СОЛНЕЧНЫЙ ДОМ Российский патент 2007 года по МПК F24J2/42 F24J2/14 

Изобретение относится к гелиоархитектуре и гелиоэнергетике, в частности к солнечным зданиям со встроенными солнечными энергетическими установками для получения электрической энергии и теплоты.

Известны солнечные (гелиоэнергоактивные) здания, снабженные устройствами для тепло- и электроснабжения, приготовления горячей воды за счет преобразования энергии Солнца. В качестве таких устройств используют солнечные коллекторы и фотоэлектрические модули, которые встраивают в ограждающие конструкции здания, в стены и крышу (Энергоактивные здания. Под редакцией Э.В.Сарнацкого и Н.П.Селиванова, М., Стройиздат 1988, стр.59-347). Недостатком известных солнечных домов является низкая концентрация солнечного излучения в солнечных коллекторах и фотоэлектрических модулях, встроенных в ограждающие конструкции здания, и, как следствие, низкая температура теплоносителей в солнечном коллекторе, высокая стоимость солнечных фотоэлектрических модулей.

Известен солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором солнечной энергии для получения электрической энергии и теплоты, в котором для увеличения эффективности использования солнечной энергии отражатель состоит из двух разновеликих частей, разделенных плоскостью симметрии, проходящей через вершину и фокальную ось отражателя (Стребков Д.С., Тверьянович Э.В., Кивалов С.Н., Иродионов А.Е., патент РФ №2172451, 20.08.2001). Для увеличения коэффициента концентрации основной зеркальный отражатель выполнен в виде одной ветви параболоцилиндрического отражателя и снабжен вторым полуцилиндрическим зеркальным отражателем, а ширина полосы приемника излучения равна радиусу второго зеркального отражателя. Солнечный модуль с концентратором установлен на балконе здания или под прозрачной крышей здания.

Недостатком известного солнечного модуля является то, что фотоэлектрический приемник состоит из плоских стеклянных полос разной ширины, склеенных в стеклопакет, и при резком увеличении температуры в фокальном пятне зеркального отражателя вследствие неодновременного нагрева участков стеклопакета, а также имеющейся незначительной неоднородности материала в местах соединения стеклопакет деформируется и дает течь. Вследствие тех же причин образовавшиеся воздушные пузыри приводят к разлому стеклопакета. Также необходимы большие трудозатраты при изготовлении стеклопакета приемника концентратора.

Наиболее близким по техническим параметрам к предлагаемому изобретению является солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором для получения электрической энергии и теплоты, содержащий два линейно-фокусирующих полупараболоцилиндрических зеркальных отражателя с апертурными углами А₁ и А₂ с общей фокальной осью и приемником в виде полосы, расположенной параллельно фокальной оси, зеркальные отражатели развернуты вокруг фокальной оси у поверхности входа навстречу друг другу таким образом, что их плоскости симметрии, проходящие через фокальную ось и вершины отражателей, составляют двухгранный угол, равный апертурному углу солнечного модуля.

Недостатком данного солнечного модуля является низкий коэффициент концентрации и невозможность использования модуля при другой, кроме полярной, системе ориентации на Солнце, например в фотоэлектрических фасадах зданий и при ориентации восток-запад.

Задачей изобретения является повышение эффективности использования солнечной энергии и снижение стоимости получаемой электроэнергии и теплоты, а также создание эффективных гелиотехнических устройств, встроенных в фасады и крыши зданий для обеспечения их электроэнергией и теплом.

Указанная задача решается тем, что в солнечном доме, содержащем ограждающие конструкции стен и крышу, на крыше установлены два солнечных модуля с концентраторами, состоящие из двух симметричных сопряженных полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей с апертурным углом 24-72°, оптические оси которых направлены по оси север-юг и ориентированы на юг под углом (90-ϕ)° к горизонту, а ветви рядом расположенных полупараболоцилиндрических отражателей имеют одну общую вертикальную касательную плоскость симметрии, ветви каждого отражателя развернуты относительно фокальной оси таким образом, что угол между фокальными плоскостями каждой из ветвей равен 24-70°, а приемники солнечного излучения установлены в каждом отражателе между фокальными плоскостями их ветвей, где ϕ - широта местности.

В солнечном доме зеркальные отражатели могут быть выполнены в виде зеркальных фацет из закаленного стекла с шириной фацет а, равной а=(0,4-1,2)OF, где OF - фокусное расстояние концентратора.

Сущность изобретения поясняется на чертежах, где на фиг.1 изображен общий вид солнечного дома, на фиг.2 представлен вид сбоку солнечного дома по п.2 формулы для Москвы.

