НЕСУЩАЯ ПАНЕЛЬ СО ВСТРОЕННЫМ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ МОДУЛЕМ
CARRIER PANEL WITH BUILT-IN PHOTOELECTRIC MODULE

Область техники
Изобретение относится к устройствам генерации электрической энергии с использованием фотоэлектрических систем, объединенных со строительными конструкциями. Панель для генерирования электрической энергии может применяться в качестве стеновых конструкций, элементов перекрытия при строительстве зданий индивидуального и промышленного назначения, а также при сооружении ограждений.
Уровень техники
Известны технические решения:
Патент RU 2575245 С1, от 31.10.2014 - Солнечная фотоэлектрическая станция, состоящая из солнечной батареи и опорной конструкции, выполненной из дугообразных труб и закрепленной на стене здания. Технический результат – простота конструкции для установки солнечной батареи солнечной фотоэлектрической станции, при этом конструкция позволяет регулировать угол наклона солнечной батареи относительно горизонта в течение года, но не обладает универсальностью относительно мест установки.
Патент ЕР 2495509 В1 от 21.11.2011 - Солнечная батарея. Изобретение относится к области солнечных батарей и систем регулирования азимута и углов возвышения солнечной панели для управления большим числом солнечных батарей. Решение обеспечивает эффективное использование солнечного излучения, но сложное и дорогостоящее в реализации.
Патент RU 2313642 С1 от 27.03.2007, E04D 13/18 - Солнечная батарея как элемент строительной конструкции. Включает корпус в виде металлической оболочки из профилированного материала с приклеенными солнечными элементами, совместимый с элементами фасадной системы профилей пространственных строительных конструкций. Низкая стабильность вырабатываемой электрической энергии обусловлена непостоянным стохастическим характером солнечного света в течение дня.
Патент KR20140141763A от 30.05.2013 - Строительная панель для производства фотоэлектрической энергии и конструкция стены, в которой она используется. Строительная панель содержит: фотоэлектрические элементы, панель защиты пропускания и крепежные элементы для крепления кронштейна к стенному элементу строительной конструкции. Множество фотоэлектрических элементов фиксируется на стеновом элементе строительной конструкции, формируя фасад. Решение характеризуется низкой стабильностью вырабатываемой энергии при отсутствии возможности управления потоком поглощения солнечного излучения.
Патент RU 2730544 от 03.10.2019 - Солнечный дом, содержащий двухскатную крышу, скаты с размещенными солнечными модулями и конек позиционируются по сторонам света. Авторы полагают, что такое размещение солнечных модулей обеспечит наилучшие условия освещения в течение дня. Недостаток решения - приоритетность фактора освещенности над типовыми строительными параметрами.
Патент RU 2758405 от 20.12.2020 - Электромобиль, содержащий в качестве отличительных черт кузов, внешняя поверхность которого выполнена чередованием выступов и впадин с образованием не менее одной ячейки, в которых расположены фотоэлектрические элементы. Размещение множества фотоэлектрических элементов в ячейках позволяет использовать рассеянный солнечный свет в качестве основного источника освещения, при использовании в основном прямого солнечного света в ранее описанных примерах патентов. Кузов в данном случае несет фасадную функцию.
Известны технические решения, относящиеся к фотоэлектрическим системам фасадного назначения (Солнечные стены вместо фотоэлектрических панелей. Метод доступа: https://www.forumhouse.ru/journal/articles/7812-solnechnye-steny-vmesto-fotoelektricheskih-panelej-na-kryshe, просмотр от 27.11.2011).
Здания с фотоэлектрическими фасадами предполагают наличие системы крепления фасадов на несущей механическую нагрузку поверхности здания. Технические решения с фасадными системами обладают низкой надежностью в условиях приложения непостоянных усилий ветрового характера, система крепления ослабляет несущие стеновые конструкции.
