CN102396080B - 太阳能收集设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及能够产生电力和热水的太阳能收集设备。设备(10)包括可以安装为形成屋面覆盖结构的一部分的刚性支撑结构(14)。它包括由导热材料制成的彼此可拆卸地连接的刚性支撑部件(16)。例如光伏(PV)电池(42)的太阳能电池以与所述部件传热的关系安装在所述支撑结构的所述部件上。设置了导热导管(48)。这些导管以与所述部件成传热的关系连接至所述支撑结构的所述部件，并设置为输送水，以经由所述部件和导管从PV电池带走热量。至少一个可拆卸的透光盖在PV电池上方与PV电池隔开并在PV电池上延伸。

Description

太阳能收集设备

技术领域

本发明涉及太阳能收集设备。

背景技术

光伏(PV)电池广泛地用来将太阳能转换为电。然而，公知的是，这种电池效率相对低到这种程度，即在通常情况中，PV面板仅可以将约15％的入射太阳能转换为电，剩余的作为热量被消散。而且熟知的是，PV电池的效率随着温度的增加而降低。例如，据说，温度每上升一摄氏度，由PV电池产生的电功率降低0.5％。

由于这些原因，已经对由PV电池产生的热量的消散进行了相当多的研究。目前，研究主要集中在采用自然对流改善从PV电池的热量去除上。在这些方案中，在PV面板下方并且可能在PV面板周围形成空气间隙或气隙，使得空气通过间隙或气隙的自然对流带走由电池产生的热量。然而，这种配置的明显且公认的问题是这样的事实，即，空气在其通过间隙或气隙期间被加热，使得最初进入间隙或气隙的空气比流出气隙的空气冷。这依次意味着没有从温度更高的电池带走热量，这些电池因此以较低的电力产生效率运行。

已知的PV电池配置的另一个问题是电池及其薄且脆的事实。在电池组成大的模块或面板的情况中，如通常的情况一样，该模块或面板的单个电池或小块区域的破损将使整个模块或面板不能工作。在这些情况中，通常需要更换整个模块或面板，通常成本非常大。

上述已知的PV模块或面板配置的缺点在模块或面板安装在屋顶的情形中特别严重。在这种情况下，由于例如来自大的冰雹或其中故意破坏者将诸如石头或砖块之类的硬物扔到屋顶安装式单元上的破坏性行为的原因，或者由于工人或其他人在模块或面板上走或落在模块或面板上的原因，模块和面板易于破损。

本发明的一个目标是提供一种具有改善的散热特性的PV电池-基太阳能收集***。本发明的另一个目标是提供一种PV电池-基太阳能收集设备，其中以足够的刚性支撑PV电池，以避免或至少降低PV电池破损的可能性，但如果发生破损则可以以方便的方式实现PV面板的部分更换。

发明内容

根据本发明，上述目标由一种太阳能收集设备满足，该太阳能收集设备包括刚性支撑结构，该刚性支撑结构能够安装在屋面覆盖结构上或安装为屋面覆盖结构的一部分，并且包括由导热材料制成的彼此可拆卸地连接的刚性支撑部件；PV电池或太阳能吸收体，以与所述部件传热的关系安装在所述支撑结构的所述部件上；导热导管，以与所述部件传热的关系连接至所述支撑结构的所述部件并布置用以输送水以经由所述部件和导管从电池带走热量；以及至少一个可拆卸的透光盖，在电池上方与电池隔开并在电池上延伸。

从电池上移除热的目标通过水输送导管实现。应该理解，在导管中输送并由电池加热的水可以用在要求热水的其它应用中。这种应用的例子是其中希望高的水温的烧水锅炉和游泳池。

优选地，刚性支撑结构包括彼此可拆卸地连接的多个伸长的导热材料挤压成型的部件，每个部件限定至少一个伸长的凹进部，一排电池以与该部件传热的关系固定在所述凹进部中。所述部件的可拆卸的互连通过可拆卸的部件夹具方便地实现。

