Теплофотоэлектрическая планарная кровельная панель

Полезная модель относится к сельскому хозяйству и может использоваться для энергоснабжения объектов сельскохозяйственного и индивидуального назначения.
Известна кровельная панель с солнечным модулем, включающая несущее основание в виде криволинейной поверхности с размещенным на нем солнечным модулем на базе фотоэлектрических преобразователей с кабелем токосъема. Солнечный модуль размещен на утопленном относительно верхней поверхности основании на глубину до 20 мм и защищен до верхней поверхности основания герметизирующей отверждающей композицией с уровнем пропускания светового излучения не менее 30% в диапазоне работы фотоэлектрических преобразователей (Патент РФ на изобретение №2194827, МПК E04D 13/18, 2002 г).
Недостатками известной кровельной панели с солнечным модулем является невозможность использования тепловой энергии, большая материалоемкость в виду использования кровельного материала под солнечным модулем.
Известна кровельная солнечная панель фирмы "HEDA Solar" (Китайская народная республика, www.hedasolar.com), содержащая встроенные солнечные модули из скоммутированных фотоэлектрических кремниевых преобразователей в виде псевдоквадратов с размерами 156×156 мм или 125×125 мм. В зависимости от модели черепицы количество фотоэлектрических преобразователей варьируется от двух до восьми штук, напряжение холостого хода составляет от 1 до 8 В, а мощность от 8 до 25 Вт. Кровельная солнечная панель имеет защитное покрытие из закаленного
стекла, а при изготовлении солнечных модулей используется процесс ламинирования с этиленвинилацетатными пленками.
Недостатком известной кровельной солнечной панели является низкая электрическая эффективность фотоэлектрических кремниевых преобразователей при нагреве в естественном солнечном освещении, снижение выработки после 10-15 лет эксплуатации, необходимость установки дополнительного солнечного модуля для горячего водоснабжения и отопления зданий при автономном энергоснабжении.
Известен солнечный коллектор, используемый как элемент кровли крыши здания и служащий для нагрева теплоносителя (Патент РФ №2183801, МПК F24J 2/04, МПК F24J 2/22, 2002 г.). Солнечный коллектор состоит из корпуса и тепловоспринимающего элемента - металлического листа с развитой поверхностью, обращенной к теплоносителю. На корпусе имеются крепления для соединения коллекторов между собой и для крепления их к каркасу крыши. В составе солнечного коллектора используется устройство, тепловоспринимающий элемент которого занимает почти весь объем теплообменника, однако тепловоспринимающий элемент (трубы) занимает только часть поверхности крыши.
Недостатком известного солнечного коллектора является сложность обеспечения лицевой теплоизоляции коллектора, что увеличивает стоимость, материалоемкость и вес конструкции. Другим недостатком рассматриваемого солнечного коллектора является то, что он применяется только для производства тепловой энергии, и нет возможности использования приходящей солнечной радиации для выработки электроэнергии, когда для выработки электроэнергии необходимо использование дополнительно установленных фотоэлектрических модулей, что увеличивает площадь установки и ее стоимость.
Наиболее близким по технической сущности к полезной модели (прототипом) является гибридный фотоэлектрический модуль для получения электрической и тепловой энергии (Патент РФ на изобретение №2546332,
-3
-5
МПК H02S 10/00, МПК H01L 31/042, 2015 г.), включающий корпус, фотоэлектрические преобразователи с герметизирующим компонентом в виде двухкомпонентного компаунда, двухслойный теплоизоляционный защитный элемент со стеклом, радиатор охлаждения и теплоноситель. Модуль содержит защитное стеклянное покрытие, соединенные между собой фотоэлектрические преобразователи, размещенные между стеклом и корпусом с теплообменником. Фотопреобразователи электроизолированы от теплообменника, пространство между фотопреобразователями и теплообменником и между стеклянным покрытием и теплообменником заполнено слоем силоксанового геля толщиной 0,5-5 мм. В солнечном модуле 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 фотоэлектрических преобразователей соизмерима с площадью верхнего основания корпуса теплообменника.
