СОЛНЕЧНЫЙ ДОМ Российский патент 2020 года по МПК E04D13/18 H02S20/24 F24S25/61 

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

Известен аналог - солнечный дом (Стребков Д.С., Тверьянович Э.В., Иродионов А.Е., Полушин С.А. Солнечный дом. Пат. РФ №2303753, Бюл. 21 от 27.07.2007 г.), содержащий 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.

Недостатком известного солнечного дома является ограниченное время работы солнечных модулей из-за их затенения ветвями полупараболоцилиндрических отражателей.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является солнечный дом (Стребков Д.С., Кирсанов А.И., Панченко В.А. Солнечный дом. Патент РФ №2694066). Изобретение - прототип 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 со встроенными солнечными модулями, составленными из соединенных солнечных элементов, заключенными в стеклянную защитную оболочку, согласно изобретению на поверхности крыши установлены в несколько рядов в меридиональном направлении двухсторонние солнечные модули с ориентацией рабочих поверхностей на восток и запад, каждый модуль выполнен из скоммутированных параллельно групп солнечных элементов с двухсторонней рабочей поверхностью, каждая группа солнечных элементов состоит из последовательно скоммутированных в меридиональном направлении солнечных элементов и снабжена диодом, на верхних и нижних торцах двухсторонних солнечных модулей закреплены в тепловом контакте со стеклянной защитной оболочкой трубы для прокачки теплоносителя, соединенные с контуром горячего водоснабжения и отопления солнечного дома, на поверхности крыши вокруг двухсторонних солнечных модулей установлены отражатели солнечного излучения. По сути, устройство-прототип решает задачу оптимального использования площади горизонтальной крыши или крыши, ориентированной на юг под углом β к горизонтальной поверхности, т.е. снять максимально возможное количество солнечной энергии с ограниченной площади горизонтальной поверхности.

Недостатком устройства-прототипа является низкий коэффициент использования установленной мощности гелиотехнических устройств в виде вертикальных или с наклоном на 10°-20° в противоположные стороны двухсторонних солнечных модулей из-за недоиспользования при оговоренных значениях котангенса угла (ctgα=2÷6) высоты Солнца над горизонтом в утреннее и вечернее время от часа до двух часов из-за затенения соседними двухсторонними солнечными модулями.

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, является повышение эффективности использования солнечной энергии гелиотехническими устройствами на поверхности крыши здания.

Технический результат заключается в увеличении производства электроэнергии и в уменьшении перерывов времени работы солнечных модулей в утренние и вечерние часы.

Технический результат достигается тем, что в солнечном доме, содержащем крышу с солнечными модулями из скоммутированных солнечных элементов, крыша выполнена двухскатной, первый скат из которых обращен на запад, второй скат обращен на восток, а конек крыши направлен меридионально, при этом на указанных скатах крыши уложены модули солнечных элементов, а скаты крыши расположены под углом шестьдесят градусов друг к другу и образуют с плоскостью опорного для них перекрытия дома равносторонний треугольник.

Кроме того, технический результат достигается тем, что в солнечном доме, содержащем крышу с солнечными модулями из скоммутированных солнечных элементов, солнечные модули уложены на неподвижную поверхность цилиндрической основы с закрепленными на крыше опорами, при этом ось цилиндра направлена меридионально с наклоном к горизонту на угол, обеспечивающий максимальную выработку энергии в данной местности.

На фиг. 1 общий вид солнечного дома.

На фиг. 2 крыша солнечного дома с солнечными модулями, уложенными на неподвижную поверхность цилиндрической основы.

Согласно фиг 1 солнечный дом, содержащий крышу с солнечными модулями из скоммутированных солнечных элементов, крыша выполнена двухскатной, скат 1 из которых обращен на запад, а скат 2 обращен на восток, конек 3 крыши направлен меридионально, при этом на указанных скатах крыши уложены модули 4 солнечных элементов, а скаты 1 и 2 крыши расположены под углом шестьдесят градусов друг к другу и образуют с плоскостью 5 опорного для них перекрытия дома равносторонний треугольник. При этом солнечные модули выполнены, например, в виде известных стандартных кремниевых фотоэлектрических панелей, которые уложены на скатах крыши и соединяются в солнечные батареи.

Согласно фиг 2 в солнечном доме, содержащем крышу с солнечными модулями из скоммутированных солнечных элементов, солнечные модули 4 уложены на неподвижную поверхность цилиндрической основы 6 с закрепленными на крыше 7 опорами 8, при этом ось 9 цилиндра направлена меридионально с наклоном к горизонту на угол, обеспечивающий максимальную выработку энергии в данной местности.