典型地，刚性支撑结构的所述部件包括沿着所述部件的长边缘的一体的横向结构，相邻的部件的所述结构彼此并排地摆放，并且该***包括部件夹具，所述部件夹具可拆卸地接合所述结构以将所述部件彼此连接在一起。

在优选的配置中，每个盖具有通过部件夹具可拆卸地连接至第一结构的侧边缘。在盖的侧边缘和横向结构之间以及位于盖的侧边缘和部件夹具之间可以具有密封件。

此外典型地，刚性支撑结构的所述部件包括另一纵向地延伸且限定有凹陷槽的一体的横向地突出的结构，并且所述盖包括以滑动方式容纳在凹陷槽中的一体的横向肋部。

刚性支撑结构的所述部件还可以包括其中容纳所述导管的一体的、横向取向的容器，该***包括导热导管夹具，该导热导管夹具夹紧到所述容器以将所述导管固定在所述容器中。优选地，每个容器和相关联的夹具一起限定空腔，该空腔的形状与导管的外表面的形状互补。典型地，所述导管具有圆筒形外表面，并且所述容器和夹具一起限定具有内表面的空腔，该内表面的横截面上是互补的圆筒形。为了改善热传递，在所述导管的外表面和所述空腔的内表面之间可以存在导热弹性体。

通过挤压成型部件的刚性实现以足够的刚性支撑电池以避免或至少降低电池破损的可能性但允许部分更换的目标，每个挤压成型部件承载一定数量的电池，并且该目标由所述部件以可拆卸的方式彼此连接的事实实现。因此，如果一个或仅一些电池损坏或破损，则能够仅拆除和更换受影响的部件。挤压成型部件的刚性大体上归功于为所述部件设置有抗弯曲性增大的多个横向结构。

在优选实施方式中，每个凹进部具有对应于单个电池的宽度的宽度，即每个凹进部容纳单排电池。通过在每个凹进部中位于电池和该凹进部的基底之间设置导热弹性体，改善了热传递。

优选的是，太阳能收集设备能够连接至屋顶支撑结构以形成屋面覆盖结构的一部分，这与安装在现有的屋面覆盖结构相反，但是后一种配置也在本发明的保护范围之内。在该收集设备形成屋面覆盖结构的一部份时，它可以包括连接器，该连接器能够连接至屋顶支撑结构的板条并可拆卸地连接至所述横向结构。有利地，该连接器可以通过部件夹具的动作可拆卸地连接至第一结构。

该设备可以包括挤压成型边缘构件，所述挤压成型边缘构件由部件夹具可拆卸地连接至刚性支撑结构的相对侧的部件，并且遮雨构件能够连接至所述挤压成型边缘构件，所述遮雨构件用于与该装置的相对侧的屋面覆盖结构的相邻区域重叠。它还可以包括连接至所述部件的端部以为该装置提供封闭端部的端部构件。

附图说明

现在将参照附图，仅以举例的方式详细描述本发明，在附图中：

图1示出了根据本发明的太阳能收集设备的剖视图；

图2-4示出了图1中看到的挤压成型部件的剖视图；

图5示出了端部构件的正视图；

图6示出了边缘构件的剖视图；

图7示出了图1中看到的部件夹具的剖视图；

图8示出了图1中看到的导管夹具的剖视图；以及

图9示出了图1中看到的连接器的剖视图。

具体实施方式

图1中看到的太阳能收集设备10被设计为形成屋面覆盖层结构的一部分，即，该设备将实际上形成屋面覆盖层的一部分，通常位于例如可以由瓦片、金属板等构成的屋面覆盖层的相邻区域之间。

图1中的数字12表示典型为木材的板条或檩条，其横向地跨越在常规斜屋顶结构中的椽(未示出)上。

***10包括大致由数字14指示的刚性支撑结构，其包括细长的挤压成型部件16，该挤压成型部件16的材料具有高的导热性等级，在这种情况中，为铝。部件16沿着进入图1的纸面的方向伸长。

在图示的实施方式中，每个挤压成的部件16由两个挤压成型的子部件16.1和16.2组成，在图2和3中分别以较大的比例图示了子部件16.1和16.2。子部件16.1包括相对于挤压成型件的长度横向的组成结构20，其具有图示的横截面形状并沿着一个侧边缘延伸该子部件的长度。子部件16.2还包括相对于挤压成型件的长度横向的组成结构22，其具有图示的横截面形状并沿着侧边缘延伸该子部件的长度。在它们的相对侧边缘，子部件16.1和16.2包括如在图1中的放大部分看到的彼此配合的边缘结构24，26，边缘结构26的榫舌28位于另一个边缘结构的凹槽30中。在该接合处，子部件通过合适的紧固件(在图1中由附图标记32示意性地指示)彼此刚性固定。