Недостатком известного модуля является большая материалоемкость теплообменника и невозможность использования его защитно-каркасирующих качеств для защиты строения от воздействия неблагоприятных атмосферных условий. Кроме того, сложность и дороговизна обеспечения глубокого вакуума стеклопакета солнечного модуля, необходимость установки на крыше кровельного покрытия под солнечным модулем, что увеличивает стоимость зданий и сооружений.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является производство электроэнергии и тепла для энергоснабжения объектов сельскохозяйственного и индивидуального назначения.
Поставленная техническая задача достигается тем, что у теплофотоэлектрической планарной кровельной панели, включающей корпус, фотоэлектрические преобразователи с токосъемными дорожками, герметизирующий компонент в виде двухкомпонентного компаунда,
двухслойный теплоизоляционный защитный элемент со стеклом, радиатор охлаждения и теплоноситель, согласно изобретению, корпус, изготовленный из полимерного материала и установленный с зазором с радиатором, снабжен гидравлическими штуцерами и электрическими штекерами, расположенными в корпусе, теплоноситель - газообразный, защитный элемент, размещенный с лучевоспринимающей стороны панели, выполнен герметичным двухслойным теплоизоляционным, в виде стекла, теплоизоляционной газовой прослойки и прозрачной пленки, герметичная полость корпуса заполнена теплоизоляционной газовой прослойкой или твердым теплоизоляционным материалом.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена теплофотоэлектрическая планарная кровельная панель, вид сверху; на фиг. 2 - то же, вид спереди; на фиг. 3 - представлен увеличенный выносной элемент кровельной панели с загерметизированными фотоэлектрическими кремниевыми фотопреобразователями с двухкомпонентным полисилоксановым компаундом и радиатором с водяным охлаждением.
Теплофотоэлектрическая планарная кровельная панель состоит из основы - корпуса 1, изготовленного из полимерного материала, например, вторичного пластика, к которому крепятся все остальные компоненты. Шесть фотоэлектрических кремниевых преобразователей 2 соединены последовательно, загерметизированны с помощью двухкомпонентного полисилоксанового компаунда 3 или этиленвинилацетатных пленок путем ламинирования, тонкой прозрачной пленки 4 и бутиловой клейкой ленты 5 по периметру пакета, которую наносят на зачерненный металлический лист-абсорбер радиатора 6. Радиатор 6 омывается с тыльной стороны жидким или газообразным теплоносителем 7. С лучевоспринимающей стороны пленка 4 солнечного модуля соприкасается с теплоизоляционной газовой прослойкой 8, которая в свою очередь ограничена защитным стеклом 9 с высокой оптической прозрачностью. Корпус 1 кровельной панели является емкостью
для теплоносителя 7 радиатора 6. В корпусе 1 имеется специальная полость 10, в которой находится теплоизоляционная газовая прослойка или твердая теплоизоляция, служащая для теплоизоляции теплоносителя 7. Для подвода и отвода теплоносителя 7 используются специальные отверстия 11 и 12, расположенные с тыльной и лицевой сторон корпуса 1 панели. Для герметичности в отверстия 11 и 12 впрессовывают гидравлические штуцеры, герметично соединенные между собой путем наложения нижней тыльной части одной панели на верхнюю лицевую часть второй панели, таким образом, что лучевоспринимающие прозрачные части кровельных панелей остаются не затененными. Для электрической коммутации кровельных панелей они последовательно соединяются для увеличения выходного напряжения с помощью герметичных штекеров 13 и 14 с положительным знаком на входе и на выходе, а также с помощью герметичных штекеров 15 и 16 с отрицательным знаком на входе и на выходе. Крепление теплофотоэлектрической кровельной панели к крыше - жесткое с помощью отверстий 17 в верхней части корпуса 1.
Благодаря охлаждению фотоэлектрических кремниевых преобразователей 2 и использованию полисилоксанового двухкомпонентного компаунда 3 в процессе их герметизации, эффективность выработки электроэнергии увеличивается.
