WO2017168277A1 - Гибридная кровельная солнечная панель - Google Patents

Гибридная кровельная солнечная панель Download PDF

Info

Publication number
WO2017168277A1
WO2017168277A1 PCT/IB2017/051470 IB2017051470W WO2017168277A1 WO 2017168277 A1 WO2017168277 A1 WO 2017168277A1 IB 2017051470 W IB2017051470 W IB 2017051470W WO 2017168277 A1 WO2017168277 A1 WO 2017168277A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
solar panel
hybrid
housing
roofing
roof
Prior art date
Application number
PCT/IB2017/051470
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Анатолий Иванович КИРСАНОВ
Дмитрий Семенович СТРЕБКОВ
Владимир Анатольевич ПАНЧЕНКО
Original Assignee
Анатолий Иванович КИРСАНОВ
Дмитрий Семенович СТРЕБКОВ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Анатолий Иванович КИРСАНОВ, Дмитрий Семенович СТРЕБКОВ filed Critical Анатолий Иванович КИРСАНОВ
Priority to EP17773387.0A priority Critical patent/EP3439169A4/en
Publication of WO2017168277A1 publication Critical patent/WO2017168277A1/ru

Links

Images

Classifications

    • 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
    • H01L31/04—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 adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/054—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
    • H01L31/0543—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means comprising light concentrating means of the refractive type, e.g. lenses
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S20/00—Solar heat collectors specially adapted for particular uses or environments
    • F24S20/60—Solar heat collectors integrated in fixed constructions, e.g. in buildings
    • F24S20/69—Solar heat collectors integrated in fixed constructions, e.g. in buildings in the form of shingles or tiles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S23/00—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
    • F24S23/10—Prisms
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S23/00—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
    • F24S23/70—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors
    • F24S23/74—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors with trough-shaped or cylindro-parabolic reflective surfaces
    • 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
    • H01L31/04—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 adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/054—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
    • H01L31/0547—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means comprising light concentrating means of the reflecting type, e.g. parabolic mirrors, concentrators using total internal reflection
    • 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
    • H02S20/23—Supporting structures directly fixed to an immovable object specially adapted for buildings specially adapted for roof structures
    • H02S20/25—Roof tile elements
    • 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
    • H02S40/00—Components or accessories in combination with PV modules, not provided for in groups H02S10/00 - H02S30/00
    • H02S40/40—Thermal components
    • H02S40/44—Means to utilise heat energy, e.g. hybrid systems producing warm water and electricity at the same time
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S10/00—Solar heat collectors using working fluids
    • 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
    • H01L31/04—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 adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/042—PV modules or arrays of single PV cells
    • 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
    • H02S10/30—Thermophotovoltaic systems
    • 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
    • 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
    • Y02B10/20—Solar thermal
    • 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
    • Y02B10/70—Hybrid systems, e.g. uninterruptible or back-up power supplies integrating renewable energies
    • 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
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • 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
    • Y02E10/52—PV systems with concentrators
    • 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
    • Y02E10/60—Thermal-PV hybrids
    • 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
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P80/00—Climate change mitigation technologies for sector-wide applications
    • Y02P80/10—Efficient use of energy, e.g. using compressed air or pressurized fluid as energy carrier
    • Y02P80/15—On-site combined power, heat or cool generation or distribution, e.g. combined heat and power [CHP] supply