虽然在该实施方式中，每个部件16由两个子部件构成，但将会理解，在其它实施方式中，每个部件可以形成为单件、一体挤压成型件或由多于两个的互连的子部件形成。

部件16包括直立肋部34以及横向地突出的结构36，每个结构36由直立元件36.1、36.2组成，直立元件36.1、36.2在它们之间限定凹陷槽。肋部和结构36沿着部件16的长度纵向地延伸。在每个肋部34和结构36之间，存在沿着该部件的长度延伸的凹进部38。在结构36之间限定有另一凹进部40。

凹进部38、40容纳PV电池42。在实际中，每个凹进部38、40具有稍微大于单个电池42的宽度的宽度，典型地约100mm。在每个凹进部中，存在单排电池42，每排沿着部件16的长度延伸。通常具有的敷层44或其它合适的导热膜的电池42通过导热粘合剂45固定在凹进部中，在该情况中，导热粘合剂45为如以Dow Corning3-6655售卖的导热弹性粘合剂。在实际应用中，电池嵌入在凹进部中的粘合剂中，并且因此与部件16的导热材料(即，在该情况中为铝)成紧密的热传递关系。

相邻电池之间的电连接在附图中未示出，但可以采取常规的。

每个部件16还包括由间隔分开的元件46限定的一体的、横向的、向下突出的容器或壳体44。容器44沿着该部件的长度延伸，并具有半圆形横截面的基部47。具有圆形横截面的纵向延伸的导管48位于每个容器中。如图所示，每个容器的基部在形状上与导管48的外表面的一半互补。导管48由导管夹具50保持在容器中，在图8中以较大比例示出导管夹具50中的一个。导管夹具为铝挤压成型件，并沿着部件16的整个长度延伸。在实际中，在导管48位于容器中的情况下，在元件46之间向上挤压导管夹具50，使得突出部夹具上的侧向突出的突出部52进入支腿的内表面上的互补凹陷54中。

如图所示，每个导管夹具50具有与导管48的外表面互补的半圆形横截面的上表面56。因此，在导管由导管夹具保持在合适的位置时，每个容器和相关联的导管夹具结合一起形成空腔，沿部件16的整个长度该空腔完全地且互补地围绕导管的外表面。合适的、导热凝胶或合成橡胶58涂敷在每个导管的外表面和相关联的空腔的内表面之间，以确保在部件16和该导管之间存在紧密的、热传递接触。

在使用中，由具有高导热性的材料(通常为铜)制成的导管48在部件16的端部彼此恰当地连接，并连接至水源，水因此相对所述部件纵向地流动。PV电池和部件16之间、以及部件16和导管48之间的紧密的热传递关系，结合部件材料(即，铝)和粘合剂45和58的高导热性，以及导管的高导热性，确保从PV电池到由导管输送的水之间存在有效的传热递或热传输。

因此，水冷却PV电池并使得它们能够以它们的电产生能率有效地运行。

如上所述，由设备10产生的热水可以被引至诸如烧水锅炉之类的热水容器，或被引至游泳池且其它需要热水的位置。设备10因此起发电和产生热水的双重功能。

参照图1，部件16使用它们的结构20和22以并排地重叠的关系并排地并排设置，从图1的放大部分将明显地看到这种特性。在相邻部件16之间的每个接合处60，还存在如在图9中的在较大比例下看到的连接器62，其具有基部64以及直立肋部66和68。该连接器为铝挤压成型件并沿着该部件的长度延伸。肋部68包括侧向突出的夹紧突出部70。连接器被定位为使得较长的肋部68在结构20和22的相对表面之间向上延伸，其中较短的肋部66容纳在结构22的凹槽72中并且夹紧突出部70与结构22上的侧向延伸突出部74进行夹紧接合。

