Солнечный энергетический модуль, встроенный в фасад здания Российский патент 2021 года по МПК H02S10/10 H02S10/30 H01L31/42 

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.

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.

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.