Раскрытие изобретения
Особенности фотоэлектрической системы изобретения позволяют получать стабильный поток электрической энергии при увеличении доли рассеянного солнечного света в общем балансе солнечной радиации. (Прямая и рассеянная радиация. Виды солнечной радиации. Метод доступа: http://ufactor.ru/prvamava-i-rassevannaya-radiatsiya/, обращение от 27.11.2021).
Возможность получения стабильного потока электрической энергии происходит при увеличении доли рассеянного света и получается в конструкции, имеющей оболочку с выполненными на ней перекрестными ребрами, образующими ячейки, снабженной фотоэлектрическими элементами, электрическими соединениями между ними и выходными клеммами.
Согласно изобретению перекрестные ребра и оболочка являются несущими, ячейки, образованные ребрами, имеют внутренние поверхности, расположенные на сторонах ребер и на дне ячейки, фотоэлектрические элементы установлены в ячейках на каждой из их внутренних поверхностей.
Фотоэлектрические элементы установлены в ячейках, и основной поток воспринимаемого солнечного света – рассеянное солнечное излучение, одинаково и равномерно освещающее все поверхности объекта (Рассеянный свет. Метод доступа https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/16986, обращение от 27.11.2021).
Задача изобретения – повышение стабильности и объема вырабатываемой электрической энергии панелью, выполняющей функционал несущей механическую нагрузку конструкции.
Краткое описание чертежей
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами.
Фиг. 1 – панель, фронтальный вид.
Фиг. 2 – панель, вертикальный разрез на фиг. 1.
Фиг. 3 – панель в качестве элемента ограждения.
Фиг. 4 – панель в домостроении.
На фиг. 1 схематически показаны основные элементы панели: оболочка 1, с выполненными на ней перекрестными ребрами 2, с образованием ячеек 3. В ячейках установлены фотоэлектрические элементы 4, w - наружный размер ячейки квадратного сечения; d - внутренний размер ячейки; v-размер стороны фотоэлектрического элемента.
На фиг. 2 схематически показаны электрические соединения 5 между фотоэлектрическими элементами и клеммами 6, g - глубина ячейки, Н - толщина оболочки.
На фиг. 3 показано использование панели в качестве элемента ограждения, где механическая нагрузка от оболочки 1 передается на фундамент 7 и грунт 8.
На фиг 4. показано использование панели в домостроении, где механическая нагрузка от оболочек 1 и оконного проема 9 передается на грунт 8.
Осуществление изобретения
На оболочке фиг. 1 выполнены несущие перекрестные ребра 2 с образованием ячеек 3. Основное назначение перекрестных ребер – увеличение несущей нагрузки при эквивалентной массе пластины (Оболочки, подкрепленные ребрами. Метод доступа: https://mash-xxl.info/info/552067/ Обращение от 27.11.2021).
Внутренняя поверхность ячеек используется для установки фотоэлектрических элементов 4, соединенных между собой через электрические соединения 5 с клеммами 6 (фиг. 2).
В зависимости от целевого назначения панель будет воспринимать нагрузку на изгиб, устойчивость, сжатие. При использовании панели в качестве элементов ограждения (фиг. 3) ветровая нагрузка на оболочку 1 передается на фундамент 7 и грунт 8. Прочностной расчет – на изгиб от давления ветра.
При использовании панели в домостроении (фиг. 4), давление ветра и выше находящихся оболочек 1 и оконного проема 9 передается на фундамент 7 и грунт 8. Основные прочностные расчеты – на устойчивость от вертикальной нагрузки (Устойчивость подкрепленных оболочек. Метод доступа: https://scask.ru/m_book_rdm.php?id=165, обращение от 27.11.2021).
Прочностные расчеты – проверочные по несущей способности на изгиб, устойчивость, сжатие для пластин, подкрепленных ребрами (Прочность и устойчивость упругих ортотропных и анизотропных ребристых оболочек. Метод доступа: engstroy.spbstu.ru/userfiles/files/2010/6(16)/zhgoutov_obolochki.pdf, обращение от 27.11.2021).