结构20和22与连接器62通过部件夹具76在每个接合处60彼此连接，在图7中以较大比例图示了部件夹具76。为铝挤压成型件且沿着部件16的长度延伸的部件夹具76具有顶部78和向下延伸的支腿80，向下延伸的支腿80包括向内定向的肋部81和箭头形状的夹紧突出部82。如图1中的放大部分所示，相对于结构20和22与连接器62的组件向下驱动部件夹具76，使得肋部80向内支撑在所述结构的重叠部分上并且夹紧突出部82与结构20和22上的对应的突出部84和86进行夹紧接合。因此，部件夹具76将结构20和22与连接器62彼此固定在一起，并由此将相邻的部件16彼此连接在一起。

使用附图标记90示意性地指示的螺钉将连接器62固定至板条12。在典型的斜屋顶建筑物中，以约400mm的间距设置板条，因此应该理解，互连的部件16在它们的长度上以这种规则间隔固定至板条并由板条支撑。

再次参照图1，设备10包括用于每个部件16的透光盖92，在该情况中透光盖92由耐冲击丙烯酸树脂制成。盖92在对应于凹陷槽结构36的位置的位置处具有向下突出的肋部94。肋部94具有大致U形横截面。应该注意到，肋部94具有向上逐渐变细的形状，其中其外部轮廓与凹陷槽结构36的内部轮廓互补，使得肋部能够在凹陷槽中纵向地滑动。

在组装期间，在部件夹具72被夹紧到位之前，通过将肋部94纵向地滑入至凹陷槽结构36中，将盖92定位在部件16上。盖具有对应于部件16的长度，因此在处于合适位置时完全覆盖该部件。应该注意到，盖以被定位在部件16和PV电池42的上方一定距离，并且当盖处于合适位置时，其向下的侧边缘96位于结构20的边缘结构98上。密封条100定位在部件夹具76的凹槽102中，以在安装部件夹具时密封在盖的上表面上。另一密封条106定位在结构20的边缘结构98的凹槽106中，以在安装部件夹具时密封在盖的下表面上。所述边缘和盖因此是密封的顶部和底部，并且当安装部件夹具76时由部件夹具76相对于结构20和22锁定。

设备10的端部由端部构件110封闭，在图5中看到端部构件110的典型的一种。为铝或其它适合的材料的板形式的端部构件横向跨越部件10的端部，即沿平行于板条12的方向。在每个端部构件处，相关联的盖92的肋部94的端部位于端部构件的上边缘中的切口112中，并且端部构件通过螺钉或其它紧固件(未示出)固定至部件16的端部，所述螺钉或其它紧固件穿过端部构件中的通孔116进入结构20、22中的螺钉接收口118中。横跨在端部构件110的侧面处的凹槽122之间的弹簧钢弯条120向下支承在盖的端部中，从而减少盖在有风环境中升起、振动或以其它方式移动的机会。

如前所述，图示的设备10实际上形成屋面覆盖层的一部分，即它实际上形成覆盖层本身的一部分。为了在设备10和搁在该装置的侧面的剩余的屋面覆盖层(例如，瓦片、金属板等)的区域之间提供密封，提供如在图4中看到的遮雨板123和如在图6中看到的边缘结构125。遮雨板123和边缘结构125为铝挤压成型件形式，并沿着部件16的长度延伸。

参照图6，将会注意到，边缘结构122具有大致对应于结构22的形状的形状，并添加有朝向上的沟槽124。如图4所示，遮雨板具有向下延伸的主肋部126并包括朝向下的沟槽128。在组装期间，并且在设备10的侧边缘处安装部件夹具之前，边缘结构122定位在位于装置侧面的结构20的旁边，遮雨板的沟槽128以类似于盖的向下侧边96的方式定位，随后部件夹具用来将边缘部件和遮雨板锁定在一起，遮雨板的侧向延伸部130在相邻的屋面覆盖层的上方延伸一定的距离。遮雨板和边缘结构122的组件在图6中的虚线轮廓中示出。

