Патент на изобретение №2338129

(54) СОЛНЕЧНЫЙ ДОМ (ВАРИАНТЫ)

(57) Реферат:

Изобретение относится к гелиоархитектуре и гелиоэнергетике, в частности к солнечным зданиям со встроенными солнечными энергетическими установками для получения электрической энергии и теплоты. В солнечном доме на крыше установлены солнечные модули с концентраторами, состоящими из n ветвей (n2) полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей с апертурой и углом между фокальными плоскостями полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей , каждый полупараболоцилиндрический отражатель имеет с соседним полупараболоцилиндрическим отражателем общую фокальную ось, общую касательную плоскость или общую линию сопряжения ветвей полупараболоцилиндрических отражателей, при этом касательная плоскость к ветви одного из вышеуказанных соседних полупараболоцилиндрических отражателей в общей линии сопряжения совпадает с плоскостью миделя соседнего полупараболоцилиндрического отражателя. В другом варианте вдоль стен вертикально установлены солнечные модули с концентраторами, состоящими из n ветвей (n2) полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей с апертурой и углом между фокальными плоскостями полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей . В другом варианте крыша дома в плане образует усеченный правильный многоугольник. Технический результат заключается в повышении эффективности использования солнечной энергии и снижении стоимости получаемой электроэнергии и теплоты, а также создании эффективных гелиотехнических устройств, встроенных в фасады и крыши зданий для обеспечения их электроэнергией и теплом. 3 н.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к гелиоархитектуре и гелиоэнергетике, в частности к солнечным зданиям со встроенными солнечными энергетическими установками для получения электрической энергии и теплоты.

Известны солнечные (гелиоэнергоактивные) здания, снабженные устройствами для тепло- и электроснабжения, приготовления горячей воды за счет преобразования энергии Солнца. В качестве таких устройств используют солнечные коллекторы и фотоэлектрические модули, которые встраивают в ограждающие конструкции здания, в стены и крышу (Энергоактивные здания. Под редакцией Э.В.Сарнацкого и Н.П.Селиванова, М., Стройиздат, 1988, стр.59-347). Недостатком известных солнечных домов является низкая концентрация солнечного излучения в солнечных коллекторах и фотоэлектрических модулях, встроенных в ограждающие конструкции здания и, как следствие, низкая температура теплоносителей в солнечном коллекторе, высокая стоимость солнечных фотоэлектрических модулей.

Известен солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором солнечной энергии для получения электрической энергии и теплоты, в котором для увеличения эффективности использования солнечной энергии отражатель состоит из двух разновеликих частей, разделенных плоскостью симметрии, проходящей через вершину и фокальную ось отражателя (Стребков Д.С., Тверьянович Э.В., Кивалов С.Н., Иродионов А.Е., патент РФ №2172451, 20.08.2001). Для увеличения коэффициента концентрации основной зеркальный отражатель выполнен в виде одной ветви параболоцилиндрического отражателя и снабжен вторым полуцилиндрическим зеркальным отражателем, а ширина полосы приемника излучения равна радиусу второго зеркального отражателя. Солнечный модуль с концентратором установлен на балконе здания или под прозрачной крышей здания.

Недостатком известного солнечного модуля является то, что фотоэлектрический приемник состоит из плоских стеклянных полос разной ширины, склеенных в стеклопакет, и при резком увеличении температуры в фокальном пятне зеркального отражателя вследствие неодновременного нагрева участков стеклопакета, а также имеющейся незначительной неоднородности материала в местах соединения стеклопакет деформируется и дает течь. Вследствие тех же причин образовавшиеся воздушные пузыри приводят к разлому стеклопакета. Также необходимы большие трудозатраты при изготовлении стеклопакета приемника концентратора.

Наиболее близким по техническим параметрам к предлагаемому изобретению является солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором для получения электрической энергии и теплоты, содержащий два линейно-фокусирующих полупараболоцилиндрических зеркальных отражателя с апертурными углами A₁ и А₂ с общей фокальной осью и приемником в виде полосы, расположенной параллельно фокальной оси, зеркальные отражатели развернуты вокруг фокальной оси у поверхности входа навстречу друг другу таким образом, что их плоскости симметрии проходящие через фокальную ось и вершины отражателей составляют двухгранный угол, равный апертурному углу солнечного модуля.

Недостатком данного солнечного модуля является низкий коэффициент концентрации и невозможность использования модуля при другой, кроме полярной, системы ориентации на Солнце, например в фотоэлектрических фасадах зданий и при ориентации восток-запад.

