改善混合太陽能模塊的壽命和人機工程學的制作方法
【專利摘要】光伏太陽能模塊至多僅將20%的太陽能轉化成電能，該能量的其余部分被散失。存儲在光伏模塊中的該熱降低效率，其以與光伏模塊的溫度成反比的方式降低。為了散失和回收該熱，普遍將光伏模塊與熱交換器關聯，該熱交換器除了冷卻光伏模塊之外還將供熱例如從而加熱建筑物的衛生用水。該組件形成混合太陽能模塊，其主要限制是其重量和相對短的壽命。通過用更輕、更不剛硬、更透明并且與構成熱交換器的材料更相容的材料替換通常是玻璃板的混合太陽能模塊的第一層，在本文檔中描述的發明解決了這兩個問題，構成熱交換器的材料現在對系統提供其剛性。也描述了用于制造這些混合太陽能模塊的方法。
【專利說明】改善混合太陽能模塊的壽命和人機工程學
【技術領域】
[0001]本發明涉及混合太陽能系統的領域。本發明更具體地涉及能夠實現改善該系統的壽命和輸出的方法。本發明同樣涉及裝配光伏模塊以形成熱交換器的方法，在所述熱交換器中循環的冷卻液體。
【背景技術】
[0002]以本質上已知的方式，混合太陽能系統由與熱部件關聯的光伏太陽能模塊構成，其也稱為交換器或吸收器，負責冷卻光伏太陽能模塊。實際上，由多個電連接的光伏太陽能元件組成的這樣的模塊通過在所述光伏電池內轉化太陽能來供電。然而，轉化率難以超過20%,由系統接收的其余部分的太陽能被散失。對于晶體硅半導體技術，光伏電池的效率隨溫度降低，每增加一度降低約0.4%。因此控制光伏面板的溫度以便確保恒定或甚至改善的輸出是重要的。為了排出熱，將光伏模塊與熱交換器關聯是普遍的，該熱交換器包括具有空氣或液體循環的冷卻系統，并且也使得有可能使用該熱例如加熱建筑物的家庭用水。
[0003]常規地，光伏太陽能模塊由在通常是熱塑性聚合物的粘合劑中封裝的多個光伏元件構成。通過稱為層壓的加熱和壓力，粘合劑在裝配電池的工藝期間被激活。由通常是玻璃的透明材料制成的剛性底部在層壓工藝期間在朝向太陽定向的面上被整合到面板中，并且作為光伏模塊的剛性支撐。該透明材料層通常被稱為前板。在與模塊相對的面上整合的是通常為聚氟乙烯膜的電絕緣層和不可滲透的材料層，所述層通常被稱為后板。
[0004]為了生產混合太陽能模塊，借助于專用樹脂在光伏模塊的相對面上通過膠合熱交換器，將光伏模塊與熱交換器裝配在一起。該熱交換器用于通過空氣或通過水冷卻光伏模塊，并且將回收的卡路里用于其他應用，例如建筑物的水的加熱。因此，混合太陽能模塊供應電能和熱能。
[0005]該技術中存在固有的若干限制，主要一個是產生混合太陽能模塊的不均勻膨脹循環的材料不相容性，導致加速老化將光伏模塊結合到熱交換器的樹脂。另一限制在于混合太陽能模塊的大的重量，這引起裝置成本的增加，并將該市場的發展限于具有近來和/或充分堅固屋頂的建筑物。
[0006]該工藝在現有技術中已知，其使得有可能處理材料不相容性，并且在文檔US2011/0114155A1中進行描述。其提出將金屬交換器分成子部件。子部件被間隔開對應于其寬度1%的距離，并且借助于彈性粘合劑相互連接。該配置具有限制不均勻膨脹并且增加面板壽命的優點。然而混合模塊的重量的問題沒有解決并且存在增加生產成本的風險。
[0007]同樣，在現有技術中已知如此工藝，其不管材料的不均勻膨脹的循環如何，但其用于增加混合模塊的壽命。文檔EP1873843公開了在光伏模塊和熱交換器之間施加粘合劑的可能性，該粘合劑被設計以便更好地抵抗與材料膨脹關聯的約束。無論如何，這樣的工藝冒生成另外的成本的風險，并且決不可能減小裝置重量。
