ГЕЛИОТЕРМОЭМИССИОННАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЗДАНИЯ
SOLAR ENERGY THERMOEMISSION SYSTEM OF BUILDING POWER SUPPLY

Предлагаемое изобретение относится к строительству и может быть использовано при изготовлении декоративных ограждений наружных стен и кровельных покрытий для уменьшения теплопотерь зданий, совместной утилизации этих теплопотерь, солнечной энергии, тепла и холода наружного воздуха в летний и зимний периоды для получения электрической энергии.
Известен вентилируемый стеновой элемент, содержащий внутренние вертикальные щелевые полости между несущей конструкцией ограждения, соединенного через ребра жесткости с его наружной поверхностью (декоративным ограждением), сообщающейся с атмосферой через отверстия в ней [Патент РФ №2181821, Мкл. Е04С 2/26, Е04В 2/42, 2002].
Известно вентилируемое кровельное покрытие, включающее основание кровли и размещенные на нем готовые мастичные элементы, образующие вентилируемые полости [Патент РФ №2079615, Мкл. Е04D13/00, 1997].
Основными недостатками известных вентилируемых стенового элемента и кровельного покрытия являются недостаточная прочность декоративного ограждения и мастичных элементов, невозможность утилизации тепла наружного воздуха, тепловых потерь здания и солнечной энергии, что снижает их надежность и эффективность.
Более близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является слоистая панель вентилируемого стенового ограждения, включающая несущий внутренний слой (несущие ограждение) и наружный слой из бетона плотной структуры (декоративное ограждение), армированные контурной сеточной арматурой, средний слой из крупнопористого материала со сквозными пустотами (щелями, воздушными зазорами), сообщающимися с атмосферой через систему вытяжных отверстий и каналов [Патент РФ №2221119, Мкл. Е04С 2/26, Е04В 2/14, 2004].
Основными недостатками известной слоистой панели вентилируемого стенового ограждения являются сложность и массивность ее конструкции и невозможность утилизации тепла наружного воздуха, тепловых потерь здания и солнечной энергии, что снижает ее надежность и эффективность.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности и надежности гелиотермоэмиссионной системы электроснабжения здания.
Технический результат достигается гелиотермоэмиссионной системой электроснабжения здания, включающей наружные ограждения, покрытые снаружи декоративными ограждениями, кровельное покрытие на несущей конструкции крыши, накопительный блок, причем декоративные ограждения, армированные контурной арматурой, установлены с образованием между ними и наружным ограждением здания воздушного зазора, который сообщается с помещением чердака через щели, а с наружным воздухом через отверстия, расположенные в нижней части декоративных ограждений, при этом кровельное покрытие и декоративные ограждения состоят из прямоугольных секций, каждая из которых представляет собой фототермоэлектрический преобразователь, состоящий из фотоэлемента, присоединенного своей тыльной стороной к наружной стороне корпуса термоэлектрического преобразователя, тыльная сторона которого снабжена вертикальными ребрами, выполненного из диэлектрического материала с высокой теплопроводностью, в массиве которого помещена контурная арматура, состоящая из элементов термоэлектрического преобразователя, представляющих собой парные проволочные отрезки, выполненные из разных металлов, спаянные на концах между собой, образуя зигзагообразные ряды, устроенные таким образом, что левые части проволочных отрезков с левыми спаянными концами согнуты под углом 90° и располагаются вблизи наружной поверхности корпуса термоэлектрического преобразователя параллельно ей, не касаясь ее, а правые части проволочных отрезков с правыми спаянными концами расположены в массиве ребер, крайние проволочные отрезки крайних зигзагообразных рядов термоэлектрических преобразователей и выходные клеммы фотоэлементов соединены через соответствующие однополюсные коллекторы электрических зарядов с накопительным блоком.
На фиг.1-5 представлена предлагаемая гелиотермоэмиссионная система электроснабжения здания (на фиг.1 - общий вид, на фиг.2-5 - основные узлы).
