利用太阳能和光电方式产生热水和电能的太阳能屋顶瓦片

摘要

本发明的目的是提供一种由适于覆盖整个屋顶、隔热、通风、无环境冲击、产生太阳能和光电能、适于产生热水和/或电能的特殊瓦片构成的系统。这两个功能——热和光电——协同工作以获得最佳效果，或独立工作。例如，光电对热系统产生裨益，在覆盖表面对建筑的加热需要而言过小或气候不理想的情况下，将部分电能送至位于热水器中的电气水加热器，以补足低光照季节中的热水产量。如此获得的屋顶在任何气候下都是最佳的；在受落雪影响的地区，雪会在无论如何会产生热的瓦片上融化；在夏季时会达到非常高的温度的炎热地区，因此可通过热交换器转化冷却中产生的热量，获得空调效果或地板下面的冷水。另外，夏季和冬季中都可从过量热水获得用于水池的加热水。

说明书

技术领域

本专利的目的是一种“由特殊瓦片、其变体和附件构成的系统，它适于覆盖整个屋顶，且隔热、通风、没有环境影响、产生太阳能和光电能，并且适于产生热水和/或电能”。

该系统用于通过组件化的二元部件或预组装的部件来隔热和通风地全部或部分地覆盖屋顶和墙壁，旨在产生热水和/或电能。

在下面的篇幅中详细介绍构成“瓦片”的两个构件。它们在内部包含管道、混合回路、吸热板，并在顶侧外部包含光电吸收器以产生电能，例如：

a—压花的金属板，用网筛和各种过滤器进行外部处理；

b—由碳聚合物或类似塑料制成的塑性材料；

c—压花的和/或模铸的二氧化硅衍生物

在合适地制造时，这些材料具有覆层和特殊的有色薄膜，从其外侧(上侧)看就象传统的瓦片。

该“瓦片”及其变体和附件特别适于覆盖可利用太阳能的住宅、工业中心或任何建筑的整个屋顶和/或墙壁，如主权项所表达的那样；它无环境影响，并由于能忠实地再现传统屋面的形状和颜色而可用于历史中心，由于能被切割和成形，而适于充当任何形式的覆盖物；它具有很低的总成本和非常高的能源产出。

背景技术

目前，来自设在建筑上的系统的电能和热水是通过各种类型和形状的光电和太阳能面板来获得的。

传统光电面板由各种尺寸的构件制成，主要由连接以形成光电池的二氧化硅瓦片构成，用来产生电能。它们受到防紫外线玻璃或塑料屏的保护，位于顶盖上方或在大表面情况下代替顶盖。它们吸收太阳能和紫外线，将它们转化成电能。它们没有很好地整合在建筑的结构中，除非是在使用整个屋顶部分或充分曝露的墙壁的极为现代的建筑中。

用来聚集太阳光辐射能量以产生热水的太阳能面板则由单纯是聚集太阳光辐射的板的太阳能聚集器制成。回路连接于板。该回路使流体环流以从板带走热能并将其带到内部网络以供使用。系统的内部部件受外部透明屏的保护，类似于如光电面板的屏，并受位于下方的隔热屏的保护，从而避免热耗散。

太阳能面板具有与光电面板同样的问题；由于它们被设置在屋顶盖层的上方，或在大表面的情形下代替屋顶盖层，它们根本没有整合在建筑的结构中，因此产生与周围环境的明显环境反差。将这些构件安装在屋顶盖层上是相当复杂的并经常造成雨水漏下，这两种系统相对它们的实际能量产出而言过于昂贵。需要很多年才能抵消安装成本，即使在今天，这个因素也很大程度地限制了它们的使用。

近年来，若干发明人致力于寻找传统太阳能和光电面板的替代方案。不管是意大利还是国外，对于各种类型的产品(覆盖瓦、瓦片等)已提交和授权了若干专利申请，其目的是通过用来全部或部分地覆盖建筑的吸收构件来代替当前市场上的太阳能和光电面板而独立地优化热水或电力的产生。这些方法忘记考虑到：为了获得有效的结果，“覆盖系统”最主要是需要使用能替代常用瓦片、针对任何场合都易于调整、避免环境影响问题、能够通过太阳光线的聚集产生热水和电能的系统来加以改善。