Задачей изобретения является повышение эффективности использования солнечной энергии и снижение стоимости получаемой электроэнергии и теплоты, а также создание эффективных гелиотехнических устройств, встроенных в фасады и крыши зданий для обеспечения их электроэнергией и теплом.

Технический результат достигается тем, что в солнечном доме, содержащем ограждающие конструкции стен и крышу, на крыше установлены солнечные модули с концентраторами, состоящими из n ветвей (n2) полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей с апертурой и углом между фокальными плоскостями полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей , каждый полупараболоцилиндрический отражатель имеет с соседним полупараболоцилиндрическим отражателем общую фокальную ось, общую касательную плоскость или общую линию сопряжения ветвей полупараболоцилиндрических отражателей, при этом касательная плоскость к ветви одного из вышеуказанных соседних полупараболоцилиндрических отражателей в общей линии сопряжения совпадает с плоскостью миделя соседнего полупараболоцилиндрического отражателя, а приемники солнечного излучения установлены в каждом концентраторе между фокальными плоскостями ветвей зеркальных отражателей.

В солнечном доме, содержащем ограждающие конструкции стен и крышу, вдоль стен вертикально установлены солнечные модули с концентраторами, состоящими из n ветвей (n2) полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей с апертурой и углом между фокальными плоскостями полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей , каждый полупараболоцилиндрический отражатель имеет с одним рядом расположенным полупараболоцилиндрическим отражателем общую фокальную ось, а с другим рядом расположенным полупараболоцилиндрическим отражателем общую касательную плоскость, приемники солнечного излучения установлены в каждом концентраторе между фокальными плоскостями ветвей зеркальных отражателей, крыша дома в плане образует правильный многоугольник, ось симметрии отражателей вертикальна, плоскости миделя образуют стены дома.

В солнечном доме, содержащем ограждающие конструкции стен и крышу, вдоль стен вертикально установлены солнечные модули с концентраторами, состоящими из n ветвей (n2) полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей с апертурой и углом между фокальными плоскостями полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей , каждый полупараболоцилиндрический отражатель имеет с одним рядом расположенным полупараболоцилиндрическим отражателем общую фокальную ось, а с другим рядом расположенным полупараболоцилиндрическим отражателем общую касательную плоскость, приемники солнечного излучения установлены в каждом концентраторе между фокальными плоскостями ветвей зеркальных отражателей, крыша дома в плане образует усеченный правильный многоугольник, ось симметрии отражателей параллельна оси мира и наклонена к горизонту под углом к широте местности, плоскости миделя образуют стены дома.

Сущность изобретения поясняется на фигурах 1, 2, 3, где на фиг.1 – вариант солнечного дома по п.1 формулы, на фиг.2 – вариант солнечного дома по п.2 (вид сверху), на фиг.3 – вариант солнечного дома по п.3 (вид сверху и вид сбоку).

На фиг.1 представлен общий вид солнечного дома с установленными на крыше солнечными модулями с концентраторами. Каждый полупараболоцилиндрический отражатель 7 имеет с соседним полупараболоцилиндрическим отражателем 2 общую фокальную ось 3, общую касательную плоскость 4 или общую линию сопряжения ветвей 5 полупараболоцилиндрических отражателей 7 и 2, при этом касательная плоскость 4 к ветви одного из вышеуказанных соседних полупараболоцилиндрических отражателей 7 или 2 в общей линии сопряжения совпадает с плоскостью миделя 6 соседнего полупараболоцилиндрического отражателя 2. Данный вариант применим для территорий с широтой ±45°.

На фиг.1 дано описание солнечного дома с установленными солнечными энергетическими установками, работающего следующим образом. Рассмотрен принцип работы одного из солнечных модулей с концентраторами. Принцип работы соседних модулей аналогичен. В полдень, когда солнце находится на линии КК’, лучи, отраженные от полупараболоцилиндрического отражателя FAO₁ собираются в точке F, а лучи от полупараболоцилиндрического отражателя FBO₂ – в точке О. Аналогично работают два полупараболоцилиндрических отражателя с правой стороны от KK’.

