СОЛНЕЧНЫЙ ДОМ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2008 года по МПК 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 A₁ 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, системы 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.

Технический результат достигается тем, что в солнечном доме, содержащем ограждающие конструкции стен и крышу, на крыше установлены солнечные модули с концентраторами, состоящими из n ветвей (n≥2) полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей с апертурой α и углом между фокальными плоскостями полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей α, каждый полупараболоцилиндрический отражатель имеет с соседним полупараболоцилиндрическим отражателем общую фокальную ось, общую касательную плоскость или общую линию сопряжения ветвей полупараболоцилиндрических отражателей, при этом касательная плоскость к ветви одного из вышеуказанных соседних полупараболоцилиндрических отражателей в общей линии сопряжения совпадает с плоскостью миделя соседнего полупараболоцилиндрического отражателя, а приемники солнечного излучения установлены в каждом концентраторе между фокальными плоскостями ветвей зеркальных отражателей.

В солнечном доме, содержащем ограждающие конструкции стен и крышу, вдоль стен вертикально установлены солнечные модули с концентраторами, состоящими из n ветвей (n≥2) полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей с апертурой α и углом между фокальными плоскостями полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей α, каждый полупараболоцилиндрический отражатель имеет с одним рядом расположенным полупараболоцилиндрическим отражателем общую фокальную ось, а с другим рядом расположенным полупараболоцилиндрическим отражателем общую касательную плоскость, приемники солнечного излучения установлены в каждом концентраторе между фокальными плоскостями ветвей зеркальных отражателей, крыша дома в плане образует правильный многоугольник, ось симметрии отражателей вертикальна, плоскости миделя образуют стены дома.

В солнечном доме, содержащем ограждающие конструкции стен и крышу, вдоль стен вертикально установлены солнечные модули с концентраторами, состоящими из n ветвей (n≥2) полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей с апертурой α и углом между фокальными плоскостями полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей α, каждый полупараболоцилиндрический отражатель имеет с одним рядом расположенным полупараболоцилиндрическим отражателем общую фокальную ось, а с другим рядом расположенным полупараболоцилиндрическим отражателем общую касательную плоскость, приемники солнечного излучения установлены в каждом концентраторе между фокальными плоскостями ветвей зеркальных отражателей, крыша дома в плане образует усеченный правильный многоугольник, ось симметрии отражателей параллельна оси мира и наклонена к горизонту под углом к широте местности, плоскости миделя образуют стены дома.

Сущность изобретения поясняется на фигурах 1, 2, 3, где на фиг.1 - вариант солнечного дома по п.1 формулы, на фиг.2 - вариант солнечного дома по п.2 (вид сверху), на фиг.3 - вариант солнечного дома по п.3 (вид сверху и вид сбоку).

На фиг.1 представлен общий вид солнечного дома с установленными на крыше солнечными модулями с концентраторами. Каждый полупараболоцилиндрический отражатель 7 имеет с соседним полупараболоцилиндрическим отражателем 2 общую фокальную ось 3, общую касательную плоскость 4 или общую линию сопряжения ветвей 5 полупараболоцилиндрических отражателей 7 и 2, при этом касательная плоскость 4 к ветви одного из вышеуказанных соседних полупараболоцилиндрических отражателей 7 или 2 в общей линии сопряжения совпадает с плоскостью миделя 6 соседнего полупараболоцилиндрического отражателя 2. Данный вариант применим для территорий с широтой ±45°.

На фиг.1 дано описание солнечного дома с установленными солнечными энергетическими установками, работающего следующим образом. Рассмотрен принцип работы одного из солнечных модулей с концентраторами. Принцип работы соседних модулей аналогичен. В полдень, когда солнце находится на линии КК', лучи, отраженные от полупараболоцилиндрического отражателя FAO₁ собираются в точке F, а лучи от полупараболоцилиндрического отражателя FBO₂ - в точке О. Аналогично работают два полупараболоцилиндрических отражателя с правой стороны от KK'.

Таким образом, в полдень 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 полупараболического отражателя FAO₁, собираются в точке О₁, а лучи, отраженные от FBO₂ - в точке F. При подъеме солнца на высоту 60° солнечные лучи параллельны OF и собираются на приемнике в области OF/2, при этом работает концентратор АВО и верхняя половина концентратора ВА'O'. В пределах азимутального угла солнца от 60° до 120° работают 3 полупараболических отражателя из четырех. При угле 90° кратковременно работают все 4 полупараболических отражателя. На закате все происходит симметрично с полупараболическим отражателем ВО'А' аналогично работе полупараболических отражателей АОВ на восходе солнца. Рассмотренный солнечный дом использует на 40-50% больше солнечной энергии, чем солнечные дома с расположением солнечных установок только на южном фасаде или южном скате крыши здания.

