Несущая панель со встроенным фотоэлектрическим модулем

Авторы патента:

Шалимов Петр Юрьевич (RU)

H02S20/26 - Производство, преобразование и распределение электрической энергии

Владельцы патента RU 2779054:

Шалимов Петр Юрьевич (RU)

Несущая панель со встроенным фотоэлектрическим модулем относится к устройствам генерации электрической энергии с использованием фотоэлектрических систем, объединенных со строительными конструкциями. Несущая панель со встроенным фотоэлектрическим модулем содержит оболочку, на которой выполнены перекрестные ребра, образующие ячейки, и снабжена фотоэлектрическими элементами, электрическими соединениями между ними и выходными клеммами. Перекрестные ребра и оболочка являются несущими. Ячейки, образованные ребрами, имеют внутренние поверхности, расположенные на сторонах ребер и на дне ячейки. Фотоэлектрические элементы установлены в ячейках на каждой из их внутренних поверхностей. Технический результат заключается в повышении стабильности и объема вырабатываемой электроэнергии панелью, выполняющей функционал несущей механическую нагрузку конструкции. 4 ил.

Область техники

Изобретение относится к устройствам генерации электрической энергии с использованием фотоэлектрических систем, объединенных со строительными конструкциями. Панель для генерирования электрической энергии может применяться в качестве стеновых конструкций, элементов перекрытия при строительстве зданий индивидуального и промышленного назначения, а также при сооружении ограждений.

Уровень техники

Известны технические решения:

Патент RU 2575245 С1, от 31.10.2014 - Солнечная фотоэлектрическая станция, состоящая из солнечной батареи и опорной конструкции, выполненной из дугообразных труб и закрепленной на стене здания. Технический результат – простота конструкции для установки солнечной батареи солнечной фотоэлектрической станции, при этом конструкция позволяет регулировать угол наклона солнечной батареи относительно горизонта в течение года, но не обладает универсальностью относительно мест установки.

Патент ЕР 2495509 В1 от 21.11.2011 - Солнечная батарея. Изобретение относится к области солнечных батарей и систем регулирования азимута и углов возвышения солнечной панели для управления большим числом солнечных батарей. Решение обеспечивает эффективное использование солнечного излучения, но сложное и дорогостоящее в реализации.

Патент RU 2313642 С1 от 27.03.2007, E04D 13/18 - Солнечная батарея как элемент строительной конструкции. Включает корпус в виде металлической оболочки из профилированного материала с приклеенными солнечными элементами, совместимый с элементами фасадной системы профилей пространственных строительных конструкций. Низкая стабильность вырабатываемой электрической энергии обусловлена непостоянным стохастическим характером солнечного света в течение дня.

Патент KR20140141763A от 30.05.2013 - Строительная панель для производства фотоэлектрической энергии и конструкция стены, в которой она используется. Строительная панель содержит: фотоэлектрические элементы, панель защиты пропускания и крепежные элементы для крепления кронштейна к стенному элементу строительной конструкции. Множество фотоэлектрических элементов фиксируется на стеновом элементе строительной конструкции, формируя фасад. Решение характеризуется низкой стабильностью вырабатываемой энергии при отсутствии возможности управления потоком поглощения солнечного излучения.

Патент RU 2730544 от 03.10.2019 - Солнечный дом, содержащий двухскатную крышу, скаты с размещенными солнечными модулями и конек позиционируются по сторонам света. Авторы полагают, что такое размещение солнечных модулей обеспечит наилучшие условия освещения в течение дня. Недостаток решения - приоритетность фактора освещенности над типовыми строительными параметрами.

Патент RU 2758405 от 20.12.2020 - Электромобиль, содержащий в качестве отличительных черт кузов, внешняя поверхность которого выполнена чередованием выступов и впадин с образованием не менее одной ячейки, в которых расположены фотоэлектрические элементы. Размещение множества фотоэлектрических элементов в ячейках позволяет использовать рассеянный солнечный свет в качестве основного источника освещения, при использовании в основном прямого солнечного света в ранее описанных примерах патентов. Кузов в данном случае несет фасадную функцию.

Известны технические решения, относящиеся к фотоэлектрическим системам фасадного назначения (Солнечные стены вместо фотоэлектрических панелей. Метод доступа: https://www.forumhouse.ru/journal/articles/7812-solnechnye-steny-vmesto-fotoelektricheskih-panelej-na-kryshe, просмотр от 27.11.2011).

