Солнечная гибридная энергетическая установка для зданий
SOLAR HYBRID POWER INSTALLATION FOR BUILDINGS

Изобретение относится к гелиоархитектуре и гелиоэнергетике, в частности к солнечным энергетическим установкам для зданий для получения электрической энергии и теплоты.
Известны солнечные здания, снабженные устройствами для тепло- и электроснабжения, приготовления горячей воды за счет преобразования энергии Солнца. В качестве таких устройств используют солнечные коллекторы и фотоэлектрические модули, которые встраивают в ограждающие конструкции здания, в стены и крышу (Энергоактивные здания. Под редакцией Э.В. Сарнацкого и Н.П. Селиванова, М., Стройиздат 1988, стр. 59-347).
Недостатком известных солнечных энергетических установок является низкая концентрация солнечного излучения в солнечных коллекторах и фотоэлектрических модулях, встроенных в ограждающие конструкции здания, и, как следствие, низкая температура теплоносителей в солнечном коллекторе, высокая стоимость солнечных фотоэлектрических модулей.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является солнечный дом, содержащий ограждающие конструкции стен и крышу со встроенными солнечными модулями из скоммутированных солнечных элементов в стеклянной защитной оболочке, на поверхности крыши установлены в несколько рядов в меридиональном направлении двухсторонние солнечные модули с ориентацией рабочих поверхностей на восток и запад, каждый модуль выполнен из скоммутированных параллельно групп солнечных элементов с двухсторонней рабочей поверхностью, каждая группа солнечных элементов состоит из последовательно скоммутированных в меридиональном направлении солнечных элементов и снабжена диодом, на верхних и нижних торцах двухсторонних солнечных модулей закреплены в тепловом контакте со стеклянной защитной оболочкой трубы для прокачки теплоносителя, соединенные с контуром горячего водоснабжения и отопления солнечного дома, на поверхности крыши вокруг двухсторонних солнечных модулей установлены отражатели солнечного излучения (патент РФ № 2694066, МПК H02S 10/00, F24J  2/42,  F24J  2/18,  опубл. 09.07.2019 г., Бюл. 19).
Недостатком известного солнечного дома низкий коэффициент полезного действия солнечных модулей, большая материалоемкость.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение КПД солнечной гибридной энергетической установки для зданий, снижение стоимости получаемой электроэнергии и теплоты.
В результате использования предлагаемого изобретения увеличивается производство электроэнергии и теплоты и увеличивается время работы солнечных модулей в утренние и вечерние часы, повышается коэффициент использования установленной мощности, увеличивается эффективность преобразования солнечной энергии, снижаются тепловые потери, увеличивается среднегодовая выработка тепловой энергии, снижается ее себестоимость за счет того, что односторонние солнечные модули установлены попарно с зазором между ними, в зазоре между модулями установлен теплообменник с двусторонним абсорбером, пространство между двумя солнечными модулями и двусторонним абсорбером с каналами для прокачки теплоносителя заполнено слоем силиконового геля.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемой солнечной гибридной энергетической установке для зданий, содержащей  установленные параллельно поверхности крыши здания отражатели солнечного излучения и перпендикулярно поверхности крыши солнечные модули из скоммутированных солнечных элементов с ориентацией рабочих поверхностей на восток и запад, согласно изобретению, односторонние солнечные модули установлены попарно с зазором d между ними, в зазоре между модулями установлен теплообменник с двусторонним абсорбером, пространство между двумя солнечными модулями и двусторонним абсорбером с каналами для прокачки теплоносителя заполнено слоем силиконового геля, толщина слоя силиконового геля и двухстороннего абсорбера соизмерима с толщиной d зазора между солнечными модулями.
В варианте солнечной гибридной  энергетической установки для зданий двусторонний абсорбер выполнен в форме змеевика из пластиковых труб для прокачки теплоносителя.
В другом варианте солнечной гибридной энергетической установке для зданий двусторонний абсорбер выполнен в виде змеевика и гофрированной металлической трубы для прокачки теплоносителя.
Еще в одном варианте солнечной гибридной энергетической установке для зданий двусторонний абсорбер выполнен в виде герметичной камеры с каналами для прокачки теплоносителя.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид солнечной гибридной энергетической установке для зданий, на фиг. 2 представлено поперечное сечение солнечного модуля, в котором двусторонний абсорбер выполнен в форме змеевика из пластиковых труб для прокачки теплоносителя, на фиг. 3 представлено поперечное сечение солнечного модуля, в котором двусторонний абсорбер выполнен в виде герметичной камеры с каналами для прокачки теплоносителя.