[0008]此外，在現有技術中同樣已知混合太陽能面板，其交換器除了冷卻光伏元件的其初始功能之外，還確保系統剛性的功能。專利W02007/144113公開了交換器，由于其形成包圍系統的框架的整體部件，因此其確保系統的剛性。然而這樣的交換器仍特別重，并且不適合所有類型的屋頂。
【發明內容】
[0009]因此本發明的目標是通過提出消除不均勻膨脹的問題并且減少重量的混合太陽能模塊裝置，彌補現有技術的一個或多個缺陷。
[0010]最終，本發明涉及混合太陽能模塊，其包括至少一個光伏模塊、至少一個熱交換器，該光伏模塊由將太陽能的一部分轉化成電能的至少一個半導體元件構成，將所述模塊的兩個面中的一個暴露于輻射，將該熱交換器面向與暴露于輻射的面相對的光伏模塊的面放置，其中冷卻流體循環，這使得有可能回收累積的或散失的熱能，該模塊特征在于其包括:
[0011]1.透明材料層，其適合于受到與構成熱交換器的材料經受的變形一致的機械變形，并且被沉積在接收輻射的光伏模塊的面上，所述層通過封裝材料層被連接到光伏模塊；
[0012]i1.封裝材料層，其被沉積在與接收輻射的面相對的光伏模塊的面上，以便將熱交換器固定在光伏模塊的該相對表面上；
[0013]ii1.熱交換器，其至少與光伏太陽能模塊接觸的面是剛性并且平坦的。
[0014]因此，所描述的混合太陽能模塊展現消除不均勻膨脹的優點，該不均勻膨脹是造成結合所述模塊的不同元件的粘合劑加速老化的原因。用于替代常規玻璃板的材料比玻璃更不剛硬，但是比后者更透明，同時提高太陽能到電能的轉化效率。另一方面，模塊的剛性和平坦性至少傳遞到熱交換器的一部分。
[0015]根據另一特征，混合太陽能模塊與基于半導體或現有有機技術的光伏技術相容。
[0016]因此有可能使用由不同代的技術產生的光伏模塊，并且光伏模塊現在可以由以下構成:
[0017]-基于晶體硅半導體的太陽能電池，
[0018]-半導體薄層，
[0019]-有機太陽能電池。
[0020]根據另一特征，覆蓋暴露于輻射的模塊的面的透明材料層基于氟聚合物，所述材料層與層壓工藝相容。
[0021]因此不需要為了制造本發明更改光伏太陽能面板的生產線。
[0022]根據另一特征，覆蓋受到輻射的光伏模塊的面的材料層的透光率大于玻璃的透光率。
[0023]因此，相對于在現有技術中描述的混合太陽能面板改善太陽能到電能的轉化效率。
[0024]根據另一特征，熱交換器是金屬的或由復合材料制成。
[0025]因此除了確保混合太陽能模塊的剛性之外，所使用的材料的良好導熱率使得有可能確保光伏模塊的有效冷卻。
[0026]根據另一特征，通過液體膜在熱交換器中的循環確保光伏模塊的冷卻。
[0027]因此，該方案提供了增加冷卻液體和熱交換器之間的接觸面積的優點，這使得同樣有可能減少在熱交換器中循環的液體的流動。
[0028]根據另一特征，熱交換器由第一平坦子部件和第二子部件構成，該第一平坦子部件與光伏模塊接觸，該第二子部件與第一平坦子部件協作以便形成用于冷卻流體的循環通道。
[0029]因此，熱交換器的第二子部件的形狀的選擇僅取決于和冷卻回路關聯的技術或幾何形狀約束，該第二子部件形成該冷卻回路的一部分。
[0030]根據現有技術，存在電絕緣材料層，其厚度限制其在光伏模塊和熱交換器之間的熱阻。
