Оконная створка со встроенным фотоэлектрическим модулем с увеличенным сроком службы и способ её изготовления
WINDOW SASH WITH A BUILT-IN PHOTOVOLTAIC MODULE WITH EXTENDED SERVICE LIFE AND A METHOD OF ITS MANUFACTURE

Изобретение относится к области солнечной энергетики, в частности к фотоэлектрическим модулям, встраиваемым в конструкционные элементы зданий и сооружений и служащим для преобразования солнечного излучения в электрическую энергию для электроснабжения зданий в автономном режиме или параллельном с существующей электрической сетью.
Известны оконные створки, в конструкции которых используются редкоземельные люминофоры, которые выполняют функцию преобразования ультрафиолетового излучения солнечного спектра в ближнюю инфракрасную область для фотоэлектрического преобразования элементами CuInSe2 (K. Alameh, M. Vasiliev, R. Alghamedi, M. Nur-E-Alam, V. Rosenberg, “Solar energy harvesting clear glass for building-integrated photovoltaics”. In: 11th Annual High Capacity Optical Networks and Emerging/Enabling Technologies (Photonics for Energy), pp. 210-213, 2014).
2
Предложенная авторами конструкция имеет ряд недостатков – всего 70 % видимого спектра проходит через окно, что значительно уменьшает освещённость помещения, выходная электрическая мощность очень мала (30 Вт/м), и её хватит только для маломощного светодиодного освещения; срок службы люминофора и фотоэлектрических преобразователей меньше, чем срок службы самой оконной створки, что потребует замены электрогенерирующей части или самой створки после деградации встроенных электрогенерирующих элементов. Также использование редкоземельных люминофоров и некремниевых фотоэлектрических преобразователей наносит урон экологии при добыче, изготовлении и использовании подобных элементов конструкции.
Известны оконные створки, в конструкции которых используются перовскиты различного состава, с которыми происходит термохромное превращение под воздействием солнечного излучения. Светопропускание окна, в котором расположены перовскиты, уменьшается, а поглощаемая солнечная энергия преобразовывается в электрическую энергию с помощью перовскитов (Jia Lin, Minliang Lai, Letian Dou, S.Ch. Kley, Hong Chen, Fei Peng, Junliang Sun, Dylan Lu, S.A. Hawks, Chenlu Xie, Fan Cui A, P. Alivisatos, D.T. Limmer, Peidong Yang, “Thermochromic halide perovskite solar cells”, Nature Materials, Vol. 17, pp. 261–267, 2018).
Недостатками рассматриваемой технологии является низкая эффективность преобразования солнечного излучения (около 7 %), а также малый срок службы перовскитов при длительных циклических периодах работы и высоких температурах. Также необходимы дальнейшие исследования, которые подтвердили бы отсутствие деградации при длительной солнечной экспозиции перовскитов и остаточных явлений при отсутствии солнечного излучения (уменьшение пропускания при облачной погоде).
Известны оконные створки, где кремниевые фотоэлектрические преобразователи размещаются по периметру рамы окна (PHYSEE, https://www.physee.eu/products#powerwindow). Вырабатываемая фотоэлектрическими преобразователями электрическая энергия в данном конкретном случае идёт на обеспечение мониторинга окружающей среды и при дополнительной установке оборудования для затемнения оконного стекла с целью уменьшения его пропускающей способности.
Основным недостатком рассматриваемой оконной створки является срок службы фотоэлектрических преобразователей, герметизированных по стандартной технологии и входящих в её состав, у которых уже через 10 лет эксплуатации упадёт электрическая эффективность. Кроме того недостатком рассматриваемой конструкции является малая мощность фотоэлектрических преобразователей, так как они располагаются исключительно на поверхности узкой рамы-профиля оконной створки, площадь которой мала. Мощности фотоэлектрической системы недостаточно для зарядки устройств в автономном режиме, которая в рассматриваемом устройстве и не предусмотрена. Также уменьшение электрической эффективности работы фотоэлектрических преобразователей будет происходить в вечерние и утренние часы, так как на вертикальных стойках рамы фотоэлектрические преобразователи располагаются под углами к поверхности стекла окна (с наклоном внутрь), что приведёт к их затенению, и без того небольшая электрическая мощность начнёт уменьшаться.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению (прототипом) является солнечный фотоэлектрический модуль и способ его изготовления (патент РФ № 2431786). В рассматриваемом солнечном фотоэлектрическом модуле используются фотоэлектрические преобразователи, расположенные между двумя стёклами, пространство между которыми заполнено оптической средой в виде низкомодульного полисилоксанового геля, который увеличивает срок номинальной мощности фотоэлектрических преобразователей.
