Профилированный фотоэлектрический листовой строительный материал

Полезная модель относится к устройствам для получения электрической энергии из солнечного излучения, более конкретно - к солнечным батареям, интегрированным в стеновые и кровельные строительные конструкции. Полезная модель представляет собой профилированный фотоэлектрический листовой строительный материал, фотоэлектрические преобразователи которого размещены только на выступающих полуволнах периодического профиля. При использовании предлагаемого технического решения, вследствие отказа от заполнения фотоэлектрическими преобразователями всей площади листа, суммарная электрическая мощность, генерируемая листом, снижается. Однако мощность, генерируемая единицей площади фотоэлектрического преобразователя, благодаря лучшим условиям освещенности выступающих полуволн, увеличивается. Подобное техническое решение целесообразно использовать в случае отсутствия жестких требований к габаритам солнечной батареи.

Предполагаемая полезная модель относится к устройствам для получения электрической энергии из энергии солнечного излучения, более конкретно - к солнечным батареям, интегрированным в стеновые и кровельные строительные конструкции.

Существуют конструкции солнечных батарей, предполагающие использование специализированных несущих подложек, предназначенных исключительно и только для размещения на них фотоэлектрических преобразователей (ФЭП). К таким конструкциям относится, например, один из аналогов предлагаемой полезной модели [1]. Основной недостаток подобных конструктивных решений проявляется при их использовании для электроснабжения зданий. Любое здание имеет достаточное количество поверхностей (стены, крыша), которые могут быть использованы в качестве несущих конструкций для ФЭП, поэтому использование специализированных несущих конструкций является в данном случае излишним и экономически неоправданным.

Солнечные батареи, интегрированные в стеновые и кровельные листовые строительные материалы (черепицу, сайдинг, профнастил, шифер и т.п.) - одно из магистральных направлений в солнечной энергетике. Подобные решения очень популярны, поскольку позволяют избежать изготовления для солнечных батарей специальных несущих конструкций. Следует отметить, что используемые в строительстве стеновые и кровельные листовые материалы как правило, не являются плоскими, а представляют собой периодические профили той или иной формы. Это вызвано требованиями к жесткости листов, к направлению стекания дождевой воды (в случае кровельных материалов) а также эстетическими соображениями. Поэтому возникает задача размещения плоских ФЭП на неплоских (профилированных) листовых строительных материалах.

В наиболее близком к предлагаемой полезной модели аналоге [2] рекомендуется следующее решение этой задачи: на каждом периоде повторения профиля с длиной профиля k на длине периода l размещают n солнечных батарей, обозначенных с₁с_n, шириной w₁w_n, причем сумма ширин w₁w_n равна длине одного периода профиля k. Графически свое решение авторы [2] представляют следующим образом (фиг.1):

Фиг.1

Рекомендованное в [2] размещение солнечных батарей означает, что вся поверхность профилированного листового строительного материала заполнена солнечными батареями.

Несомненным достоинством заполнения всей поверхности профилированного листового материала является то, что при этом площадь стен и кровли используется полностью и поверхностью здания производится максимальное количество электрической энергии.

Однако в жилых домах потребление электроэнергии относительно небольшое и требование полного использования площади стен и кровли может оказаться неактуальным. Для доказательства этого тезиса рассмотрим одноэтажный загородный дом 6×6 м в плане с высотой наружных стен 3,5 м и четырехскатной крышей площадью в 1,5 раз больше площади дома в плане. Площадь стен дома равна 6×4×3,5=84 м², площадь крыши равна 6×6×1,5=54 м ², суммарная площадь стен и крыши равна 84+54=134 м ². Пусть 20% площади стен и крыши не пригодны для размещения ФЭП, т.к. заняты окнами, дверями, дымовыми трубами и т.п. Тогда пригодная для размещения ФЭП площадь равна 134×(1-0,2)=110,4 м². Задавшись среднегодовой плотностью потока солнечного излучения 226 Вт/м² и КПД ФЭП 7% [3], получим среднюю электрическую мощность, генерируемую солнечными батареями при полном заполнении площади стен и крыши 110,4×226×0,07=1752 Вт. Это явно избыточное значение, годовое среднедушевое потребление электроэнергии составляет до 1180 КВт-ч [4], что соответствует средней включенной мощности 134,7 Вт/чел, для семьи из 4 человек средняя включенная электрическая мощность составляет 137,4×4=538 Вт, причем эта цифра является оценкой сверху. Т.о. для обеспечения потребностей семьи из четырех человек ФЭП могут покрывать лишь 538/1752×100%=31% площади стен и крыши.