Использование тонкой прозрачной пленки 4 при герметизации фотоэлектрических преобразователей 2 облегчает и удешевляет конструкцию. Применение тыльного охлаждения фотоэлектрических кремниевых преобразователей 2 увеличивает общую эффективность теплофотоэлектрической планарной кровельной панели. Небольшая толщина зазора между радиатором 6 фотоэлектрических преобразователей 2 и корпусом 1 (около 3 мм) позволяет более эффективно отводить тепловую энергию от фотоэлектрических преобразователей 2. Обеспечение электроизоляции фотоэлектрических преобразователей 2 с одновременным окрашиванием, например в черный цвет, радиатора 6 с помощью применения
микродугового оксидирования, позволяет получить тонкий (около 5-8 мкм, что соответствует сопротивлению напряжения пробоя 500 - 800 В) с высокой теплопроводностью (при оксидировании алюминия около 230 Вт/м град) электроизоляционный и теплопроводный слой на тонком листе алюминиевого радиатора 6. Теплоизоляция с лицевой и тыльной сторон теплоносителя 7 обеспечивает увеличение тепловой эффективности кровельной панели. В качестве защитного элемента использовано закаленное стекло 9, которое одновременно является компонентом теплоизоляции, ограничивающим теплоизоляционную газовую прослойку 8. Использование, например, вторичного полиэтилена в конструкции корпуса 1 теплофотоэлектрической кровельной панели позволяет снизить общую стоимость панели и уменьшить загрязнение окружающей среды. Использование проточной системы, где жидкий теплоноситель 7 движется под действием силы тяжести сверху вниз, а соединение кровельных панелей между собой происходит без трубопроводов непосредственно в корпусах 1, упрощает и удешевляет конструкцию гидравлической системы, уменьшает тепловые потери при перемещении теплоносителя 7 между панелями. Коммутация фотоэлектрических преобразователей 2 между собой происходит без проводов непосредственно с помощью штекеров 13, 14, 15 и 16, расположенных в корпусах 1 кровельных панелей, что упрощает и удешевляет электрическую систему, а также уменьшает электрические потери. Для создания в системе кровельных панелей термосифонного эффекта применяют теплоноситель 7 в виде газов или легкокипящих фреонов, что позволяет обойтись без циркуляционных насосов. Долговечность кровельных панелей с фотоэлектрическими преобразователями 2 обеспечивается на уровне традиционных кровельных материалов. Уменьшение электрической эффективности фотоэлектрических преобразователей 2 под воздействием солнечного излучения падает незначительно за 40 лет эксплуатации, и даже через продолжительный период времени фотоэлектрические преобразователи 2 в состоянии
обеспечить выработку электроэнергии. В теплофотоэлектрической планарной кровельной панели используется весь спектр солнечного излучения для выработки электрической энергии и теплоты, увеличивается отвод тепла от фотоэлектрических преобразователей 2 за счет теплового контакта их с радиатором 6 и теплоносителем 7, увеличивается выработка энергии и снижается ее стоимость.
Работает предлагаемая теплофотоэлектрическая планарная кровельная панель следующим образом.
Последовательно соединенные фотоэлектрические кремниевые преобразователи 2 загерметизированы с помощью двухкомпонентного компаунда 3, пленки 4 и ленты 5 на радиаторе 6. При солнечном освещении фотоэлектрические кремниевые преобразователи 2 поглощают ту часть солнечного спектра, которая необходима им для фотоэлектрического преобразования и выработки электроэнергии, и одновременно отдают тепловую энергию для нагрева теплоносителя 7, так как не вся поглощенная фотоэлектрическими преобразователями 2 энергия солнечного излучения участвует в генерации электричества. Теплоноситель 7, омывая тыльную часть радиатора 6, охлаждает его и фотоэлектрические преобразователи 2, за счет чего увеличивается электрическая эффективность работы фотоэлектрических преобразователей 2, общая эффективность кровельной панели и суммарная выработка энергии, а нагретый теплоноситель 7 может использоваться потребителем. Охлаждение радиаторов 6 кровельных панелей происходит сверху вниз благодаря силе тяжести жидкого теплоносителя 7. При использовании газообразного теплоносителя 7 охлаждение радиатора 6 достигается благодаря термосифонному эффекту - под воздействием солнечного излучения образуется восходящий конвективный поток нагретого теплоносителя 7, благодаря чему происходит естественная циркуляция теплоносителя 7 от нижней панели к верхней.
Использование полезной модели обеспечивает повышение эффективности использования солнечной энергии в кровельной панели,
снижение себестоимости получения электрической энергии и теплоты для энергоснабжения объектов сельскохозяйственного и индивидуального назначения.