RU2742680C1 - Window sash with a built-in photovoltaic module with extended service life and a method of its manufacture - Google Patents
Window sash with a built-in photovoltaic module with extended service life and a method of its manufacture Download PDFInfo
- Publication number
- RU2742680C1 RU2742680C1 RU2020130788A RU2020130788A RU2742680C1 RU 2742680 C1 RU2742680 C1 RU 2742680C1 RU 2020130788 A RU2020130788 A RU 2020130788A RU 2020130788 A RU2020130788 A RU 2020130788A RU 2742680 C1 RU2742680 C1 RU 2742680C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- photovoltaic
- translucent
- electrical
- photovoltaic module
- window
- Prior art date
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 title description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims abstract description 22
- -1 polysiloxane Polymers 0.000 claims abstract description 18
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 claims abstract description 18
- 239000002985 plastic film Substances 0.000 claims abstract description 14
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims abstract description 11
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims abstract description 7
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 claims abstract description 5
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims abstract description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 14
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 229940126214 compound 3 Drugs 0.000 description 9
- 238000013461 design Methods 0.000 description 9
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 239000005357 flat glass Substances 0.000 description 4
- 239000000499 gel Substances 0.000 description 4
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 4
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 4
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- DQXBYHZEEUGOBF-UHFFFAOYSA-N but-3-enoic acid;ethene Chemical compound C=C.OC(=O)CC=C DQXBYHZEEUGOBF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000005038 ethylene vinyl acetate Substances 0.000 description 3
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 3
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- 229920001200 poly(ethylene-vinyl acetate) Polymers 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 2
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000002910 rare earth metals Chemical class 0.000 description 2
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 2
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical class [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 206010034972 Photosensitivity reaction Diseases 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000000484 butyl group Chemical group [H]C([*])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])[H] 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 150000004820 halides Chemical class 0.000 description 1
- 238000003306 harvesting Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 230000036211 photosensitivity Effects 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 description 1
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 description 1
- 230000003449 preventive effect Effects 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 239000000565 sealant Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 229920001169 thermoplastic Polymers 0.000 description 1
- 239000004416 thermosoftening plastic Substances 0.000 description 1
- 239000005341 toughened glass Substances 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000000411 transmission spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000001429 visible spectrum Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E06—DOORS, WINDOWS, SHUTTERS, OR ROLLER BLINDS IN GENERAL; LADDERS
- E06B—FIXED OR MOVABLE CLOSURES FOR OPENINGS IN BUILDINGS, VEHICLES, FENCES OR LIKE ENCLOSURES IN GENERAL, e.g. DOORS, WINDOWS, BLINDS, GATES
- E06B9/00—Screening or protective devices for wall or similar openings, with or without operating or securing mechanisms; Closures of similar construction
- E06B9/24—Screens or other constructions affording protection against light, especially against sunshine; Similar screens for privacy or appearance; Slat blinds
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/02—Details
- H01L31/0203—Containers; Encapsulations, e.g. encapsulation of photodiodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/02—Details
- H01L31/024—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
- H02S10/00—PV power plants; Combinations of PV energy systems with other systems for the generation of electric power
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
- H02S20/00—Supporting structures for PV modules
- H02S20/20—Supporting structures directly fixed to an immovable object
- H02S20/22—Supporting structures directly fixed to an immovable object specially adapted for buildings
- H02S20/26—Building materials integrated with PV modules, e.g. façade elements
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
- Y02B10/00—Integration of renewable energy sources in buildings
- Y02B10/10—Photovoltaic [PV]
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Architecture (AREA)
- Civil Engineering (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
Description
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.The invention relates to the field of solar energy, in particular to photovoltaic modules built into structural elements of buildings and structures and serving to convert solar radiation into electrical energy for power supply of buildings in an autonomous mode or parallel to the existing electrical network.