Недостатком рассматриваемого фотоэлектрического модуля является отсутствие конструкционного профиля, благодаря которому возможно крепление к различным поверхностям, в том числе и монтаж на поверхности зданий и тем более монтаж в оконные проёмы. Также рассматриваемый фотоэлектрический модуль не может быть встроен в прозрачную конструкцию зданий в связи с высокой теплопроводностью, что приведёт к значительным тепловым потерям и необходимости дополнительного обогрева или охлаждения внутреннего пространства здания. Теплопроводность используемого герметика – полисилоксанового компаунда значительно выше теплопроводности воздуха, который используется для тепловой изоляции в конструкции солнечных модулей. Следующим недостатком является отсутствие встроенной электрической системы в конструкции модуля, позволяющей осуществлять электроснабжение потребителя автономно, в том числе – питание осветительных приборов  и других маломощных электрических приборов. Подобная система реализуется на основе стандартных электросхем зарядки аккумуляторных батарей, что особо актуально для удалённых потребителей, не имеющих централизованного электроснабжения.
Технической задачей предлагаемого изобретения является преобразование солнечного излучения в электрическую энергию с целью электроснабжения зданий в автономном режиме или параллельном с существующей электрической сетью благодаря монтированию рассматриваемого фотоэлектрического модуля в оконные блоки, а также в другие конструкционные элементы зданий и сооружений.
В результате использования рассматриваемого изобретения появляется возможность автономного и параллельного с сетью электроснабжения строений с помощью светопрозрачной и теплоизоляционной конструкции, размещаемой в виде оконной створки в оконном проёме, в состав которой входит полисилоксановый компаунд, увеличивающий срок службы фотоэлектрических преобразователей до уровня срока службы рамы оконной створки (Poulek V., Strebkov D.S., Persic I.S., Libra M., «Towards 50 years lifetime of PV panels laminated with gel technology», Solar Energy, vol. 86. pp. 3103–3108, 2012), когда встроенные электрические компоненты оконной створки позволяют вырабатывать электрическую энергию, которая может использоваться для освещения и автономного питания маломощных электрических приборов или направляться в электрическую сеть (в том числе с использованием буферных аккумуляторов электроэнергии).
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что фотоэлектрический модуль, загерметизированный с фотоэлектрическими элементами и полисилоксановым компаундом, согласно изобретению снабжён каркасом в виде оконного профиля для последующей установки в оконный проём, который снабжён электроникой и аккумуляторными батареями, позволяющими производить автономное питание электрических приборов, автономно освещать помещение, а также согласованную передачу выработанной электрической энергии в существующую электрическую сеть, а дополнительное тыльное остекление образует воздушную полость, которая обеспечивает высокую тепло- и холодоизоляцию внутридомового пространства, расположенного за окном.
Изобретение  поясняется чертежами, где на Фиг. 1 представлена общая схема оконной створки со встроенным фотоэлектрическим модулем с увеличенным сроком службы, а на Фиг. 2 – пример изготовления оконной створки со встроенным фотоэлектрическим модулем с увеличенным сроком службы (слева – вид с внешней стороны; справа – вид с внутренней стороны).