Definitions

  • the invention relates to a roofing device panels for roofs of buildings and structures with built-in solar modules.
  • Famous roofing panel with solar a battery including a support base in the form of curved surface with a solar semiconductor photovoltaic battery converters with electric current collection cable.
  • Solar the battery is located on a recessed relative to the top the surface of the base to a depth of 20 mm flat pad and sewn to the top surface of the base sealing curing composition with a level light transmission of at least 30% in the range the work of the solar battery (Pat. RF No. 2194827, publ. 20.12.2002).
  • the disadvantage of the known roofing panel is a large consumption of semiconductor material for photoconverters and low power solar panels due to optical loss in the sealing composition.
  • the known roofing solar panel company “HEDA Solar” PRC
  • HEDA Solar PRC
  • the roofing solar panel has a protective coating of tempered glass and an electric power of 8-20 W, an operating voltage of 1-2 V, depending on the number of connected solar cells (Prospectus of the company “HEDA Solar” )
  • the hub is made in the form of an asymmetric reflector, consisting of two different parts, separated by a plane of symmetry passing through apex and focal axis of the reflector, most of which reflector made in the form of half parabolic cylindrical (hereinafter - semi-parabolic) reflector, and a smaller part - in the form of a circular cylindrical reflector with radius equal to the distance from the focal axis to the apex semi-para-cylindrical reflector, focal axis shifted to one side of the guard parallel to its base, and coincides with the edge of the strip radiation receiver.
  • - semi-parabolic half parabolic cylindrical
  • the disadvantage of the famous solar module is the need to install on a roof under a sunny roofing module to protect buildings and structures from external influences, which increases the cost of buildings and structures.
  • a known roofing solar panel mounted on the roof of a building or structure the normal to the roof surface is in the meridional plane, containing a housing with an internal cavity with a protective coating on the working surface, which receives solar radiation with an entrance angle of rays ⁇ 0 , and receivers from commutated solar elements, in the cavity of the housing 1, under the protective coating, a composite hub is installed, made in the form of a deflecting optical system transparent to radiation from a variety of prisms with an acute angle ⁇ between the entrance and exit surfaces of the rays and several semi-parabolic cylindrical reflectors with a parametric angle ⁇ having the entry and exit surfaces of the beams, the focal regions of all the semi-parabolic cylindrical reflectors are shifted to the lower or upper side of the roofing solar panel, and the radiation detectors from the connected solar cells are mounted parallel to the focal axis and perpendicular to the plane of the roofing solar panel between the focal axis and the mirror coating of each semi-parabol ilindricheskogo specular
  • a known hybrid photovoltaic module for generating electric and thermal energy comprising a protective glass coating, connected solar cells placed between the glass and the housing with a heat exchanger, the solar cells are insulated from the heat exchanger, the space between the solar cells and the heat exchanger, and also between the glass coating and the heat exchanger is filled with a layer siloxane gel with a thickness of 0.5-5 mm, a protective glass coating is made in the form of a vacuum glass from two glasses with a vacuum gap of 0.1-0.2 mm with a vacuum of 10 -3 - 10 -5 mm RT.
  • the heat exchanger is made in the form of a sealed chamber with nozzles for circulation of the coolant, and the total area of the connected solar cells is commensurate with the area of the upper base of the heat exchanger body (US Pat. RF No. 2546332, published on 04/10/2015).
  • a disadvantage of the known module is the large consumption of solar cells and heat exchanger materials and low coolant temperature in lighting non-concentrated solar radiation.
  • the objective of the invention is to create hybrid roofing solar panel with high optical efficiency and low semiconductor consumption material and low cost in production electric and thermal energy.
  • the technical result is to increase solar energy efficiency in roofing solar panel and in cost reduction receiving electric energy and heat.
  • the specified technical result is achieved in that in a hybrid roofing solar panel mounted on the roof of the building, while the normal to the roof surface is in the meridional plane containing the housing and a protective coating on the working surface, made in the form of an optical deflecting system from a set of prisms, on which solar radiation with a beam entry angle ⁇ 0 , a semi-parabolic cylindrical reflector and a radiation receiver in the form of a strip mounted between the focal axis and the top of the semi-parabolic of an index reflector, the radiation receiver is made in the form of a hybrid cogeneration solar photovoltaic module with a second protective coating installed at an angle of ⁇ 90 ° to the protective coating of the hybrid roofing solar panel, the second protective coating and the housing of the hybrid roofing solar panel form a sealed cavity filled with polysiloxane gel, in which the receiver of radiation from the connected solar cells is placed, the outer wall of the housing from the side of the sealed cavity INH channels, which has built-in pipes for pumping coolant housing hybrid roof solar panel
  • pipes for pumping coolant are made in the form of metal pipes for heated floors with a thermal conductivity of at least
  • a hybrid roofing solar panel tubes for pumping coolant made of metal inside the case and metal outside the body of the hybrid roof solar panel.
  • heat insulation of the body and pipes for pumping the heat carrier is made with liquid paint of the RE-TERM type.
  • the pipe panels for the coolant pumping are installed in horizontal plane over the entire width of the roof and connected to the cases of all installed in the same row hybrid roofing solar panels.
  • a hybrid roofing solar panel tubes for pumping coolant mounted vertically and connected to all installed in one row in a vertical planes of hybrid roofing solar panels.
  • roofing solar panel In a variant of a hybrid roofing solar panel housing roofing solar panel made of thermally conductive plastic.
  • a hybrid roofing solar panel roof solar panel housing made of heat-conducting ceramic.
  • a hybrid roofing solar panel roof solar panel housing made of a heat-conducting mixture of sand and plastic.
  • the internal cavity of the body is molded for placement of a protective coating, semi-para-cylindrical mirror reflector, deflecting optical system and receivers from commutated solar cells.
  • semi-cylindrical mirror reflector have flat molded sections parallel focal axis, and the width of these sections in the meridional planes commensurate with or exceeds the width of the receiver from commutated solar cells.
  • mirror coating semi-parabolic a mirror reflector is made in the form of a metal films with a thickness of 0.1-5 mm, applied to flat molded sections of the internal cavity of the body.
  • a panel for cable connection receivers from commutated solar elements to the junction box that is installed in the body cavity between the semi-parabolic cylindrical mirror reflector on the back of the roof solar panel and is equipped with a conductive cable for switching with other roofing solar panels.
  • the panels on the back side outside the housing are made channels for laying pipes with coolant and conductive cable to the adjacent roofing solar panels.
  • liquid as a heat carrier, for example, water or antifreeze.
  • a hybrid roofing uses air as the heat carrier.
  • FIG. 12 The invention is illustrated in FIG. 12, 3, 4, 5, 6, 7, 8, where in FIG. 1 - general view from the outside hybrid roofing solar panel.
  • FIG. 2 - general view from the back of the panel, in which pipes for coolant pumping installed in horizontal the plane.
  • FIG. 3 is a longitudinal section of a hybrid roofing solar panel in the meridional plane.
  • FIG. 4 optical scheme and beam path in a hybrid roofing solar panel.
  • FIG. 5 installation Hybrid roofing Solar Panel Roof for getting maximum energy in the summer.
  • FIG. 6 installation of a hybrid roofing solar panel for getting maximum energy in the winter.