Предлагаемая гелиотермоэмиссионная система электроснабжения здания (ГТЭСЭСЗ) содержит наружные ограждения 1, кровельное покрытие 2 на несущей конструкции крыши (не показана) и накопительный блок 3, помещенный, например, на чердачном перекрытии 4, причем наружные ограждения здания 1 покрыты снаружи декоративными ограждениями 5, армированными контурной арматурой, с образованием между ними и ограждением здания 1 (узлы соединения между несущими ограждениями 1 и декоративными ограждениями 5 не показаны) воздушного зазора 6, который сообщается с помещением чердака 7 через щели 8, а с наружным воздухом - через отверстия 9, расположенные в нижней части декоративных ограждений 5, при этом кровельное покрытие 2 и декоративные ограждения 5 состоят из прямоугольных секций 10, каждая из которых представляет собой фототермоэлектрический преобразователь (ФТЭП), состоящий из фотоэлемента 11, присоединенного своей тыльной стороной к наружной стороне корпуса термоэлектрического преобразователя (ТЭП) 12, тыльная сторона которого снабжена вертикальными ребрами 13, выполненного из диэлектрического материала с высокой теплопроводностью, в массиве которого помещена контурная арматура, состоящая из элементов 14 ТЭП 12, представляющих собой парные проволочные отрезки 15 и 16, выполненные из разных металлов Ml и М2, спаянные на концах между собой, образуя зигзагообразные ряды 17, устроенные таким образом, что левые части проволочных отрезков 15 и 16 с левыми спаянными концами согнуты под углом 90° и располагаются вблизи наружной поверхности корпуса термоэлектрического преобразователя (ТЭП) 12 параллельно ей, не касаясь ее, а правые части проволочных отрезков 15 и 16 с правыми спаянными концами расположены в массиве ребер 13, крайние проволочные отрезки 15 и 16 крайних зигзагообразных рядов 17 ТЭП 12 и выходные клеммы (не показаны) фотоэлементов 11 соединены с однополюсными коллекторами электрических зарядов 18, 19 и 18а, 19а, соответственно, которые, в свою очередь, соединены с накопительным блоком 3.
В основу работы предлагаемой ГТЭСЭСЗ положено свойство фотоэлементов 11 при воздействии на них солнечных лучей преобразовывать воспринятую солнечную энергию в электрическую и тепловую энергии [А.с. СССР №1603152, МПК F24J 2/32, 1990]. Так как контурная арматура секций 10 декоративного ограждения 5 и кровельного покрытия 2 выполнена в виде зигзагообразных рядов 17, изготовленных из парных проволочных отрезков 15 и 16, выполненных из разных металлов Ml и М2, спаянных на концах между собой, то при нагреве (охлаждении) одних спаянных концов проволочных отрезков 15 и 16 элементов 14 ТЭП 12 снаружи и охлаждении (нагреве) противоположных им спаянных концов элементов воздухом, поднимающимся в зазорах 6 в летнее время (зимнее время), на противоположных спаянных концах парных проволочных отрезков 15 16 элементов 14 устанавливаются разные температуры, в результате чего в зигзагообразных рядах 17 появляется термоэлектричество [С.Г.Калашников. Электричество. - М.: Наука, 1970, с.502-506]. При этом зигзагообразные ряды 17 в секциях 10 одновременно выполняют функцию контурной арматуры, повышая прочностные свойства кровельного покрытия 2 и декоративных ограждений 5.
ГТЭСЭСЗ работает следующим образом. В летнее время наружный воздух поступает в воздушный зазор 6 между декоративными ограждениями 5 и наружными ограждениями 1 через отверстия 9, расположенные в нижней части декоративных ограждений 5 (например, у цоколя здания), и движется по воздушному зазору 6 снизу вверх, одновременно снижая количество тепла, поступающего от солнечных лучей в здание, и охлаждая тыльную сторону секций 10 декоративных ограждений 5 (ребра 13 секций 10, в которых находятся правые части парных проволочных отрезков 15 и 16 элементов 14 ТЭП 12 со спаянными концами и поверхность между ребрами 13), после чего этот воздушный поток через щели 8 поступает в помещение чердака 7, в котором омывает тыльную сторону секций 10 кровельного покрытия 2 (ребра 13, в которых находятся правые части парных проволочных отрезков 15 и 16 со спаянными концами и поверхность между ребрами 13) и также охлаждает ее. Параллельно вышеописанному процессу охлаждения правых концов элементов 14 ТЭП 12 снаружи секций 10 (ФТЭП), находящихся на солнечной стороне, в фотоэлементах 11 под воздействием солнечных лучей происходит преобразование солнечной энергии в электрическую энергию, которая через клеммы (не показаны) и коллекторы 18а и 19а поступает в накопительный блок 3, и тепловую энергию, которая за счет теплопроводности поступает внутрь ТЭП 12 секций 10 декоративных ограждений 5 и кровельного покрытия 2, изготовленных из материала-диэлектрика с высокой теплопроводностью. При этом материал ТЭП 12 дополнительно нагревается за счет тепла окружающего воздуха, в результате чего в нем происходит интенсивный нагрев путем теплопроводности левых частей проволочных отрезков 15 и 16 со спаянными концами элементов 14 ТЭП 12, которые согнуты под углом 90° (параллельное расположение левых частей элементов 14 относительно наружной поверхности корпуса ТЭП 12 выбрано из условия увеличения поверхности контакта отрезков 15, 16 и повышения прочности конструкции секций 10). Ребристая конструкция тыльной стороны секций (ФТЭП) 10, в материале ребер 13 которых помещены элементы 14 ТЭП 12, обеспечивает их изоляцию от атмосферной влаги и в то же время значительно увеличивает поверхность теплообмена секции (ФТЭП) 10 с воздухом, движущимся в канале 6. Последнее обеспечивает интенсивный отвод тепла, образующегося в фотоэлементах 11 и воспринимаемого из наружного воздуха, улучшая работу фотоэлементов 11, увеличивает разность температур на спаях элементов 14, что увеличивает, соответственно, выработку фото- и термоэлектричества. Одновременно с процессом теплопередачи в результате нагрева левых спаянных концов проволочных отрезков 15, 16 элементов 14 ТЭП 12 и охлаждения их правых спаянных концов их температуры становятся различными и в зигзагообразных рядах 17 появляется термоэлектричество, которое из секций (ФТЭП) 10 через однополюсные коллекторы электрических зарядов 18 и 19 поступает в накопительный блок 3, откуда подается потребителю (не показан). Процесс образования электричества в секциях (ФТЭП) 10, находящихся в тени, происходит только за счет тепла окружающего воздуха аналогично вышеописанному.