[0031]該層在現有技術中描述為通常是具有不可滲透并且電絕緣的性質的聚氟乙烯膜。
[0032]通過將密封功能或者甚至電絕緣功能轉移到熱交換器，本發明的混合太陽能模塊提供了消除該絕緣和不可滲透層的可能性。
[0033]根據另一特征，將光伏模塊結合到熱交換器的封裝的組成被更改以使其電絕緣。
[0034]本發明的另外目標是提出用于制造混合太陽能模塊的方法。
[0035]最終，本發明涉及用于制造混合太陽能模塊的方法，其包括至少一個光伏模塊、至少一個熱交換器，該光伏模塊由將太陽能的一部分轉化成電能的至少一個半導體元件構成，所述模塊的兩個面中的一個受到太陽能輻射，將該熱交換器面向與暴露于輻射的面相對的光伏模塊的面放置，其中冷卻流體循環，這使得有可能回收累積的或散失的熱能，特征在于該方法包括以下步驟:
[0036]1.在面向與受輻射的面相對的光伏模塊的面的熱交換器的一部分的面上沉積封裝層的步驟；
[0037]i1.在封裝層上安置光伏元件的步驟；
[0038]ii1.在受輻射的光伏模塊的面上沉積封裝層的步驟；
[0039]iv.安置面向受輻射的光伏模塊的面的透明材料層的步驟；
[0040]V.層壓混合太陽能模塊的步驟。
[0041]根據另一特征，步驟可以以相反的順序執行，首先是步驟iv，然后iii，然后ii，然后i，之后是層壓混合太陽能模塊的步驟V。
[0042]根據另一特征，在步驟i中安置光伏元件之前插入絕緣材料層，之后沉積面向與受輻射的面相對的光伏模塊的面的封裝層。
[0043]根據另一特征，該方法特征在于光伏模塊的封裝和裝配所述模塊與熱交換器可以在層壓的相同步驟期間執行。
[0044]根據另一特征，在能夠實現裝配混合太陽能模塊的層壓操作之后，將熱交換器的第二子部件與裝配到光伏模塊的部件進行裝配。
[0045]因此，可以根據在現有技術中描述的層壓的方法裝配光伏模塊。通過更不剛硬并且透明的材料替代玻璃板使得有可能通過改變層的順序根據層壓方法至少裝配熱交換器和光伏模塊的全部或部分。實際上，在本發明的范圍內更容易通過含有熱交換器的一部分的層開始層壓操作。同樣有可能以一個單一層壓操作構成混合太陽能模塊的裝配，因此避免另外的裝配成本。最終，有可能在層壓操作過程中將交換器的第一子部件裝配到光伏模塊，然后通過本領域技術人員已知的任何手段例如通過膠合來裝配熱交換器的第二子部件。【專利附圖】
【附圖說明】
[0046]本發明、其特性和優點由閱讀參考附圖給出的描述而變得更加明顯，其中:
[0047]圖1a示出被透明材料層覆蓋的光伏太陽能模塊的剖面圖；
[0048]圖1b示出根據第一實施方式的混合太陽能模塊的剖面圖；
[0049]圖2示出本發明的第二實施方式的透視圖。
【具體實施方式】
[0050]根據本發明的太陽能面板是能夠從太陽能產生電能和熱能的混合太陽能模塊。其意圖被單獨使用或與裝置內的其他相似模塊組合使用，以便由所述面板產生的能量應該是可利用的，例如并且以非限制方式用于住所。常規地，混合太陽能模塊可被定義為光伏太陽能模塊和熱交換器(5)的組件。