  • FIG. 7 installation of a hybrid roofing solar panel for generating energy evenly throughout the year.
  • FIG. 8 electrical and hydraulic connections hybrid roofing solar panel for electricity and hot water for buildings.
  • the hybrid roof solar panel in FIG. 1 has a housing 1 in which a cavity 2 is formed, which is sealed on the reverse side (Fig. 2, 3), for accommodating a protective coating 3 of a composite concentrator consisting of an optical deflecting system 4 (Fig. 4) and a semi-parabolic-cylindrical mirror reflector 5, receiver 6 made of commutated solar cells 7 installed between the focal axis 8 and the top 9 poluparabolotsilindricheskogo mirror reflector 5.
  • the second protective coating 10 of glass or transparent plastic receiver 6 is arranged at an angle ⁇ ⁇ 90 ° to the plane of protectively about the coating 3.
  • the second protective coating 10 and the housing 1 of the hybrid roofing solar panel form a second sealed cavity 11 in which the receiver 6 is installed and which is filled with a transparent polysiloxane gel 12.
  • the side walls 13 and 14 of the inner forming cavity 2 of the housing 1 are provided with mirror coatings 15 and 16.
  • the outer wall 17 of the housing 1 from the side of the second sealed cavity 11 contains channels 18, which are embedded pipes 19 with walls of metal or metal for pumping coolant 20.
  • the receiver 6 in the second sealed cavity 11 and the channels 18 with pipes 19 for pumping the coolant 20 form a hybrid photoelectric module, and the outer wall 17 of the casing 1 from the side of the second sealed cavity 11 acts as a radiator for transferring heat from the receiver 6 to the heating medium 20.
  • the hybrid roofing solar panel comprises an electrical junction box 22 and hydraulic connectors 23 for connecting to adjacent hybrid solar roofing panels.
  • Junction box 22 is installed on the back of the housing 1 and has a conductive cable 24 for switching with other roofing solar panels. Outside of the housing 1, channels 25 for laying the cable 24 and channels 18 for laying the pipe 19 with coolant 20 are made on the reverse side 20.
  • the plane of the surface of the entrance of the beams 25 of the optical deflecting system 4 and the plane of the surface of the entrance of the beams 26 of the semi-para-cylindrical mirror reflector 5 are parallel to the plane of the protective coating 3.
  • optical deflection system 4 made of many oriented in one direction of prisms 27 with an acute angle ⁇ between the surface 25 entrance and surface 28 exit rays.
  • FIG. 4 shows the path of the rays in a composite concentrator consisting of a deflecting optical system 4 and a semi-parabolic cylindrical reflector 5, where ⁇ 0 is the angle of entry of the rays on the surface of the entrance 25 into the optical deflecting system 4, ⁇ 1 is the angle of refraction of the rays in the surface of the entrance 25 inside the optical deflecting system 4, ⁇ 2 - the angle between the ray and the normal to the exit surface 28 of rays within the optical deflection system 4, ⁇ 3 - exit angle of rays to exit outside surface 28 of the deflecting optical system 4, ⁇ 4 - entrance angle of rays from pover xnosti input 26 semi-parabolic cylindrical reflector 4.
  • the angles ⁇ 0 , ⁇ 1 , ⁇ 2 , ⁇ 3 and ⁇ 4 are the angles between the directions of the rays and the normal to the corresponding surface. Since the input surfaces 25 and 26 of the rays are parallel, the angle ⁇ 0 , which is responsible for cosine losses, is equal to the angle ⁇ 4 between the direction of the input rays of the semi-parabolic cylinder reflector 5 and the input surface 26 of the semi-parabolic cylinder reflector 5 with a parametric angle ⁇ .
  • the semi-parabolic cylindrical mirror reflector 5 in FIG. 4 is made in the form of a metallized mirror film 29 with a thickness of 0.1-5 mm deposited on the inner surface of the cavity 2 of the housing 1, which contains flat molded sections a on the inner surface of the cavity 2 of the housing 1 parallel to the focal axis 8.
  • the width of the flat sections a in the meridional plane is commensurate with the width d of switched receiver 6 of the solar cells 7, which provides uniform illumination of the receiver 6 and the lack of local overheating of portions of the receiver 6.
  • poluparabolotsilindrichesky erkalny reflector 5 is made of polished aluminum foil.
  • the normal 34 to the surface of the protective coating 3 in the meridional plane is directed to the position of the Sun at noon on June 22 on the day of the summer solstice.
  • the roofing solar panel receives the maximum amount of solar energy in the summer months. With a decrease in the height of the position of the Sun, the amount of incoming solar energy will decrease in proportion to cos ⁇ 0 .
  • roofing solar panels are installed on the southern slope 30 of the roof 31 of building 32 in such a way as to use the maximum amount of incoming solar energy in the winter.
  • the normal 34 to the surface of the protective coating 3 in the meridional plane is directed to the position of the Sun at noon on December 22.
  • the roof of the house has two sections 37 and 38 with different slopes to the horizontal surface.
  • the angles between the direction to the sun and the horizontal surface are equal:
  • metal pipes 19 installed horizontally across the entire width of the southern slope roofs 31 in each row 38 installation of hybrid roofing solar panels.
  • metal pipes 19 When installing hybrid roofing solar panels on the roof 31 metal pipes 19 inserted into the channels 18 on the back side 23 of the housing 1 each panel (Fig. 2, 3, 4) and are fixed in the channel 18 special cover 39 for tight contact metal pipe 19 with a housing 1 of the panel.
  • Metal pipes 19 located horizontally adjacent rows 38 are interconnected in series or parallel to the edges of the roof 31.
  • Input 40 and output the pipe 41 from the pipe system 19 on the roof 31 is connected to storage tank 42 with heat exchanger 43 inside storage tank 42 installed in the building.
  • heat exchanger 43 mounted electric pump 44 powered by hybrid roofing solar panels. From the tank tank 42 hot water enters the building through pipes 46 and 47.
  • Hybrid roofing Solar Panels connected to each other via junction box 22 cable 24 in parallel and in series to obtain voltage 12 V - 96 V and with an inverter 45 for inclusion in electric network. If necessary between panels and an inverter 45 install a battery with charge controller (not shown in FIG. 8).
  • Hybrid roofing solar panel works as follows (Fig. 3). Solar radiation through the protective coating 3 enters at an angle ⁇ 0 to the input surface of the rays 25 of the deflecting optical system 4 from a set of prisms 27 with an acute angle ⁇ with a refractive index n, enters the prism 27 at an angle ⁇ 1 , leaves the prism 27 at an angle ⁇ 3 and enters the input surface 26 of the semi-parabolic-cylindrical mirror reflector 5 at an angle ⁇ 4 , is reflected from the semi-parabolic-cylindrical mirror reflector 5 and enters the receiver 6 under the condition ⁇ 4 ⁇ 90 réelle - 2 ⁇ .
  • the roofing solar panel works in stationary without tracking the sun and collects on receiver 6 direct and diffuse solar radiation in within the aperture angle ⁇ .
  • the receiver 6 has dimensions of 78 ⁇ 624 mm, consists of four silicon solar cells 7 of 78 ⁇ 156 mm in size, connected in parallel.
  • the geometric concentration coefficient k 4.92, cosine losses 4.8%, optical efficiency 80%, receiver efficiency 6 15%.
  • the active area of the roofing solar panel for using solar energy is 0.192 m 2 . Electrical efficiency taking into account optical losses of 10%.
  • Peak electric power is 20 W at illumination of 1 kW / m 2 and a temperature of 25 about .
  • the receiver 6 is made with a heat removal device for generating electricity and hot water or hot air.
  • coolant 20 in the form of hot water an overall efficiency of 40%, the thermal power of 30 W, with a water temperature of 65 C.
  • the annual quantity of solar energy for the Krasnodar region, Anapa supplied to the southern slope of the roof 30, 31, set at an angle of 40 to the horizontal surface is 1680 kWh / m 2 .
  • a hybrid roof solar panel installed on the roof with a total electric power of 1 kW produces 1680 kWh of electric energy and 5040 kWh of thermal energy in the form of hot water per year.
  • a solar module with the hub has small cosine losses, long service life and low cost.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Civil Engineering (AREA)
  • Architecture (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