由于尚未被直到今日还在生产传统太阳能和光电面板的业界所接受和生产，这些新提出或授权的系统未曾获得任何明显的结果。关于各种屋顶的可调整性、成本降低、性能，尤其是与传统屋顶盖层的兼容性，以不形成任何环境影响并能将它们用于传统建筑和历史中心方面，它们无法满足实践方面和功能方面的要求。

发明内容

当前，最佳和良好地实现住宅或更一般来说的建筑的覆盖是通过设置隔热和通风的面板来实现的，这些面板水平地位于阁楼或传统木顶的倾斜顶面上，在所述倾斜顶面上设置赤陶屋瓦、陶瓷、石板、加拿大瓦片、其它种类的瓦片等。通过根据部位选择合适种类的瓦片，使这些覆盖物与周围环境完美兼容，并由此满足美观和防水的要求。它们不使用，而仅消耗所积聚的太阳能。

所提出的新覆盖系统使用专门制造的瓦片以覆盖整个建筑、成为建筑的一部分，通过聚集和吸收太阳能和紫外线辐射，同时产生热水以供住宅加热使用并产生电能。

该新的专利完全满足下列要求：

1.对住宅屋顶隔热，提供最佳的温度。因缺少足够的隔热和通风而造成的最高楼层过热的问题对于传统系统来说也是普遍的。

2.不管是象北欧、北美等地的盎格鲁撒克逊族建筑的木质屋顶还是象传统意大利建筑的钢筋混凝土屋顶，都能在隔热材料和位于下面的屋顶结构之间形成足够的通风。

3.由于外表面再现与各种传统瓦片相同的形状和颜色，从而允许在历史中心和宗教建筑中使用新的覆盖物，因此完美地适应建筑项目。

4.可用于没有足够太阳光照的朝北的斜屋顶或墙壁，也可用于朝南、朝西南和朝东南光照良好的墙壁。

5.由于不是所有屋顶是直线和矩形的，可容易地成形以适应角落、天窗、屋顶高度差等。为了适应这种场合，可用弓锯对其进行切割并根据技术要求对其成形，而不浪费时间。

6.这是一种优化的、尺寸不大的覆盖构件，足以满足前述的技术要求和定位要求。它满足朝北墙壁的隔热和简单覆盖要求，而对于光照部分，它是太阳能吸收器，用以根据需要产生热水和电能两者，也可以独立地产生热水或电能。它能及时抵抗风化作用，它容易通过插头或钉子附连于下层结构，它易于在暴露于风化作用的外部行走表面上进行更换或更新，每个构件通过具有适当密封垫的阳/阴金属或塑料接头附连于垂向的下一个，而它们的侧面交叠。

附图说明

图1—用来产生热能和/或电能的“A”式“瓦片”的横截面，示出其结构细节，该瓦片从外面看上去象传统葡萄牙式瓦片，其顶瓦、底部、双焦点透镜和带板的内“热水器(boiler)”以及吸热管是很清楚的。

图2—用来产生热能和/或电能的“A”式“瓦片”的轴测图，它一般设有两个覆盖瓦和底部。顶瓦具有双焦点透镜。它向后定位(而不处于密闭位置)以示出具有板、吸热管和下侧隔热发泡材料的瓦片的内部。

图3—朝向用来产生热能和/或电能的“A”式瓦片下部的轴测图，它具有两个覆盖瓦、菲涅耳式透镜、阳接头、定位支架和空气腔室。

图4—“B”式“简单瓦片”的轴测图，它具有两个覆盖瓦，没有双焦点透镜，具有隔热发泡材料、定位支架、空气腔室、上部固定接头、底部，并将第一瓦片定位在排水管上。

图5—“B”式“简单瓦片”的横截面，它在外部看上去象传统葡萄牙式瓦，具有顶瓦、底部、隔热发泡材料、固定支架、定位支架、空气腔室。

图6—连接于管的阳/阴接头的横截面，它实现下瓦和上瓦的完美和简单的固定。

图7—用来产生热能和电能的“A”式“瓦片”的横截面，示出其结构细节，该瓦片从外部看象是传统的葡萄牙式瓦。上瓦连同底部、透镜、带板的内“热水器”和吸热管是很清楚的，尤其是还有用来增加电能产出的二氧化硅板位于瓦片的下部平坦部分上。

