СТЕНОВАЯ И КРОВЕЛЬНАЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПАНЕЛЬ

Предполагаемая полезная модель относится к области генерации электроэнергии из энергии солнечного излучения с помощью полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), конкретнее к солнечным батареям, интегрированным в строительные конструкции.
Известно, что ФЭП при работе интенсивно нагреваются за счет поглощаемой ими солнечной энергии. При повышении температуры существенно падает КПД фотоэлектрического преобразования [1], а сами ФЭП необратимо деградируют.
Известен аналог предлагаемой полезной модели - солнечная батарея как элемент строительной конструкции, описанная в [1]. В этой солнечной батарее предусмотрена установка ФЭП на металлическую пластину, снабженную теплосбрасывающим оребрением. Такое решение повышает КПД солнечной батареи и продляет ее ресурс, однако оребрение повышает металлоемкость, массу и стоимость подобных элементов строительных конструкций. Кроме того, условия, в которых работают строительные конструкции, предполагают запыление и засорение оребрения, что снижает коэффициент теплопередачи и ухудшает условия охлаждения ФЭП. Использование оребрения приводит к необходимости его периодической чистки, что, в случае мощных солнечных батарей с большой площадью, является весьма трудоемкой процедурой.
Перечисленные недостатки аналога позволяют сформулировать технический результат, который должен быть достигнут использованием предлагаемой полезной модели - повышение КПД ФЭП с одновременным увеличением срока их службы при минимальной металлоемкости конструкции и минимальных требованиях к ее обслуживанию.
Наиболее близкий аналог предлагаемой полезной модели - кровельная панель с солнечной батареей, описанная в [2]. В этой кровельной панели какие-либо охлаждающие элементы отсутствуют. Отвод тепла от ФЭП в окружающую среду происходит естественной конвекцией. Существенным достоинством предлагаемой конструкции является использование для размещения ФЭП основания с криволинейной поверхностью.
При установке подобной кровельной панели наклонно или вертикально между криволинейным основанием и плоской несущей стеной здания (или плоским подстилающим слоем кровли) образуется зазор, т.е. канал, выход из которого расположен выше, чем вход. При нагреве кровельной панели падающим на нее солнечным излучением температура воздуха в канале становится выше, чем температура окружающей среды.
Возникающая при этом разность давлений [3] вызывает движение воздуха в канале, причем тем более интенсивное, чем выше температура. Холодный воздух поступает в канал снизу, и, двигаясь по каналу вверх, нагревается, отбирая тепло от кровельной панели. Подобная конструкция отличается простотой, минимальной металлоемкостью и минимальными требованиями к обслуживанию.
Однако авторы изобретения [2] не указали геометрические размеры криволинейной поверхности панели, при которых описанный выше механизм охлаждения работоспособен. Действительно, если образующийся при установке панели зазор слишком тонок и узок, то движение воздуха по нему будет затруднено силами трения. Если же зазор слишком велик, то панель окажется избыточно металлоемкой. Параметр металлоемкости весьма критичен для ФЭП бытового класса, стоимость металлической подложки может достигать 30% себестоимости солнечной электростанции.
Изложенные выше соображения позволяют сформулировать сущность предлагаемой полезной модели - в стеновой или кровельной фотоэлектрической панели ФЭП закрепляют на несущем теплопроводном металлическом основании, конфигурация которого обеспечивает зазор между ним и нижележащими строительными конструкциями толщиной 4...75 мм и шириной не менее 20 мм. Установление верхнего предела ширины зазора нецелесообразно, т.к. ширина зазора, в отличие от толщины, может быть произвольно увеличена без увеличения металлоемкости конструкции.
Зазор может быть обеспечен с помощью проставок между фотоэлектрической панелью и стеной или кровлей, но наиболее простой способ получения предлагаемых размеров зазора между фотоэлектрической панелью и расположенными под ней строительными конструкциями - это размещение ФЭП на профилированной панели. На фиг.1. Цифрами на фиг.1 обозначены: 1 - основание (стена или нижележащий слой кровли); 2 - кровельная или стеновая панель; 3 - ФЭП. Стрелками обозначено движение потока воздуха.
Фиг.1
Предлагаемая полезная модель работает следующим образом. При установке на вертикальное или наклонное основание 1 панели 2 между ними образуется зазор. При облучении панели 2 солнечными лучами ФЭП 3 генерируют электроэнергию, а охлаждение их происходит за счет движения воздуха в зазоре между основанием 1 и фотоэлектрической панелью 2.
Особенности конструкции и работы предлагаемой полезной модели иллюстрируют приведенные ниже примеры.
Пример 1.
2
Стеновая панель изготовлена из ФЭП с номинальным КПД при 20°С 7%, наклеенных на профилированную стальную подложку толщиной 0,7 мм. ФЭП наклеены на выступающие полуволны профиля высотой 5 мм и шириной 18 мм, образующие с основанием зазор таких же размеров. Металлоемкость конструкции составляет 120 г/Вт. Температура окружающей среды 25°С, плотность потока солнечного излучения 226 Вт/м. За счет нагрева ФЭП до 54°С КПД снижается и составляет 4,5%.
Пример 2.
2
Стеновая панель изготовлена из ФЭП с номинальным КПД при 20°С 7%, наклеенных на профилированную стальную подложку толщиной 0,5 мм. ФЭП наклеены на выступающие полуволны профиля высотой 84 мм и шириной 76 мм. Металлоемкость конструкции составляет 460 г/Вт. Температура окружающей среды 25°С, плотность потока солнечного излучения 226 Вт/м. Температура нагрева ФЭП составляет 31°С, КПД снижается незначительно и составляет 6,9%.
Пример 3.
2
Параметры ФЭП и подложки аналогично предыдущему примеру. ФЭП наклеены на выступающие полуволны профиля высотой 16 мм и шириной 130 мм. Металлоемкость конструкции составляет 150 г/Вт. Температура окружающей среды 25°С, плотность потока солнечного излучения 226 Вт/м. Температура нагрева ФЭП составляет 34°С, КПД составляет 6,6%.
Пример 4.
2
Параметры ФЭП и подложки аналогично предыдущему примеру. ФЭП наклеены на выступающие полуволны профиля высотой 16 мм и шириной 130 мм. Металлоемкость конструкции составляет 150 г/Вт. Фотоэлектрическая панель прикреплена к основанию через проставки высотой 10 мм, благодаря чему зазоры между панелью и основанием имеют размеры 26×130 мм. Температура окружающей среды 25°С, плотность потока солнечного излучения 226 Вт/м. Температура нагрева ФЭП составляет 32°С, КПД составляет 6,7%.
Источники информации
1. RU (11) 2313642 (13) С1 Солнечная батарея как элемент строительной конструкции. Заявка 2006109537/03 от 27.03.06 г, патентообладатель ООО "ПСФ "КРОСТ"
2. RU (11) 2194827 (13) С2 Кровельная панель с солнечной батареей. Заявка 2001102215/03 от 24.01.01 г, патентообладатель Государственное унитарное предприятие «Научно-производственное объединение машиностроения»
3. Б.С.Мастрюков Теория, конструкция и расчеты металлургических печей. Т.2. Расчеты металлургических печей. М.: «Металлургия», 1978, 272 с.