Гибридный солнечный модуль
HYBRID SOLAR MODULE

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным энергетическим модулям для получения тепла.
Известен гибридный фотоэлектрический модуль, в котором солнечные элементы электроизолированы от теплообменника, пространство между солнечными элементами и теплообменником, а также между стеклянным покрытием и теплообменником заполнено слоем силоксанового геля, защитное стеклянное покрытие выполнено в виде вакуумированного стеклопакета из двух стекол, теплообменник выполнен в виде герметичной камеры с патрубками для циркуляции теплоносителя, общая площадь соединенных солнечных элементов соизмерима с площадью верхнего основания корпуса теплообменника (патент РФ № 2546332, МПК Н02S 10/00, H01L 31/042  опубл. 10.04.2015, Бюл. №10).
Недостатком известного модуля является большая материалоемкость.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является фотоэлектрический тепловой модуль, в котором теплообменник из нержавеющей стали выполнен с каналами теплоносителя V-образной, прямоугольной и сотовой формы (Mohd. Yusof Hj. Othman, Faridah Hussain, Kamaruzzman Sopian, Baharuddin Yatim & Hafidz Ruslan. Performance Study of Air-based Photovoltaic-thermal (PV/T) Collector with Different Designs of Heat Exchanger. Sains Malaysiana 42(9)(2013): 1319–1325).
Недостатками известного фотоэлектрического теплового модуля являются низкий коэффициент полезного действия, большая материалоемкость.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение КПД гибридного солнечного модуля, снижение удельных затрат на получение тепловой энергии.
В результате использования предлагаемого изобретения увеличивается КПД гибридного солнечного модуля, увеличивается среднегодовая выработка тепловой энергии, снижается ее себестоимость, уменьшается масса модуля за счет того, что теплообменник выполнен в виде воздушного коллектора в прозрачном для солнечного излучения корпусе и установлен по всей площади защитного стеклянного покрытия, причем защитное стеклянное покрытие и теплообменник в виде воздушного коллектора расположены с двух сторон скоммутированных двухсторонних солнечных элементов.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в гибридном солнечном модуле, содержащем защитное стеклянное покрытие, скоммутированные солнечные элементы и теплообменник, соединенный с системой горячего водоснабжения и отопления здания, согласно изобретению, теплообменник выполнен в виде воздушного коллектора с каналами  для теплоносителя воздуха в прозрачном для солнечного излучения корпусе и установлен по площади защитного стеклянного покрытия, причем защитное стеклянное покрытие и теплообменник в виде воздушного коллектора расположены с двух сторон скоммутированных двухсторонних солнечных элементов, при этом для отопления здания воздушный коллектор присоединен теплоизолированным воздуховодом с вентилятором к системе воздушного отопления здания, для горячего водоснабжения воздушный коллектор присоединен через теплоизолированный воздуховод с вентилятором и теплообменником воздух-вода к системе горячего водоснабжения и отопления здания, а скоммутированные солнечные элементы через инвертор соединены с электроводонагревателем системы горячего водоснабжения здания.
В  варианте гибридного солнечного модуля воздушный коллектор выполнен из сотового поликарбоната.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена общая схема гибридного солнечного модуля,  на фиг.2 показано присоединение воздушного коллектора к системам воздушного отопления, горячего водоснабжения и отопления здания.
Гибридный солнечный модуль состоит из защитного стеклянного покрытия 1, последовательно скоммутированных двухсторонних солнечных элементов 2 и теплообменника 3, выполненного в виде воздушного коллектора 4 каналами 5 для теплоносителя 6. Теплообменник 3 установлен по всей площади защитного стеклянного покрытия 1 и выполнен в виде воздушного коллектора 4 в прозрачном для солнечного излучения корпусе 7. В качестве теплоносителя 6 используется воздух. Защитное стеклянное покрытие 1 и теплообменник 3 расположены с двух сторон скоммутированных двухсторонних солнечных элементов 2. Для отопления здания воздушный коллектор 4 присоединен теплоизолированным воздуховодом 8 с вентилятором 9 к системе воздушного отопления здания 10,  для горячего водоснабжения воздушный коллектор 4 присоединен через теплоизолированный воздуховод 8 с вентилятором 9  и теплообменником воздух-вода 11,  к системе горячего водоснабжения и отопления здания 10.  Скоммутированные двусторонние солнечные элементы 2 через инвертор 12  соединены с электроводонагревателем 13 системы горячего водоснабжения здания 10.
