Солнечный энергетический модуль, встроенный в фасад здания

Авторы патента:

Стребков Дмитрий Семенович (RU)

Филиппченкова Наталья Сергеевна (RU)

H02S10/10 - Производство, преобразование и распределение электрической энергии

H01L31/042 - содержащие панели или матрицы фотоэлектрических элементов, например солнечных элементов

Владельцы патента RU 2762310:

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) (RU)

Изобретение относится к областям электротехники и гелиотехники, в частности к встроенным в здания солнечным энергетическим модулям. Технический результат заключается в повышении коэффициента использования установленной мощности, увеличении эффективности преобразования солнечной энергии, снижении тепловых потерь и увеличении среднегодовой выработки тепловой энергии. Достигается тем, что в предлагаемом солнечном энергетическом модуле, встроенном в фасад здания, выполненном в виде ламелей, содержащих защитное стеклянное покрытие, скоммутированные солнечные элементы и устройство слежения за солнцем, на рабочей стороне каждой ламели по всей площади рабочей поверхности в тепловом контакте со стеклянной защитной оболочкой закреплена герметичная камера из прозрачного материала, соединенная с насосом через теплоизолированный трубопровод к системе теплоснабжения здания для прокачки прозрачного для солнечного излучения теплоносителя, при этом угол высоты солнца h, угол наклона ламелей α, ширина ламелей l, минимальное расстояние между ламелями d связаны соотношением: h=2α+arctg(sinα/(d/l-cosα)) – 180°, где l – ширина ламелей; d – минимальное расстояние между ламелями; h – угол высоты солнца; α – угол наклона ламелей относительно поверхности входа. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к встроенным в здания солнечным энергетическим модулям.

Известен фотоэлектрический модуль для энергоснабжения, в котором солнечные элементы электроизолированы от теплообменника, пространство между солнечными элементами и теплообменником, а также между стеклянным покрытием и теплообменником заполнено слоем силоксанового геля, защитное стеклянное покрытие выполнено в виде вакуумированного стеклопакета из двух стекол, теплообменник выполнен в виде герметичной камеры с патрубками для циркуляции теплоносителя, общая площадь соединенных солнечных элементов соизмерима с площадью верхнего основания корпуса теплообменника (патент РФ № 2546332, МПК H02S 10/00, H01L 31/042, опубл. 10.04.2015, бюл. № 10).

Недостатком известного модуля является большая материалоемкость.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является интегрированная в здание фотоэлектрическая тепловая концентрирующая система, содержащая концентратор энергии в виде голографической линзы, в фокальной области которой установлен теплофотоэлектрический приемник, который с концентрирующей системой интегрирован в систему солнцезащитных ламелей, имеющих следящее устройство за движением солнца (Julia Marín-Sáez, Daniel Chemisana, Álex Moreno, Alberto Riverola, Jesús Atencia and María-Victoria Collados. Energy Simulation of a Holographic PVT Concentrating System for Building Integration Applications. Energies 2016, 9, 577; 25 July 2016).

Недостатками известных солнечных модулей является низкая удельная мощность приемника солнечного излучения.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение КПД солнечного энергетического модуля, встроенного в фасад здания, снижение стоимости получаемой электроэнергии и теплоты.

В результате использования предлагаемого изобретения увеличивается производство электроэнергии и теплоты и увеличивается время работы встроенного в фасад здания солнечного энергетического модуля, сокращается влияние солнечного излучения в летнее время и увеличивается его доступ зимой, что сокращает потребление электроэнергии на кондиционирование и отопление здания. Повышается коэффициент использования установленной мощности, увеличивается эффективность преобразования солнечной энергии, снижаются тепловые потери, увеличивается среднегодовая выработка тепловой энергии, снижается ее себестоимость за счет того, что на рабочей стороне встроенного в фасад здания солнечного энергетического модуля, на которую падает излучение по всей площади рабочей поверхности в тепловом контакте со стеклянной защитной оболочкой закреплена герметичная камера из прозрачного материала для прокачки прозрачного для солнечного излучения теплоносителя.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом солнечном энергетическом модуле, встроенном в фасад здания, выполненном в виде ламелей, содержащих защитное стеклянное покрытие, скоммутированные солнечные элементы и устройство слежения за солнцем, согласно изобретению, на рабочей стороне каждой ламели по всей площади рабочей поверхности в тепловом контакте со стеклянной защитной оболочкой закреплена герметичная камера из прозрачного материала, соединенная с насосом через теплоизолированный трубопровод к системе теплоснабжения здания для прокачки прозрачного для солнечного излучения теплоносителя, при этом угол высоты солнца h, угол наклона ламелей α, ширина ламелей l, минимальное расстояние между ламелями d связаны соотношением:

h=2α+arctg(sinα/(d/l-cosα))-180°, (1)

где l – ширина ламелей;

d – минимальное расстояние между ламелями;

h – угол высоты солнца;

α – угол наклона ламелей относительно поверхности входа.