Оконная створка со встроенным фотоэлектрическим модулем с увеличенным сроком службы состоит из фотоэлектрических преобразователей 1, которые располагаются на светопрозрачном тонком пластиковом листе 2 и загерметизированы с помощью полисилоксанового компаунда 3, который размещается в пространстве между светопрозрачным стеклом 4, герметизирующей лентой 5 по его периметру и светопрозрачным тонким пластиковым листом 2. Собранный фотоэлектрический модуль располагается в герметичной стяжке 6 стеклопакета, в котором также располагается спейсер 7, благодаря которому обеспечивается посадочные места для тыльного светопрозрачного стекла 8, которое создаёт теплоизоляционную воздушную полость 9 между тыльным светопрозрачным стеклом 8 и светопрозрачным тонким пластиковым листом 2. Собранный стеклопакет, располагающийся в герметичной стяжке 6, помещается в оконную раму 10, на нижней тыльной стороне которой (противоположной от лучевоспринимающей стороны фотоэлектрических преобразователей, находящейся внутри помещения) располагается блок электроники 11, в состав которого входит электронная плата 12, которая обеспечивает заряд аккумуляторной батареи 13 с помощью электрической энергии, поступающей от фотоэлектрических преобразователей 1. Аккумуляторная батарея 13 через порт USB 14 осуществляет заряд маломощных электрических приборов, а также питание светодиодной лампы LED 15 с помощью кнопки включения/выключения питания 16, располагающейся на блоке электроники 11. Светодиодная лампа LED 15 располагается на верхней стороне оконной рамы 10 (противоположной от лучевоспринимающей стороны фотоэлектрических преобразователей, находящейся внутри помещения).
Отличительной особенностью рассматриваемого фотоэлектрического модуля является его расположение в оконной раме 10 в виде профиля, которая устанавливается в оконный проём и в составе которой располагаются электронные (электронная плата 12), аккумулирующие (аккумуляторная батарея 13) и осветительные (светодиодная лампа LED 15) компоненты, которые могут работать как в автономном режиме, так и параллельно с существующей электрической сетью, что также позволит снабжать сеть получаемой от солнечного излучения фотоэлектрической энергией. Вертикальное расположение фотоэлектрического модуля в оконной раме 10 обеспечивает чистоту его световоспринимающей поверхности, вследствие скатывания пыли, снега и воды с его поверхности, что увеличивает электрическую эффективность его работы, удобство профилактической чистки модуля при открытии створки оконной рамы 10, а также увеличение выработки электрической энергии в периоды низкого солнцестояния, что особенно актуально в северных странах зимой. Для большей выработки в летние месяцы и в южных странах целесообразно использование рамы 10 с фотоэлектрическим модулем в мансардном исполнении (наклонённого на некоторый угол к горизонту). Благодаря использованию двойного остекления в конструкции фотоэлектрического модуля (светопрозрачное стекло 4, тонкий пластиковый лист 2 и тыльное светопрозрачное стекло 8) оконной створки с воздушной полостью 9 обеспечивается надёжное тепло- и холодоизоляция внутридомового пространства. При высоком уровне теплоотвода с лицевой стороны фотоэлектрического модуля, входящего в состав оконной створки, благодаря использованию воздушной полости 9 и тыльного светопрозрачного стекла 8, потери тепла или холода из пространства помещения будут незначительными, что говорит о целесообразности использования такого фотоэлектрического модуля в качестве светопрозрачной и теплоизоляционной конструкции строения.
Существенным преимуществом рассматриваемой конструкции фотоэлектрического модуля, встроенного в оконную раму 10 является то, что модуль, помещенный в оконную раму 10, не требует дополнительных конструкционных решений для герметизации и отделки, а также устройств для размещения и крепления. Кроме того, срок службы фотоэлектрических преобразователей 1 будет увеличен по сравнению со стандартным вследствие герметизации полисилоксановыми гелями и поэтому будет соответствовать сроку службы самой оконной рамы 10, который в настоящее время превышает срок службы фотоэлектрических преобразователей 1, загерметизированных по стандартной технологии, основанной на термопластичном заполнителе на основе сополимера этиленвинилацетата. Технология герметизации с использованием двухкомпонентного жидкого полисилоксанового компаунда 3, структурируемого при комнатной температуре по механизму гидросилицирования в низкомодульный гель, обеспечивает увеличенный срок номинальной мощности фотоэлектрических преобразователей 1, эффективный теплоотвод и эффективное поглощение механических напряжений во время тепловых циклов. Используемая технология герметизации фотоэлектрических преобразователей 1 обеспечивает надежную адгезию к материалам поверхности фотоэлектрических преобразователей 1 для обеспечения качественного оптического и теплового контакта с целью минимизации отражения от фронтальной поверхности фотоэлектрических преобразователей 1 и устойчивого теплоотвода; свето- и термостойкость при воздействии солнечного излучения и теплового перегрева; отсутствие в составе заполнителя структурных элементов и фоновых примесей, оказывающих деструктивное воздействие на материалы поверхности фотоэлектрических преобразователей 1 и коммутационные элементы, сокращающие их срок службы; защиту фотоэлектрических преобразователей 1 от механических воздействий и влаги; экологическую безопасность применения.
