Результат интеллектуальной деятельности: КРОВЕЛЬНАЯ СОЛНЕЧНАЯ ПАНЕЛЬ

Изобретение относится к устройству кровельных панелей для крыш зданий и сооружений со встроенными солнечными модулями.

Известна кровельная панель с солнечной батареей, включающая несущее основание в виде криволинейной поверхности с размещенной на нем солнечной батареей на базе полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей с электрокабелем токосъема. Солнечная батарея размещена на утопленной относительно верхней поверхности основания на глубину до 20 мм плоской площадке и зашита до верхней поверхности основания герметизирующей отверждающей композицией с уровнем пропускания светового излучения не менее 30% в диапазоне работы солнечной батареи (Пат. РФ №2194827, опубл. 20.12.2002).

Недостатком известной кровельной панели является большой расход полупроводникового материала для фотопреобразователей и низкая мощность солнечной батареи из-за оптических потерь в герметизирующей композиции.

Известна кровельная солнечная панель фирмы "HEDA Solar" (КНР), содержащая встроенные солнечные модули из четырех или восьми скоммутированных кремниевых солнечных элементов размером 156×156 мм или 125×125 мм. Кровельная солнечная панель имеет защитное покрытие из закаленного стекла и электрическую мощность 8-20 Вт, рабочее напряжение 1-2 В в зависимости от количества скоммутированных солнечных элементов (Проспект фирмы "HEDA Solar" www.hedasolar.com).

Недостатком известной кровельной солнечной панели является большой расход солнечного кремния для солнечных элементов и высокая стоимость.

Известен солнечный модуль с концентратором солнечной энергии, установленный на крыше и фасаде здания, содержащий плоское защитное прозрачное ограждение и установленный на защитном прозрачном ограждении в фокусе линейно-фокусирующего цилиндрического концентратора приемник излучения в виде полосы, концентратор выполнен в виде несимметричного отражателя, состоящего из двух разновеликих частей, разделенных плоскостью симметрии, проходящей через вершину и фокальную ось отражателя, причем большая часть отражателя выполнена в виде половины параболоцилиндрического (в дальнейшем - полупараболоцилиндрического) отражателя, а меньшая часть - в виде кругового цилиндрического отражателя с радиусом, равным расстоянию от фокальной оси до вершины полупараболоцилиндрического отражателя, фокальная ось смещена к одной из сторон защитного ограждения, параллельно его основанию, и совпадает с краем полосы приемника излучения.

Недостатком известного солнечного модуля является необходимость установки на крыше под солнечным модулем кровельного покрытия для защиты зданий и сооружений от внешних воздействий, что увеличивает стоимость зданий и сооружений.

Другим недостатком известного модуля являются большие косинусные потери излучения, равные 1-cos (90°-2δ), где δ - параметрический угол концентратора, связанные с отклонением плоскости симметрии полупараболоцилиндрического отражателя от нормали к рабочей поверхности модуля, и оптические потери на пропускание в горизонтальных жалюзи с фацетами. Например, при апертурном угле φ=24° косинусные потери солнечного излучения составляют 1-cos 42°=0,257, т.е. 25,7%.

Задачей изобретения является создание кровельной солнечной панели с высоким оптическим КПД и низким расходом полупроводникового материала и низкой стоимостью.

Технический результат заключается в повышении эффективности использования солнечной энергии в кровельной солнечной панели и в снижении стоимости получения электрической энергии и теплоты.

Указанный технический результат достигается тем, что в кровельной солнечной панели, установленной на наклонной крыше здания или сооружения, нормаль к поверхности крыши находится в меридиональной плоскости, содержащей 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, в полости корпуса 1 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 полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей с параметрическим углом δ, имеющих поверхности входа и выхода лучей, фокальные области всех полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей смещены к нижней или верхней стороне кровельной солнечной панели, а приемники излучения из скоммутированных солнечных элементов установлены параллельно фокальной оси и перпендикулярно плоскости кровельной солнечной панели между фокальной осью и зеркальным покрытием каждого полупараболоцилиндрического зеркального отражателя, плоскости поверхности входа лучей отклоняющей оптической системы и плоскости поверхности входа лучей полупараболоцилиндрического зеркального отражателя параллельны плоскости защитного покрытия, а угол входа лучей β₀, острый угол Ψ и коэффициент преломления n материала отклоняющей оптической системы связаны с параметрическим углом δ полупараболоцилиндрического зеркального отражателя следующим соотношением:

В варианте кровельной солнечной панели корпус кровельной солнечной панели выполнен из ударопрочной пластмассы.