В варианте солнечного энергетического модуля, встроенного в фасад здания, камера для прокачки теплоносителя выполнена из оптически прозрачного фторсополимера.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид солнечного энергетического модуля, встроенного в фасад здания, на фиг. 2 представлено поперечное сечение ламели солнечного энергетического модуля, на фиг.3 показано присоединение солнечного энергетического модуля к системе теплоснабжения здания.

Солнечный энергетический модуль, встроенный фасад здания на фиг. 1 содержит ламели 1 шириной l, на которые падает солнечное излучение 2, ламели 1 устанавливаются по вертикали на расстоянии d под углом α относительно поверхности входа, встроены в фасад здания 3 и имеют систему слежения 4 за солнцем для синхронного перемещения всех ламелей 1 вокруг горизонтальной оси 5.

На фиг. 2 представлено поперечное сечение ламели 1 солнечного энергетического модуля, которая состоит из защитного стеклянного покрытия 6, последовательно скоммутированных солнечных элементов 7, электроизолированных с помощью слоя силиконового геля 8, фторсополимерной пленки 9 для покрытия тыльной части солнечных элементов 7, на рабочей стороне ламели 1 по всей площади рабочей поверхности в тепловом контакте с солнечными элементами 7 закреплена герметичная камера 10 из прозрачного материала для прокачки прозрачного для солнечного излучения 2 жидкого теплоносителя 11. Герметичная камера 10 соединена с насосом 12 через теплоизолированный трубопровод 13 к системе теплоснабжения 14 здания (фиг. 3).

Солнечный энергетический модуль, встроенный фасад здания работает следующим образом.

Солнечное излучение 2 под углом высоты солнца h поступает на синхронно работающие ламели 1, встроенные в фасад здания 3 и имеющие систему слежения 4 за солнцем для синхронного перемещения вокруг горизонтальной оси 5. Расстояние d по вертикали между ламелями 1, ширина l ламелей 1 и угол наклона α ламелей 1 относительно поверхности входа солнечного энергетического модуля выбираются в соответствии с выражением (1) в зависимости от значения угла высоты солнца h, характеризующего высоту солнца над горизонтом. Угол наклона α ламелей 1 относительно поверхности входа солнечного энергетического модуля корректируется в течение дня с помощью системы слежения 4 в зависимости от значений угла высоты солнца h.

Последовательно соединенные электроизолированные с помощью слоя силиконового геля 8 и покрытые с тыльной части фторсополимерной пленки 9 солнечные элементы 7 расположены таким образом, что, поглощая ту часть солнечного спектра, которая необходима им для фотоэлектрического преобразования и выработки электроэнергии, они, в свою очередь, отдают тепловую энергию для нагрева теплоносителя 11 в герметичной камере 10, закрепленной по всей площади рабочей поверхности в тепловом контакте со стеклянным защитным покрытием 6. Жидкий теплоноситель 11, циркулирует в системе теплоснабжения 14 по трубопроводу 13 с помощью насоса 12 через герметичную камеру 10, охлаждает солнечные элементы 7, за счет чего повышается эффективность их работы, увеличивается общий КПД солнечного энергетического модуля, увеличивается суммарная выработка электроэнергии, а нагретый теплоноситель используется. Выполнение модуля в виде синхронно работающих ламелей позволяет увеличить время работы и удельную мощность солнечного энергетического модуля.

Пример выполнения солнечного энергетического модуля, встроенного в фасад здания.

Солнечный энергетический модуль встроен в южный фасад здания. Размеры: высота 0,6 м, длина 10 м, расстояние между ламелями d составляет 0,2 м. Пиковая электрическая мощность солнечного энергетического модуля составляет 5 кВт, тепловая – 10 кВт.

В таблице 1 представлены результаты компьютерного моделирования годовых сумм инсоляции в целом за год в кВт·ч/ м² при различной ориентации солнечных модулей для г. Перово (Крым).

Расчётные годовые значения инсоляции (кВт·ч/м²)

в окрестностях г. Перово (Республика Крым)

Угол установки модуля к горизонту, град.	90	85	80	75
Плоский модуль	1073,0	1172,0	1264,4	1348,4
l =2 м	1001,4	1106,1	1217,5	1416,4
l =5 м	1142,7	1262,3	1389,4	1616,3
l =10 м	1178,0	1301,3	1432,4	1667,3
l =20 м	1198,1	1323,4	1456,7	1694,6

Интеграция солнечного энергетического модуля в южный фасад здания позволяет сократить влияние солнечного излучения в летнее время и увеличить его доступ зимой, что в среднем на 40-50% сокращает потребление электроэнергии на кондиционирование и отопление.