-4
-1
-4
-1
2
2
Полисилоксановый компаунд 3 в конструкции фотоэлектрического модуля обволакивает фотоэлектрические преобразователи 1 и располагается по всей площади светового проема оконной створки. Благодаря его использованию обеспечивается достаточно эффективный теплоотвод с лицевой стороны фотоэлектрического модуля (коэффициент теплопроводности полисилоксанового компаунда 0,18 Вт/(м·K), в то время как этиленвинилацетатных плёнок всего 0,13 Вт/(м·K)). Полисилоксановый компаунд 3 также лучше чем этиленвинилацетат демпфирует механические напряжения при термоциклах – линейный коэффициент термического расширения соответственно 2,5·10 К и 4·10 К, а модуль Юнга (упругости) 0,006 Н/мм и 10 Н/мм.
Коэффициент отражения от структуры «светопрозрачное стекло 4 – полисилоксановый компаунд 3 – фотоэлектрический преобразователь 1» находится на уровне 3%, поэтому более 90 % энергии солнечного излучения поглощается фотоэлектрическим преобразователем 1 (длинноволновый край собственного поглощения кремния при комнатной температуре приходится на длину волны равную примерно λ = 1050 нм). При использовании рассматриваемой оконной створки (со стандартным оконным стеклом) с фотоэлектрическим модулем происходит сдвиг коротковолнового края спектра в длинноволновую сторону в область λ = 400 нм (при прохождении солнечного излучения во внутридомовое пространство по направлению B) для структуры с полисилоксановым компаундом 3 и светопрозрачным тонким пластиковым листом 2, используемым для герметизации фотоэлектрических преобразователей 1. Однако это никак не скажется на освещённости внутри помещения за оконной створкой, поскольку указанный сдвиг происходит в ультрафиолетовой области спектра, где фоточувствительность человеческого глаза практически равна нулю (чувствительность глаза составляет доли процента при λ ≈ 400 нм, всего 3 – 4 % в области λ = 450 нм и увеличивается до 100 % в зеленой области спектра при λ = 550 нм).
Работает предлагаемая оконная створка со встроенным фотоэлектрическим модулем с увеличенным сроком службы следующим образом.
Фотоэлектрические преобразователи 1, загерметизированные с помощью полисилоксанового компаунда 3, светопрозрачного стекла 4, светопрозрачного тонкого пластикового листа 2 и герметизирующей ленты 5, при попадании солнечного излучения по направлению A (на поверхность фотоэлектрических преобразователей) преобразует его в электрическую энергию постоянного тока, который поступает в блок электроники 11 и с помощью электронной платы 12 запасается в аккумуляторной батарее 13. Блок электроники 11 располагается на нижней части оконной рамы 10, которая в свою очередь служит профилем и посадочным местом для фотоэлектрического модуля, состоящего из фотоэлектрических преобразователей 1, полисилоксанового компаунда 3, светопрозрачного стекла 4, светопрозрачного тонкого пластикового листа 2, герметизирующей ленты 5, а также спейсера 7 и тыльного светопрозрачного стекла 8, которое создаёт теплоизоляционную воздушную полость 9 для обеспечения тепло- и холодоизоляции внутридомового пространства, располагающегося внутри строения за оконной створкой. Нагрев и подсветка внутридомового пространства обеспечивается солнечным излучением, поступающим через оконную створку по направлению B, которое свободно от фотоэлектрических преобразователей 1. В тёмное время суток подсветка внутридомового пространства обеспечивается с помощью светодиодной лампы LED 15, располагающейся на верхней стороне оконной рамы 10, питание которой осуществляется от аккумуляторной батареи 13, а включение и выключение обеспечивается кнопкой включения/выключения питания 16, которая в свою очередь располагается на блоке электроники 11. Наряду с обеспечением питания, включением и выключением светодиодной лампы LED 15, блок электроники 11 с помощью порта USB 14 обеспечивает питание маломощных электрических приборов внутри домового пространства. При использовании блока электроники 11 как согласующего устройства с существующей электрической сетью, вырабатываемый электрический ток поступает в существующую систему для обеспечения потребностей электроснабжения.