В другом варианте кровельной солнечной панели корпус кровельной солнечной панели выполнен из керамики.

Еще в одном варианте кровельной солнечной панели корпус кровельной солнечной панели выполнен из смеси песка и пластмассы.

В варианте кровельной солнечной панели внутренние полости корпуса отформованы для размещения защитного покрытия полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей, отклоняющей оптической системы и приемников из скоммутированных солнечных элементов.

В варианте кровельной солнечной панели защитное покрытие выполнено в виде оптической отклоняющей системы.

В варианте кровельной солнечной панели полупараболоцилиндрические зеркальные отражатели выполнены из плоских стеклянных зеркальных фацет, плоскости которых параллельны фокальной оси, а ширина стеклянных зеркальных фацет в меридиональной плоскости соизмерима или превышает ширину приемника из скоммутированных солнечных элементов.

В другом варианте кровельной солнечной панели полупараболоцилиндрические зеркальные отражатели выполнены из полированного листового алюминиевого сплава.

В варианте кровельной солнечной панели полупараболоцилиндрические зеркальные отражатели из полированного листового алюминиевого сплава имеют плоские отформованные участки, параллельные фокальной оси, а ширина этих участков в меридиональной плоскости соизмерима или превышает ширину приемника из скоммутированных солнечных элементов.

В варианте кровельной солнечной панели боковые стенки внутренних формообразующих полостей корпуса для размещения полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей расположены в меридиональной плоскости и снабжены зеркальным отражающим покрытием.

В варианте кровельной солнечной панели в корпусе перпендикулярно плоскости защитного покрытия выполнены щели, проходящие через фокальные оси полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей, в указанные щели на герметике установлены дополнительные защитные покрытия из стекла или прозрачного пластика, между дополнительными защитными покрытиями и корпусом установлены приемники из скоммутированных солнечных элементов.

В варианте кровельной солнечной панели каждое пространство между дополнительными защитными покрытиями и корпусом, в которых размещены приемники из скоммутированных солнечных элементов, заполнено прозрачным силиконовым гелем.

В варианте кровельной солнечной панели внутри корпуса выполнены панели для кабельного соединения приемников из скоммутированных солнечных элементов к коммутационной коробке, которая установлена в полости корпуса между полупараболоцилиндрическими зеркальными отражателями с обратной стороны кровельной солнечной панели и снабжена токопроводящим кабелем для коммутации с другими кровельными солнечными панелями.

В варианте кровельной солнечной панели на обратной стороне снаружи корпуса выполнены каналы для прокладки токопроводящего кабеля к расположенным рядом кровельным солнечным панелям.

В варианте кровельной солнечной панели приемники из скоммутированных солнечных элементов и фокальные оси полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей смещены к верхней части корпуса, а угол наклона кровельной солнечной панели к горизонтальной поверхности при установке на крыше составляет φ-23,5°-β₀, где φ - ширина местности.

В варианте кровельной солнечной панели приемники из скоммутированных солнечных элементов и фокальные оси полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей смещены к нижней части корпуса, а угол наклона кровельной солнечной панели к горизонтальной поверхности при установке на крыше составляет φ+23,5°+β₀, где φ - ширина местности.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, где на фиг. 1 - общий вид с наружной и с обратной стороны кровельной солнечной панели, у которой приемники из скоммутированных солнечных элементов и фокальные оси полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей смещены к верхней части корпуса. На фиг. 2 - продольное сечение кровельной солнечной панели. На фиг. 3 - поперечное сечение кровельной солнечной панели в меридиональной плоскости. На фиг. 4 - общий вид оптической отклоняющей системы составного концентратора на основе множества призм. На фиг. 5 - ход лучей в составном концентраторе кровельной солнечной панели. На фиг. 6 - установка кровельной солнечной панели на крыше здания с ориентацией панели на солнце 22 июня в день летнего солнцестояния. На фиг. 7 - установка кровельной солнечной панели на крыше здания с ориентацией панели на солнце 22 декабря.