[0051]參考圖la，混合太陽能模塊依靠光伏模塊將所接收的太陽能的一部分轉變成電能。所述光伏模塊由通常是晶體硅半導體、半導體薄層的多個光伏元件(3)或能夠實現光電效應的任何其他技術組成。這些光伏元件(3)串聯或并聯地電連接，并且例如以及以非限制方式在例如乙烯醋酸乙烯酯(EVA)的熱塑性聚合物中，通常在層壓工藝過程中，即通過加熱和壓力裝配光伏模塊工藝中進行封裝。在該層壓步驟期間，稱為“前板”的材料的薄膜(I)被沉積在暴露于輻射的光伏模塊的面上，所述薄膜(I)是透明、柔性、抗UV、基于氟聚合物的，例如并且以非限制的方式乙烯-四氟乙烯或ETFE。該材料提供了比玻璃更優的透射系數，同時改善裝置的輸出。薄膜(I)也比玻璃輕得多，顯著地減小本發明的重量。該薄膜(I)的主要優點是其相對于玻璃的相對柔性。響應于溫度變化，熱交換器(5)產生由于組成其的材料的性質弓I起的膨脹和收縮的循環。在材料例如玻璃中非常輕微的這些機械移動也在混合太陽能模塊的表面上沉積的薄膜(I)中被發現。薄膜(I)的這些機械特性使得有可能消除在根據現有技術的系統中觀察到的并且將引起能夠實現裝配光伏模塊和熱交換器
(5)的粘合劑例如環氧樹脂粘合劑過早老化的不均勻膨脹的循環。
[0052]由混合太陽能模塊接收的太陽能的至少80%將在面板中散失。在與暴露于輻射的面相對的光伏模塊的面的前方放置的熱交換器(5)的存在使得有可能回收在光伏模塊中累積或散失的熱。
[0053]在一個實施方式中，熱交換器(5)和光伏模塊在層壓工藝結束時通過封裝(23)，例如并且以非限制的方式通過熱塑性聚合物，例如乙烯醋酸乙烯酯進行裝配。因此，混合太陽能模塊的冷卻與可利用的熱能的產生相關聯。熱交換器由金屬或復合材料生產，例如并且以非限制的方式，鋁、銅或任何其他金屬或材料是良好的導熱體，并且充分剛硬以確保混合太陽能模塊的內聚性(cohesion)。另一方面，為了確保混合太陽能模塊的平坦度，借助于封裝(23，24)被固定向著與暴露于輻射的面相對的光伏模塊的面的熱交換器(5)的面必須平坦。光伏模塊的冷卻由冷卻流體確保，例如空氣或甘醇酸酯水，其總是以相同方向從所述熱交換器(5)的入口(E)朝向出口(S)通過通風和/或泵工具發送并且在熱交換器(5)中循環。在一個實施方式中，在熱交換器(5)中循環的流體可以例如形成通過水力擾動移動的薄膜，因此在與暴露于輻射的面相對的光伏模塊的面的區域中確保大的接觸表面。
[0054]在一個實施方式中，熱交換器(5)被分成兩個子部件(51，52)。第一子部件(51)是平坦的，并且被裝配向著與受輻射的面相對的光伏模塊的面。第二子部件(52)是自由形式的，并且與第一子部件(51)形成用于冷卻流體循環的通道。熱交換器(5)的兩個子部件(51，52)可以通過本領域技術人員已知的任何手段，例如借助于能夠實現熱交換器(5)就密封和壓力而言的穩定性的結合進行裝配。
[0055]在一個實施方式中，參考圖lb，也確保密封功能的電絕緣材料層(4)被放置在光伏模塊和熱交換器(5)之間。該材料層(4)可以例如是聚氟乙烯的薄膜，并且使得有可能防止來自環境空氣的雨水或濕氣進入直接接觸光伏模塊，因此避免任何電問題例如故障觸點或短路。
[0056]在一個實施方式中，參考圖2，有可能省略不可滲透并且電絕緣的材料層(4)。在此情況下，密封功能由覆蓋光伏模塊的整個表面的熱交換器(5)執行。電絕緣功能可以例如通過更改封裝(24)的組成例如使用硅化的底部執行，或例如通過在與暴露于輻射的面相對的光伏模塊的面接觸的熱交換器(5)的面上添加絕緣膜來執行。
[0057]在該文檔中描述的發明可以根據現在詳細描述的制造方法執行。