Здания с фотоэлектрическими фасадами предполагают наличие системы крепления фасадов на несущей механическую нагрузку поверхности здания. Технические решения с фасадными системами обладают низкой надежностью в условиях приложения непостоянных усилий ветрового характера, система крепления ослабляет несущие стеновые конструкции.

Раскрытие изобретения

Особенности фотоэлектрической системы изобретения позволяют получать стабильный поток электрической энергии при увеличении доли рассеянного солнечного света в общем балансе солнечной радиации. (Прямая и рассеянная радиация. Виды солнечной радиации. Метод доступа: http://ufactor.ru/prvamava-i-rassevannaya-radiatsiya/, обращение от 27.11.2021).

Возможность получения стабильного потока электрической энергии происходит при увеличении доли рассеянного света и получается в конструкции, имеющей оболочку с выполненными на ней перекрестными ребрами, образующими ячейки, снабженной фотоэлектрическими элементами, электрическими соединениями между ними и выходными клеммами.

Согласно изобретению перекрестные ребра и оболочка являются несущими, ячейки, образованные ребрами, имеют внутренние поверхности, расположенные на сторонах ребер и на дне ячейки, фотоэлектрические элементы установлены в ячейках на каждой из их внутренних поверхностей.

Фотоэлектрические элементы установлены в ячейках, и основной поток воспринимаемого солнечного света – рассеянное солнечное излучение, одинаково и равномерно освещающее все поверхности объекта (Рассеянный свет. Метод доступа https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/16986, обращение от 27.11.2021).

Задача изобретения – повышение стабильности и объема вырабатываемой электрической энергии панелью, выполняющей функционал несущей механическую нагрузку конструкции.

Краткое описание чертежей

Заявляемое техническое решение поясняется чертежами.

Фиг. 1 – панель, фронтальный вид.

Фиг. 2 – панель, вертикальный разрез на фиг. 1.

Фиг. 3 – панель в качестве элемента ограждения.

Фиг. 4 – панель в домостроении.

На фиг. 1 схематически показаны основные элементы панели: оболочка 1, с выполненными на ней перекрестными ребрами 2, с образованием ячеек 3. В ячейках установлены фотоэлектрические элементы 4, w - наружный размер ячейки квадратного сечения; d - внутренний размер ячейки; v-размер стороны фотоэлектрического элемента.

На фиг. 2 схематически показаны электрические соединения 5 между фотоэлектрическими элементами и клеммами 6, g - глубина ячейки, Н - толщина оболочки.

На фиг. 3 показано использование панели в качестве элемента ограждения, где механическая нагрузка от оболочки 1 передается на фундамент 7 и грунт 8.

На фиг 4. показано использование панели в домостроении, где механическая нагрузка от оболочек 1 и оконного проема 9 передается на грунт 8.

Осуществление изобретения

На оболочке фиг. 1 выполнены несущие перекрестные ребра 2 с образованием ячеек 3. Основное назначение перекрестных ребер – увеличение несущей нагрузки при эквивалентной массе пластины (Оболочки, подкрепленные ребрами. Метод доступа: https://mash-xxl.info/info/552067/ Обращение от 27.11.2021).

Внутренняя поверхность ячеек используется для установки фотоэлектрических элементов 4, соединенных между собой через электрические соединения 5 с клеммами 6 (фиг. 2).

В зависимости от целевого назначения панель будет воспринимать нагрузку на изгиб, устойчивость, сжатие. При использовании панели в качестве элементов ограждения (фиг. 3) ветровая нагрузка на оболочку 1 передается на фундамент 7 и грунт 8. Прочностной расчет – на изгиб от давления ветра.

При использовании панели в домостроении (фиг. 4), давление ветра и выше находящихся оболочек 1 и оконного проема 9 передается на фундамент 7 и грунт 8. Основные прочностные расчеты – на устойчивость от вертикальной нагрузки (Устойчивость подкрепленных оболочек. Метод доступа: https://scask.ru/m_book_rdm.php?id=165, обращение от 27.11.2021).

Прочностные расчеты – проверочные по несущей способности на изгиб, устойчивость, сжатие для пластин, подкрепленных ребрами (Прочность и устойчивость упругих ортотропных и анизотропных ребристых оболочек. Метод доступа: engstroy.spbstu.ru/userfiles/files/2010/6(16)/zhgoutov_obolochki.pdf, обращение от 27.11.2021).

Целевой сравнительный расчет – на основании объема производимой электрической энергии для промышленно выпускаемого солнечного фотоэлектрического модуля и несущей панели с ребрами подкрепления.