Солнечный дом содержит установленные на крыше два солнечных модуля с концентраторами. Концентратор состоит из двух симметричных сопряженных полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей с апертурным углом 24-72°, оптические оси которых направлены по оси север-юг и ориентированы на юг под углом (90-ϕ)° к горизонту, где ϕ - широта местности, с ветвями АО и OB, a также О'В и O'A'. Ветви рядом расположенных полупараболоцилиндрических отражателей имеют одну общую вертикальную касательную плоскость симметрии КК', а ветви каждого отражателя развернуты относительно фокальной оси таким образом, что угол между фокальными плоскостями каждой из ветвей равен 24-70°. Приемники солнечного излучения установлены в каждом отражателе между фокальными плоскостями их ветвей. Зеркальные отражатели могут быть выполнены в виде зеркальных фацет из закаленного стекла с шириной фацет «а», равной (0,4-1,2)OF, где OF - фокусное расстояние концентратора.

Крыша дома выполнена в виде прозрачного защитного покрытия. В качестве приемника используют солнечные фотоэлектрические модули, а также солнечный коллектор для получения горячей воды и теплого воздуха. Данный солнечный дом применим для территорий с широтой ±45°.

Солнечный дом используется следующим образом.

В полдень, когда солнце находится на линии КК', его лучи отражаются от ветвей обоих полупараболоцилиндрических отражателей. Таким образом, все излучение, попадающее на крышу солнечного дома, собирается на приемниках концентраторов FO и F'O'. При восходе солнца освещается приемник FO прямым солнечным излучением. При подъеме солнца на высоту 30° над горизонтом лучи, отраженные от части FAO₁ отражателя, собираются в точке O₁, а лучи, отраженные от части FBO₁, - в точке F. При подъеме солнца на высоту 60° солнечные лучи параллельны OF и собираются на приемнике в области OF/2, при этом работает отражатель АВО и часть ВА'О' другого отражателя. В пределах азимутального угла солнца от 60° до 120° работают три части отражателя из четырех. При угле 90° кратковременно работают все четыре части отражателя. На закате все происходит симметрично с полупараболоцилиндрическим отражателем BO'A' аналогично работе полупараболоцилиндрического отражателя АОВ на восходе солнца. Солнечный дом использует на 40-50% больше солнечной энергии, чем солнечные дома с расположением солнечных концентраторов только на южном фасаде или южном скате крыши дома.

Изобретение относится к гелиоархитектуре и гелиоэнергетике, в частности к солнечным зданиям со встроенными солнечными энергетическими установками для получения электрической энергии и теплоты. Солнечный дом содержит ограждающие конструкции стен и крышу, при этом на крыше установлены два солнечных модуля с концентраторами, состоящие из двух симметричных сопряженных полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей с апертурным углом 24-72°, оптические оси которых направлены по оси север-юг и ориентированы на юг под углом (90-ϕ)° к горизонту, а ветви рядом расположенных полупараболоцилиндрических отражателей имеют одну общую вертикальную касательную плоскость симметрии, ветви каждого отражателя развернуты относительно фокальной оси таким образом, что угол между фокальными плоскостями каждой из ветвей равен 24-70°, а приемники солнечного излучения установлены в каждом отражателе между фокальными плоскостями их ветвей, где ϕ - широта местности. Зеркальные отражатели могут быть выполнены в виде зеркальных фацет из закаленного стекла с шириной фацет «а», равной a=(0,4-1,2)OF, где OF - фокусное расстояние концентратора. Изобретение должно обеспечить повышение эффективности использования солнечной энергии, а также создание гелиотехнических устройств, встроенных в фасады и крыши зданий. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Солнечный дом, содержащий ограждающие конструкции стен и крышу, отличающийся тем, что на крыше установлены два солнечных модуля с концентраторами, состоящих из двух симметричных сопряженных полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей с апертурным углом 24-72°, оптические оси которых направлены по оси север-юг и ориентированы на юг под углом (90-ϕ)° к горизонту, а ветви рядом расположенных полупараболоцилиндрических отражателей имеют одну общую вертикальную касательную плоскость симметрии, ветви каждого отражателя развернуты относительно фокальной оси таким образом, что угол между фокальными плоскостями каждой из ветвей равен 24-70°, а приемники солнечного излучения установлены в каждом отражателе между фокальными плоскостями их ветвей, где ϕ - широта местности.2. Солнечный дом по п.1, отличающийся тем, что зеркальные отражатели выполнены в виде зеркальных фацет из закаленного стекла с шириной фацет «а», равной (0,4-1,2)OF, где OF - фокусное расстояние концентратора.