将会理解，在设备10的另一侧边缘处设置对应的组件，以在该侧将对应的遮雨板安装在相邻的屋面覆盖层上。在该情况中，设置在装置的侧面处的边缘结构将具有对应于结构20的形状的形状。

在最终的组件中，设备10与屋面覆盖层的相邻区域平齐定位，并形成这些区域之间的覆盖层的一部分。

图1示出了单个、完整的部件10和相邻部件10的一部分。在实际中，可以具有多个这种部件组成设备10的整个宽度，所述部件的数量取决于要求产生的电量和期望产生的热水的量。

上文描述的和附图中示出的设备10示出了提供了PV电池的有效冷却的预期目标。该目标通过热传递支撑结构获得，该热传递支撑结构同时支撑PV电池和导管并输送冷却水，并且其中PV电池和导管与该支撑结构成紧密的热传递关系。设备10提供了为其它预期目的提供热水的附加优点。

所述设备10具有的另一个优点在于，盖96为PV电池提供放冲击保护，从而减少可能的电池破损的机会。然而，该装置还解决了最初的另一个问题，即在单个电池或小组电池破损情况中必须更换PV模块或面板的问题。在本情况中，如上所述，多个部件16(每个部件支撑整个PV电池阵列的一部分)彼此可拆卸地连接，因此是能够单独更换的。参照图1中的放大部分，通过将合适的工具***图示的孔140中的一个并操作该工具以将各个夹紧结构彼此分开，能够松开部件夹具76。一旦已经松开部件夹具76，则可以拆除它，随后盖和单独的部件16可以彼此分开并从连接器62上分开。这允许单独地更换支撑一个或多个破损或损坏的PV电池的部件16，设备10的剩余部分保持不受影响。换句话说，不需要更换整个面板或阵列或PV电池。将会理解，在进行单个部件16的更换时，将需要根据需要断开和重新连接水输送导管和电连接。

除了由盖96提供的保护之外，支撑结构14本身是极其硬的。这归功于部件16的设计，特别是归功于这样的事实，即每个部件包括多个一体地形成的横向结构，包括结构20和22、肋部34、结构36和容器44。这些横向结构在很大程度上增加了部件16对在施加的载荷(例如对由在装置上行走的人施加的载荷)下的弯曲的阻抗。抗弯曲性当然是由下述事实帮助的，即由屋顶支撑结构的条板以小的、规则的间隔支撑所述部分本身。这些特征还有助于实现减少可能的脆性PV电池破损或对脆性PV电池的损坏的目标。

再次参照图1，数字150表示块状绝热材料，例如聚苯乙烯或其它适合的材料，其位于容器44和结构20、22之间，即在凹进部38和40之下。这种绝热减少了由PV电池产生的热量的向下损失。

虽然将上述装置设计为结合成屋面覆盖结构的一部分，但将会理解，完全有可能将该***用在翻新应用中，其中它安装在现有的、完整的屋面覆盖结构上。在该情况中，可以在必要时修改连接器62，或者可以设置其它安装配置，以允许组装后的装置安装在现有的屋面覆盖结构上。

此外，虽然在该实施方式中部件16设置有三个凹进部38，40，且因此适合容纳三排PV电池，但将会理解，在其它实施方式中，对于对应的部件，仅具有一个或多个凹进部也将是可行的，从而允许该部件仅容纳一排或多排PV电池，或者对于具有多于三个的凹进部的部件也将是可行的，从而允许该部件容纳多于三个单独行的PV电池。

在仅要求水加热功能的情况中，与发电和水加热的双重功能相反，能够以凹进部38和49中太阳能吸收体代替PV电池。如在上述实施方式中一样，由吸收体产生的热量经由可互换的支撑结构部件16和导管传递至水，支撑结构部件16和导管将也是导热材料，如铜。

盖92在部件16的凹进部的上方，即在PV电池的上方隔开，因此在PV电池上方形成密封的空气空间，同时物理地保护电池。

Claims (18)