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).Known window sashes, in the design of which rare-earth phosphors are used, which perform the function of converting ultraviolet radiation of the solar spectrum into the near infrared region for photoelectric conversion by CuInSe2 elements (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).
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/м2), 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.Authors proposed design has several disadvantages - only 70% of the visible spectrum extends through a window, which significantly reduces the space illuminance, output electric power is very small (30 W / m 2), and it will suffice for only low power LED lighting; the service life of the phosphor and photoelectric converters is less than the service life of the window sash itself, which will require replacing the power generating part or the sash itself after the degradation of the built-in power generating elements. Also, the use of rare earth phosphors and non-silicon photovoltaic converters damages the environment during the extraction, manufacture and use of such structural elements.
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).Known casements, in the design of which perovskites of various compositions are used, with which thermochromic transformation occurs under the influence of solar radiation. The light transmission of the window in which the perovskites are located is reduced, and the absorbed solar energy is converted into electrical energy using perovskites (Jia Lin, Minliang Lai, Letian Dou, S. Ch. Kley, Hong Chen, Fei Peng, Junliang Sun, Dylan Lu, SA Hawks, Chenlu Xie, Fan Cui A, P. Alivisatos, DT 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).The disadvantages of this technology are the low conversion efficiency of solar radiation (about 7%), as well as the short service life of perovskites at long cyclic periods of operation and high temperatures. Further studies are also needed to confirm the absence of degradation during prolonged solar exposure of perovskites and residual phenomena in the absence of solar radiation (decrease in transmission in cloudy weather).
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.Window sashes are known where silicon photovoltaic converters are placed around the perimeter of the window frame (PHYSEE, https://www.physee.eu/products#powerwindow). The electrical energy generated by photovoltaic converters in this particular case is used to ensure environmental monitoring and during the additional installation of equipment for darkening the window glass in order to reduce its transmission capacity.
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.The main disadvantage of the window sash under consideration is the service life of photovoltaic converters sealed according to the standard technology and included in its composition, in which, after 10 years of operation, the electrical efficiency will drop. In addition, the disadvantage of the considered design is the low power of the photoelectric converters, since they are located exclusively on the surface of the narrow frame-profile of the window sash, the area of which is small. The power of the photovoltaic system is not enough to charge devices in an autonomous mode, which is not provided for in the device under consideration. Also, a decrease in the electrical efficiency of photovoltaic converters will occur in the evening and morning hours, since on the vertical racks of the frame, photovoltaic converters are located at angles to the surface of the window glass (with an inclination inward), which will lead to their shading, and without that small electrical power will begin to decrease ...
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.The closest in technical essence to the invention (prototype) is a solar photovoltaic module and a method for its manufacture (RF patent No. 2431786). The solar photovoltaic module under consideration uses photovoltaic converters located between two glasses, the space between which is filled with an optical medium in the form of a low-modulus polysiloxane gel, which increases the rated power of the photovoltaic converters.
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.The disadvantage of the photovoltaic module under consideration is the absence of a structural profile, due to which it can be attached to various surfaces, including installation on the surface of buildings, and even more so installation in window openings. Also, the photovoltaic module under consideration cannot be built into the transparent structure of buildings due to its high thermal conductivity, which will lead to significant heat losses and the need for additional heating or cooling of the interior space of the building. The thermal conductivity of the used sealant, a polysiloxane compound, is significantly higher than the thermal conductivity of air, which is used for thermal insulation in the construction of solar modules. The next disadvantage is the lack of a built-in electrical system in the module design, which allows the consumer to be supplied with power independently, including the power supply of lighting devices and other low-power electrical devices. Such a system is implemented on the basis of standard battery charging circuits, which is especially important for remote consumers that do not have a centralized power supply.
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.The technical objective of the present invention is the conversion of solar radiation into electrical energy for the purpose of power supply of buildings in an autonomous mode or in parallel with the existing electrical network due to the mounting of the considered photovoltaic module in window blocks, as well as in other structural elements of buildings and structures.