В качестве исходных данных принимаются одинаковые значения эквивалентных параметров: площадь солнечного модуля и площадь панели, геометрические и физические параметры солнечных элементов, показатели освещенности (Промышленно выпускаемый солнечный модуль. Метод доступа: https://energo-souz.ru/moduli-fsm/polikristal/solnechnyy-modul-fsm-150p/, обращение от 27.11.2021).

Характеристики модуля: тип солнечных элементов – поликристаллические, размер – 1482×676×35 мм, геометрическая площадь модуля Sm=1,0 м², количество элементов k=36, элемент – квадратный, размер солнечного элемента d=156 мм, коэффициент полезного действия μ=0,17. Суммарная площадь всех солнечных элементов модуля Ss=d²*k=0,156×0,156×36=0,876 м².

В габаритных размерах описанного выше солнечного модуля размещается несущая панель с фотоэлектрическим модулем. Характеристики панели: тип солнечных элементов – поликристаллические, размер – 1482×676×160 мм, геометрическая площадь панели Sp=1,0 м², количество элементов к=180, размер квадратного солнечного элемента d=156 мм, коэффициент полезного действия μ=0,17, форма ячейки между ребрами панели – квадратная, внешний размер ячейки w=176 мм, внутренний размер ячейки d=166 мм, глубина ячейки g=170 мм, толщина оболочки Н=10 мм. Суммарная площадь всех солнечных элементов модуля Sp=d²*k=0,156×0,156×180=4,38 м².

Панель с геометрическими размерами 1482×676 мм, глубина ячейки g=170 мм, толщина оболочки Н=10 мм, материал – сталь, способна воспринимать вертикальную нагрузку как минимум трех выше расположенных аналогичных панелей (Устойчивость подкрепленных оболочек. Режим доступа: https://scask.ru/m_book_rdm.php?id=165, обращение от 27.11.2021). Для здания (фиг. 4), квадратной формой с размерами 5×5×3 м количество панелей составляет 60 единиц.

Ориентирование при сравнительном расчете только на рассеянную Ер радиацию дает нижнюю оценку объема солнечного излучения. Минимальной границей оценки энергии поступающей радиации считается учет энергии рассеянной радиации (Дневное поступление суммарной Е и рассеянной Ер солнечной радиации. Метод доступа http://www.solbat.su/meteorology/insolation, просмотр от 27.11.2011).

Для Москвы Ер=1,76 МДж/м² в январе и Ер=9,78 МДж/м² в июле. Величина электрической энергии, производимой солнечным модулем и несущей панелью, определяются зависимостью V=μEpS, где μ – коэффициент полезного действия фотоэлектрического элемента, Ер – дневное поступление энергии, S – суммарная площадь элементов изделия.

Для широтной зоны Москвы дневная генерация энергии: солнечный промышленный модуль в январе V=0,17*1,76*0,876=0,26 МДж; несущая панель в январе V=0,17*1,76*4,38=1,31 МДж (0,36 кВт/ч); солнечный промышленный модуль в июле V=1,42 МДж; несущая панель в июле V=7,28 МДж (2 кВт/ч).

Отмечается пятикратное увеличение производимой электрической энергии в панели, пригодной для восприятия несущих нагрузок. Суточная генерация электрической энергии для здания из 60 несущих панелей (фиг. 4), составит от 21,6 кВт/ч в январе до 145,6 кВт/ч в июле.

Увеличение стабильности генерирования электрической энергии проявляется в большей независимости от расположения здания по сторонам света, что определяется свойством рассеянного излучения одинаково и равномерно освещать все поверхности объекта.

Несущая панель со встроенным фотоэлектрическим модулем, содержащая оболочку, на которой выполнены перекрестные ребра, образующие ячейки, и снабженная фотоэлектрическими элементами, электрическими соединениями между ними и выходными клеммами, отличающаяся тем, что перекрестные ребра и оболочка являются несущими, ячейки, образованные ребрами, имеют внутренние поверхности, расположенные на сторонах ребер и на дне ячейки, фотоэлектрические элементы установлены в ячейках на каждой из их внутренних поверхностей.

Изобретение относится к области альтернативной энергетики, использующей энергию солнца и ветра для получения электроэнергии и последующей генерации и хранении сжатого воздуха, как источника энергии, обеспечивающего восполнение электроэнергии во время штиля и отсутствия солнечного света. Морская система энергообеспечения средств наблюдения содержит солнечную батарею, расположенную на пирамидальной вышке плавающей платформы.