Способ изготовления оконной створки со встроенным фотоэлектрическим модулем с увеличенным сроком службы.
В качестве фотоэлектрических преобразователей 1 солнечного излучения в фотоэлектрическим модуле используются односторонние гибкие фотоэлементы с размерами 125 мм × 62,5 мм с пиковой электрической мощностью 3,4 Вт. Пиковая фотоэлектрическая мощность 16 фотоэлектрических преобразователей 1, входящих в состав изготовленного образца  фотоэлектрического модуля (Фиг. 2), составляет 54,4 Вт. Для герметизации фотоэлектрических преобразователей 1 с помощью полисилоксанового компаунда 3 и герметизирущей ленты 5 (бутиловая лента) вместо стандартного оконного стекла может использоваться светопрозрачное закалённое стекло optiwhite 4 (в этом случае сдвига коротковолнового края спектра пропускания в области λ ≈ 400 нм не происходит)  и светопрозрачный тонкий пластиковый лист 2 в виде листа поликарбоната толщиной 1-2 мм. В качестве тыльного светопрозрачного стекла 8 используется оптически прозрачное закалённое стекло optiwhite толщиной 4 мм, которое с помощью герметичной стяжки 6, спейсера 7 и воздушной полости 9 формируют фотоэлектрический модуль, который устанавливается в оконную раму 10, представляющую собой в данном случае (Фиг.2) стандартную пластиковую оконную створку с размерами 730 мм × 700 мм. В нижней части оконной рамы 10 располагается блок электроники 11, в состав которого входит аккумуляторная батарея 13 в виде блока литий-ионных аккумуляторов с емкостью 6,8 А·ч и выходным напряжением 5,25 В, с помощью которых происходит зарядка электронных устройств благодаря порту USB 14. Напряжение единичного фотоэлектрического преобразователя 1 составляет 9,2-9,8 В, которое поступает на электронную плату 12, основная функция которой – зарядка аккумуляторной батареи 13, работающей в буферном режиме с уровнем напряжение 7,4 – 8,4 В. Электронная плата 12 преобразует постоянное напряжение аккумуляторной батареи 13 для обеспечения порта USB 14 стабилизированным выходным напряжением 5,25 В. Максимальный ток нагрузки составляет 3 А. Для зарядки аккумуляторов телефонов сотовой связи, смартфонов, планшетов использован разъем USB 14 версии 2.0 с уровнем выходного напряжения в пределах 5,2 – 5,25 В. Электронная плата 12 выполнена на плате с алюминиевой подложкой, что позволяет длительное время обеспечивать выходной ток до 2 А без дополнительного теплоотвода. Электронная плата 12 также имеет тепловую защиту и ограничение по выходному току от 3 до 4 А, а выходное напряжение не может превышать напряжение на входе. С помощью кнопки включения/выключения питания 16, подключенной к электронной плате 12 и аккумуляторной батареи 13 происходит управление освещением во внутридомовом пространстве, которое обеспечивается светодиодной лампой LED 15 на основе маломощных светодиодных светильников. Входное напряжение электронной платы 12 составляет не более 40 В, выходное напряжение 1,2 – 37 В, частота преобразования электрического тока составляет 150 КГц, электрическая эффективность при напряжении на входе 25 В, напряжении на выходе 12 В и электрическом токе на выходе 3 А составляет 90 %, затенение светового проёма оконной створки фотоэлектрическими преобразователями 1 составляет 37 %, вес оконной створки составляет 15 кг. Пиковой мощности фотоэлектрических преобразователей 1 должно хватить для поддержания заряда аккумуляторной батареи 13 на уровне не менее 1/3 ёмкости в течение светового дня даже в условиях пасмурной погоды.