Целевой сравнительный расчет – на основании объема производимой электрической энергии для промышленно выпускаемого солнечного фотоэлектрического модуля и несущей панели с ребрами подкрепления.
В качестве исходных данных принимаются одинаковые значения эквивалентных параметров: площадь солнечного модуля и площадь панели, геометрические и физические параметры солнечных элементов, показатели освещенности (Промышленно выпускаемый солнечный модуль. Метод доступа: https://energo-souz.ru/moduli-fsm/polikristal/solnechnyy-modul-fsm-150p/, обращение от 27.11.2021).
2
2
2
Характеристики модуля: тип солнечных элементов – поликристаллические, размер – 1482×676×35 мм, геометрическая площадь модуля Sm=1,0 м, количество элементов k=36, элемент – квадратный, размер солнечного элемента d=156 мм, коэффициент полезного действия μ=0,17. Суммарная площадь всех солнечных элементов модуля Ss=d*k=0,156×0,156×36=0,876 м.
2
2
2
В габаритных размерах описанного выше солнечного модуля размещается несущая панель с фотоэлектрическим модулем. Характеристики панели: тип солнечных элементов – поликристаллические, размер – 1482×676×160 мм, геометрическая площадь панели Sp=1,0 м, количество элементов к=180, размер квадратного солнечного элемента d=156 мм, коэффициент полезного действия μ=0,17, форма ячейки между ребрами панели – квадратная, внешний размер ячейки w=176 мм, внутренний размер ячейки d=166 мм, глубина ячейки g=170 мм, толщина оболочки Н=10 мм. Суммарная площадь всех солнечных элементов модуля Sp=d*k=0,156×0,156×180=4,38 м.
Панель с геометрическими размерами 1482×676 мм, глубина ячейки g=170 мм, толщина оболочки Н=10 мм, материал – сталь, способна воспринимать вертикальную нагрузку как минимум трех выше расположенных аналогичных панелей (Устойчивость подкрепленных оболочек. Режим доступа: https://scask.ru/m_book_rdm.php?id=165, обращение от 27.11.2021). Для здания (фиг. 4), квадратной формой с размерами 5×5×3 м количество панелей составляет 60 единиц.
Ориентирование при сравнительном расчете только на рассеянную Ер радиацию дает нижнюю оценку объема солнечного излучения. Минимальной границей оценки энергии поступающей радиации считается учет энергии рассеянной радиации (Дневное поступление суммарной Е и рассеянной Ер солнечной радиации. Метод доступа http://www.solbat.su/meteorology/insolation, просмотр от 27.11.2011).
2
2
Для Москвы Ер=1,76 МДж/м в январе и Ер=9,78 МДж/м в июле. Величина электрической энергии, производимой солнечным модулем и несущей панелью, определяются зависимостью V=μEpS, где μ – коэффициент полезного действия фотоэлектрического элемента, Ер – дневное поступление энергии, S – суммарная площадь элементов изделия.
Для широтной зоны Москвы дневная генерация энергии: солнечный промышленный модуль в январе V=0,17*1,76*0,876=0,26 МДж; несущая панель в январе V=0,17*1,76*4,38=1,31 МДж (0,36 кВт/ч); солнечный промышленный модуль в июле V=1,42 МДж; несущая панель в июле V=7,28 МДж (2 кВт/ч).
Отмечается пятикратное увеличение производимой электрической энергии в панели, пригодной для восприятия несущих нагрузок. Суточная генерация электрической энергии для здания из 60 несущих панелей (фиг. 4), составит от 21,6 кВт/ч в январе до 145,6 кВт/ч в июле.
Увеличение стабильности генерирования электрической энергии проявляется в большей независимости от расположения здания по сторонам света, что определяется свойством рассеянного излучения одинаково и равномерно освещать все поверхности объекта.