Когенерационная солнечная черепица Российский патент 2023 года по МПК F24S20/69 F24S23/74 H02S10/30 

Область техники

Изобретение относится к области строительства, гелиоэнергетике и гелиоархитектуре, в частности к кровельным солнечным черепицам крыш зданий и сооружений со встроенными солнечными модулями.

Уровень техники

Солнечная энергия – один из самых доступных и недорогих источников энергии в мире. Ее использование в строительстве представляет собой перспективное, значимое направление, позволяющее существенно снизить затраты на производство строительных работ, эксплуатационные бюджеты. Кроме того, использование возобновляемых источников энергии снижает негативное влияние человеческой жизнедеятельности на окружающую среду.

Известна Высокопрочная солнечная черепица и способ ее изготовления из патентного документа CN84740992, которая состоит из цементной черепицы и компонента фотоэлектрической пластины, при этом компонент фотоэлектрической пластины состоит из четырех кремниевых пластин, пластиковой пластины и проводящей цепи; четыре силиконовые пластины, одинаковые по размеру и форме, скрепляются на пластиковой пластине; пластиковая пластина склеивается в середине черепицы; одна сторона черепицы снабжена армирующим ребристым пазом конструкции посадочного края, а другая сторона черепицы также снабжена армирующей ребристым пазом конструкции посадочной кромки, которая аналогична армирующей реберной пазовой конструкции посадочного края на противоположной стороне по конструкции, но противоположной по направлению; одна сторона черепицы снабжена двумя круглыми крепежными отверстиями; а задняя часть черепицы снабжена армирующим ребром. Недостатками данного решения является недостаточная энергоэффективность черепицы, большие затраты на производство, большой вес изделия (более 45 кг в 1 м²), что снижает его эксплуатационные характеристики.

Известен Солнечный дом (патентный документ RU 2694066 C1), содержащий ограждающие конструкции стен и крышу со встроенными солнечными модулями из с коммутированных солнечных элементов в стеклянной защитной оболочке, 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 с коммутированных 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. Недостатками заявленного решения является недостаточная энергоэффективность, в частности, отражатели солнечного излучения в данном решении не выполняют свой функционал после покрытия их снегом, что является существенным препятствием для использования в климатических зонах РФ, необходимость установки на крыше под солнечным модулем кровельного покрытия для защиты зданий и сооружений от внешних воздействий, что увеличивает стоимость зданий и сооружений.

Прототипом заявленного решения является Кровельная солнечная панель из патентного документа RU 2557272 C1, содержащая корпус с внутренней полостью с защитным покрытием на рабочей поверхности, на которую падает солнечное излучение с углом входа лучей β0, и приемники из скоммутированных солнечных элементов, под защитным покрытием установлен составной концентратор, выполненный в виде прозрачной для излучения отклоняющей оптической системы из множества призм с острым углом Ψ между поверхностью входа и выхода лучей и нескольких полу параболоцилиндрических зеркальных отражателей с параметрическим углом δ, имеющих поверхности входа и выхода лучей. Фокальные области всех отражателей смещены к нижней или верхней стороне панели, а приемники излучения установлены параллельно фокальной оси и перпендикулярно плоскости панели между фокальной осью и зеркальным покрытием каждого отражателя. Недостатком данного решения является низкая энергоэффективность по причине использования односторонних солнечных модулей.

Несмотря на то, что двухсторонние солнечные модули последние несколько лет находят применение в гелиоэнергетике, известные решения характеризуются достаточно большим размером, что подразумевает высокую трудоемкость производства и расход материалов, а также их недолговечность.

Кроме того, на текущем уровне техники неизвестны решения, представляющие собой единую кровельную конструкцию со встраиваемыми внутрь корпуса кровли двухсторонними модулями. Заявленное техническое решение призвано устранить выявленные недостатки.