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).As a result of the use of the invention under consideration, it becomes possible to autonomous and parallel with the power supply network of buildings using a translucent and heat-insulating structure, placed in the form of a window sash in a window opening, which includes a polysiloxane compound, which increases the service life of photovoltaic converters to the level of service life of the window sash frame ( Poulek V., Strebkov DS, Persic IS, Libra M., “Towards 50 years lifetime of PV panels laminated with gel technology”, Solar Energy, vol. 86. pp. 3103–3108, 2012) when the built-in electrical components of the sash allow to generate electrical energy, which can be used for lighting and autonomous power supply of low-power electrical devices or sent to the electrical network (including using buffer accumulators of electricity).
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.The above technical result is achieved by the fact that the photovoltaic module, sealed with photovoltaic cells and a polysiloxane compound, according to the invention is equipped with a frame in the form of a window profile for subsequent installation in a window opening, which is equipped with electronics and batteries that allow autonomous power supply of electrical devices, independently illuminate the room , as well as the coordinated transfer of the generated electrical energy into the existing electrical network, and the additional rear glazing forms an air cavity, which provides high heat and cold insulation of the interior space located outside the window.
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).The invention is illustrated by drawings, where FIG. 1 is a general diagram of a sash with an integrated photovoltaic module with an extended service life, and FIG. 2 - an example of the manufacture of a window sash with a built-in photovoltaic module with an extended service life (left - view from the outside; right - view from the inside).
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).A window sash with a built-in photovoltaic module with an extended service life consists of
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.A distinctive feature of the photovoltaic module under consideration is its location in the
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.A significant advantage of the considered design of the photovoltaic module built into the
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 2,5·10-4 К-1 и 4·10-4 К-1, а модуль Юнга (упругости) 0,006 Н/мм2 и 10 Н/мм2.The
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).The reflection coefficient from the structure "translucent glass 4 - polysiloxane compound 3 -
Работает предлагаемая оконная створка со встроенным фотоэлектрическим модулем с увеличенным сроком службы следующим образом.The proposed window sash with a built-in photovoltaic module with extended service life works as follows.
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.A method of manufacturing a window sash with a built-in photovoltaic module with increased service life.
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.As
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020130788A RU2742680C1 (en) | 2020-09-18 | 2020-09-18 | Window sash with a built-in photovoltaic module with extended service life and a method of its manufacture |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020130788A RU2742680C1 (en) | 2020-09-18 | 2020-09-18 | Window sash with a built-in photovoltaic module with extended service life and a method of its manufacture |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2742680C1 true RU2742680C1 (en) | 2021-02-09 |
Family
ID=74554422
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020130788A RU2742680C1 (en) | 2020-09-18 | 2020-09-18 | Window sash with a built-in photovoltaic module with extended service life and a method of its manufacture |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2742680C1 (en) |
Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN100336210C (en) * | 2002-02-01 | 2007-09-05 | 壳牌阳光有限公司 | Barrier layer made of a curable resin containing polymeric polyol |
US20100275537A1 (en) * | 2003-08-12 | 2010-11-04 | V Tech Patents Llc | Window-Containing Assemblies Having a Molded Plastic Frame |