Таким образом, в полдень все излучение, попадающее на крышу солнечного дома, собирается на приемниках концентраторов FO и F’O’. При восходе солнца освещается приемник FO прямым солнечным излучением. При подъеме солнца на высоту 30° над горизонтом лучи, отраженные от полупараболического отражателя FAO₁, собираются в точке О₁, а лучи, отраженные от FBO₂ – в точке F. При подъеме солнца на высоту 60° солнечные лучи параллельны OF и собираются на приемнике в области OF/2, при этом работает концентратор АВО и верхняя половина концентратора ВА’O’. В пределах азимутального угла солнца от 60° до 120° работают 3 полупараболических отражателя из четырех. При угле 90° кратковременно работают все 4 полупараболических отражателя. На закате все происходит симметрично с полупараболическим отражателем ВО’А’ аналогично работе полупараболических отражателей АОВ на восходе солнца. Рассмотренный солнечный дом использует на 40-50% больше солнечной энергии, чем солнечные дома с расположением солнечных установок только на южном фасаде или южном скате крыши здания.

На фиг.2 представлен общий вид солнечного дома с установленными солнечными модулями с концентраторами. Крыша дома в плане образует правильный многоугольник, ось симметрии всех отражателей О’ вертикальна, а плоскости миделя 6 образуют стены дома. Принцип работы указанных солнечных модулей следующий. При подъеме солнца на угол до 30° работает солнечный модуль, находящийся с восточной стороны дома. Далее в работу включаются модули, установленные на северной или южной стороне дома, в зависимости от времени года. При заходе солнца излучение попадает на солнечный модуль, установленный с западной стороны дома. Данный вариант применим для территорий с широтой более 60°.

На фиг.3 представлен общий вид солнечного дома с установленными солнечными модулями с концентраторами. Крыша дома в плане образует усеченный правильный многоугольник, ось симметрии всех отражателей О’ параллельна оси мира и наклонена к горизонту под углом , равным широте местности, а плоскости миделя 6 образуют стены дома. На виде сбоку показана стена дома, ориентированная на восток или запад. Угол наклона южной стены равен широте местности . Принцип работы указанных солнечных модулей следующий. При подъеме солнца на угол до 30° работает солнечный модуль, находящийся с восточной стороны дома. Далее в работу включаются модули, установленные на южной стороне дома. При заходе солнца излучение попадает на солнечный модуль, установленный с западной стороны дома. Данный вариант применим для территорий с широтой от 30 до 60°.

Формула изобретения

1. Солнечный дом, содержащий ограждающие конструкции стен и крышу, отличающийся тем, что на крыше установлены солнечные модули с концентраторами, состоящими из n ветвей (n2) полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей с апертурой и углом между фокальными плоскостями полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей , каждый полупараболоцилиндрический отражатель имеет с соседним полупараболоцилиндрическим отражателем общую фокальную ось, общую касательную плоскость или общую линию сопряжения ветвей полупараболоцилиндрических отражателей, при этом касательная плоскость к ветви одного из вышеуказанных соседних полупараболоцилиндрических отражателей в общей линии сопряжения совпадает с плоскостью миделя соседнего полупараболоцилиндрического отражателя, а приемники солнечного излучения установлены в каждом концентраторе между фокальными плоскостями ветвей зеркальных отражателей.

2. Солнечный дом, содержащий ограждающие конструкции стен и крышу, отличающийся тем, что вдоль стен вертикально установлены солнечные модули с концентраторами, состоящими из n ветвей (n2) полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей с апертурой и углом между фокальными плоскостями полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей , каждый полупараболоцилиндрический отражатель имеет с одним рядом расположенным полупараболоцилиндрическим отражателем общую фокальную ось, а с другим рядом расположенным полупараболоцилиндрическим отражателем общую касательную плоскость, приемники солнечного излучения установлены в каждом концентраторе между фокальными плоскостями ветвей зеркальных отражателей, крыша дома в плане образует правильный многоугольник, ось симметрии отражателей вертикальна, плоскости миделя образуют стены дома.

3. Солнечный дом, содержащий ограждающие конструкции стен и крышу, отличающийся тем, что вдоль стен вертикально установлены солнечные модули с концентраторами, состоящими из n ветвей (n2) полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей с апертурой и углом между фокальными плоскостями полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей , каждый полупараболоцилиндрический отражатель имеет с одним рядом расположенным полупараболоцилиндрическим отражателем общую фокальную ось, а с другим рядом расположенным полупараболоцилиндрическим отражателем общую касательную плоскость, приемники солнечного излучения установлены в каждом концентраторе между фокальными плоскостями ветвей зеркальных отражателей, крыша дома в плане образует усеченный правильный многоугольник, ось симметрии отражателей параллельна оси мира и наклонена к горизонту под углом к широте местности, плоскости миделя образуют стены дома.

РИСУНКИ