[0058]在一個實施方式中，參考圖la，根據在現有技術文檔中描述的并且本領域技術人員已知的層壓工藝，通過多個光伏元件(3)的封裝獲得光伏模塊。當透明材料薄膜(I)代替玻璃板在暴露于輻射的光伏模塊的面上使用時，該工藝保持相同類型。
[0059]在一個實施方式中，參考圖1b和2,光伏模塊和熱交換器(5)在層壓的第二步之后進行裝配。位于暴露于輻射的光伏模塊的面上的透明膜(I)使得有可能例如并且以非限制的方式，通過避免在兩種材料之間存在氣泡而實現無結合缺陷的平坦層壓。
[0060]在一個實施方式中，并且優選地，在相同層壓操作的過程中制造混合太陽能模塊。在此情況下，層壓操作能夠實現在封裝(21，22)中裝配多個光伏元件(3)，在暴露于輻射的光伏模塊的面上沉積薄膜(1)，裝配光伏模塊和熱交換器(5)，其中絕緣材料層(4)可以在與暴露于輻射的面相對的光伏模塊的面與熱交換器(5)之間滑動，整個組件由在沒有所述絕緣層(4 )的情況下將為電中性的封裝(23，24 )保持。
[0061]優選地，該層壓操作根據精確的順序實現。為了避免在材料層之間存在氣泡，在較剛硬層上更容易沉積較不剛硬的層。因此最硬的熱交換器(5)對應于所沉積的第一層，之后是封裝層(23，24)，任選地絕緣層(4)、之后是作為實施方式的功能的封裝層(22)，然后是光伏元件(3 )、封裝(21)和最終的透明材料層(I)。
[0062]在一個實施方式中，制造混合太陽能模塊的方法用由兩個子部件(51，52)組成的熱交換器(5)執行。該方法與先前描述的方法相同，即，在封裝(21，22)中裝配多個光伏元件(3),在暴露于福射的光伏模塊的面上沉積薄膜(I),裝配光伏模塊和熱交換器(5)的第一子部件(51)，其中絕緣材料層(4)可以在與暴露于輻射的面相對的光伏模塊的面與熱交換器(5)之間滑動，整個組件由在沒有所述絕緣層(4)的情況下將為電中性的封裝(23，24)保持。熱交換器(5 )的兩個子部件(51，52 )可以通過本領域技術人員已知的任何手段，例如借助于能夠實現熱交換器(5)就密封和壓力而言的穩定性的結合進行裝配。這樣的方法具有眾多優點，具體為熱交換器(5)的形狀選擇的更大自由度，以及由熱交換器(5)的表面上沒有特定粗糙度而促進的層壓操作。
[0063]本申請參考附圖和/或各種實施方式描述了各種技術特性和優點。本領域技術人員將理解給定實施方式的技術特性實際上可以與另一實施方式的特性組合，除非明確提及相反，或除非顯然這些特性不相容。另外，在給定實施方式中描述的技術特性可以與該實施方式的其他特性分離，除非明確提及相反。
[0064]對于本領域技術人員而言，顯然本發明允許不背離如所要求的本發明的范圍的眾多其他具體形式的實施方式。因此，本實施方式應按照說明的方式進行考慮，但可以在由所附權利要求的范圍限定的領域內更改，并且本發明不應限于上面給出的細節。
【權利要求】
1.混合太陽能模塊裝置，其包括至少一個光伏模塊、至少一個熱交換器(5)，所述光伏模塊由將太陽能的一部分轉化成電能的至少一個半導體元件(3)構成，所述模塊的兩個面中的一個暴露于輻射，將所述熱交換器(5)面向與暴露于所述輻射的面相對的所述光伏模塊的面放置，其中冷卻流體循環，這使得有可能回收累積或散失的熱能，與所述光伏太陽能模塊接觸的所述熱交換器(5)的所述面是剛性并且平坦的，特征在于其包括: 1.透明材料層(1)，其適合于受到與構成所述熱交換器(5)的所述材料經受的變形一致的機械變形，并且被沉積在接收所述輻射的所述光伏模塊的面上，所述層(I)通過第一封裝材料層(21)連接到所述光伏模塊； ?.第二封裝材料層(23)，其被沉積在與接收所述輻射的所述面相對的所述光伏模塊的面上，以便將所述熱交換器(5)固定在與所述光伏模塊的面相對的該面上。