DE202007019352U1 (en) * | 2006-08-30 | 2012-01-31 | E.I. Du Pont De Nemours And Company | Solar cell modules comprising poly (allylamine) and poly (vinylamine) primed polyester films |
US8534006B2 (en) * | 2002-05-02 | 2013-09-17 | Hussmann Corporation | Merchandisers having anti-fog coatings and methods for making the same |
RU2576072C2 (en) * | 2014-06-17 | 2016-02-27 | Дмитрий Семенович Стребков | Solar module with concentrator and method of making same |
US20180212552A1 (en) * | 2017-01-26 | 2018-07-26 | Face International Corporation | Energy harvesting methods for providing autonomous electrical power to building structures and electrically-powered devices in the building structures |
JP6457554B2 (en) * | 2014-02-10 | 2019-01-23 | サン−ゴバン グラス フランス | Luminous glazing assembly |
RU2699274C2 (en) * | 2015-05-26 | 2019-09-04 | ГАРДИАН ГЛАСС, ЭлЭлСи | Glazing with heat flow sensor and method for production thereof |
-
2020
- 2020-09-18 RU RU2020130788A patent/RU2742680C1/en active
Patent Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN100336210C (en) * | 2002-02-01 | 2007-09-05 | 壳牌阳光有限公司 | Barrier layer made of a curable resin containing polymeric polyol |
US8534006B2 (en) * | 2002-05-02 | 2013-09-17 | Hussmann Corporation | Merchandisers having anti-fog coatings and methods for making the same |
US20100275537A1 (en) * | 2003-08-12 | 2010-11-04 | V Tech Patents Llc | Window-Containing Assemblies Having a Molded Plastic Frame |
DE202007019352U1 (en) * | 2006-08-30 | 2012-01-31 | E.I. Du Pont De Nemours And Company | Solar cell modules comprising poly (allylamine) and poly (vinylamine) primed polyester films |
JP6457554B2 (en) * | 2014-02-10 | 2019-01-23 | サン−ゴバン グラス フランス | Luminous glazing assembly |
RU2576072C2 (en) * | 2014-06-17 | 2016-02-27 | Дмитрий Семенович Стребков | Solar module with concentrator and method of making same |
RU2699274C2 (en) * | 2015-05-26 | 2019-09-04 | ГАРДИАН ГЛАСС, ЭлЭлСи | Glazing with heat flow sensor and method for production thereof |
US20180212552A1 (en) * | 2017-01-26 | 2018-07-26 | Face International Corporation | Energy harvesting methods for providing autonomous electrical power to building structures and electrically-powered devices in the building structures |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR100796245B1 (en) | High- efficiency automatic twofolded-window for building integrated photovoltaic system | |
JP5367575B2 (en) | Solar energy collector | |
ES2346358T3 (en) | PHOTOVOLTAIC PLANT. | |
Benson et al. | Design goals and challenges for a photovoltaic-powered electrochromic window covering | |
WO2005074039A1 (en) | Solar battery module and photovoltaic generation device | |
KR101136113B1 (en) | A photo-voltaic blind having fluid path for cooling | |
KR102255573B1 (en) | Solar module | |
US11658607B2 (en) | Building-integrated photovoltaic apparatus, in particular for windows and the like, a method and a slat for said apparatus | |
RU2313642C1 (en) | Solar battery made as an integral part of building structure | |
CN107195715B (en) | Solar photovoltaic module and building curtain wall | |
RU2742680C1 (en) | Window sash with a built-in photovoltaic module with extended service life and a method of its manufacture | |
CN218387341U (en) | Building photovoltaic integrated power generation device | |
CN216597610U (en) | High resistant photovoltaic sunshading board of waiting | |
Chatten et al. | Luminescent and geometric concentrators for building integrated photovoltaics | |
CN210073875U (en) | Solar curtain wall assembly and solar curtain wall | |
CN109972989A (en) | Solar power generation window | |
RU178288U1 (en) | Window type device | |
CN106703605A (en) | Detachable inwards opened hollow glass embedded photovoltaic window shade | |
KR20170052125A (en) | A blind integrated solar panels | |
CN108831949A (en) | A kind of solar panels with logic optical glass | |
AU2011101100A4 (en) | Solar Window Glass | |
KR102660795B1 (en) | Solar cell module | |
Salem | Building Integrated Photovoltaic, BIPV, System: Design and Simulation for an Educational Building | |
CN214573034U (en) | Photovoltaic power generation ceramic tile | |
KR102380600B1 (en) | Solar energy generating windows |