Изобретение относится к устройству кровельных панелей для крыш зданий и сооружений со встроенными солнечными модулями. Гибридная кровельная солнечная панель установлена на крыше здания и содержит корпус и защитное покрытие на рабочей поверхности, выполненное в виде оптической отклоняющей системы из набора призм, на которую падает солнечное излучение с углом входа лучей β0, полупараболоцилиндрический зеркальный отражатель и приемник излучения в виде полосы, установленной между фокальной осью и вершиной полупараболоцилиндрического зеркального отражателя. Приемник излучения выполнен в виде гибридного когенерационного солнечного фотоэлектрического модуля со вторым защитным покрытием, установленным под углом ≤90° к защитному покрытию гибридной кровельной солнечной панели, второе защитное покрытие и корпус гибридной кровельной солнечной панели образуют герметичную полость, заполненную полисилоксановым гелем, в которой размещен приемник излучения из скоммутированных солнечных элементов, наружная стенка корпуса со стороны герметичной полости содержит каналы, в которых размещены встроенные трубы для прокачки теплоносителя.

Description

ГИБРИДНАЯ КРОВЕЛЬНАЯ СОЛНЕЧНАЯ ПАНЕЛЬ
Изобретение относится к устройству кровельных панелей для крыш зданий и сооружений со встроенными солнечными модулями.
Известна кровельная панель с солнечной батареей, включающая несущее основание в виде криволинейной поверхности с размещенной на нем солнечной батареей на базе полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей с электрокабелем токосъема. Солнечная батарея размещена на утопленной относительно верхней поверхности основания на глубину до 20 мм плоской площадке и зашита до верхней поверхности основания герметизирующей отверждающей композицией с уровнем пропускания светового излучения не менее 30% в диапазоне работы солнечной батареи (Пат. РФ № 2194827, опубл. 20.12.2002).
Недостатком известной кровельной панели является большой расход полупроводникового материала для фотопреобразователей и низкая мощность солнечной батареи из-за оптических потерь в герметизирующей композиции.
Известна кровельная солнечная панель фирмы “HEDA Solar” (КНР), содержащая встроенные солнечные модули из четырех или восьми скоммутированных кремниевых солнечных элементов размером 156×156 мм или 125×125 мм. Кровельная солнечная панель имеет защитное покрытие из закаленного стекла и электрическую мощность 8-20 Вт, рабочее напряжение 1-2 В в зависимости от количества скоммутированных солнечных элементов (Проспект фирмы “HEDA Solar”
Figure PCTXMLIB-appb-I000001
).
Недостатком известной кровельной солнечной панели является большой расход солнечного кремния для солнечных элементов и высокая стоимость.
Известен солнечный модуль с концентратором солнечной энергии, установленный на крыше и фасаде здания, содержаний плоское защитное прозрачное ограждение и установленный на защитном прозрачном ограждении в фокусе линейно-фокусирующего цилиндрического концентратора приемник излучения в виде полосы, концентратор выполнен в виде несимметричного отражателя, состоящего из двух разновеликих частей, разделенных плоскостью симметрии, проходящей через вершину и фокальную ось отражателя, причем большая часть отражателя выполнена в виде половины параболоцилиндрического (в дальнейшем - полупараболоцилиндрического) отражателя, а меньшая часть - в виде кругового цилиндрического отражателя с радиусом, равным расстоянию от фокальной оси до вершины полупараболоцилиндрического отражателя, фокальная ось смещена к одной из сторон защитного ограждения, параллельно его основанию, и совпадает с краем полосы приемника излучения.
Недостатком известного солнечного модуля является необходимость установки на крыше под солнечным модулем кровельного покрытия для защиты зданий и сооружений от внешних воздействий, что увеличивает стоимость зданий и сооружений.
Известна кровельная солнечная панель, установленная на крыше здания или сооружения, нормаль к поверхности крыши находится в меридиональной плоскости, содержащая корпус с внутренней полостью с защитным покрытием на рабочей поверхности, на которую падает солнечное излучение с углом входа лучей β 0, и приемники из скоммутированных солнечных элементов, в полости корпуса 1 под защитным покрытием установлен составной концентратор, выполненный в виде прозрачной для излучения отклоняющей оптической системы из множества призм с острым углом Ψ между поверхностью входа и выхода лучей и нескольких полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей с параметрическим углом δ, имеющих поверхности входа и выхода лучей, фокальные области всех полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей смещены к нижней или верхней стороне кровельной солнечной панели, а приемники излучения из скоммутированных солнечных элементов установлены параллельно фокальной оси и перпендикулярно плоскости кровельной солнечной панели между фокальной осью и зеркальным покрытием каждого полупараболоцилиндрического зеркального отражателя, плоскости поверхности входа лучей отклоняющей оптической системы и плоскости поверхности входа лучей полупараболоцилиндрического зеркального отражателя параллельны плоскости защитного покрытия, а угол входа лучей β 0, острый угол Ψ и коэффициент преломления n материала отклоняющей оптической системы связаны с параметрическим углом δ полупараболоцилиндрического зеркального отражателя следующим соотношением:
Figure PCTXMLIB-appb-I000002
(Пат. РФ № 2557272, опубл. 20.07.2015 г.)
Недостатком известной кровельной солнечной панели является необходимость установки дополнительного солнечного модуля для горячего водоснабжения и отопления зданий.
Известен гибридный фотоэлектрический модуль для получения электрической и тепловой энергии, содержащий защитное стеклянное покрытие, соединенные солнечные элементы, размещенные между стеклом и корпусом с теплообменником, солнечные элементы электроизолированы от теплообменника, пространство между солнечными элементами и теплообменником, а также между стеклянным покрытием и теплообменником заполнено слоем силоксанового геля толщиной 0,5-5 мм, защитное стеклянное покрытие выполнено в виде вакуумированного стеклопакета из двух стекол с вакуумным зазором 0,1-0,2 мм с вакуумом 10 -3 – 10 -5 мм рт. ст., теплообменник выполнен в виде герметичной камеры с патрубками для циркуляции теплоносителя, а общая площадь соединенных солнечных элементов соизмерима с площадью верхнего основания корпуса теплообменника (пат. РФ № 2546332, опубл. 10.04.2015).
Недостатком известного модуля является большой расход солнечных элементов и материалов теплообменника и низкая температура теплоносителя при освещении неконцентрированным солнечным излучением.
Техническая задача
Задачей изобретения является создание гибридной кровельной солнечной панели с высоким оптическим КПД и низким расходом полупроводникового материала и низкой стоимостью при производстве электрической и тепловой энергии.
Технический результат заключается в повышении эффективности использования солнечной энергии в кровельной солнечной панели и в снижении стоимости получения электрической энергии и теплоты.
Решение задачи
Указанный технический результат достигается тем, что в гибридной кровельной солнечной панели, установленной на крыше здания, при этом нормаль к поверхности крыши находится в меридиональной плоскости, содержащей корпус и защитное покрытие на рабочей поверхности, выполненное в виде оптической отклоняющей системы из набора призм, на которую падает солнечное излучение с углом входа лучей β 0, полупараболоцилиндрический зеркальный отражатель и приёмник излучения в виде полосы, установленной между фокальной осью и вершиной полупараболоцилиндрического зеркального отражателя, приёмник излучения выполнен в виде гибридного когенерационного солнечного фотоэлектрического модуля со вторым защитным покрытием, установленным под углом ≤ 90° к защитному покрытию гибридной кровельной солнечной панели, второе защитное покрытие и корпус гибридной кровельной солнечной панели образуют герметичную полость, заполненную полисилоксановым гелем, в которой размещен приемник излучения из скоммутированных солнечных элементов, наружная стенка корпуса со стороны герметичной полости содержит каналы, в которых размещены встроенные трубы для прокачки теплоносителя, корпус гибридной кровельной солнечной панели и трубы за пределами корпуса снабжены теплоизоляцией, гибридная кровельная солнечная панель содержит электрические и гидравлические разъемы для соединения с соседними гибридными кровельными солнечными панелями.
В варианте гибридной кровельной солнечной панели трубы для прокачки теплоносителя выполнены в виде металлопластовых труб для обогреваемых полов с коэффициентом теплопроводности не менее
Figure PCTXMLIB-appb-I000003
