Гибридная кровельная солнечная панель
HYBRID ROOF SOLAR PANEL

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, содержаний 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.
0
0
Известна кровельная солнечная панель, установленная на крыше здания или сооружения, нормаль к поверхности крыши находится в меридиональной плоскости, содержащая корпус с внутренней полостью с защитным покрытием на рабочей поверхности, на которую падает солнечное излучение с углом входа лучей β, 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 β, острый угол Ψ и коэффициент преломления n материала отклоняющей оптической системы связаны с параметрическим углом δ полупараболоцилиндрического зеркального отражателя следующим соотношением:
(Пат. РФ №2557272, опубл. 20.07.2015 г.)
Недостатком известной кровельной солнечной панели является необходимость установки дополнительного солнечного модуля для горячего водоснабжения и отопления зданий.
-3
-5
Известен гибридный фотоэлектрический модуль для получения электрической и тепловой энергии, содержащий защитное стеклянное покрытие, соединенные солнечные элементы, размещенные между стеклом и корпусом с теплообменником, солнечные элементы электроизолированы от теплообменника, пространство между солнечными элементами и теплообменником, а также между стеклянным покрытием и теплообменником заполнено слоем силоксанового геля толщиной 0,5-5 мм, защитное стеклянное покрытие выполнено в виде вакуумированного стеклопакета из двух стекол с вакуумным зазором 0,1-0,2 мм с вакуумом 10-10 мм рт. ст., теплообменник выполнен в виде герметичной камеры с патрубками для циркуляции теплоносителя, а общая площадь соединенных солнечных элементов соизмерима с площадью верхнего основания корпуса теплообменника (пат. РФ №2546332, опубл. 10.04.2015).
Недостатком известного модуля является большой расход солнечных элементов и материалов теплообменника и низкая температура теплоносителя при освещении неконцентрированным солнечным излучением.
Задачей изобретения является создание гибридной кровельной солнечной панели с высоким оптическим КПД и низким расходом полупроводникового материала и низкой стоимостью при производстве электрической и тепловой энергии.
Технический результат заключается в повышении эффективности использования солнечной энергии в кровельной солнечной панели и в снижении стоимости получения электрической энергии и теплоты.
0
Указанный технический результат достигается тем, что в гибридной кровельной солнечной панели, установленной на крыше здания, нормаль к поверхности крыши находится в меридиональной плоскости, содержащей корпус и защитное покрытие на рабочей поверхности, выполненное в виде оптической отклоняющей системы из набора призм, на которую падает солнечное излучение с углом входа лучей β, полупараболоцилиндрический зеркальный отражатель и приемник излучения в виде полосы, установленной между фокальной осью и вершиной полупараболоцилиндрического зеркального отражателя, приемник излучения выполнен в виде гибридного когенерационного солнечного фотоэлектрического модуля со вторым защитным покрытием, установленным под углом ≤90° к защитному покрытию гибридной кровельной солнечной панели, второе защитное покрытие и корпус гибридной кровельной солнечной панели образуют герметичную полость, заполненную полисилоксановым гелем, в которой размещен приемник излучения из скоммутированных солнечных элементов, наружная стенка корпуса со стороны герметичной полости содержит каналы, в которых размещены встроенные трубы для прокачки теплоносителя, корпус гибридной кровельной солнечной панели и трубы за пределами корпуса снабжены теплоизоляцией, гибридная кровельная солнечная панель содержит электрические и гидравлические разъемы для соединения с соседними гибридными кровельными солнечными панелями.
В варианте гибридной кровельной солнечной панели трубы для прокачки теплоносителя выполнены в виде металлопластовых труб для обогреваемых полов с коэффициентом теплопроводности не менее .
В другом варианте гибридной кровельной солнечной панели трубы для прокачки теплоносителя выполнены из металла внутри корпуса и из металлопласта за пределами корпуса гибридной кровельной солнечной панели.
В варианте гибридной кровельной солнечной панели теплоизоляция корпуса и труб для прокачки теплоносителя выполнена жидкой краской типа RE-TERM.
В варианте гибридной кровельной солнечной панели трубы для прокачки теплоносителя установлены в горизонтальной плоскости по всей ширине крыши и соединены с корпусами всех установленных в одном ряду гибридных кровельных солнечных панелей.