实现本发明的最佳模式

要被引入国际市场作为用来覆盖屋顶和墙壁的已有产品的替代品的、不仅用来覆盖建筑还用来产生热能和光电能的创新覆盖系统必须同时满足下列要求：

所使用的构件必须覆盖屋顶的整个表面，如有可能还要覆盖露出较多的墙壁，它们必须很好地适应建筑设计，它们必须足以隔热屋顶，它们必须适应环境，它们必须优化和连续地使用光照表面，将覆盖物转化成用来产生热水(省去热水器)和产生光电能的单个吸热构件，明显地降低建筑的能耗。如果在建造阶段安装覆盖物，成本降低为最大。应当考虑的一基本问题是只有一部分屋顶盖层朝南、西南和东南，并最佳地用来吸收太阳能，而剩下的所有朝北的面仅用于紫外线的部分吸收。

本专利中描述的发明在住宅和建筑的屋顶盖层的实现中引入改进和根本的改变，这可归结如下：

适用于具有钢筋混凝土或木制屋顶的任何种类的建筑——不管是意大利式还是盎格鲁撒克逊式——的系统，它全组件化、相对总能量产出的低成本、易于运输和安装、零美观和环境影响、电能和热能生产成本相对所使用系统的可替代系统降低、在政府财政援助下使用巨大表面和在其它国家有效的最初投资或其它激励因素方面降低光电成本。本专利主权项中的基本理念是获得完美隔热和通风的屋顶盖层的所有功能，加上来自全部或很大一部分屋顶表面的能量产出，旨在同时或单独地利用光电能和太阳热能。

该系统使用单个构件，即新设计的“瓦片”，其尺寸和形状可根据需要而变化，可将其做成单个的、预组装的构件，或做成两个单独的部分，上部被定义为“覆盖瓦”而下部被定义为“底部”，它们在安装时被组装。取决于它所复制的模型和种类而变化尺寸的“瓦片”具有两种类型，即“A”和“B”，它们的两个部件从外面看是相同的，然而其内部包含物是不同的。

“A”式(图1-2-3)瓦片用于受充分光照的屋顶部分，它：

a—通过瓦片内部的太阳光照(图1附图标记3)产生热能，所述光照最佳地从定制的顶侧采集并通过使用菲涅耳式透镜(图1附图标记1)将太阳光线聚集在内部而得以增强，所述菲涅耳式透镜位于同一瓦片的凸起部分(图1附图标记13)上，以从任何角度捕获太阳光线，在瓦片附图标记的腔室(图1附图标记18)内分散和增强光线(图1附图标记3)，照射金属板和/或光照聚集管(图1附图标记2-4)。

当太阳斜照或一般情况无法令人满意时，对于金属瓦片使用菲涅耳式透镜是最佳的，它允许将瓦片定位成任何倾斜度并因此将它们直接用于任何表面上，而不管阳光是否如太阳能面板那样倾斜。当太阳光线照到腔室内的凹面、聚集金属板(图1和2)时，一系列反射增强了光照效果。就象桌球台那样，光线反射(图1附图标记3)并撞击所有内表面(图1附图标记14)和它们的吸热管(图1附图标记4)，包括位于顶瓦凸起部分中央的主吸热管(图1附图标记15)。在瓦片使用在外侧透光并在内侧不透光和反光的塑性材料的情形下，顶瓦(图1 n13)的内表面经过专门处理，以允许太阳光和紫外线辐射进入但不允许射出，这产生一种温室效应，这种效应增加了提供给聚集器的热量。聚集板(图1附图标记2)被定位在具有内部凹面形状的隔热发泡材料(图1附图标记16)上，被插入到底部构件(图1附图标记6)，聚集管(图1附图标记4)被定位在板(图1附图标记2)上，其数量适合于具体应用。针对特定应用，可制造出具有充当管的适合沟槽的双层、压花的吸热板。每个瓦片中的所有管(图6附图标记21-24)通过带合适的塑料或金属制密封垫(图附图标记6)的阳/阴接头(图6附图标记23)与前一个和下一个瓦片的相应管相连，适于产生将所有瓦片一起连接于用来产生热水的热交换器的单个回路，接头系统允许瓦片之间的快速连接而无需费时的螺接、焊接等。

b—来自通过瓦片顶部(图1附图标记13-14)的太阳光和紫外线吸收而从光电能产生电能。通过后面描述的塑料或金属的专门接头彼此相连的这些瓦片构件(图1-2-3)将整个屋顶盖层转化成单个光电面板。