1. Солнечный энергетический модуль, встроенный в фасад здания, выполненный в виде ламелей, содержащих защитное стеклянное покрытие, скоммутированные солнечные элементы и устройство слежения за солнцем, отличающийся тем, что на рабочей стороне каждой ламели по всей площади рабочей поверхности в тепловом контакте со стеклянной защитной оболочкой закреплена герметичная камера из прозрачного материала, соединенная с насосом через теплоизолированный трубопровод к системе теплоснабжения здания для прокачки прозрачного для солнечного излучения теплоносителя, при этом угол высоты солнца h, угол наклона ламелей α, ширина ламелей l, минимальное расстояние между ламелями d связаны соотношением:

h=2α+arctg(sinα/(d/l-cosα)) – 180°,

где l – ширина ламелей,

d – минимальное расстояние между ламелями,

h – угол высоты солнца,

α – угол наклона ламелей относительно поверхности входа.

2. Солнечный энергетический модуль по п.1, отличающийся тем, что камера для прокачки теплоносителя выполнена из оптически прозрачного фторсополимера.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к системам автономного электроснабжения (САЭ). Технический результат заключается в повышении надежности функционирования установки и обеспечении безопасной эксплуатации и достигается тем, что САЭ содержит первичный источник энергии в виде солнечных батарей и установленные внутри термошкафа с защитным кожухом блок контроля и управления, накопитель энергии, вторичный источник энергии в виде топливного генератора на топливных элементах с метанолом, систему охлаждения и вентиляции, включающую датчики температуры, вентиляторы и нагреватели.

Способ обработки несогласованностей в устройствах на основе солнечных элементов и устройства, полученные с его помощью // 2762129

Изобретение относится к гелиотехнике. Способ обработки устройства на основе солнечного элемента для последующего формирования проводящей проводки включает обнаружение по меньшей мере одной несогласованности в поверхности полупроводниковой подложки, имеющей активную область солнечного элемента, образованную в ней, определение топологического рисунка нанесения для формирования проводящей проводки так, чтобы проводящая линия проводящей проводки избегала обнаруженную по меньшей мере одну несогласованность путем прохождения указанной проводящей линии по поверхности полупроводниковой подложки таким образом, чтобы обеспечивался сбор электрического тока, вырабатываемого устройством на основе солнечного элемента, и выборочное нанесение материала проводящей проводки на подложку согласно топологическому рисунку нанесения.

Гибридный энергетический комплекс // 2759192

Изобретение относится к гибридным энергетическим комплексам и предназначено для бесперебойного электро-, тепло- и холодоснабжения локальных объектов. Гибридный энергетический комплекс (ГЭК) содержит фотоэлектрический преобразователь, приводной дизель, механически связанный с аксиальным многофазным бесконтактным синхронным генератором, аккумуляторную батарею, выполняющую роль аварийного источника питания и выполненную с возможностью соединения через выпрямитель с выходом аксиального многофазного бесконтактного синхронного генератора и имеющую возможность подключения к потребителям постоянного тока и через инвертор к потребителям переменного тока, тепловой преобразователь, трехвходовую аксиальную генераторную установку, механически связанную с приводным дизелем и имеющую механический, световой и тепловой входы.

Устройство для исследования систем слежения за солнцем // 2758783

Изобретение относится к области солнечной энергетики, в частности к системам слежения за солнцем. Изобретение можно использовать для увеличения захвата солнечных лучей, увеличения энергии, вырабатываемой этими системами, и повышения их эффективности.

Автономный солнечный фототеплотрубный водонагреватель // 2758738

Изобретение относится к области использования солнечной энергии, в частности к устройствам преобразования энергии светового излучения в тепло и электричество, и предназначено для получения горячей воды и электричества для бытовых нужд с помощью солнечного излучения. Автономный солнечный фототеплотрубный водонагреватель содержит бак с тепловым коллектором, выполненным в виде наклонных граней призмы, теплоизоляцию, покрывающую наружные поверхности бака, причем бак выполнен в виде расположенной вдоль конька крыши тепловой трубы, изготовленной в форме продольного бака, выполненного из металла с высокой теплопроводностью, полость которого является адиабатной зоной переноса теплоты, наружная поверхность теплового коллектора покрыта фотоэлементами, соединенными между собой и снабженными на торцах выходными коллекторами одноименных зарядов, соединенными с преобразователем и аккумулятором, днище бака - зона конденсации выполнено в виде щелевого канала для подогрева воды, выполненного с уклоном i, обеспечивающим протекание воды самотеком, снабженного патрубками входа и выхода подогреваемой воды, верхняя поверхность щелевого канала и внутренняя поверхность теплового коллектора - зона испарения покрыты решеткой, выполненной из пористого материала, боковые поверхности бака покрыты слоем пористого материала, а выходной патрубок соединен с накопительной емкостью, внутри которой помещен электронагреватель, соединенный с аккумулятором.