2.根據權利要求1所述的裝置，其中所述混合太陽能模塊與基于半導體或現有有機技術的光伏技術相容。
3.根據權利要求1所述的裝置，其中覆蓋暴露于所述輻射的所述光伏模塊的面的所述透明材料層(I)基于氟聚合物，所述材料層(I)與層壓工藝相容。
4.根據前述權利要求中的一項所述的裝置，其中覆蓋受到所述輻射的所述光伏模塊的面的所述材料層(I)的透光率大于玻璃的透光率。
5.根據權利要求1所述的裝置，其中所述熱交換器(5)是金屬的或由復合材料制成。
6.根據權利要求1所述的裝置，其中通過液體膜在所述熱交換器(5)中的循環確保所述光伏模塊的冷卻。
7.根據權利要求1、5和6所述的裝置，其中所述熱交換器(5)由第一平坦子部件(51)和第二子部件(52)構成，所述第一平坦子部件(51)與所述光伏模塊接觸，所述第二子部件(52)與所述第一平坦子部件(51)協作以便形成用于所述冷卻流體循環的通道。
8.根據權利要求1至6中的一項所述的裝置，其中將所述光伏模塊結合到所述熱交換器(5)的封裝(24)的組成被更改以便也使其電絕緣。
9.用于制造混合太陽能模塊的方法，所述混合太陽能模塊包括至少一個光伏模塊、至少一個熱交換器(5)，所述光伏模塊由將太陽能的一部分轉化成電能的至少一個半導體元件(3)構成，所述模塊的兩個面中的一個受到太陽輻射，將所述熱交換器(5)面向與暴露于所述輻射的所述面相對的所述光伏模塊的面放置，其中冷卻流體循環，這使得有可能回收累積或散失的熱能，特征在于所述方法包括以下步驟: 1.在面向與受到所述輻射的所述面相對的所述光伏模塊的面的所述熱交換器(5)的至少一部分的面上沉積封裝層(23，24)的步驟； ?.在所述封裝層(23，24)上安置光伏元件(3)的步驟； ii1.在受到所述輻射的所述光伏模塊的面上沉積封裝層(21)的步驟； iv.安置面向受到所述輻射的所述光伏模塊的面的透明材料層(I)的步驟； V.層壓所述混合太陽能模塊的步驟； 其中步驟可以以不同的順序執行，首先是所述步驟iii，然后是iv，然后是i，然后是ii，之后是層壓所述混合太陽能模塊的所述步驟V。
10.根據權利要求9所述的方法，其中在所述步驟i中安置所述光伏元件(3)之前插入絕緣材料層(4)，之后是沉積面向與受到所述輻射的所述面相對的所述光伏模塊的面的封裝層(22)。
11.根據權利要求9到1 0所述的方法，其中封裝所述光伏模塊和裝配所述模塊與所述熱交換器(5 )可以在層壓的相同步驟期間執行。
12.根據權利要求9所述的方法，其中在能夠實現裝配所述混合太陽能模塊的層壓操作之后，所述熱交換器(5)的第二子部件(52)與裝配到所述光伏模塊的所述部件(51)進行裝配。
【文檔編號】H01L31/0525GK103814446SQ201280045562
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2012年7月12日 優先權日:2011年7月19日
【發明者】J·穆泰德, L·布羅捷 申請人:太陽能2G公司