用於交錯或不規則形狀的太陽能陣列中的仿太陽能模塊的製作方法

2023-12-01 02:55:16

本申請要求於2014年4月18日提交的美國申請No.14/256,657(「用於交錯或不規則形狀的太陽能陣列中的仿太陽能模塊(Imitation Solar Module For Use in a Staggered Or Irregularly Shaped Solar Array)」)的優先權，其在2015年2月3日公告為美國專利No.8,946,540。本申請還要求於2014年12月19日提交的U.S.申請No.14/577,222(「用於交錯或不規則形狀的太陽能陣列中的仿太陽能模塊」)的優先權。上述申請通過引用被完全併入，如在這裡被全部記載的一樣。

技術領域

本發明涉及太陽能面板陣列和太陽能面板固定系統。

背景技術：

光伏模塊被製造為標準尺寸的矩形形狀。儘管不同製造商為它們的模塊使用不同尺寸，但是幾乎所有標準光伏模塊都傾向於矩形形狀。

當這些分離的矩形光伏模塊安裝在建築物的屋頂時，形成模塊陣列。存在許多不同的方式將光伏模塊放置和互鎖在一起以形成陣列。例如，在一些陣列中，放置模塊使得四個相鄰模塊的角部邊緣在相同的總體位置附近相交(且使用一個或多個連接器連接在一起)。在該布置中，形成的整體陣列將具有矩形形狀(因為每個模塊與另一模塊邊挨著邊，一個模塊在上而另一個模塊在下)。

然而，在許多其他陣列中，光伏模塊是像牆中的磚一樣「交錯的」，兩個模塊的邊緣在第三個模塊的側邊緣的中間上方的位置相遇到一起。在這些交錯陣列中，整體陣列的周邊將具有交錯的邊緣。不幸的是，許多潛在的客戶不喜這樣歡交錯陣列的鋸齒邊緣的外觀。事實上，該交錯周邊邊緣甚至阻礙了一些人首選採用太陽能陣列。

其次，許多屋頂表面是不規則形狀的並具有像天窗、通風口和煙囪的障礙物。這些障礙物使可放置在屋頂的陣列的形狀進一步複雜。第三，屋頂本身可用的寬度限制了可放置成陣列的模塊行的數量，例如，如果行的可用空間略小於行中模塊的寬度，那麼可能需要刪去模塊的整個行。

而期望的是允許交錯或不規則形狀的太陽能陣列具有更精緻和圓滑的或更完整的邊緣外形的系統。還可能需要提供在它們模塊本身中具有切掉的內部的太陽能陣列，其可適應屋頂結構，使得太陽能陣列可放置得非常靠近於(或甚至部分或全部圍繞)由此突出的物體(例如通風口、天窗和煙囪)。

技術實現要素：

本系統提供仿(即：不發電)太陽能模塊，其在標準(即：發電)太陽能模塊陣列中或邊緣被容納。本仿太陽能模塊優選(但不總是)具有三角或非標準形狀。對觀察者而言，仿模塊呈現為與陣列中所有其他標準發電模塊相同類型的模塊。由此，本系統提供視覺上令觀察者愉悅的整體陣列的美學益處。然而，同樣重要的是，本仿太陽能模塊還提供許多運行(非美學的)益處。該益處包括模塊到模塊接地，以及模塊到模塊的橫跨完全成型的陣列的負載分布。

在一個優選方面，仿模塊是三角形並設計為在交錯太陽能模塊陣列的周邊邊緣連接到兩個相鄰的光伏模塊，使得它的三角形「填充」或「平滑」交錯陣列的周邊。本三角設計的益處在於使陣列形成具有平滑的視覺上吸引人的周邊。簡單說，最終的陣列看上去不像未完成的磚牆。因此，最終的陣列避免了大凹口的、成角度的角部邊緣。通過在陣列中使用一個或多個三角形模塊，更平滑和更藝術的陣列設計是可能的。

在優選的方面，三角形模塊不產生它們自己的電力，而僅用作向陣列中的產生電能的兩相鄰光伏模塊提供結構支撐。然而，本三角形的模塊的優勢在於在相鄰光伏模塊之間提供電接地。還在相鄰光伏模塊之間提供負載平衡和分布。而本三角形設計的另一好處是模塊僅在兩側可完全被支撐(由於它的三角形)由此它自己的懸臂被最小化。