1.一种太阳能收集设备，包括：

刚性支撑结构，该刚性支撑结构包括由导热材料制成的彼此可拆卸地连接的并且操作地承载向下突出的容纳导管的容器的刚性支撑部件；

太阳能电池，以与所述部件传热的关系安装在所述支撑结构的所述部件上；

导热导管，以与所述部件传热的关系连接至所述支撑结构的所述部件并布置用于输送水以经由所述部件和导管从电池带走热量；以及

至少一个可拆卸的透光盖，在电池上方与电池隔开并在电池上延伸，

其中，刚性支撑结构配置成连接至屋顶支撑结构使得所述设备形成屋面覆盖结构的部分；

所述设备包括导热导管夹具，其夹紧到容器中以将导管固定在容器中，和

每个容器和相关联的夹具结合一起限定容纳导管的空腔，所述空腔的形状与导管的外表面的形状互补。

2.根据权利要求1所述的太阳能收集设备，其中刚性支撑结构包括彼此可拆卸地连接的多个伸长的导热材料挤压成型的部件，每个部件限定至少一个伸长的凹进部，一排电池以与该部件传热的关系固定在所述凹进部中。

3.根据权利要求2所述的太阳能收集设备，其中所述设备包括将刚性支撑结构的部件彼此连接的可拆卸的部件夹具。

4.根据权利要求3所述的太阳能收集设备，其中刚性支撑结构的所述部件包括沿着所述部件的长边缘的一体的横向结构，相邻的部件的所述结构彼此并排地摆放，其中部件夹具用来将所述结构彼此可拆卸地连接。

5.根据权利要求4所述的太阳能收集设备，其中每个盖具有通过部件夹具可拆卸地连接至横向结构的侧边缘。

6.根据权利要求5所述的太阳能收集设备，还包括位于每个盖的侧边缘和横向结构之间以及位于每个盖的侧边缘和部件夹具之间的密封件。

7.根据权利要求5所述的太阳能收集设备，其中刚性支撑结构的所述部件包括另一纵向地延伸且限定凹陷槽的一体的横向地突出的结构，并且每个盖包括以滑动方式容纳在凹陷槽中的一体的横向肋部。

8.根据权利要求7所述的太阳能收集设备，其中限定有所述凹陷槽的所述结构相对于支撑结构向上突出。

9.根据权利要求1所述的太阳能收集设备，其中所述容器与导管夹具沿刚性支撑部件的整个长度延伸。

10.根据权利要求1所述的太阳能收集设备，其中所述导管具有圆筒形外表面，并且所述容器和夹具一起限定具有内表面的空腔，所述内表面是在横截面上互补的圆筒形。

11.根据权利要求9所述的太阳能收集设备，还包括位于所述导管的外表面和所述空腔的内表面之间的导热弹性体。

12.根据权利要求4-11中任一项所述的太阳能收集设备，其中所述设备能够连接至屋顶支撑结构，以便形成屋面覆盖结构的一部分。

13.根据权利要求4-8中任一项所述的太阳能收集设备，还包括连接器，该连接器能够连接至屋顶支撑结构的板条并可拆卸地连接至所述部件的所述横向结构。

14.根据权利要求13所述的太阳能收集设备，其中所述连接器通过所述部件夹具可拆卸地连接至所述部件的所述横向结构。

15.根据权利要求14所述的太阳能收集设备，还包括挤压成型边缘构件，所述挤压成型边缘构件由部件夹具可拆卸地连接至刚性支撑结构的相对侧的部件，并且遮雨构件能够连接至所述挤压成型边缘构件、用于与所述设备的相对侧的屋面覆盖结构的相邻区域重叠。

16.根据权利要求15所述的太阳能收集设备，还包括连接至所述部件的端部以为该设备提供封闭端部的端部构件。

17.根据权利要求2-11中任一项所述的太阳能收集设备，其中每个凹进部具有对应于单个电池的宽度的宽度，每个凹进部容纳单排电池。

18.根据权利要求17所述的太阳能收集设备，还包括在每个凹进部中的位于电池和所述凹进部的基部之间的导热弹性体。