В другом варианте гибридной кровельной солнечной панели трубы для прокачки теплоносителя выполнены из металла внутри корпуса и из металлопласта за пределами корпуса гибридной кровельной солнечной панели.
В варианте гибридной кровельной солнечной панели теплоизоляция корпуса и труб для прокачки теплоносителя выполнена жидкой краской типа RE-TERM.
В варианте гибридной кровельной солнечной панели трубы для прокачки теплоносителя установлены в горизонтальной плоскости по всей ширине крыши и соединены с корпусами всех установленных в одном ряду гибридных кровельных солнечных панелей.
В другом варианте гибридной кровельной солнечной панели трубы для прокачки теплоносителя установлены в вертикальной плоскости и соединены с корпусами всех установленных в одном ряду в вертикальной плоскости гибридных кровельных солнечных панелей.
В варианте гибридной кровельной солнечной панели корпус кровельной солнечной панели выполнен из теплопроводящей пластмассы.
В другом варианте гибридной кровельной солнечной панели корпус кровельной солнечной панели выполнен из теплопроводящей керамики.
В другом варианте гибридной кровельной солнечной панели корпус кровельной солнечной панели выполнен из теплопроводящей смеси песка и пластмассы.
В варианте гибридной кровельной солнечной панели внутренняя полость корпуса отформована для размещения защитного покрытия, полупараболоцилиндрического зеркального отражателя, отклоняющей оптической системы и приемников из скоммутированных солнечных элементов.
В варианте гибридной кровельной солнечной панели полупараболоцилиндрический зеркальный отражатель имеют плоские отформованные участки, параллельные фокальной оси, а ширина этих участков в меридиональной плоскости соизмерима или превышает ширину приемника из скоммутированных солнечных элементов.
В варианте гибридной кровельной солнечной панели зеркальное покрытие полупараболоцилиндрического зеркального отражателя выполнено в виде металлической пленки толщиной 0,1-5 мм, нанесенной на плоские отформованные участки внутренней полости корпуса.
В варианте гибридной кровельной солнечной панели полупараболоцилиндрический зеркальный отражатель выполнен из плоских зеркальных фацет, плоскости которых параллельны фокальной оси, а ширина зеркальных фацет в меридиональной плоскости соизмерима или превышает ширину приемника из скоммутированных солнечных элементов.
В варианте гибридной кровельной солнечной панели боковые стенки внутренней формообразующей полости корпуса для размещения полупараболоцилиндрического зеркального отражателя расположены в меридиональной плоскости и снабжены зеркальным отражающим покрытием.
В варианте гибридной кровельной солнечной панели внутри корпуса выполнена панель для кабельного соединения приемников из скоммутированных солнечных элементов к коммутационной коробке, которая установлена в полости корпуса между полупараболоцилиндрическим зеркальным отражателем с обратной стороны кровельной солнечной панели и снабжена токопроводящим кабелем для коммутации с другими кровельными солнечными панелями.
В варианте гибридной кровельной солнечной панели на обратной стороне снаружи корпуса выполнены каналы для прокладки трубы с теплоносителем и токопроводящего кабеля к расположенным рядом кровельным солнечным панелям.
В варианте гибридной кровельной солнечной панели герметичная полость с приемником излучения расположена на крыше в верхней части корпуса, а угол наклона защитного покрытия к горизонтальной поверхности при установке на крыше составляет θ 1 = φ - 23,5 о, где φ - широта местности, а угол между направлением на солнце и горизонтальной поверхностью равен γ  1 = 90 о-θ 1-β 0, где β 0 - угол входа лучей.
В другом варианте гибридной кровельной солнечной панели герметичная полость с приемником излучения расположена на крыше в нижней части корпуса, а угол наклона защитного покрытия к горизонтальной поверхности при установке на крыше составляет θ 2 = φ + 23,5 о, где φ - широта местности, а угол между направлением на солнце и горизонтальной поверхностью равен γ  2 = 90 о-θ 2 + β 0, где β 0 - угол входа лучей.
Еще в одном варианте гибридной кровельной солнечной панели в верхней части крыши герметичная полость с приемником излучения расположена в верхней части корпуса, а угол наклона защитного покрытия к горизонтальной поверхности составляет θ 1 = φ - 23,5 о, а в нижней части крыши герметичная полость с приемником излучения расположена в нижней части корпуса, угол наклона защитного покрытия к горизонтальной поверхности составляет θ 2 = φ + 23,5 о , где φ - широта местности.
В варианте гибридной кровельной солнечной панели в качестве теплоносителя используется жидкость, например, вода или антифриз.
В другом варианте гибридной кровельной солнечной панели в качестве теплоносителя используется воздух.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, где на фиг. 1 – общий вид с наружной гибридной кровельной солнечной панели. На фиг. 2 – общий вид с обратной стороны панели, у которой трубы для прокачки теплоносителя установлены в горизонтальной плоскости. На фиг. 3 – продольное сечение гибридной кровельной солнечной панели в меридиональной плоскости. На фиг. 4 – оптическая схема и ход лучей в гибридной кровельной солнечной панели. На фиг. 5 – установка гибридной кровельной солнечной панели на крыше дома для получения максимальной энергии в летнее время. На фиг. 6 – установка гибридной кровельной солнечной панели для получения максимальной энергии в зимнее время. На фиг. 7 – установка гибридной кровельной солнечной панели для получения энергии равномерно в течение года. На фиг. 8 – электрическая и гидравлическая схема соединений гибридной кровельной солнечной панели для электроснабжения и горячего водоснабжения зданий.
Гибридная кровельная солнечная панель на фиг. 1 имеет корпус 1, в котором сформирована герметичная с обратной стороны (фиг. 2, 3) полость 2 для размещения защитного покрытия 3 составного концентратора, состоящего из оптической отклоняющей системы 4 (фиг. 4) и полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 5, приемника 6 из скоммутированных солнечных элементов 7, установленных между фокальной осью 8 и вершиной 9 полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 5. Второе защитное покрытие 10 из стекла или прозрачного пластика приемника 6 установлено под углом α ≤ 90 о к плоскости защитного покрытия 3. Второе защитное покрытие 10 и корпус 1 гибридной кровельной солнечной панели образуют вторую герметичную полость 11, в которой установлен приемник 6 и которая заполнена прозрачным полисилоксановым гелем 12. Боковые стенки 13 и 14 внутренней формообразующей полости 2 корпуса 1 снабжены зеркальными покрытиями 15 и 16. Наружная стенка 17 корпуса 1 со стороны второй герметичной полости 11 содержит каналы 18, в которых размещены встроенные трубы 19 со стенками из металлопласта или металла для прокачки теплоносителя 20. Корпус 1 панели и трубы 19 за пределами корпуса 1 имеют теплоизоляцию 21. Приемник 6 во второй герметичной полости 11 и каналы 18 с трубами 19 для прокачки теплоносителя 20 образуют гибридный фотоэлектрический модуль, а наружная стенка 17 корпуса 1 со стороны второй герметичной полости 11 выполняет функции радиатора для передачи тепла от приемника 6 к теплоносителю 20. Гибридная кровельная солнечная панель содержит электрическую коммутационную коробку 22 и гидравлические разъемы 23 для соединения с соседними гибридными кровельными солнечными панелями. Коммутационная коробка 22 установлена с обратной стороны корпуса 1 и имеет токопроводящий кабель 24 для коммутации с другими кровельными солнечными панелями. Снаружи корпуса 1 на обратной стороне выполнены каналы 25 для прокладки кабеля 24 и каналы 18 для прокладки трубы 19 с теплоносителем 20. Плоскость поверхности входа лучей 25 оптической отклоняющей системы 4 и плоскость поверхности входа лучей 26 полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 5 параллельны плоскости защитного покрытия 3.
На фиг. 4 оптическая отклоняющая система 4 выполнена из множества ориентированных в одном направлении призм 27 с острым углом Ψ между поверхностью 25 входа и поверхностью 28 выхода лучей.
На фиг. 4 показан ход лучей в составном концентраторе, состоящем из отклоняющей оптической системы 4 и полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 5, где β 0 – угол входа лучей на поверхности входа 25 в оптическую отклоняющую систему 4, β 1 – угол преломления лучей в поверхности входа 25 внутри оптической отклоняющей системы 4, β 2 – угол между лучом и нормалью к поверхности выхода 28 лучей внутри оптической отклоняющей системы 4, β 3 – угол выхода лучей на поверхности выхода 28 снаружи отклоняющей оптической системы 4, β 4 – угол входа лучей у поверхности входа 26 полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 4.
