溫度越低它所發出的電能就越多。所以，與常規太陽電池組件相比，本發明不僅增加了產出熱能的功效，還使所發出的電能增加許多；夏季當陽光曝曬時，它的發電量可相對增加20％以上。
6.加強板裝置105和牆基體106的結構與組成使得本牆體自身重量輕，而且具有較好的承載能力和抗剪切力。
7.牆基體106與透光板101和加強板裝置104的組合使得本發明的構件具有良好的吸音和隔音效果。
8.本發明的構件均由不燃燒材料組成，是一個不燃燒體。因此，它具有良好的防火阻燃性能。
9.基板301和熱能輸送管道302及牆基體106的有效組合使本牆體構件整體上具有較大的熱阻R或很小的傳熱係數K，以致於它有良好的保溫和隔熱性能。按單砌240磚牆標準，其熱阻約增大10％。
10.透光板101，加強板裝置105和牆基體106均有一物多能作用，使得本發明的構件達到了成本較低的目標。
權利要求
1.一種太陽牆體發電構件，包括一與建築牆體結合的牆基體，該牆基體上依次設置有加強板裝置、串聯或並聯的太陽電池和透光板；太陽電池和透光板由粘結劑粘接在一起，並與加強板裝置密封；其特徵在於，加強板裝置設置在該牆基體內，加強板裝置上有熱能輸送管道，其熱能輸送管道的進出口和太陽電池的正極輸出端和負極輸出端從牆基體周邊引出。
2.如權利要求1所述的太陽牆體發電構件，其特徵在於，所述的牆基體周邊有燕尾槽，用於熱能輸送管道的進出口和太陽電池的正極輸出端和負極輸出端從牆基體引出。
3.一種實現權利要求1所述的太陽牆體發電構件的製備方法，將高透光率的透光板和多個按串聯和/或並聯的太陽電池粘接，並使太陽電池受光面朝向透光板；其特徵在於，至少還包括以下步驟1)製作一表面積與透光板相同、並與建築牆體結合的牆基體，該牆基體上下兩個邊留有燕尾槽；牆基體的中間安置一帶有熱能輸送管道的加強板裝置，熱能輸送管道的進出口從牆基體周邊引出；2)把密封好的太陽電池與透光板和牆基體內預置的加強板裝置粘接後密封。
4.如權利要求3所述的太陽牆體發電構件的製備方法，其特徵在於，所述的牆基體與加強板裝置的合成體採用熱微熔法壓封成一體，太陽電池的背光面朝向加強板裝置，牆基體周邊有燕尾槽，並使熱能輸送管道的進出口和太陽電池的正極輸出端和負極輸出端分別從位於牆基體的燕尾槽中引出。
5.如權利要求3所述的太陽牆體發電構件的製備方法，其特徵在於，所述的牆基體與加強板裝置合成體的製作工藝過程是首先，把粉末狀的工業爐渣，石灰和粘土與幹細沙和水泥均勻摻和成幹的混合粉；然後用摻入微量膠粘劑的水噴灑幹的混合粉使其成為溼的混合粉；第三步，給加強板裝置的熱能輸送管道的管道中填灌滿幹沙，把加強板裝置放入牆基模壓箱的最底部，使熱能輸送管道所在面向上，再給加強板裝置向上的面鋪撒少量水泥粉；第四步，接著把溼的混合粉放入牆基體模壓箱中，對牆基體模壓箱施加壓力使溼的混合粉壓製成型；第五步，脫去牆基模體具並把牆基涼幹；然後，倒出熱能輸送管道中的幹沙即成。
全文摘要
本發明公開了一種太陽牆體發電構件及其製備方法。該太陽牆體發電構件由牆體朝陽最外層的透光板，太陽電池，粘結劑，加強板裝置和牆體室內最表層的牆基體幾個部分構成。它可把照射在其表面太陽輻射能分別轉變成電能和熱能給予輸出以資利用。該構件的成分和構造決定了其牆體具有發電量較大，重量輕，易維護，消聲隔音，防火阻燃，絕熱保溫一系列特點。本發明實現了產能器件的建材化，它大大提高了建築物利用太陽能的功能和性能，對實現「零能耗」和「綠色」建築具有一定的積極意義。
文檔編號E04D13/18GK1584250SQ200410026219
公開日2005年2月23日 申請日期2004年6月7日 優先權日2004年6月7日
發明者施鈺川, 黃國華 申請人:西安交通大學