[发明专利]太阳能木瓦系统

说明书

相关申请的交叉参考

该申请要求2009年6月25日提交的美国临时性专利申请U.S. 61/220,539和2010年6月24日提交的美国实用新型申请U.S. 12/823,006的优先权，其公开的技术作为参考并入本申请中。

技术领域

本发明主要涉及光伏屋顶系统，更具体的涉及能够发电的屋顶材料。更具体的说，本发明涉及一种能够与传统木瓦兼容并能够发电的屋顶木瓦结构和布线系统。

背景技术

相关领域描述

环境污染和能量短缺是目前全球关注的问题。越来越多兴趣集中到太阳能上，它预示了清洁能源的无限来源。太阳能是清洁的并且是增长的能量需求可以负担的解决方案。太阳能是可再生能量资源，并由于已经意识到化石燃料的有限性和核燃料的安全性，太阳能赢得了世界范围内的欢迎。现在能够完成的部分是将光能转换成电能。这样的“光伏电池”通常由例如单晶、多晶或非晶形式的掺杂硅的半导体型材料构成。

由光伏器件产生的能量与其上的光入射成比例，如果产生相对大量的能量，则需要相当大的收集面积。建筑物结构的屋顶和上层面积有很好的光照射，但通常并未转为生产使用。现在公知在建筑物的顶部放置光热和光伏收集器已有一段时间。例如安装光伏器件的屋顶在美国专利 U.S.5,092,939、5,232,518和4,189,881中示出。这些具体的光伏屋顶结构是木板和接缝类型。

屋顶使用的这些光伏电池变得极为普遍并成为电力的重要来源，尤其改善了器件的性能。在过去的15年，光伏（PV）太阳能的需求每年至少增长25％。与1985年21MW相比，世界范围的光伏安装从前些年安装的1086MW（表示每年增长34%）增长到2005年的1460MW（兆瓦特）。

光伏（PV）材料现在已经公知并可以多种形式商业获得。光伏工艺的近期进步使得低成本、光分量、薄膜光伏器件的大规模制造成为可能。现在可制造大规模的电学和光学性能平衡并且很多方面优于它们的单晶体的薄膜硅和/或锗合金材料。这些合金可高速经济的沉积在相对大的面积上以及多种器件设置中，因此它们可以容易地用于制造低成本、大面积的光伏器件中。美国专利 U.S. 4,226,898和4,217,364都公开了具体的薄膜合金，其可在本发明使用的光伏器件类型的制造中使用。然而，应该理解本发明不局限于任何光伏材料具体类型并可与多种包括晶体、多晶、微晶和非晶材料的半导体材料一起使用。

太阳能领域的发展集中在固定在已有的屋顶上的太阳能模块。屋顶向太阳能电池和光伏器件的结构支撑提供光辐射的直接暴露。尽管发展增长，但是传统屋顶安装的太阳能模块的广泛使用受到安装难度和成本、美学外表尤其是它们的低转化率的限制。

许多传统屋顶安装的太阳能模块大部分由玻璃密封物构建，设计以保护易碎的硅太阳能电池。这些模块是包括分立的机械和电学互联然后安装到存在的屋顶中的复杂系统，需要较多的安装时间和技能。另外，由于现存的模块不提供屋顶的天气保护，为了模块和它们安装的保护屋顶材料，屋主承担材料和劳动力的花销。各种模块还破坏了住宅和商业建筑的美学，导致使用受限。例如，图1中，传统太阳能板发电系统100一般包括一个或多个安装在住宅结构102的屋顶104上的刚性的太阳能板106、108。除了安装和维护昂贵，太阳能板106、108还有可能破坏住宅结构102的美学效果。

在许多情形中木瓦屋顶受到欢迎，典型的用于住宅结构，并且在那些情况中常遇到相当复杂的屋顶几何学问题。例如，沥青木瓦占美国住宅屋顶市场的近2/3。在典型的木瓦结构中，屋顶材料以卷状物或以随后位于重叠设置中的预切片形式提供。有时，屋顶被相对厚的瓦片挤压，该瓦片可以是平面的或卷曲界面的。应该注意需要具有木瓦屋顶结构的集成光伏能量产生。

光伏屋顶元件通常难于安装，因为它们不仅需要以提供天气保护的方式物理连接到屋顶，而且还需要电互联（electrically interconnect）到连接到较大光伏生成系统（例如变换器、电池和仪表）的元件的布线系统。这些安装经常需要电路专家执行电互联，其难于与光伏屋顶元件物理安装的时间成比例。而且，在许多光伏屋顶系统中产生了相对大的电压差（例如100－600V）。这样，需要保护电互联不受天气影响以避免电弧和短路。