Солнечная гибридная энергетическая установка для зданий содержит здание 1, ограждающие конструкции стен 2, крышу 3, на поверхности крыши 3 установлены в несколько рядов 4  в меридиональном направлении солнечные модули 5 с ориентацией рабочих поверхностей на восток и запад, на поверхности крыши 3 вокруг солнечных модулей 5 параллельно поверхности крыши 3 установлены зеркальные отражатели 6 солнечного излучения 7.
На фиг. 2 представлено поперечное сечение солнечных модулей 5 устанавливаемых попарно с зазором d между ними, которые состоят из защитного стеклянного покрытия 8, последовательно скоммутированных электроизолированных с помощью слоя силиконового геля 9 солнечных элементов 10, размещенных в одном корпусе 11 с двусторонним абсорбером 12 и с защитным стеклянным покрытием 8. Двусторонний абсорбер 12 выполнен в виде змеевика из пластиковых труб 13 для прокачки теплоносителя 14.
На фиг. 3 представлено поперечное сечение солнечных модулей  5,  устанавливаемых попарно с зазором d между ними, которые состоят из защитного стеклянного покрытия 8, последовательно скоммутированных электроизолированных с помощью слоя силиконового геля 9 солнечных элементов 10, размещенных в одном корпусе 11 с двусторонним абсорбером 12 и с защитным стеклянным покрытием 8. Двусторонний абсорбер 12 выполнен в виде герметичной камеры с каналами 15 для прокачки теплоносителя 14.
Солнечная гибридная энергетическая установка для зданий работает следующим образом.
На восходе солнечное излучение 7 освещает восточную сторону солнечных модулей 5 (фиг. 1). Одновременно на восточную сторону поступает солнечное излучение 7, отраженное от зеркальных отражателей 6. На закате солнечные модули 5 преобразуют в электрическую и тепловую энергию солнечное излучение 6, поступающее от Солнца и отраженное зеркальными отражателями 6 на западную сторону солнечных модулей 5.
Солнечные элементы 10 (фиг. 2, 3) расположены непосредственно на поверхности двустороннего абсорбера 12 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 14 в трубах 13 (фиг. 2) и каналах 15 (фиг. 3) двустороннего абсорбера 12. Теплоноситель 14, циркулируя по трубам 13 (фиг. 2) и каналам 15 (фиг. 3) двустороннего абсорбера 12, охлаждает солнечные элементы 10, за счет чего растет эффективность их работы, увеличивается общий КПД солнечной гибридной энергетической установки увеличивается суммарная выработка электроэнергии, а нагретый теплоноситель 14 используется потребителем.
Пример выполнения солнечной гибридной энергетической установки для зданий.
Солнечные модули 5 в солнечной гибридной энергетической установке для зданий установлены в шесть рядов 4 в вертикальной плоскости, ориентированной в меридиональном направлении «юг-север». Рабочие поверхности солнечных модулей 5 ориентированы на запад и восток. Размеры солнечных модулей 5: высота 0,6 м, длина 3 м.
В таблице 1 представлены результаты компьютерного моделирования электрической энергии, вырабатываемой солнечной гибридной энергетической установкой для зданий 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 солнечного модуля 5 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
Защитное покрытие 8 солнечных модулей выполнено из закаленного стекла толщиной 2 мм с герметизацией солнечных элементов 10 силиконовым гелем 9. Двусторонний абсорбер 12 выполнен в виде змеевика из гофрированных труб 13 из нержавеющей стали диаметром 20 мм для прокачки теплоносителя 14.
Пиковая электрическая мощность солнечного дома составляет 50 кВт, тепловая – 100 кВт.
Использование солнечной гибридной энергетической установки для энергоснабжения зданий пиковой мощностью 1 кВт с вертикальными солнечными модулями с ориентацией рабочих поверхностей на восток-запад, позволяет увеличить производство электрической энергии до 2449,2 кВт·ч, а производство тепловой энергии до 4898,4 кВт·ч на 1 кВт пиковой мощности солнечной гибридной энергетической установки, что является максимально возможной величиной производства электрической и тепловой энергии для солнечных гибридных энергетических установок без систем слежения.