Солнечная гибридная энергетическая установка для зданий // 2755657

Изобретение относится к области электротехники, в частности к солнечным энергетическим установкам для зданий для получения электрической энергии и теплоты. Технический результат заключается в увеличении времени работы солнечных модулей в утренние и вечерние часы, повышается коэффициент использования установленной мощности гелиотехнических устройств и достигается тем, что в солнечной гибридной энергетической установке для зданий, содержащей установленные параллельно поверхности крыши здания отражатели солнечного излучения и перпендикулярно поверхности крыши солнечные модули из скоммутированных солнечных элементов с ориентацией рабочих поверхностей на восток и запад, односторонние солнечные модули установлены попарно с зазором d между ними, в зазоре между модулями установлен теплообменник с двусторонним абсорбером, пространство между двумя солнечными модулями и двусторонним абсорбером с каналами для прокачки теплоносителя заполнено слоем силиконового геля, толщина слоя силиконового геля и двухстороннего абсорбера соизмерима с толщиной d зазора между солнечными модулями.

Солнечный дом // 2755204

Изобретение относится к гелиоархитектуре и гелиоэнергетике, в частности к солнечным зданиям со встроенными солнечными энергетическими установками для получения электрической энергии и теплоты. В солнечном доме, содержащем ограждающие конструкции стен и крышу с установленными параллельно поверхности крыши отражателями солнечного излучения и установленными в меридиональном направлении двусторонними солнечными модулями в защитной оболочке из стекла с каждой стороны модуля с ориентацией рабочих поверхностей на восток и запад, на одной стороне модуля по всей площади рабочей поверхности в тепловом контакте со стеклянной защитной оболочкой закреплена герметичная камера из прозрачного материала для прокачки прозрачного для солнечного излучения теплоносителя, соединенная с контуром горячего водоснабжения и отопления солнечного дома.

Система терморегулирования для управления температурой отражающей поверхности, имеющей массив концентраторов солнечной энергии // 2754718

Изобретение относится к массивам концентраторов солнечной энергии и, в частности, к системам и способам терморегулирования массивов концентраторов солнечной энергии. Раскрыта система терморегулирования для управления температурой селективно отражающей панели.

Магнитоэлектрический генератор // 2752389

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам с постоянными магнитами и солнечными модулями. В предлагаемом магнитоэлектрическом генераторе, содержащем ротор с осью вращения с двумя скользящими контактами и постоянные магниты, ротор выполнен в виде цилиндра из электроизоляционного материала, на цилиндрической поверхности ротора параллельно его оси закреплены n секций из m изолированных плоских двойных ленточных проводников, плоскости которых перпендикулярны плоскости осевого сечения ротора, каждый изолированный плоский двойной ленточный проводник в секции состоит из двух изолированных друг от друга плоских ленточных проводников, соединенных последовательно, расположенных параллельно друг к другу в одной плоскости и установленных в плотном контакте между торцами постоянных магнитов, которые ориентированы по отношению друг к другу противоположными парами полюсов, все m изолированных плоских двойных ленточных проводников в n секциях соединены последовательно и образуют электрическую обмотку ротора, выводы электрической обмотки ротора присоединены к скользящим контактам, установленным вокруг оси ротора на его торце.

Складной дирижабль-самолёт // 2752326

Изобретение относится к области авиации. Складной дирижабль-самолет содержит мягкую оболочку с камерами, выполненную в виде крыла большого удлинения с дозвуковым аэродинамическим профилем, два надувных киля с двумя рулями направления, один руль высоты, две силовые установки, состоящие из электромоторов и флюгируемых воздушных винтов, солнечные батареи, расположенные на верхней поверхности упомянутого крыла, связной и командный блоки управления, а также контейнер для полезной нагрузки.

Способ изготовления модуля солнечных элементов // 2758203

Изобретение относится к электротехнике, в частности к способам изготовления модулей высокоэффективных солнечных элементов на струнном каркасе в солнечных батареях космических аппаратов. Технический результат, достигаемый предлагаемым способом изготовления модуля солнечных элементов, заключается в увеличении срока эксплуатации, в повышении надежности солнечной батареи и сокращении объема ремонтных работ за счет обеспечения прочности клеевого соединения защитной подложки с тыльной металлизацией солнечных элементов.