Углы β 0, β 1, β 2, β 3 и β 4 являются углами между направлениями лучей и нормалью к соответствующей поверхности. Поскольку поверхности входа 25 и 26 лучей параллельны, угол β 0, ответственный за косинусные потери, равен углу β 4 между направлением лучей входа в полупараболоцилиндрический зеркальный отражатель 5 и поверхностью входа 26 полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 5 с параметрическим углом δ.
Figure PCTXMLIB-appb-I000004
Полупараболоцилиндрический зеркальный отражатель 5 на фиг. 4 выполнен в виде металлизированной зеркальной пленки 29 толщиной 0,1-5 мм, нанесенной на внутреннюю поверхность полости 2 корпуса 1, которая содержит плоские отформованные участки а на внутренней поверхности полости 2 корпуса 1, параллельные фокальной оси 8. Ширина плоских участков а в меридиональной плоскости соизмерима с шириной d приемника 6 из скоммутированных солнечных элементов 7, что обеспечивает равномерное освещение приемника 6 и отсутствие перегрева локальных участков приемника 6. В варианте конструкции полупараболоцилиндрический зеркальный отражатель 5 выполнен из полированной алюминиевой фольги.
На фиг. 5 кровельные солнечные панели установлены на южном скате 30 крыши 31 здания 32, герметичная полость 11 с приемником излучения расположена на крыше 31 в верхней части корпуса 1, а угол наклона защитного покрытия 3 кровельной солнечной панели к горизонтальной поверхности 33 при установке на крыше 31 составляет θ 1 = φ - 23,5 о, где φ - ширина местности. При этом нормаль 34 к поверхности защитного покрытия 3 в меридиональной плоскости направлена на положение Солнца в полдень 22 июня в день летнего солнцестояния. Угол между направлением на солнце 35 и горизонтальной поверхностью 33 в любой заданный момент времени равен γ  1=90 о-φ-23,75 о-β 0 = 90 о-θ 1-β 0. При такой установке кровельная солнечная панель получает максимальное количество солнечной энергии в летние месяцы. С уменьшением высоты положения Солнца количество поступающей солнечной энергии будет уменьшаться пропорционально соs β 0.
На фиг. 6 кровельные солнечные панели установлены на южном скате 30 крыши 31 здания 32 таким образом, чтобы использовать максимальное количество поступающей солнечной энергии в зимнее время. Герметичная полость 11 с приемником 6 расположена в нижней части корпуса 1, а угол наклона защитного покрытия 3 кровельной солнечной панели к горизонтальной поверхности 33 при установке на крыше 31 составляет θ  2 = φ + 23,5 о. При этом нормаль 34 к поверхности защитного покрытия 3 в меридиональной плоскости направлена на положение Солнца в полдень 22 декабря. Угол между направлением на солнце 36 и горизонтальной поверхностью 33 в любой заданный момент времени равен γ  2 = 90 о - φ + 23,75 о + β 0 = 90 о - θ 2 + β 0.
На фиг. 7 крыша дома имеет два участка 37 и 38 с разным наклоном к горизонтальной поверхности. В верхней части крыши на участке 37 герметичная полость 11 с приемником 6 расположена в верхней части корпуса 1, а угол наклона защитного покрытия к горизонтальной поверхности 33 составляет θ  1 = φ - 23,5 о. В нижней части крыши на участке 38 герметичная полость 11 с приемником излучения 6 расположена в нижней части корпуса 1 гибридной кровельной солнечной панели, а угол наклона защитного покрытия 3 к горизонтальной поверхности 33 составляет θ  2 = φ + 23,5 о. Углы между направлением на солнце и горизонтальной поверхностью равны:
Figure PCTXMLIB-appb-I000005
Такое размещение гибридных кровельных солнечных панелей обеспечивает более равномерное производство электрической энергии и горячей воды в течение года по сравнению с размещением гибридной кровельной солнечной панели на фиг. 5 и 6.
На фиг. 8 металлопластовые трубы 19 установлены горизонтально по всей ширине южного ската крыши 31 в каждом ряду 38 установки гибридных кровельных солнечных панелей. При монтаже гибридных кровельных солнечных панелей на крыше 31 металлопластовые трубы 19 вставляются в каналы 18 с обратной стороны 23 корпуса 1 каждой панели (фиг. 2, 3, 4) и закрепляются в канале 18 специальной крышкой 39 для обеспечения плотного контакта металлопластовой трубы 19 с корпусом 1 панели. Металлопластовые трубы 19 расположенных горизонтально соседних рядов 38 соединены между собой последовательно или параллельно по краям крыши 31. Входной 40 и выходной патрубок 41 от системы труб 19 на крыше 31 соединены с баком-аккумулятором 42 с теплообменником 43 внутри бака-аккумулятора 42, установленным в здании. Для прокачки теплоносителя 20 через панели на выходе теплообменника 43 установлен электрический насос 44, который приводится в действие от гибридных кровельных солнечных панелей. Из бака аккумулятора 42 горячая вода поступает в здание по трубам 46 и 47.
Гибридные кровельные солнечные панели соединены друг с другом через коммутационную коробку 22 кабелем 24 параллельно и последовательно для получения напряжения 12 В- 96 В и с инвертором 45 для включения в электрическую сеть. При необходимости между панелями и инвертором 45 устанавливают аккумуляторную батарею с контроллером заряда (на фиг. 8 не показаны).
Гибридная кровельная солнечная панель работает следующим образом (фиг. 3). Солнечное излучение через защитное покрытие 3 поступает под углом β 0 на поверхность входа лучей 25 отклоняющей оптической системы 4 из набора призм 27 с острым углом Ψ с коэффициентом преломления n, входит в призму 27 под углом β 1, выходит из призмы 27 под углом β 3 и поступает на поверхность входа 26 полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 5 под углом β 4, отражается от полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 5 и поступает на приемник 6 при условии β 4 ≥ 90 о - 2δ.
Косинусные потери за счет отклонения потока солнечного излучения от нормали к поверхности входа лучей 25 полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 5:
Figure PCTXMLIB-appb-I000006
Расчеты по формулам (1)-(7) для δ = 26,1 о приведены в таблице 1.
Figure PCTXMLIB-appb-I000007
Согласно таблице 1 предлагаемая конструкция гибридной кровельной солнечной панели позволяет уменьшить косинусные потери по сравнению с прототипом с 21% (Ψ = 0) до 4,8% при Ψ = 24 о. Эффективный апертурный угол при наличии отклоняющей оптической системы 4 увеличивается с δ до величины
Figure PCTXMLIB-appb-I000008
Для Ψ = 24 о β 0 = 17,8 о, эффективный апертурный угол солнечного модуля с концентратором увеличивается с
Figure PCTXMLIB-appb-I000009
до
Figure PCTXMLIB-appb-I000010
, что при изменении солнечного склонения на 7,83 о в месяц соответствует увеличению продолжительности работы в стационарном режиме с
Figure PCTXMLIB-appb-I000011
месяца до
Figure PCTXMLIB-appb-I000012
месяца.
Коэффициент концентрации солнечного излучения в гибридной кровельной солнечной панели с учетом косинусных потерь равен:
Figure PCTXMLIB-appb-I000013
Кровельная солнечная панель работает в стационарном режиме без слежения за Солнцем и собирает на приемнике 6 прямую и диффузную солнечную радиацию в пределах апертурного угла δ.
Пример выполнения кровельной солнечной панели.
Отклоняющая оптическая система 4 состоит из набора призм 27 с острым углом Ψ = 24°. Угол входа лучей β 0 = 17,8 о, угол β 4 = 37,8 о, апертурный угол δ полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 5 из полированного алюминия δ = 26,1 о. Приемник 6 имеет размеры 78×624 мм, состоит из четырех кремниевых солнечных элементов 7 размером 78×156 мм, соединенных параллельно. Геометрический коэффициент концентрации к = 4,92, косинусные потери 4,8%, оптический КПД 80%, КПД приемника 6 15%. Активная площадь кровельной солнечной панели для использования солнечной энергии равна 0,192 м 2. Электрический КПД с учетом оптических потерь 10%. Пиковая электрическая мощность 20 Вт при освещенности 1 кВт/м 2 и температуре 25 о. Приемник 6 выполнен с устройством отвода тепла для получения электроэнергии и горячей воды или горячего воздуха. При использовании теплоносителя 20 в виде горячей воды общий КПД составит 40%, тепловая мощность 30 Вт, с температурой воды 65 оС. Годовое количество солнечной энергии для Краснодарского края, г. Анапа поступающее на южный скат 30 крыши 31, установленной под углом 40 о к горизонтальной поверхности, составляет 1680 кВт·ч/м 2. Установленная на крыше гибридная кровельная солнечная панель общей электрической мощностью 1 кВт вырабатывает за год 1680 кВт·ч электрической и 5040 кВт·ч тепловой энергии в виде горячей воды.
При стоимости полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей 5 20 долл./м 2, концентрации 4,92, оптическом КПД 0,8 и электрическом КПД 15% стоимость кровельной солнечной панели составит 30 долл., или 1,5 долл.//Вт, при существующей стоимости 3 долл./Вт, т.е. снизится в 2 раза, при этом стоимости составного концентратора и приемника 6 будут примерно равны и составлять по 50% от стоимости кровельной солнечной панели.
По сравнению с прототипом солнечный модуль с концентратором имеет небольшие косинусные потери, большой срок службы и низкую стоимость.