Раскрытие сущности изобретения

Технический результат заявленного решения заключается в повышении эффективности использования солнечной энергии, снижении трудоемкости изготовления продукции и стоимости получения электроэнергии и теплоты, в увеличении долговечности материалов и изделия в целом.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что когенерационная солнечная черепица представляет собой корпус с внутренней полостью, состоящий в предпочтительном варианте из обыкновенного песка (рекомендуемое содержание песка 80%), вторичных отходов полимерных изделий, специальных добавок против ультрафиолета (УФ-стабилизаторы), известных на текущем уровне техники, например, различные соединения бензофенонов, бензтриазолов, органические амины (так называемые HALS – соединения), соединения никеля. В корпусе каждого блока черепицы расположены три посадочных канавки (ширина до 5 мм) под двухсторонний солнечный модуль, одна из которых расположена на дне корпуса, а две других в верхней и нижней части корпуса, в которые размещается вертикально в корпусе черепицы перпендикулярно фокальной оси с фиксацией силиконовым клеем двухсторонний солнечный модуль, состоящий из закаленных стекол по 2 мм толщины каждое, между ними расположен полупроводниковый материал (солнечный кремний), герметизированный с помощью кремнийорганического двухкомпонентного полисилоксанового компаунда, который обеспечивает срок номинальной работы солнечных элементов в 40–50 лет, под защитным покрытием установлены концентратор, выполненный в виде прозрачной для излучения оптической системы и нескольких зеркальных отражателей, имеющих поверхности входа и выхода лучей, закрепленных силиконовым клеем на двух полупараболоцилиндрических поверхностях корпуса вертикально, на обратной стороне блока черепицы расположена коробка с диодом и с установленными проводами и разъемами для соединения с трубопроводом и иными коммуникациями здания. Коробка с диодами может располагаться в различных вариантах изобретения в верхней или нижней (предпочтительный вариант) частях корпуса черепицы, что позволяет сократить расход соединительных проводов и создание канавок для прокладки проводов. Вертикальные полупараболоцилиндрические отражатели позволяют увеличить время работы солнечных модулей (генерации) при восходе и заходе солнца за счет локального светоотражения в отличие от рассматриваемых аналогов. Возможно использование когенерационной солнечной черепицы с двухсторонним солнечным модулем без концентратора, однако энергоэффективность изделия в этом случае будет снижена. В качестве отражателя в концентраторе в предпочтительном варианте используется зеркальный алюминий. В одном из вариантов Когенерационной солнечной черепицы полупараболоцилиндрические зеркальные отражатели из полированного листового алюминиевого сплава имеют плоские отформованные участки, перпендикулярные фокальной оси, а ширина этих участков в меридиональной плоскости соизмерима или превышает ширину приемника из скоммутированных солнечных элементов. На верхнем торце двухстороннего солнечного модуля закреплен в тепловом контакте со стеклянной защитной оболочкой трубопровод (материал трубопровода – медная или пластиковая труба) с теплоносителем, который соединяется с баком-накопителем сборного коллектора, через змеевик нагревается холодная водопроводная вода.

В качестве сырья для корпуса черепицы используют кварцевый песок и вторично переработанные пластмассы (полиэтиленовые бутылки или стрейч-плёнка и связующие компоненты), что удешевляет изготовление и благоприятно сказывается на экологии, а также красители. Благодаря широкому перечню современных красителей, можно получить кровельный материал любого оттенка. Стоит также отметить, что краситель может выступать и как связующий компонент для песка и полимеров. Основные преимущества применения данных материалов:

- корпус черепицы устойчив к резкой смене климата, отлично переносит большие заморозки, что очень важно для использования в РФ;

- себестоимость корпуса черепицы низкая ввиду использования дешевого сырья;

- обеспечивает высокий уровень тепло - и шумоизоляции, полное отсутствие коррозии;

- благодаря использованию УФ-стабилизатора в массе, а не только на поверхности, черепица имеет высокую устойчивость к выгоранию;

- является хорошим диэлектриком, обладает высокой ударостойкостью, благодаря чему снижается вероятность боя и брака при транспортировке материала и его монтаже;

- не требует специальных навыков при укладке;

- отличается высокой химической устойчивостью к кислотам и щелочам;

- черепица обладает самозатухающими качествами в случае возникновения пожароопасной ситуации;

- черепица экологически чистая, не выделяет вредных веществ.

Как указано выше, используемый материал корпуса является несгораемым, ударопрочным и водонепроницаемый, за счет того, что смесь на основе песка обволакивается полимером. Корпус черепицы звуконепроницаемый. Отличается высокой стойкостью к ультрафиолетовому излучению. Использование концентраторов позволяет увеличить генерацию энергии не менее чем в 4 раза, а применение двухсторонних солнечных элементов позволяет аккумулировать энергию в течение всего светового дня за счет бокового светопоглощения, микрогенерация наблюдается и в ночное время. Коммутация солнечных черепиц между собой производиться последовательно для получения большего напряжения на выходе, где напряжение каждой черепицы составляет 1–1,2 В, а ток 7-8 А. Кроме того, установка двухсторонних солнечных элементов вертикально относительно плоскости черепицы позволяет применять заявленное техническое решение на двухскатных крышах в широтном и меридиональном направлении, с ориентацией рабочих поверхностей модулей на восток и запад.