В другом варианте гибридной кровельной солнечной панели трубы для прокачки теплоносителя установлены в вертикальной плоскости и соединены с корпусами всех установленных в одном ряду в вертикальной плоскости гибридных кровельных солнечных панелей.
В варианте гибридной кровельной солнечной панели корпус кровельной солнечной панели выполнен из теплопроводящей пластмассы.
В другом варианте гибридной кровельной солнечной панели корпус кровельной солнечной панели выполнен из теплопроводящей керамики.
В другом варианте гибридной кровельной солнечной панели корпус кровельной солнечной панели выполнен из теплопроводящей смеси песка и пластмассы.
В варианте гибридной кровельной солнечной панели внутренняя полость корпуса отформована для размещения защитного покрытия, полупараболоцилиндрического зеркального отражателя, отклоняющей оптической системы и приемников из скоммутированных солнечных элементов.
В варианте гибридной кровельной солнечной панели полупараболоцилиндрический зеркальный отражатель 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 гибридной кровельной солнечной панели зеркальное покрытие полупараболоцилиндрического зеркального отражателя выполнено в виде металлической пленки толщиной 0,1-5 мм, нанесенной на плоские отформованные участки внутренней полости корпуса.
В варианте гибридной кровельной солнечной панели полупараболоцилиндрический зеркальный отражатель выполнен из плоских зеркальных фацет, плоскости которых параллельны фокальной оси, а ширина зеркальных фацет в меридиональной плоскости соизмерима или превышает ширину приемника из скоммутированных солнечных элементов.
В варианте гибридной кровельной солнечной панели боковые стенки внутренней формообразующей полости корпуса для размещения полупараболоцилиндрического зеркального отражателя расположены в меридиональной плоскости и снабжены зеркальным отражающим покрытием.
В варианте гибридной кровельной солнечной панели внутри корпуса выполнена панель для кабельного соединения приемников из скоммутированных солнечных элементов к коммутационной коробке, которая установлена в полости корпуса между полупараболоцилиндрическим зеркальным отражателем с обратной стороны кровельной солнечной панели и снабжена токопроводящим кабелем для коммутации с другими кровельными солнечными панелями.
В варианте гибридной кровельной солнечной панели на обратной стороне снаружи корпуса выполнены каналы для прокладки трубы с теплоносителем и токопроводящего кабеля к расположенным рядом кровельным солнечным панелям.
1
1
1
0
0
В варианте гибридной кровельной солнечной панели герметичная полость с приемником излучения расположена на крыше в верхней части корпуса, а угол наклона защитного покрытия к горизонтальной поверхности при установке на крыше составляет θ=ϕ-23,5°, где ϕ - широта местности, а угол между направлением на солнце и горизонтальной поверхностью равен γ=90°-θ-β, где β - угол входа лучей.
2
2
2
0
0
В другом варианте гибридной кровельной солнечной панели герметичная полость с приемником излучения расположена на крыше в нижней части корпуса, а угол наклона защитного покрытия к горизонтальной поверхности при установке на крыше составляет θ=ϕ+23,5°, где ϕ - широта местности, а угол между направлением на солнце и горизонтальной поверхностью равен γ=90°-θ+β, где β - угол входа лучей.
1
2
Еще в одном варианте гибридной кровельной солнечной панели в верхней части крыши герметичная полость с приемником излучения расположена в верхней части корпуса, а угол наклона защитного покрытия к горизонтальной поверхности составляет θ=ϕ-23,5°, а в нижней части крыши герметичная полость с приемником излучения расположена в нижней части корпуса, угол наклона защитного покрытия к горизонтальной поверхности составляет θ=ϕ+23,5°, где ϕ - широта местности.
В варианте гибридной кровельной солнечной панели в качестве теплоносителя используется жидкость, например вода или антифриз.