Claims (20)

  1. Гибридная кровельная солнечная панель, установленная на крыше здания, при этом нормаль к поверхности крыши находится в меридиональной плоскости, содержащая корпус и защитное покрытие на рабочей поверхности, выполненное в виде оптической отклоняющей системы из набора призм на которую падает солнечное излучение с углом входа лучей β 0, полупараболоцилиндрический зеркальный отражатель и приёмник излучения в виде полосы, установленной между фокальной осью и вершиной полупараболоцилиндрического зеркального отражателя, отличающаяся тем, что приёмник излучения выполнен в виде гибридного когенерационного солнечного фотоэлектрического модуля со вторым защитным покрытием, установленным под углом ≤ 90° к защитному покрытию гибридной кровельной солнечной панели, второе защитное покрытие и корпус гибридной кровельной солнечной панели образуют герметичную полость, заполненную полисилоксановым гелем, в которой размещен приемник излучения из скоммутированных солнечных элементов, наружная стенка корпуса со стороны герметичной полости содержит каналы, в которых размещены встроенные трубы для прокачки теплоносителя, корпус гибридной кровельной солнечной панели и трубы за пределами корпуса снабжены теплоизоляцией, гибридная кровельная солнечная панель содержит электрические и гидравлические разъемы для соединения с соседними гибридными кровельными солнечными панелями.
  2. Гибридная кровельная солнечная панель по п. 1, отличающаяся тем, что трубы для прокачки теплоносителя выполнены в виде металлопластовых труб для обогреваемых полов с коэффициентом теплопроводности не менее
    Figure PCTXMLIB-appb-I000014
  3. Гибридная кровельная солнечная панель по п. 1, отличающаяся тем, что трубы для прокачки теплоносителя выполнены из металла внутри корпуса и из металлопласта за пределами корпуса гибридной кровельной солнечной панели.
  4. Гибридная кровельная солнечная панель по п. 1, отличающаяся тем, что теплоизоляция корпуса и труб для прокачки теплоносителя выполнена жидкой краской типа RE-TERM.
  5. Гибридная кровельная солнечная панель по п. 1, отличающаяся тем, что трубы для прокачки теплоносителя установлены в горизонтальной плоскости по всей ширине крыши и соединены с корпусами всех установленных в одном ряду гибридных кровельных солнечных панелей.
  6. Гибридная кровельная солнечная панель по п. 1, отличающаяся тем, что трубы для прокачки теплоносителя установлены в вертикальной плоскости и соединены с корпусами всех установленных в одном ряду в вертикальной плоскости гибридных кровельных солнечных панелей.
  7. Гибридная кровельная солнечная панель по п. 1, отличающаяся тем, что корпус кровельной солнечной панели выполнен из теплопроводящей пластмассы.
  8. Гибридная кровельная солнечная панель по п. 1, отличающаяся тем, что корпус кровельной солнечной панели выполнен из теплопроводящей керамики.
  9. Гибридная кровельная солнечная панель по п. 1, отличающаяся тем, что корпус кровельной солнечной панели выполнен из теплопроводящей смеси песка и пластмассы.
  10. Гибридная кровельная солнечная панель по п. 1, отличающаяся тем, что внутренняя полость корпуса отформована для размещения защитного покрытия, полупараболоцилиндрического зеркального отражателя, отклоняющей оптической системы и приемника из скоммутированных солнечных элементов.
  11. Гибридная кровельная солнечная панель по п. 1, отличающаяся тем, что полупараболоцилиндрический зеркальный отражатель имеет плоские отформованные участки, параллельные фокальной оси, а ширина этих участков в меридиональной плоскости соизмерима или превышает ширину приемника из скоммутированных солнечных элементов.
  12. Гибридная кровельная солнечная панель по п. 1 или п. 11, отличающаяся тем, что зеркальное покрытие полупараболоцилиндрического зеркального отражателя выполнено в виде металлической пленки толщиной 0,1-5 мм, нанесенной на плоские отформованные участки внутренней полости корпуса.
  13. Гибридная кровельная солнечная панель по п. 1, отличающаяся тем, что полупараболоцилиндрический зеркальный отражатель выполнен из плоских зеркальных фацет, плоскости которых параллельны фокальной оси, а ширина зеркальных фацет в меридиональной плоскости соизмерима или превышает ширину приемника из скоммутированных солнечных элементов.
  14. Гибридная кровельная солнечная панель по п. 1, отличающаяся тем, что боковые стенки внутренней формообразующей полости корпуса для размещения полупараболоцилиндрического зеркального отражателя расположены в меридиональной плоскости и снабжены зеркальным отражающим покрытием.
  15. Гибридная кровельная солнечная панель по п. 1, отличающаяся тем, что внутри корпуса выполнена панель для кабельного соединения приемника из скоммутированных солнечных элементов к коммутационной коробке, которая установлена в полости корпуса между полупараболоцилиндрическим зеркальным отражателем с обратной стороны кровельной солнечной панели и снабжена токопроводящим кабелем для коммутации с другими кровельными солнечными панелями.
  16. Гибридная кровельная солнечная панель по п. 1, отличающаяся тем, что герметичная полость с приемником излучения расположена на крыше в верхней части корпуса, а угол наклона защитного покрытия к горизонтальной поверхности при установке на крыше составляет θ  1 = φ - 23,5 о, где φ - широта местности, а угол между направлением на солнце и горизонтальной поверхностью равен γ  1= 90 о-θ 1-β 0, где β 0– угол входа лучей.
  17. Гибридная кровельная солнечная панель по п. 1, отличающаяся тем, что герметичная полость с приемником излучения расположена на крыше в нижней части корпуса, а угол наклона защитного покрытия к горизонтальной поверхности при установке на крыше составляет θ  2 = φ + 23,5 о , где φ - широта местности, а угол между направлением на солнце и горизонтальной поверхностью равен γ  2= 90 о-θ 2+β 0, где β 0– угол входа лучей.
  18. Гибридная кровельная солнечная панель по п. 1, отличающаяся тем, что в верхней части крыши герметичная полость с приемником излучения расположена в верхней части корпуса, а угол наклона защитного покрытия к горизонтальной поверхности составляет θ  1 = φ - 23,5 о, а в нижней части крыши герметичная полость с приемником излучения расположена в нижней части корпуса, угол наклона защитного покрытия к горизонтальной поверхности составляет θ  2 = φ + 23,5 о, где φ - широта местности.
  19. Гибридная кровельная солнечная панель по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве теплоносителя используется жидкость, например, вода или антифриз.
  20. Гибридная кровельная солнечная панель по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве теплоносителя используется воздух.
PCT/IB2017/051470 2016-03-28 2017-03-14 Гибридная кровельная солнечная панель WO2017168277A1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP17773387.0A EP3439169A4 (en) 2016-03-28 2017-03-14 HYBRID ROOF SOLAR PANEL