Солнечный дом, согласно фиг. 1, функционирует следующим образом. На восходе солнечное излучение освещает солнечные модули 4 на восточном скате 2 крыши. В полдень солнечное излучение поступает на солнечные модули 4 обоих скатов 1 и 2. На закате солнечное излучение освещает солнечные модули 4 на западном скате 1 крыши. Было выполнено компьютерное моделирование известных уравнений (Твайделл ДЖ., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии. Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат. 1990. - 392 с.: ил. См. стр. 77-83). В таблице 1 представлены результаты компьютерного моделирования. Расчеты были выполнены для местности, расположенной на северной широте, например, г. Москвы (ϕ=56° с.ш.) при различных значениях (см. таб. 1) углов наклона β° и углов γ° азимутальной ориентации скатов 1 и 2 крыши для 134-го дня года, когда при ясной погоде солнечный день от восхода до заката длится 16 часов. Для удобства сравнения в расчетах было принято, что солнечные модули выполнены в виде панелей площадью 1 м². Тогда результаты можно умножить на площади реальных скатов 1 и 2 крыши.

Например, согласно строке 2 таблицы, если солнечная панель площадью S=1 м² ориентирована строго на юг (γ°=0) и наклонена к горизонту на угол β°=37°, оптимальный для данной широты, то в течение солнечного дня продолжительностью 16 часов ею будет выработано электроэнергии Э=7324 Вт⋅ч. В устройстве - прототипе согласно строке 12 таблицы, если у двухстороннего солнечного модуля из двух рабочих поверхностей площадью S=1 м² каждая, одна ориентирована строго на запад (γ°=-90°), а вторая ориентирована строго на восток (γ°=+90°), а сам двухсторонний солнечный модуль поставлен вертикально (β°=90°), то в течение солнечного дня продолжительностью 16 часов ими будет выработано электроэнергии Э=9775 Вт⋅ч.

В предлагаемом изобретении согласно строке 9 таблицы, если на двух скатах крыши, из двух солнечных панелей площадью S=1 м² каждая, одна ориентирована строго на запад (γ°=-90°), а вторая ориентирована строго на восток (γ°=+90°), при этом скаты крыши расположены под углом шестьдесят градусов друг к другу и образуют с плоскостью 5 опорного для них перекрытия дома равносторонний треугольник, то в течение солнечного дня продолжительностью 16 часов ими будет выработано электроэнергии Э=12590 Вт⋅ч., т.е. на треть больше, чем устройством -прототипом.

Предлагаемый вариант расположения солнечных модулей на крыше дома, представленный на фиг. 2, функционирует следующим образом. На восходе солнечное излучение освещает солнечные модули 4 из скоммутированных солнечных элементов на восточной стороне неподвижной поверхности цилиндрической основы 6, т.е. освещает половину цилиндрической поверхности. В полдень и на закате солнечное излучение также освещает солнечные модули 4 по половине цилиндрической поверхности. Таким образом, в течение всего солнечного дня освещены солнечные модули 4 из скоммутированных солнечных элементов на половине неподвижной поверхности цилиндрической основы 6, причем освещенный участок перемещается с восточной стороны цилиндрической поверхности на западную. При этом по сути солнечные модули 4 из скоммутированных солнечных элементов на неподвижной поверхности цилиндрической основы 6 реализуют азимутально-зенитное слежение за Солнцем. Тогда в предлагаемом изобретении согласно строке 4 таблицы в течение солнечного дня продолжительностью 16 часов будет выработано электроэнергии Э=14400 Вт⋅ч.

Изобретение относится к гелиоархитектуре и гелиоэнергетике, в частности к солнечным зданиям с солнечными энергетическими установками для получения электрической энергии. Солнечный дом содержит крышу с солнечными модулями, составленными из соединенных солнечных элементов, крыша выполнена двухскатной, один из скатов обращен на запад, а второй скат обращен на восток, конек крыши выполнен в меридиональном направлении, а скаты крыши расположены под углом шестьдесят градусов друг к другу и образуют с плоскостью опорного для них перекрытия дома равносторонний треугольник. Солнечные модули выполнены, например, в виде известных стандартных кремниевых фотоэлектрических панелей, которые соединяются в солнечные батареи. Во втором варианте солнечного дома в течение всего солнечного дня прямым солнечным излучением освещена половина солнечных модулей из соединенных солнечных элементов на неподвижной поверхности цилиндрической основы с меридиально направленной осью, причем освещенный участок перемещается с восточной стороны цилиндрической поверхности на западную. При этом по сути солнечные модули из соединенных солнечных элементов на неподвижной поверхности цилиндрической основы реализуют эффект азимутально-зенитного слежения за Солнцем. Технический результат заключается в увеличении производства электроэнергии и в исключении перерывов во время работы солнечных модулей в утренние и вечерние часы из-за взаимного затенения. 2 н.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Солнечный дом, содержащий крышу с солнечными модулями из скоммутированных солнечных элементов, отличающийся тем, что крыша выполнена двухскатной, первый скат из которых обращен на запад, второй скат обращен на восток, а конек крыши направлен меридионально, при этом на указанных скатах крыши уложены модули солнечных элементов, а скаты крыши расположены под углом шестьдесят градусов друг к другу и образуют с плоскостью опорного для них перекрытия дома равносторонний треугольник.

2. Солнечный дом, содержащий крышу с солнечными модулями из скоммутированных солнечных элементов, отличающийся тем, что солнечные модули уложены на неподвижную поверхность цилиндрической основы с закрепленными на крыше опорами, при этом ось цилиндра направлена меридионально с наклоном к горизонту на угол β°, обеспечивающий максимальную выработку энергии в данной местности.