На фиг.2 представлен общий вид солнечного дома с установленными солнечными модулями с концентраторами. Крыша дома в плане образует правильный многоугольник, ось симметрии всех отражателей О' вертикальна, а плоскости миделя 6 образуют стены дома. Принцип работы указанных солнечных модулей следующий. При подъеме солнца на угол до 30° работает солнечный модуль, находящийся с восточной стороны дома. Далее в работу включаются модули, установленные на северной или южной стороне дома, в зависимости от времени года. При заходе солнца излучение попадает на солнечный модуль, установленный с западной стороны дома. Данный вариант применим для территорий с широтой более 60°.

На фиг.3 представлен общий вид солнечного дома с установленными солнечными модулями с концентраторами. Крыша дома в плане образует усеченный правильный многоугольник, ось симметрии всех отражателей О' параллельна оси мира и наклонена к горизонту под углом ϕ, равным широте местности, а плоскости миделя 6 образуют стены дома. На виде сбоку показана стена дома, ориентированная на восток или запад. Угол наклона южной стены равен широте местности ϕ. Принцип работы указанных солнечных модулей следующий. При подъеме солнца на угол до 30° работает солнечный модуль, находящийся с восточной стороны дома. Далее в работу включаются модули, установленные на южной стороне дома. При заходе солнца излучение попадает на солнечный модуль, установленный с западной стороны дома. Данный вариант применим для территорий с широтой от 30 до 60°.

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 на крыше установлены солнечные модули с концентраторами, состоящими из n ветвей (n≥2) полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей с апертурой α и углом между фокальными плоскостями полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей α, каждый полупараболоцилиндрический отражатель имеет с соседним полупараболоцилиндрическим отражателем общую фокальную ось, общую касательную плоскость или общую линию сопряжения ветвей полупараболоцилиндрических отражателей, при этом касательная плоскость к ветви одного из вышеуказанных соседних полупараболоцилиндрических отражателей в общей линии сопряжения совпадает с плоскостью миделя соседнего полупараболоцилиндрического отражателя. В другом варианте вдоль стен вертикально установлены солнечные модули с концентраторами, состоящими из n ветвей (n≥2) полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей с апертурой α и углом между фокальными плоскостями полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей α. В другом варианте крыша дома в плане образует усеченный правильный многоугольник. Технический результат заключается в повышении эффективности использования солнечной энергии и снижении стоимости получаемой электроэнергии и теплоты, а также создании эффективных гелиотехнических устройств, встроенных в фасады и крыши зданий для обеспечения их электроэнергией и теплом. 3 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Солнечный дом, содержащий ограждающие конструкции стен и крышу, отличающийся тем, что на крыше установлены солнечные модули с концентраторами, состоящими из n ветвей (n≥2) полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей с апертурой α и углом между фокальными плоскостями полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей α, каждый полупараболоцилиндрический отражатель имеет с соседним полупараболоцилиндрическим отражателем общую фокальную ось, общую касательную плоскость или общую линию сопряжения ветвей полупараболоцилиндрических отражателей, при этом касательная плоскость к ветви одного из вышеуказанных соседних полупараболоцилиндрических отражателей в общей линии сопряжения совпадает с плоскостью миделя соседнего полупараболоцилиндрического отражателя, а приемники солнечного излучения установлены в каждом концентраторе между фокальными плоскостями ветвей зеркальных отражателей.2. Солнечный дом, содержащий ограждающие конструкции стен и крышу, отличающийся тем, что вдоль стен вертикально установлены солнечные модули с концентраторами, состоящими из n ветвей (n≥2) полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей с апертурой α и углом между фокальными плоскостями полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей α, каждый полупараболоцилиндрический отражатель имеет с одним рядом расположенным полупараболоцилиндрическим отражателем общую фокальную ось, а с другим рядом расположенным полупараболоцилиндрическим отражателем общую касательную плоскость, приемники солнечного излучения установлены в каждом концентраторе между фокальными плоскостями ветвей зеркальных отражателей, крыша дома в плане образует правильный многоугольник, ось симметрии отражателей вертикальна, плоскости миделя образуют стены дома.3. Солнечный дом, содержащий ограждающие конструкции стен и крышу, отличающийся тем, что вдоль стен вертикально установлены солнечные модули с концентраторами, состоящими из n ветвей (n≥2) полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей с апертурой α и углом между фокальными плоскостями полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей α, каждый полупараболоцилиндрический отражатель имеет с одним рядом расположенным полупараболоцилиндрическим отражателем общую фокальную ось, а с другим рядом расположенным полупараболоцилиндрическим отражателем общую касательную плоскость, приемники солнечного излучения установлены в каждом концентраторе между фокальными плоскостями ветвей зеркальных отражателей, крыша дома в плане образует усеченный правильный многоугольник, ось симметрии отражателей параллельна оси мира и наклонена к горизонту под углом к широте местности, плоскости миделя образуют стены дома.