定义成“简单瓦片”的“B”式瓦片作为耐火砖成型机(jolly)，可适应任何屋顶形状，以用于向北而不产生热能和/或处于不需要使用生能瓦片的困难地点的那些部分。该构件由不带菲涅耳式透镜的“顶瓦”(图4-5附图标记13-14-5)以及相同的下“底部”(图4-5附图标记6)构成，顶瓦和底部或者预安装，或者稍后安装，其内具有发泡材料(图4-5附图标记6)，并形成可切割、成形等以使其适应任何覆盖要求的单块瓦片。

“底部”由热固塑料或金属制成，它形成一种无盖的盒体，其中盖是顶瓦。底部具有若干厘米高的包容侧壁(图1-2-3-4-5附图标记6)，其中隔热型聚氨酯或聚苯乙烯类材料被发泡处理(图1-2-3-4-5附图标记16)。发泡材料的顶部呈特定的凹面形状，在其上设置吸热层。在简单瓦片的情形下，发泡材料填满整个腔室，由此增加光照较少部分(图4附图标记16)的保护性和隔热性。底部在下支架等和瓦片之间形成充分的空气和通风腔(图1-3-5附图标记5)，底部通过导向支架或定位支架(图1-3-4-5附图标记10-12)从支架抬起几厘米，那些导向支架或定位支架也用来通过插头或钉子(图1-3-4-5附图标记11)将瓦片单元附连于下层结构(图1-3-4-5附图标记17)，以避免因强风而损坏覆盖物。针对具体要求，底部支承物可由刚性聚氨酯或类似产品制成，而不使用底部支承物的外部结构。它包括空间和适当的形状以配合在吸热板中，如果合适的话，包含在聚氨酯中的管以及导向件和支承物作为同一单元的一部分。

空气腔室和发泡材料避免能量耗散和在外侧发生凝结。吸热的、凹面电镀金属的反射板位于隔热发泡材料上。在其顶上设置一些吸热管，在吸热管中流动着价格低廉的高热值的液体，例如氮混合物和液态磷。

将额外的中央吸热管(图1-3-5附图标记15)设置在底部凹腔的中心以及“上瓦”的凸腔的中心。它位于在底部两端的特定的存放结构(图1-5附图标记8)上。热支承物的所有管在底部的垂直端具有阳/阴接头(图1-6附图标记19-20)以连接于相邻的瓦片。底部也具有侧导向件(图1-5附图标记9)以配合来自上瓦的固定点(图1-5附图标记8)。

“覆盖瓦”由任何透明塑性材料或涂有硅膜或具有微米/纳米结构有机涂料(一个或多个层)的导电电极的碳聚合物构成，它受到充分保护并抵抗紫外线，具有适当颜色以根据建筑需要与顶瓦所具有的颜色相配。如果它由导热和吸热的金属层(铜、铝等)制成，则通过涂覆要求颜色的无定形二氧化硅(双或三接头)的悬浮膜使其被“掺杂”，并通过电解侵蚀而形成多孔结构，以利用更宽的太阳光谱带，或涂覆最新技术成果推荐的像硅膜或其它膜那样的能充分聚集来自太阳光和紫外线的光电能量的其它分层膜。在这种情形下，外部支架(图1-3-5附图标记13)的颜色同样是由建筑要求所推荐的。该顶瓦——根据尺寸和材料被设计成足够厚以能够在上面行走——具有人们想要再现的传统瓦片的外部形状，或具有新颖设计，并具有允许交叠、成形等的接头。它具有适当的密封垫(图1-5附图标记7)以使其防水，避免内部产生的蒸汽凝结和漏出。其侧部还具有专门的攻有螺纹的插头(图1-5附图标记8)以通过将其推入下部支承物的侧导向件(图1-5附图标记9)而安装，使其成为单个的并且与其它瓦片连续的单元。