在其他優選方面，本仿模塊不是三角形。例如，它可以是小的細長矩形(或甚至正方形)並可裝配於兩行非交錯標準太陽能模塊之間作為間隔件的位置。

仍在其他方面中，本仿模塊可以是標準模塊的尺寸，但可具有貫穿的孔切口使得模塊本身可裝配在屋頂的障礙物的周圍。本仿模塊的獨特優勢在於：(由於它頂表面僅是太陽能模塊的「圖片」-而不是真實的發電模塊)在不幹擾工作的太陽能模塊的電學性能的情況下頂表面可被切成任意要求的形狀。因此，可設有切除的側面或中心部分(使得它可靠著屋頂障礙物直立放置)。實現該特定優勢是因為本仿模塊可優選地由金屬板的薄面板形成。這樣，本仿模塊相對輕，具有顯著小於標準發電太陽能模塊的主體厚度。由於薄和輕，其很易於操作者操縱和安裝。

本仿模塊的優勢還在於他們的製造相對便宜，並且快速而易於安裝。而且，本仿模塊除了已經用於安裝相鄰的發電模塊的硬體以外不需要額外的安裝硬體。另外，本仿模塊足夠結實使得他們滿足承載雪和風的要求。而本仿模塊的另一優勢在於它最小化屋頂穿透點(因為其由相鄰的完全運行的太陽能模塊支撐，而不是直接固定到屋頂本身)。本仿模塊還可利用相同標準工具附接到陣列，該工具用於將其他完全運行模塊固定在適當位置。

附圖說明

圖1A是三角形的仿太陽能模塊的俯視平面圖。

圖1B是圖1A的三角形的仿太陽能模塊的俯視透視圖。

圖2是使用六個圖1A的三角形的仿太陽能模塊的太陽能模塊陣列的透視圖。

圖3A是具有在其周圍延伸的側槽的切去頂端的三角形的仿太陽能模塊的俯視平面圖。

圖3B是圖3A的切去頂端的三角形的仿太陽能模塊的俯視透視圖。

圖4是使用六個圖3A的三角形的仿太陽能模塊的太陽能模塊陣列的透視圖。

圖5是具有連接到其的耦合件的三角形的仿太陽能模塊的俯視平面圖。

圖6是圖5的三角形的仿太陽能模塊的耦合件中的一個的近視圖。

圖7A是圖6示例性耦合件的前視正面圖。

圖7B是圖6示例性耦合件的側視正面圖。

圖7C是圖6示例性耦合件的後視透視圖。

圖8A是與圖5相應的側視正面圖，其中耦合件旋轉到解鎖的位置。

圖8B是與圖5相應的側視正面圖，其中耦合件旋轉到鎖定的位置。

圖9A是具有帶有切除部分尺寸的附加的非標準形狀的仿太陽能模塊的太陽能模塊陣列的透視圖。

圖9B是與圖9A相應的俯視平面圖。

圖10是具有在運行的發電太陽能模塊之間用作「間隔件」的仿太陽能模塊的太陽能陣列的俯視平面圖。

圖11是具有放置在兩相鄰的運行太陽能模塊之間的兩個窄的仿太陽能模塊的太陽能陣列的俯視正面圖。

圖12是具有帶有切除的側面部分(為了給屋頂上的障礙物讓出空間)的仿太陽能模塊的太陽能陣列的俯視正面圖。

圖13是具有四個帶有用於裝配在屋頂上的障礙物周圍的切除的角部的仿太陽能模塊的太陽能陣列的俯視正面圖。

具體實施方式

本發明提供本身不發電仿太陽能模塊。為了結構和美學兩個目的它替代地被放置在標準的發電太陽能模塊的陣列內。該仿太陽能模塊可具有三角或不標準的形狀。其上展示出諸如真實太陽能模塊表面的貼花(或諸如印製圖像的其它「圖片」)的可見代表物。從美學角度看，模塊具有看上去就如同運行太陽能模塊的表面使得地面上的觀察者認為本模塊如周圍模塊一樣產生自己的電力。簡言之，仿模塊看起來就像陣列中的發電的模塊之一。路過者不會注意到被討論的模塊是僅意味著看起來像相鄰的完全運行模塊的仿製品。

本仿模塊的主體部優選地是金屬板薄面板。由於薄並且易於切割和加工，所以另一美學益處是本模塊可被切割成多個新穎的形狀，使得它可用於裝配在陣列邊緣，或甚至圍繞陣列中心的障礙物或在陣列中心的障礙物旁邊。而從結構的角度看，仿模塊具有其上帶有連接器的側邊凸緣(side flange)，以提供與相鄰(完全運行的發電)模塊的接地和負載分享。

圖1A到圖2顯示了本發明的第一三角實施例。圖3A到圖4示出了本發明的第二切去頂端的三角實施例。圖5到圖8B示出了用在本系統的模塊到模塊的耦合系統。最後,圖9A到圖13示出了具有用於裝配在多種屋頂障礙物周圍的多種新穎形狀的仿太陽能模塊的陣列。

首先參考圖1A到圖3，示出三角形的太陽能模塊10。太陽能模塊10本身不發電。相反，如圖2所見，模塊10用於圓化或填充建築物屋頂R的頂端上的陣列50的角部。在陣列50中，三角形模塊10不發電。相反，僅標準光伏模塊20發電。