В зимнее время холодный наружный воздух также поступает в воздушный зазор 6 между декоративными ограждениями 5 и наружными ограждениями 1 через отверстия 9, расположенные в нижней части декоративных ограждений 5, и движется по воздушному зазору 6 снизу вверх, одновременно воспринимая тепло, поступающее от наружных ограждений 1 здания, и нагревая тыльную сторону секций 10 декоративных ограждений 5 (ребра 13 секций 10, в которых находятся правые части парных проволочных отрезков 15 и 16 элементов 14 ТЭП 12 со спаянными концами и поверхность между ребрами 13), после чего нагретый воздушный поток через щели 8 поступает в помещение чердака 7, в котором омывает тыльную сторону секций 10 кровельного покрытия 2 (ребра 13, в которых находятся правые части парных проволочных отрезков 15 и 16 со спаянными концами и поверхность между ребрами 13) и также нагревает ее. Параллельно вышеописанному процессу нагрева правых концов элементов 14 ТЭП 12 снаружи секций (ФТЭП) 10, находящихся на солнечной стороне, в фотоэлементах 11 под воздействием солнечных лучей происходит преобразование солнечной энергии в электрическую энергию, которая через клеммы (не показаны) и коллекторы 18а и 19а поступает в накопительный блок 3, и тепловую энергию, которая в результате контакта наружной поверхности фотоэлементов 11 с наружным воздухом рассеивается в нем за счет конвекции. Параллельно вышеописанному процессу нагревания правых концов элементов 14 ТЭП 12 секций (ФТЭП) 10 декоративных ограждений 5 и кровельного покрытия 2, внутри секций 10 под воздействием холодного наружного воздуха, охлаждающего фотоэлемент 11 и ТЭП 12, выполненных из материала с высокой теплопроводностью, происходит охлаждение путем теплопроводности левых частей парных проволочных отрезков 15 и 16 со спаянными концами элементов 14 ТЭП 12, которые согнуты под углом 90°. При этом одновременно со снижением теплопотерь здания в результате охлаждения левых спаянных концов проволочных отрезков элементов ТЭП и нагрева правых спаянных концов проволочных отрезков элементов ТЭП их температуры становятся различными и в зигзагообразных рядах 17 появляется термоэлектричество, которое из секций (ФТЭП) 10 через однополюсные коллекторы электрических зарядов 18 и 19 поступает в накопительный блок 3, откуда подается потребителю (не показан). Процесс образования электричества в секциях (ФТЭП) 10, находящихся в тени, происходит только за счет теплопотерь здания аналогично вышеописанному.
Величина разности электрического потенциала на коллекторах 18а, 19а и 18, 19, сила электрического тока зависит от характеристик фотоэлементов 11, продолжительности и интенсивности солнечного облучения, характеристик пар металлов Ml и М2, из которых изготовлены проволочные отрезки 15 и 16, числа элементов 14 в зигзагообразных рядах 17 и их числа в секциях (ФТЭП) 10, разности температур на правых и левых спаянных концах элементов 14 ТЭП 12, числа секций (ФТЭП) 10 в декоративных ограждениях 5 и кровельном покрытии 2. Полученный электрический ток можно использовать для освещения здания, горячего водоснабжения и обогрева чердачных помещений.
Таким образом, предлагаемая ГТЭСЭСЗ обеспечивает как в летнее, так и зимнее время уменьшение нагрева наружных ограждений здания, снижение теплопотерь от них в окружающую среду, утилизацию солнечной энергии, тепла и холода окружающего воздуха, тепловых потерь здания с получением электрической энергии, которую можно использовать для нужд освещения, горячего водоснабжения и обогрева чердачных помещений (в зимнее время), снизив тем самым энергопотребление, что, в конечном счете, повышает эффективность и надежность электроснабжения здания.