В другом варианте гибридной кровельной солнечной панели в качестве теплоносителя используется воздух.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, где на фиг. 1 - общий вид с наружной гибридной кровельной солнечной панели. На фиг. 2 - общий вид с обратной стороны панели, у которой трубы для прокачки теплоносителя установлены в горизонтальной плоскости. На фиг. 3 - продольное сечение гибридной кровельной солнечной панели в меридиональной плоскости. На фиг. 4 - оптическая схема и ход лучей в гибридной кровельной солнечной панели. На фиг. 5 - установка гибридной кровельной солнечной панели на крыше дома для получения максимальной энергии в летнее время. На фиг. 6 - установка гибридной кровельной солнечной панели для получения максимальной энергии в зимнее время. На фиг. 7 - установка гибридной кровельной солнечной панели для получения энергии равномерно в течение года. На фиг. 8 - электрическая и гидравлическая схема соединений гибридной кровельной солнечной панели для электроснабжения и горячего водоснабжения зданий.
Гибридная кровельная солнечная панель на фиг. 1 имеет корпус 1, в котором сформирована герметичная с обратной стороны (фиг. 2, 3) полость 2 для размещения защитного покрытия 3 составного концентратора, состоящего из оптической отклоняющей системы 4 (фиг. 4) и полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 5, приемника 6 из скоммутированных солнечных элементов 7, установленных между фокальной осью 8 и вершиной 9 полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 5. Второе защитное покрытие 10 из стекла или прозрачного пластика приемника 6 установлено под углом α≤90° к плоскости защитного покрытия 3. Второе защитное покрытие 10 и корпус 1 гибридной кровельной солнечной панели образуют вторую герметичную полость 11, в которой установлен приемник 6 и которая заполнена прозрачным полисилоксановым гелем 12. Боковые стенки 13 и 14 внутренней формообразующей полости 2 корпуса 1 снабжены зеркальными покрытиями 15 и 16. Наружная стенка 17 корпуса 1 со стороны второй герметичной полости 11 содержит каналы 18, в которых размещены встроенные трубы 19 со стенками из металлопласта или металла для прокачки теплоносителя 20. Корпус 1 панели и трубы 19 за пределами корпуса 1 имеют теплоизоляцию 21. Приемник 6 во второй герметичной полости 11 и каналы 18 с трубами 19 для прокачки теплоносителя 20 образуют гибридный фотоэлектрический модуль, а наружная стенка 17 корпуса 1 со стороны второй герметичной полости 11 выполняет функции радиатора для передачи тепла от приемника 6 к теплоносителю 20. Гибридная кровельная солнечная панель содержит электрическую коммутационную коробку 22 и гидравлические разъемы 23 для соединения с соседними гибридными кровельными солнечными панелями. Коммутационная коробка 22 установлена с обратной стороны корпуса 1 и имеет токопроводящий кабель 24 для коммутации с другими кровельными солнечными панелями. Снаружи корпуса 1 на обратной стороне выполнены каналы 25 для прокладки кабеля 24 и каналы 18 для прокладки трубы 19 с теплоносителем 20. Плоскость поверхности входа лучей 25 оптической отклоняющей системы 4 и плоскость поверхности входа лучей 26 полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 5 параллельны плоскости защитного покрытия 3.
На фиг. 4 оптическая отклоняющая система 4 выполнена из множества ориентированных в одном направлении призм 27 с острым углом Ψ между поверхностью 25 входа и поверхностью 28 выхода лучей.
0
1
2
3
4
На фиг. 4 показан ход лучей в составном концентраторе, состоящем из отклоняющей оптической системы 4 и полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 5, где β - угол входа лучей на поверхности входа 25 в оптическую отклоняющую систему 4, β - угол преломления лучей в поверхности входа 25 внутри оптической отклоняющей системы 4, β - угол между лучом и нормалью к поверхности выхода 28 лучей внутри оптической отклоняющей системы 4, β - угол выхода лучей на поверхности выхода 28 снаружи отклоняющей оптической системы 4, β - угол входа лучей у поверхности входа 26 полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 4.
0
1
2
3
4
0
4
Углы β, β, β, β и β являются углами между направлениями лучей и нормалью к соответствующей поверхности. Поскольку поверхности входа 25 и 26 лучей параллельны, угол β, ответственный за косинусные потери, равен углу β между направлением лучей входа в полупараболоцилиндрический зеркальный отражатель 5 и поверхностью входа 26 полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 5 с параметрическим углом δ.