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016111201 2016-03-28
RU2016111201A RU2612725C1 (ru) 2016-03-28 2016-03-28 Гибридная кровельная солнечная панель

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2017168277A1 true WO2017168277A1 (ru) 2017-10-05

Family

ID=58458032

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/IB2017/051470 WO2017168277A1 (ru) 2016-03-28 2017-03-14 Гибридная кровельная солнечная панель

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP3439169A4 (ru)
RU (1) RU2612725C1 (ru)
WO (1) WO2017168277A1 (ru)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2746434C1 (ru) * 2019-12-23 2021-04-14 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский государственный университет туризма и сервиса" (ФГБОУ ВО "РГУТИС") Система автономного энергоснабжения жилого дома
RU2738738C1 (ru) * 2020-08-20 2020-12-16 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ" (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) Планарная кровельная панель с гофрированным тепловым фотоприёмником

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8215298B2 (en) * 2006-02-23 2012-07-10 Fritz Klotz Solar module system of the parabolic concentrator type
RU2557272C1 (ru) * 2014-06-09 2015-07-20 Дмитрий Семенович Стребков Кровельная солнечная панель
RU2576072C2 (ru) * 2014-06-17 2016-02-27 Дмитрий Семенович Стребков Солнечный модуль с концентратором и способ его изготовления
RU2576752C2 (ru) * 2014-05-19 2016-03-10 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства"(ФГБНУ ВИЭСХ) Солнечный модуль с концентратором

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6630622B2 (en) * 2001-01-15 2003-10-07 Annemarie Hvistendahl Konold Combined solar electric power and liquid heat transfer collector panel
RU2194827C2 (ru) * 2001-01-24 2002-12-20 Государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение машиностроения" Кровельная панель с солнечной батареей
WO2008037016A1 (en) * 2006-09-28 2008-04-03 B-Pods Holdings Pty Ltd Solar energy harvesting apparatus
US7939747B2 (en) * 2007-04-06 2011-05-10 Bradley Owen Stimson Solar heating method and apparatus
US20110252723A1 (en) * 2010-04-19 2011-10-20 Devery Brian S Integrated energy-efficient roofing
RU2503895C2 (ru) * 2011-09-08 2014-01-10 Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии) Солнечный модуль с концентратором и способ его изготовления (варианты)
RU2520803C2 (ru) * 2012-05-15 2014-06-27 Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии) Солнечный модуль с концентратором и способ его изготовления

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8215298B2 (en) * 2006-02-23 2012-07-10 Fritz Klotz Solar module system of the parabolic concentrator type
RU2576752C2 (ru) * 2014-05-19 2016-03-10 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства"(ФГБНУ ВИЭСХ) Солнечный модуль с концентратором
RU2557272C1 (ru) * 2014-06-09 2015-07-20 Дмитрий Семенович Стребков Кровельная солнечная панель
RU2576072C2 (ru) * 2014-06-17 2016-02-27 Дмитрий Семенович Стребков Солнечный модуль с концентратором и способ его изготовления

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP3439169A4 *

Also Published As

Publication number Publication date
EP3439169A1 (en) 2019-02-06
EP3439169A4 (en) 2019-12-04
RU2612725C1 (ru) 2017-03-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA2783457C (en) Concentrated photovoltaic and thermal system
US4427838A (en) Direct and diffused solar radiation collector
EP1935032B1 (en) Photovoltaic roof ridge cap and installation method
US4007729A (en) Means of increasing efficiency of CPC solar energy collector
RU2694066C1 (ru) Солнечный дом
US20090223553A1 (en) Solar energy collection system
WO2012115378A2 (ko) 각도조절이 가능한 반사판을 구비한 태양광 발전장치
US8101850B2 (en) Asymmetric parabolic compound concentrator with photovoltaic cells
US4056094A (en) Solar heat collector
US4370974A (en) Inverted channel focusing solar collector
US20110209743A1 (en) Photovoltaic cell apparatus
US20110197968A1 (en) Solar collector panel
US4056090A (en) Solar heat collector
WO2017168277A1 (ru) Гибридная кровельная солнечная панель
RU2503895C2 (ru) Солнечный модуль с концентратором и способ его изготовления (варианты)
RU2133415C1 (ru) Солнечный фотоэлектрический модуль (варианты)
RU2520803C2 (ru) Солнечный модуль с концентратором и способ его изготовления
RU2172903C1 (ru) Солнечный модуль с концентратом
EP3790187B1 (en) Double-sided concentrated solar device
RU2755657C1 (ru) Солнечная гибридная энергетическая установка для зданий
RU2225966C1 (ru) Солнечный модуль с концентратором (варианты)
US20140345670A1 (en) Passively Tracking Partially Concentrating Photovoltaic Solar Panel
RU2576072C2 (ru) Солнечный модуль с концентратором и способ его изготовления
RU2557272C1 (ru) Кровельная солнечная панель
RU2775175C1 (ru) Солнечная энергетическая установка с концентратором

Legal Events

Date Code Title Description
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2017773387

Country of ref document: EP

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2017773387

Country of ref document: EP

Effective date: 20181029

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 17773387

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1