可以看出，三角形模塊10提供的美學益處在於它們為整體陣列50提供更吸引人的形狀。具體地，陣列50不具有交錯模塊太陽能陣列的看起來像未完成的牆中的磚的太過於通常的外形。

然而應該理解，三角形的模塊10可為陣列設計增加其他的結構的、電學的和非美學的益處。例如，模塊10提供相鄰光伏模塊20之間的電接地。而且，模塊10提供相鄰光伏模塊20之間的負載平衡和分布。

如將示出的，三角形模塊10有利地僅需要在兩側邊連接到相鄰(發電)模塊20。由於連接到模塊20的模塊10的兩側邊為短邊(僅使直角三角形的斜邊不連接到相鄰模塊)，模塊10稍微向外伸展到恰當位置。然而，由於它們的三角形(和薄的主體結構)，最小化了懸臂效應(cantilever effect)。由此，z模塊10三邊中僅兩邊上連接到相鄰模塊20是支撐它在恰當位置的全部需要。

在優選的方面，本系統提供用在光伏陣列中的仿太陽能模塊，包括：扁平的三角形主體部12，其具有顯示在扁平的三角形主體部上的光伏模塊的一部分的可見代表物14。在一個方面，可見代表物14僅是真實發電光伏模塊的三角部分的貼花或者印刷的或其它附加的「圖片」。基本上，模塊10僅製作成看起來像完全運行光伏模塊。當從地面觀察時，陣列50看起來像創造性地設計的和塑形的光伏模塊陣列。地面上的觀察者不會知道僅模塊20產生能量而模塊10僅看起來像完全運行的發電模塊。

在可選的優選方面，設計構成可見代表物14的貼花(或印刷的圖片)使得它看起來非常像相鄰的發電太陽能模塊表面上的一系列的標準光伏電池。在一個示例性實施例中，貼花包括襯底，襯底由Saint Paul，MN的3M製造的(無PVC)Envision Print WrapTM膜或ControltacTM膜製成，並具有也由3M製造的ScotchalTM光彩覆膜製成的覆蓋疊層。然而，還可使用其他合適的材料，所有都保持在本發明的範圍內。優選地，印花或圖像由抗紫外(UV)又抗褪色材料製成或印製。圖像將具有與相鄰的發電模塊的表面相同的顏色。理想地，模塊眩光、反射性以及甚至跡線(例如：電池的匯流條和金屬化柵線)的視覺圖像將與那些完全運行模塊匹配或相同。因此，視覺圖像將儘可能接近地匹配工作的發電模塊的電池間距、顏色，甚至是紋理。甚至優選地選擇背板顏色以匹配發電模塊的顏色。當設計時，圖像是優選地足夠地細節化使得它具有通常在太陽能模塊上發現的隨機的電池顏色和顏色梯度。(通常，一些電池稍暗並且一些比另一個稍亮，或一些稍綠而其他看上去比另一個更紫)。理想地，可見代表物14被設計為模仿這些微妙的變化。簡言之，它看起來像完全運行太陽能電池模塊的晶體結構。

如上所述，三角形模塊10具有薄的、平面的、扁平的三角形主體部12。主體部12通過從三角形主體部的第一側邊S1向下延伸的一個或多個第一側邊凸緣16可選地給定結構剛性。另外，一個或多個第二側邊凸緣18從三角形主體部的第二側邊S2向下延伸。最後，一個或多個第三側邊凸緣19可從三角形主體部的第三側邊S3向下延伸。

如圖1A和圖1B所示，側邊S1和S2可以是大致相同的長度(由此提供主體部的角部兩個大致45度的角度)。注意：在實際顯示中，一個角度近似40度而另一個近似50度。應該理解本三角形設計包含任何優選角度的範圍(例如從20到70度)。較長的(直角三角形之斜邊)側邊S3可優選地與三角的90度角相對。

如圖2所示，示例性仿模塊10A可連接到第一相鄰光伏模塊20A和第二相鄰光伏模塊20B，第一相鄰光伏模塊20A在Y方向上相鄰，並且第二相鄰光伏模塊20B在X方向上相鄰。

圖3A到4例示了仿太陽能模塊的第二(切去頂端的三角)實施例。在該實施例中，太陽能模塊30具有在周圍延伸的側槽32。凹槽32尺寸設計為其中容納多個耦合元件中的任何一個，該耦合元件可用於將仿模塊30的側面連接到相鄰的完全運行發電模塊20。圖4示出六個仿模塊30與標準模塊20一起形成美學上令人愉悅的形狀的陣列50。