Гибридный солнечный модуль работает следующим образом.
Последовательно скоммутированные солнечные элементы 2 расположены непосредственно на поверхности теплообменника 3, установленного по всей площади защитного стеклянного покрытия 1,  таким образом, что, поглощая ту часть солнечного спектра, которая необходима им для фотоэлектрического преобразования и выработки электроэнергии, они в свою очередь, отдают тепловую энергию для нагрева теплоносителя 6  (воздух) в каналах 5 теплообменника 3. Теплоноситель 6, циркулируя по каналам 5 теплообменника 3, охлаждает солнечные элементы 2, за счет чего растет эффективность их работы, увеличивается общий КПД гибридного солнечного модуля, нагретый теплоноситель используется потребителем для горячего водоснабжения и отопления здания. Для осуществления отопления здания 10 воздушный коллектор 4 присоединяется теплоизолированным воздуховодом 8 с вентилятором 9 к системе воздушного отопления здания 10.  Для горячего водоснабжения здания 10 воздушный коллектор 4 присоединяется через теплоизолированный воздуховод 8 с вентилятором 9  и теплообменником воздух-вода 11  к системе горячего водоснабжения и отопления.  Для обеспечения электроэнергией системы горячего водоснабжения здания 10 скоммутированные двусторонние солнечные элементы 2 через инвертор 12  соединяются с электроводонагревателем 13.
Пример выполнения гибридного солнечного модуля.
Гибридные солнечные модули установлены в шесть рядов в вертикальной плоскости, ориентированной в меридиональном направлении «юг-север». Рабочие поверхности гибридных солнечных модулей  ориентированы на запад и восток. Размеры гибридных солнечных модулей: высота 0,6 м, длина 3 м.
В таблице 1 представлены результаты компьютерного моделирования тепловой энергии, вырабатываемой гибридными солнечными модулями по месяцам и в целом за год в кВтч/кВт при различной ориентации солнечных модулей для г. Элиста (Калмыкия) при коэффициенте отражения крыши 0,3 (бетон) и 0,9 (зеркальный отражатель). Отношение эффективности преобразования солнечного излучения тыльной поверхностью к фронтальной поверхности гибридного солнечного модуля  принято равным 0,92.
2
Расчётные месячные суммы суммарной солнечной радиации (кВт·ч/м) в окрестностях Элисты (Республика Калмыкия)
Ориентация панели/Свойства
I
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
IX
X
XI
XII
Год
Горизонтальная поверхность
42,3
61,7
100,2
134,1
178,8
176,1
185,0
162,9
120,5
79,9
41,2
32,2
1315,0
Стационарные панели, ориентированные на юг
Наклон 35°
66,3
88,5
121,1
143,
175,5
165,5
177,5
170,0
142,3
109,4
61,4
51,2
1471,7
Двухсторонние* вертикальные панели, фронтальная сторона на юг
Альбедо 15…37%
86,8
110,3
127,5
128,7
154,5
146,8
150,8
147,2
135,0
117,6
74,5
66,1
1445,7
Альбедо 90%
109,5
141,7
192,9
224,0
274,6
266,8
280,5
261,4
220,6
175,2
102,2
85,9
2335,2
Двухсторонние* вертикальные панели, фронтальная сторона на восток/запад
Альбедо 15…37%
61,9
90,1
123,4
151,6
204,9
196,7
205,4
186,3
142,4
98,8
53,7
44,7
1559,7
Альбедо 90%
84,6
121,4
188,8
246,9
325,1
316,7
335,1
300,5
228,0
156,3
81,4
64,5
2449,2
Пиковая тепловая мощность гибридных солнечных модулей составляет 100 кВт.
Использование гибридных солнечных модулей пиковой мощностью 1 кВт с ориентацией рабочих поверхностей на восток-запад позволяет увеличить производство тепловой энергии до 4898,4 кВт·ч на 1 кВт пиковой мощности гибридных солнечных модулей, что является максимально возможной величиной производства тепловой энергии для солнечных гибридных энергетических установок без систем слежения.