На фиг. 1 показан общий вид кровельной солнечной панели с наружной (а) и обратной стороны (б). Кровельная солнечная панель имеет корпус 1, в котором сформированы герметичные с обратной стороны полости для размещения защитного покрытия 2 составного концентратора, состоящего из оптической отклоняющей системы 3 и двух полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей 4, 5, у которых фокальные оси 6 и 7 смещены к верхней части 8 корпуса 1 и приемников 9 и 10 из скоммутированных солнечных элементов 11. В полости корпуса 1 перед приемниками 9 и 10 выполнены пазы 12 и 13, в которых установлены защитные покрытия 14 и 15 из стекла или прозрачного пластика приемников 9 и 10. Плоскости защитного покрытия 14 и 15 приемников 9 и 10 перпендикулярны плоскости защитного покрытия 2 корпуса 1 кровельной солнечной панели. Пространство между защитным покрытием 14, 15 и частью 18, 19 корпуса 1, в котором установлены приемники 9 и 10, заполнено прозрачным силиконовым гелем 20. Боковые стенки 21 и 22 внутренних формообразующих полостей 23 корпуса 1 снабжены зеркальными покрытиями 24 и 25. Внутри корпуса 1 выполнены каналы 26 и 27 для соединения приемников 9, 10 кабелем 28 к коммутационной коробке 29. Коммутационная коробка 29 установлена с обратной стороны 30 корпуса 1 и имеет токопроводящий кабель 31 для коммутации с другими кровельными солнечными панелями. Снаружи корпуса 1 на обратной стороне 30 выполнены каналы 32 для прокладки кабеля 31. Плоскость поверхности входа лучей 33 оптической отклоняющей системы 3 и плоскость поверхности входа лучей 34 полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей 4, 5 параллельны плоскости защитного покрытия 2.

На фиг. 4 оптическая отклоняющая система 3 выполнена из множества ориентированных в одном направлении призм 35 с острым углом Ψ между поверхностью 33 входа и поверхностью 36 выхода лучей.

На фиг. 5 показан ход лучей в составном концентраторе, состоящем из отклоняющей оптической системы 3 и полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 4, где β₀ - угол входа лучей на поверхности входа 34 в оптическую отклоняющую систему 3, β₁ - угол преломления лучей в поверхности входа 3 внутри оптической отклоняющей системы 3, β₂ - угол между лучом и нормалью к поверхности выхода 36 лучей внутри оптической отклоняющей системы 3, β₃ - угол выхода лучей на поверхности выхода 36 снаружи отклоняющей оптической системы 3, β₄ - угол входа лучей у поверхности входа 34 полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 4.

Углы β₀, β₁, β₂, β₃ и β₄ являются углами между направлениями лучей и нормалью к соответствующей поверхности. Поскольку поверхности входа 33 и 34 лучей параллельны, угол β₀, ответственный за косинусные потери, равен углу β₄ между направлением лучей входа в полупараболоцилиндрический зеркальный отражатель 4 и поверхностью входа 34 полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 4.

Полупараболоцилиндрические зеркальные отражатели 4 и 5 на фиг. 5 выполнены из полированного алюминиевого сплава и имеют плоские отформованные участки а, параллельные фокальным осям 6 и 7. Ширина плоских участков а в меридиональной плоскости соизмерима с шириной d приемников 9 и 10 из скоммутированных солнечных элементов 11, что обеспечивает равномерное освещение приемников 9 и 10 и отсутствие перегрева локальных участков приемников 9 и 10.

На фиг. 6 кровельные солнечные панели установлены на южном скате 37 крыши 38 здания 39. Приемники 9 и 10 и фокальные оси 6 и 7 полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей 4 и 5 смещены к верхней части 8 корпуса 1, а угол наклона кровельной солнечной панели к горизонтальной плоскости 40 при установке на крыше 38 составляет θ=φ-23,5°-β₀, где φ - ширина местности. При этом нормаль 41 к поверхности защитного покрытия 2 в меридиональной плоскости направлена на положение Солнца 42 в полдень 22 июня в день летнего солнцестояния с отклонением от него вверх от горизонтальной плоскости 40 на угол входа лучей β₀. При такой установке кровельная солнечная панель получает максимальное количество солнечной энергии в летние месяцы. С уменьшением высоты положения Солнца количество поступающей солнечной энергии будет уменьшаться пропорционально cos β₀.