在優選實施例中，模塊10和30可由金屬板形成，該金屬板提供給它們極好的結構強度以協助陣列50中相鄰模塊之間的負載平衡，且仍舊薄和易於處理。

在這裡描述的實施例的可選方面中，貼花或印刷圖像14可以如何製成的進一步特徵可用於增強本仿模塊是完全運行的錯覺。例如，印花14可按照其側邊的一個與三角形主體的側邊的一個間隔更遠來放置。由此，當從地面在特定角度觀察時，印花14的位置將在仿模塊側邊上提供三角側邊(印花邊緣與其分開)是凸起的框架的錯覺。同樣優選地，設計仿模塊使得看上去可見代表物14在最佳高度，使得它看上去與完全運行模塊20中的發電太陽能電池的其餘部分處在相同的平面。這是本發明的獨特優勢，即主體部可由薄的、金屬板的平面部分製成，且仍提供與周圍發電模塊具有相同厚度的錯覺。換句話說，可見代表物14可放置於與周圍運行模塊中的電池相同的平面，其中從主體12向下延伸的側邊框架16和18來為耦合件提供平臺，該耦合件將主體12連結到相鄰模塊。

下面，圖5到8B例示了用於將模塊10連接到相鄰模塊20的示例性系統。如圖5和6所示，一對耦合件60可設置在三角的兩側邊上。耦合件60可具有一般地圓的基座62和T形頭64。耦合件60可通過側邊凸緣16或18中的孔被容納。其可選擇地被鉚接在恰當位置中，(使得它旋轉但不過緊)，但應該理解本發明包含所有適合的緊固機制。還應該注意凸緣16和18可沿模塊10的各自側部分或全部延伸。應該理解本發明涵蓋其任何側邊具有一個或多個凸緣的實施例。

在操作中，耦合件60僅旋轉近似90度以將T形頭64鎖定到第一和第二相鄰光伏模塊的側槽中。具體的，圖8A示出了其T形頭64旋轉到解鎖位置(使得它可以插入到相鄰模塊20中的側槽中)的耦合件60而圖8B示出其T形頭64旋轉到鎖定位置(使得它可以安全地保持在相鄰模塊20中的側槽中)的耦合件60。

應該理解，本發明還包括不具有三角形的仿太陽能電池。非三角形模塊的示例在下面圖9A到13中可見。

在圖9A和9B中，第一仿模塊100其中切有圓形中心孔102使得它可環繞著屋頂口V被容納。第二仿模塊110其中切有矩形中心孔112以不阻礙經由那裡穿過天窗SL的視線。可理解的，仿模塊100和110的一個優勢是它們可如此靠近屋頂障礙物的側面構建。這在屋頂上提供了結構上堅固的陣列，而在剩餘空間中不必留下任何標準矩形模塊不匹配的大間隙。再次，通過使用薄金屬板面板作為主要主體部12易於將這些部分從仿模塊的主體部切除。

圖10示出兩行模塊20按不規則距離間隔地放置的不同情形。在該情形中，一行仿模塊120可放置其間以用作「間隔件」。當一行模塊20不得不放置成相鄰屋頂邊緣或其他障礙物時可發生這種情形。模塊120允許形成單個陣列50(與兩個分開的形成模塊20的行相對)。

圖11示出兩個小窄矩形仿模塊130A和130B部分填充相鄰發電模塊20之間的間隙的情形。讓模塊130A和130B之間的空間為開放的以容納屋頂中的障礙物(未示出)。

圖12示出具有切掉的側面部分的仿太陽能模塊140，該切掉的側面部分使陣列被放置在接近屋頂通風口V的位置。

最後，圖13示出四個仿模塊150(由完全運行的發電模塊20包圍)，其中每個仿模塊150具有圓化的角部使得他們可如所示布置來為屋頂障礙物(諸如通風口或煙囪)提供空間。

可以理解，本仿太陽能模塊可設置為許多形狀和尺寸。在沒有限制的情況下，它可以是三角形、矩形或一些其他規則或不規則形狀。它可具有直邊緣、曲邊緣或切除邊緣，或上述任何的組合。

在優選的方面，仿模塊的主體部由鋁或鍍鋅的金屬板形成。然而，在其他可選實施例中，仿模塊的主體部可替代地由鐵、玻璃、塑料、玻璃纖維或其他合適的材料形成。實際上，仿模塊的主體部可由簡單切成型的真實的光伏模塊形成。該切穿或劃穿的模塊將不再產生任何電流，但是它可被切割成型使得它裝配到三角或其他不規則形狀的仿模塊中。以該方式切割並使用現存(而不再發電)模塊存在兩個好處。第一，它們的顏色和視覺呈現將與運行模塊相同，並不會隨時間改變。第二，在新仿模塊中使用舊的以前的運行模塊提供以再循環利用已經停止運行的現存模塊的系統。因此，這樣舊的、不再運行的模塊可被切成新的形狀(例如三角)用作仿模塊。