Допускается использование в качестве материала для изготовления корпуса черепицы ударопрочной пластмассы или керамики, однако это снижает качество и экологичность изделия.

Согласно исследованиям специалистов, годовая выработка энергии для двухсторонних вертикальных модулей в 1,5-1,67 выше, чем у стандартных плоских модулей (Стребков Д.С. Основы солнечной энергетики: учебное пособие для ВУЗов; Москва, 2019 г., с. 303). В заявленной когенерационной солнечной черепице, как в изделии, впервые в мировой практике применен двухсторонний модуль в качестве части изделия. Многократное уменьшение размера двухсторонних модулей и встраивание их в корпус черепицы позволяет увеличить объем вырабатываемой энергии, сократить количество используемых материалов, оптимизировать работу строителей (нет необходимости в установке двухсторонних солнечных модулей дополнительно к кровельным работам, они уже встроены в корпус).

Изобретение иллюстрируется чертежами, представленными на фигурах 1-3:

- на фиг. 1 представлен общий вид когенерационной солнечной черепицы;

- фиг. 2 отражает состав двухстороннего солнечного модуля;

- фиг. 3 представляет собой вид когенерационной солнечной черепицы сбоку;

- на фиг. 4 показан вид когенерационной солнечной черепицы с отражателями в изометрической проекции;

- на фиг. 5 показано поперечное сечение двухстороннего солнечного модуля с встроенным трубопроводом для прокачки теплоносителя.

Цифрами на фигурах обозначены:

1 – корпус черепицы;

2 – двухсторонний солнечный модуль;

3 – стеклянная защитная оболочка модуля;

4 – солнечный кремний;

5 – концентратор с отражателями;

6 – коробка с диодом, проводами;

7 – саморезы для крепления;

8 – верхний торец двухстороннего модуля;

9 – нижний торец двухстороннего модуля;

10 – трубопровод.

Динамика изобретения

Когенерационная солнечная черепица крепится при монтаже двумя саморезами (7) каждая, перекрывая часть последующей черепицы и образуя таким образом замок. За счет поглощения солнечного света двухсторонние солнечные элементы (2) аккумулируют электричество в 12 вольт, которое в дальнейшем преобразуется инвентором в 220 вольт, на верхнем 8 торце двухстороннего солнечного модуля 2 закреплен в тепловом контакте со стеклянной защитной оболочкой 3 трубопровод 10 с теплоносителем, получаемое тепло теплоносителем по трубопроводу подается в бак-накопитель, через змеевик нагревается холодная водопроводная вода.

Несмотря на большой объем генерируемой энергии, солнечный кремний (4) за счет герметизации кремнийорганическим двухкомпонентным полисилоксановым компаундом не разрушается в процессе эксплуатации, при этом использование концентраторов (5) увеличивает световое поглощение, что в совокупности с двухсторонним характером модуля позволяет значительно (почти в 4 раза) сократить площадь использования дорогостоящих материалов (солнечный кремний), стоимость которого в солнечных изделиях достигает до 70%. Уменьшение расхода полупроводникового материала значительно снижает стоимость изделия, как и корпус черепицы, изготовленный из композитных материалов с использованием вторичных полимеров.

Для сбора тепловой энергии Заявителем были изготовлены опытные образцы, экспериментально подтверждено достижение заявленного технического результата:

- разработана когенерационная солнечная кровельная черепица для производства электрической энергии и горячего водоснабжения зданий;

- приведены результаты испытаний.

Годовое производство электрической энергии в условиях г. Анапы составит 1682 кВт*ч/кВт, для средней полосы России (г. Москва) 1100 кВт*ч/кВт, по тепловой энергии соответственно 3455 кВт* ч/кВт и 2245 кВт *ч/кВт.

Заявленное решение выполняет три функции:

- является кровельным покрытием;

- генерирует электричество;

- нагревает холодную воду для отопления здания.

Данный продукт имеет высокие показатели энергоэффективности (КПД 65%) и низкую ценовую планку, температурный режим эксплуатации – от -65°С до +95°С.