На фиг. 7 кровельные солнечные панели установлены на южном скате 37 крыши 38 здания 39 таким образом, чтобы использовать максимальное количество поступающей солнечной энергии в зимнее время. Приемники 9 и 10, фокальные оси 6 и 7 полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей 4 и 5 смещены к нижней части 43 корпуса 1, а угол наклона кровельной солнечной панели к горизонтальной плоскости 40 при установке на крыше 38 составляет θ=φ+23,5°+β₀. При этом нормаль 41 к поверхности защитного покрытия 2 в меридиональной плоскости направлена на положение Солнца 44 в полдень 22 декабря с отклонением от него вниз к горизонтальной плоскости на угол входа лучей β₀. Кровельная солнечная панель работает следующим образом (фиг. 5). Солнечное излучение через защитное покрытие 2 поступает под углом β₀ на поверхность входа лучей 33 отклоняющей оптической системы 3 из набора призм 35 с острым углом Ψ с коэффициентом преломления n, входит в призму 35 под углом β₁, выходит из призмы 35 под углом β₃ и поступает на поверхность входа 34 полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 4 под углом β₄, отражается от полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 4 и поступает на приемник 9 при условии β₄≥90°-2δ.

Косинусные потери за счет отклонения потока солнечного излучения от нормали к поверхности входа лучей 33 полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 4:

Расчеты по формулам (1)-(7) для δ=26,1° приведены в таблице 1.

Согласно таблице 1 предлагаемая конструкция солнечного модуля с концентратором позволяет уменьшить косинусные потери по сравнению с прототипом с 21% (Ψ=0) до 17,8% при Ψ=24°. Эффективный апертурный угол солнечного модуля с концентратором увеличивается с δ до величины . Для Ψ=24° β₀=17,8° эффективный апертурный угол солнечного модуля с концентратором увеличивается с δ=26,1 до , что при изменении солнечного склонения на 7,83° в месяц соответствует увеличению продолжительности работы в стационарном режиме на месяца до месяца.

Коэффициент концентрации солнечного излучения в кровельной солнечной панели с учетом косинусных потерь равен:

Кровельная солнечная панель работает в стационарном режиме без слежения за Солнцем и собирает на приемнике 13, 14 (фиг. 5) прямую и диффузную солнечную радиацию в пределах апертурного угла δ.

Пример выполнения кровельной солнечной панели.

Отклоняющая оптическая система 3 состоит из набора призм 35 с острым углом Ψ=24°. Угол входа лучей β₀=17,8°, угол β₄=37,8°, апертурный угол δ полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 4 из полированного алюминия δ=26,1°. Приемники 9, 10 имеют размеры 42×312 мм, состоят из двух кремниевых солнечных элементов 11 размером 42×156 мм, соединенных параллельно. Между собой приемники 9 и 10 соединены последовательно. Геометрический коэффициент концентрации к=4,92, косинусные потери 4,8%, оптический КПД 80%, КПД приемника 9 и 10 15%. Активная площадь кровельной солнечной панели для использования солнечной энергии равна 0,1 м². Общий КПД с учетом солнечных потерь 10%. Пиковая электрическая мощность 10 Вт при освещенности 1 кВт м² и температуре 25°. Приемники 9 и 10 могут быть выполнены с устройствами отвода тепла для получения электроэнергии и горячей воды или горячего воздуха.

При стоимости полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей 4, 5 30 долл./м², концентрации 4,92, оптическом КПД 0,8 и электрическом КПД 15% себестоимость кровельной солнечной панели составит 12 долл., или 1 долл.//Вт, при существующей стоимости 3 долл./Вт, т.е. снизится в 2,5 раза, при этом стоимости составного концентратора и приемника 9 и 10 будут примерно равны и составлять по 50% от стоимости кровельной солнечной панели.

По сравнению с прототипом солнечный модуль с концентратором имеет небольшие косинусные потери, большой срок службы и низкую стоимость.