如前面示出的那样，顶瓦在其顶部中央凸出部分中容纳有透镜(图1-2-3附图标记1)，所述透镜能吸引来自任何角度的太阳光线(图1-5附图标记3)，使它们在瓦片中分散和增强。这些光线通过菲涅耳式透镜在瓦片的两个部分之间的椭圆腔室内反射，在腔室的中央穿过吸热液的主导管。太阳光线进入作为实际的热水器的腔室，在主导管(图1-15附图标记15)和侧导管(图1-2-3附图标记4)下方的镜面金属板上反射，将液体加热至高热量温度。顶瓦的内凹面侧被处理以使其在内部不透光并进行反射。对于聚碳酸酯或其它塑料以及玻璃质材料，使用反射涂料以防止光线逸出；对于金属支承物，在内部对其电镀以使它们在腔室内反射光线。

“A”式瓦片的变体如图7所示。它由略为昂贵的系统构成，适于借助设置在吸热板顶部的特定存放结构上并受到顶瓦保护的硅晶体(图7附图标记26)来增加电能产出。这种类型可用于使用由透明玻璃支承物或塑料聚碳酸酯等制成的顶瓦，或具有与位置匹配于二氧化硅晶体的存放结构的玻璃质或塑料部分(图7附图标记25)一同组装的金属顶板(图7附图标记13-14)的顶瓦的“瓦片”中。这些部件全部通过顶瓦下面的专门连接结构连接在一起，以形成单个光电面板。

部件说明和安装系统

产生热能和电能的“A”式瓦片的安装：

在调平表面后，首先应当如传统瓦片那样从左至右定位底部支承物的水平线，将一些支承物的导向件螺接到下层结构，适应气候要求，用弓锯或类似工具切割最后一块瓦片的右侧面，使用简单底瓦直到达到在侧部的金属结构。在正确地定位并使第一排底部支承物正确垂向倾斜后，逐一定位第二相邻行的支承物，通过专门的阳/阴接头将中央管和侧管垂直地固定在下瓦和上瓦上，简单地抬高后支承物并下压，直到听见“卡嗒”声为止。在安装第二行底部支承物后，定位第一排覆盖瓦，使它们从左至右一个接一个地交叠并使它们垂直对齐于下瓦。在安装顶瓦后，可安全地在屋顶的完工部分上行走，继续安装一行底部支承物和一行覆盖瓦直到结束为止。万一最后一块瓦片过长，切割底部支承物，在这种情形下是导管接着与普通液压接头连接的底部支承物。最后一块底部支承物中的导管和完工的或切割好的覆盖瓦将与位于底部内的隔热分布铜管相连，它们在安装后受到发泡处理和隔热处理，用与顶瓦相同的材料覆盖，并到达和连接于隔热的热水器加热盘管以产生热水。热水器可靠近屋顶或连接于建筑的加热系统的特定地点。在高强度阳光照射的区域内使用系统的特殊情形下，系统甚至可以产生水蒸汽。

只要在政府的帮助下将产生的电能送至蓄电池或水电站线路，则应当规定，下底部的四个连接螺栓允许连接朝北或光照侧的所有顶瓦，由于这些螺栓连接于下层结构，使得整个屋顶获得单个光电表面。另外，它们能产生一更宽的表面，通过螺栓连接于垂直定位的板或瓦片或连接于其它光电生能瓦片。

应用于建筑墙壁的瓦片可利用普通瓦片来产生热能和光电能，或使用具有或不具有内部隔热功能的简单瓦片来仅仅产生光电能。在这种情形下，顶瓦的外表面采用适应整个建筑需要的形状、尺寸和颜色。

设置在斜屋顶或朝北的墙壁上或无法实现热连接的地方的仅吸收紫外线的瓦片的安装：

在最佳光照的位置完成“A”式瓦片的安装完成后，沿相同路线继续安装“B”式简单瓦片，所述“B”式简单瓦片直到屋顶盖层或垂直壁完成才隔热，它们能够在缺乏直接光照时利用紫外线照射。上瓦和底瓦被切割、成形和调整至它们打算覆盖的形状。

系统的特殊部件和其它可能的应用：

在生产阶段，由塑料或金属制成的上瓦可在内部包含金属线以使顶部与其它特定面板相连，所述特定面板包含连接于散布点的导线，旨在获得整个建筑的法拉第笼或其它。

为了完善该系统，可使用图中未示出的特殊部分。这些部分是用以覆盖瓦片的侧向切割部的塑料或金属侧带、至热和电分布系统的接头、与二氧化硅晶体和屋顶边缘的接头。