Широкомасштабное применение заявленного решения будет способствовать снижению сырьевой зависимости экономики, стимулировать экономический рост и обеспечит энергетическую безопасность, в особенности в удаленных районах и энергодифицитных регионах страны. Потребители значительно снизят свои расходы на энергоносители.

Изобретение относится к области строительства, гелиоэнергетики и гелиоархитектуре, в частности к кровельным солнечным черепицам крыш зданий и сооружений со встроенными солнечными модулями. Когенерационная солнечная черепица представляет собой корпус, в корпусе каждого блока черепицы расположены не менее трех посадочных канавок, одна из которых расположена на дне корпуса, а две других в верхней и нижней части корпуса, в которые размещается вертикально в корпусе черепицы с фиксацией силиконовым клеем двухсторонний солнечный элемент, состоящий из закаленных стекол, между ними расположен полупроводниковый материал, герметизированный кремнийорганическим двухкомпонентным полисилоксановым компаундом, под защитным покрытием установлен концентратор, выполненный в виде прозрачной для излучения оптической системы и нескольких полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей, имеющих поверхности входа и выхода лучей, на обратной стороне блока черепицы расположена коробка с диодом и с установленными проводами и разъемами для соединения с трубопроводом и иными коммуникациями здания. На верхнем торце двухстороннего солнечного модуля закреплен в тепловом контакте со стеклянной защитной оболочкой трубопровод с теплоносителем. Технический результат заявленного решения заключается в повышении эффективности использования солнечной энергии, снижении трудоемкости изготовления продукции и в увеличении долговечности материалов. 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Когенерационная солнечная черепица, представляющая собой корпус со встроенными в него солнечными модулями, коробкой с диодом и проводами, отличающаяся тем, что в качестве энергогенерирующего элемента используется закрепленный в посадочных канавках корпуса двухсторонний солнечный модуль, установленный вертикально в корпусе черепицы перпендикулярно фокальной оси, состоящий из двух стекол, между которыми размещен полупроводник из солнечного кремния, герметизованный с помощью кремнийорганического двухкомпонентного полисилоксанового компаунда, на верхнем торце двухстороннего солнечного модуля закреплен в тепловом контакте со стеклянной защитной оболочкой трубопровод с теплоносителем, который соединен с баком-накопителем сборного коллектора, в корпусе черепицы под защитным покрытием установлен концентратор, выполненный в виде прозрачной для излучения оптической системы и установленных вертикально зеркальных отражателей, имеющих поверхности входа и выхода лучей.

2. Когенерационная солнечная черепица по п. 1, отличающаяся тем, что при изготовлении корпуса используется смесь из 80% песка, вторичных отходов полимерных изделий и специальных добавок против ультрафиолетового излучения.

3. Когенерационная солнечная черепица по п. 1, отличающаяся тем, что корпус когенерационной солнечной черепицы выполнен из ударопрочной пластмассы.

4. Когенерационная солнечная черепица по п. 1, отличающаяся тем, что корпус когенерационной солнечной черепицы выполнен из керамики.

5. Когенерационная солнечная черепица по одному из пп. 1-4, отличающаяся тем, что полупараболоцилиндрические зеркальные отражатели выполнены из полированного листового алюминиевого сплава.

6. Когенерационная солнечная черепица по одному из пп. 1-5, отличающаяся тем, что полупараболоцилиндрические зеркальные отражатели из полированного листового алюминиевого сплава имеют плоские отформованные участки, перпендикулярные фокальной оси, а ширина этих участков в меридиональной плоскости соизмерима или превышает ширину приемника из скоммутированных солнечных элементов.

7. Когенерационная солнечная черепица по одному из пп. 1-5, отличающаяся тем, что зеркальные отражатели закрепленны на двух полупараболоцилиндрических поверхностях корпуса силиконовым клеем.

8. Когенерационная солнечная черепица по одному из пп. 1-7, отличающаяся тем, что коробка с диодами расположена в верхней части обратной стороны корпуса черепицы.

9. Когенерационная солнечная черепица по одному из пп. 1-7, отличающаяся тем, что коробка с диодами расположена в нижней частио братной стороны корпуса черепицы.

10. Когенерационная солнечная черепица по одному из пп. 1-9, отличающаяся тем, что трубопровод выполнен в виде медной трубки.

11. Когенерационная солнечная черепица по одному из пп. 1-9, отличающаяся тем, что трубопровод выполнен в виде пластиковой трубки.