а
а
Полупараболоцилиндрический зеркальный отражатель 5 на фиг. 4 выполнен в виде металлизированной зеркальной пленки 29 толщиной 0,1-5 мм, нанесенной на внутреннюю поверхность полости 2 корпуса 1, которая содержит плоские отформованные участки  на внутренней поверхности полости 2 корпуса 1, параллельные фокальной оси 8. Ширина плоских участков  в меридиональной плоскости соизмерима с шириной d приемника 6 из скоммутированных солнечных элементов 7, что обеспечивает равномерное освещение приемника 6 и отсутствие перегрева локальных участков приемника 6. В варианте конструкции полупараболоцилиндрический зеркальный отражатель 5 выполнен из полированной алюминиевой фольги.
1
1
0
1
0
0
На фиг. 5 кровельные солнечные панели установлены на южном скате 30 крыши 31 здания 32, герметичная полость 11 с приемником излучения расположена на крыше 31 в верхней части корпуса 1, а угол наклона защитного покрытия 3 кровельной солнечной панели к горизонтальной поверхности 33 при установке на крыше 31 составляет θ=ϕ-23,5°, где ϕ - ширина местности. При этом нормаль 34 к поверхности защитного покрытия 3 в меридиональной плоскости направлена на положение Солнца в полдень 22 июня в день летнего солнцестояния. Угол между направлением на солнце 35 и горизонтальной поверхностью 33 в любой заданный момент времени равен γ=90°-ϕ-23,75°-β=90°-θ-β. 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 β.
2
2
0
2
0
На фиг. 6 кровельные солнечные панели установлены на южном скате 30 крыши 31 здания 32 таким образом, чтобы использовать максимальное количество поступающей солнечной энергии в зимнее время. Герметичная полость 11 с приемником 6 расположена в нижней части корпуса 1, а угол наклона защитного покрытия 3 кровельной солнечной панели к горизонтальной поверхности 33 при установке на крыше 31 составляет θ=ϕ+23,5°. При этом нормаль 34 к поверхности защитного покрытия 3 в меридиональной плоскости направлена на положение Солнца в полдень 22 декабря. Угол между направлением на солнце 36 и горизонтальной поверхностью 33 в любой заданный момент времени равен γ=90°-ϕ+23,75°+β=90°-θ+β.
1
2
На фиг. 7 крыша дома имеет два участка 37 и 38 с разным наклоном к горизонтальной поверхности. В верхней части крыши на участке 37 герметичная полость 11 с приемником 6 расположена в верхней части корпуса 1, а угол наклона защитного покрытия к горизонтальной поверхности 33 составляет θ=ϕ-23,5°. В нижней части крыши на участке 38 герметичная полость 11 с приемником излучения 6 расположена в нижней части корпуса 1 гибридной кровельной солнечной панели, а угол наклона защитного покрытия 3 к горизонтальной поверхности 33 составляет θ=ϕ+23,5°. Углы между направлением на солнце и горизонтальной поверхностью равны
1
1
0
γ=90°-θ-β,
2
2
0
γ=90°-θ+β.
Такое размещение гибридных кровельных солнечных панелей обеспечивает более равномерное производство электрической энергии и горячей воды в течение года по сравнению с размещением гибридной кровельной солнечной панели на фиг. 5 и 6.
На фиг. 8 металлопластовые трубы 19 установлены горизонтально по всей ширине южного ската крыши 31 в каждом ряду 38 установки гибридных кровельных солнечных панелей. При монтаже гибридных кровельных солнечных панелей на крыше 31 металлопластовые трубы 19 вставляются в каналы 18 с обратной стороны 23 корпуса 1 каждой панели (фиг. 2, 3, 4) и закрепляются в канале 18 специальной крышкой 39 для обеспечения плотного контакта металлопластовой трубы 19 с корпусом 1 панели. Металлопластовые трубы 19 расположенных горизонтально соседних рядов 38 соединены между собой последовательно или параллельно по краям крыши 31. Входной 40 и выходной патрубок 41 от системы труб 19 на крыше 31 соединены с баком-аккумулятором 42 с теплообменником 43 внутри бака-аккумулятора 42, установленным в здании. Для прокачки теплоносителя 20 через панели на выходе теплообменника 43 установлен электрический насос 44, который приводится в действие от гибридных кровельных солнечных панелей. Из бака аккумулятора 42 горячая вода поступает в здание по трубам 46 и 47.