Солнечная энергетическая установка с концентратором // 2775175

Изобретение относится к областям электротехники и гелиотехники, в частности к солнечным энергетическим установкам с концентраторами солнечного излучения для получения электроэнергии и тепла. Технический результат заключается в повышении КПД и достигается тем, что в солнечной энергетической установке с концентратором, выполненной в виде ламелей, содержащих концентратор, приемник излучения и устройство слежения за солнцем, на рабочей стороне каждой ламели по всей площади рабочей поверхности закреплен концентратор, выполненный в виде линейной линзы Френеля из прозрачного материала, по всей площади поверхности приемника излучения в тепловом контакте закреплена герметичная камера, соединенная с концентратором и насосом через теплоизолированный трубопровод к системе теплоснабжения здания для прокачки прозрачного для солнечного излучения теплоносителя, при этом угол высоты солнца h, угол наклона ламелей α, ширина ламелей l, минимальное расстояние между ламелями d связаны соотношением:h=2α+arctg(sinα/(d/l-cosα))-180°,где l – ширина ламелей; d – минимальное расстояние между ламелями; h – угол высоты солнца; α – угол наклона ламелей относительно поверхности входа.

Арктический энергетический комплекс // 2775104

Изобретение относится к возобновляемой энергетике и может быть использовано для получения электроэнергии и генерации водорода, его накопление, хранение и использование в арктических условиях. Арктический энергетический комплекс расположен на ажурной пирамидальной вышке.

Концентраторная солнечная батарея // 2773805

Изобретение относится к солнечной энергетике и может быть использовано в космических концентраторных солнечных энергоустановках при базировании на космическом летательном аппарате. Концентраторная солнечная батарея включает основание, параболоцилиндрические концентраторы с зеркальной внутренней поверхностью отражения, установленные на основании, цилиндрические направляющие которых параллельны основанию и друг другу, линейные цепочки фотоэлектрических преобразователей, установленные на верхней кромке тыльной стороны каждого последующего концентратора в фокальной линии каждого предыдущего концентратора.

Способ повышения эффективности работы ветроэнергетических установок в условиях высокогорья // 2773790

Изобретение относится к использованию природных возобновляемых источников энергии. Способ повышения эффективности работы ветроэнергетических установок в условиях высокогорья заключается в создании комплекса технических устройств и установок, включающего аэродинамическую установку, проложенную по склону горы и установленную соосно с генератором, ветротурбиной и с распределительным устройством на выходе, и расположении ВЭУ вокруг распределительного устройства.

Защищенная от внешних воздействий энергоустановка автономного электроснабжения // 2773678

Изобретение относится к возобновляемой энергетике. Автоматическая система защиты солнечных панелей и ветродвигателя от внешних воздействий получает данные со своих датчиков и солнечных панелей, управляет устройством ориентации по солнцу с установленными гибкими солнечными панелями и системой изменения угла атаки лопастей ветродвигателя.

Электрический потенциалоуправляемый затемняющий экран с солнечным элементом cigs и способ его изготовления // 2772258

Стеклопакет с электрическим потенциалоуправляемым затемняющим экраном (202a, 202b) и связанные с ним способы. В таком стеклопакете между двумя подложками (102, 104), образующими стеклопакет, размещен динамически управляемый затемняющий экран (202a, 202b), выполненный с возможностью перемещения между отведенным и выдвинутым положениями.

Гидравлическое устройство солнечного трекера // 2769457

Изобретение относится к области солнечной энергетики, в частности к фотоэнергетическим установкам. Технический результат – повышение точности позиционирования солнечной панели.

Солнечная фотоэнергоустановка // 2767718

Солнечная фотоэнергоустановка содержит вертикальную полую цилиндрическую опору (6), вал (9) с первым приводом (10), коаксиально установленный с возможностью вращения в полости цилиндрической опоры (6), раму (11) со вторым приводом (12) и с оптическим солнечным датчиком (13), установленную на верхнем торце вала (9) посредством цилиндрического шарнира (14), ось которого ортогональна оси вала (9).

Плавучий модуль для фотоэлектрических панелей // 2767411

Изобретение относится к производству возобновляемой энергии, а именно к устройствам, таким как плавучие солнечные электростанции, а в частности к плавучему модулю, на котором размещается фотоэлектрическая панель, что обеспечивает базирование данной конструкции на водной поверхности. Плавучий модуль для фотоэлектрических панелей содержит полое основание, полые опорные элементы, расположенные на основании с образованием с основанием единой внутренней полости, фотоэлектрическую панель, расположенную на опорных элементах под углом к горизонту.