Гибридные кровельные солнечные панели соединены друг с другом через коммутационную коробку 22 кабелем 24 параллельно и последовательно для получения напряжения 12 В - 96 В и с инвертором 45 для включения в электрическую сеть. При необходимости между панелями и инвертором 45 устанавливают аккумуляторную батарею с контроллером заряда (на фиг. 8 не показаны).
0
1
3
4
4
Гибридная кровельная солнечная панель работает следующим образом (фиг. 3). Солнечное излучение через защитное покрытие 3 поступает под углом β на поверхность входа лучей 25 отклоняющей оптической системы 4 из набора призм 27 с острым углом Ψ с коэффициентом преломления n, входит в призму 27 под углом β, выходит из призмы 27 под углом β и поступает на поверхность входа 26 полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 5 под углом β, отражается от полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 5 и поступает на приемник 6 при условии β≥90°-2δ.
Косинусные потери за счет отклонения потока солнечного излучения от нормали к поверхности входа лучей 25 полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 5:
Расчеты по формулам (1)-(7) для δ=26,1° приведены в таблице 1.
0
Согласно таблице 1 предлагаемая конструкция гибридной кровельной солнечной панели позволяет уменьшить косинусные потери по сравнению с прототипом с 21% (Ψ=0) до 4,8% при Ψ=24°. Эффективный апертурный угол при наличии отклоняющей оптической системы 4 увеличивается с δ до величины . Для Ψ=24° β=17,8°, эффективный апертурный угол солнечного модуля с концентратором увеличивается с  до , что при изменении солнечного склонения на 7,83° в месяц соответствует увеличению продолжительности работы в стационарном режиме с  месяца до  месяца.
Коэффициент концентрации солнечного излучения в гибридной кровельной солнечной панели с учетом косинусных потерь равен
Кровельная солнечная панель работает в стационарном режиме без слежения за Солнцем и собирает на приемнике 6 прямую и диффузную солнечную радиацию в пределах апертурного угла δ.
Пример выполнения кровельной солнечной панели
0
4
2
2
2
Отклоняющая оптическая система 4 состоит из набора призм 27 с острым углом Ψ=24°. Угол входа лучей β=17,8°, угол β=37,8°, апертурный угол δ полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 5 из полированного алюминия δ=26,1°. Приемник 6 имеет размеры 78×624 мм, состоит из четырех кремниевых солнечных элементов 7 размером 78×156 мм, соединенных параллельно. Геометрический коэффициент концентрации к=4,92, косинусные потери 4,8%, оптический КПД 80%, КПД приемника 6 15%. Активная площадь кровельной солнечной панели для использования солнечной энергии равна 0,192 м. Электрический КПД с учетом оптических потерь 10%. Пиковая электрическая мощность 20 Вт при освещенности 1 кВт/м и температуре 25°С. Приемник 6 выполнен с устройством отвода тепла для получения электроэнергии и горячей воды или горячего воздуха. При использовании теплоносителя 20 в виде горячей воды общий КПД составит 40%, тепловая мощность 30 Вт, с температурой воды 65°С. Годовое количество солнечной энергии для Краснодарского края, г. Анапа, поступающее на южный скат 30 крыши 31, установленной под углом 40° к горизонтальной поверхности, составляет 1680 кВт⋅ч/м. Установленная на крыше гибридная кровельная солнечная панель общей электрической мощностью 1 кВт вырабатывает за год 1680 кВт⋅ч электрической и 5040 кВт⋅ч тепловой энергии в виде горячей воды.
2
При стоимости полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей 5 20 долл./м, концентрации 4,92, оптическом КПД 0,8 и электрическом КПД 15% стоимость кровельной солнечной панели составит 30 долл., или 1,5 долл.//Вт, при существующей стоимости 3 долл./Вт, т.е. снизится в 2 раза, при этом стоимости составного концентратора и приемника 6 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.