Кроме того следует отметить, что в периодических профилях максимальному облучению подвергается выступающая полуволна профиля, а углубленная полуволна остается затененной. В результате размещенные в тени ФЭП хотя и производят некоторое количество электроэнергии, но работают в нештатном режиме, что приводит к снижению мощности, генерируемой единицей площади солнечной батареи и снижению КПД солнечной батареи в целом. С экономической точки зрения это вызывает неоправданное увеличение срока окупаемости солнечной батареи, поскольку именно ФЭП, а не подложка составляют большую часть стоимости батареи.

Изложенные выше соображения позволяют сформулировать технический результат, который должен быть достигнут использованием предлагаемого фотоэлектрического листового профилированного строительного материала - это обеспечение максимальной мощности, генерируемой единицей площади размещенной на профилированном материале солнечной батареи при фиксированном КПД ФЭП.

Сущность полезной модели, благодаря которой обеспечивается данный технический результат, заключается в размещения ФЭП только на выступающих полуволнах периодического профиля. Причем профиль листового строительного материала для размещения на нем ФЭП должен быть подобран таким образом, чтобы площадь выступающих полуволн составляла не менее 31% площади листа. В противном случае жилой дом, облицованный подобными материалами, не получит достаточного количества электроэнергии.

Профилированный фотоэлектрический листовой строительный материал работает следующим образом. При попадании солнечных лучей на часть листа, покрытую ФЭП, в последних генерируется электрическая энергия, используемая в здании, облицованном фотоэлектрическим материалом.

Особенности работы предлагаемой полезной модели по сравнению с ближайшим аналогом иллюстрируют следующие примеры.

Пример 1.

На поверхность выступающих полуволн (фиг.2) профнастила 1 (вид профиля С-13, ТУ 1122-079-02494680-01) наклеены тонкопленочные ФЭП 2 длиной 1 м и шириной, равной ширине плоской части выступающих полуволн профнастила. ФЭП располагаются только на выступающих полуволнах, т.е. реализовано предлагаемое в полезной модели техническое решение.

Фиг.2

Длина профнастила составляет 329 мм, т.е. равна двум периодам повторения профиля. Площадь профнастила равна 0,329×1=0,329 м²; площадь солнечной батареи 2×0,13×1=0,26 м²; доля площади ФЭП в площади профнастила 0,26/0,39×100%=79%.

Солнечные лучи с плотностью потока излучения 226 Вт/м² падают на поверхность фотоэлектрического профилированного листового материала под углом 45°. КПД ФЭП 7%.

Мощность, генерируемая солнечной батареей, равна 2,92 Вт; мощность, генерируемая единицей площади солнечной батареи, в данном случае равна 11,22 Вт/м².

Пример 2.

Все параметры аналогично примеру 1, но солнечные лучи падают на поверхность фотоэлектрического профилированного листового материала под углом 90°.

Мощность, генерируемая солнечной батареей, равна 4,12 Вт; мощность, генерируемая единицей площади солнечной батареи, в данном случае равна 15,86 Вт/м².

Пример 3.

Параметры профилированного листа аналогично примеру 1, но ФЭП наклеены как на выступающих, так и на вогнутых полуволнах (фиг.3) согласно [2]. Параметры солнечного излучения - аналогично примеру 1.

Фиг.3

Мощность, генерируемая солнечной батареей, в этом случае равна 3,74 Вт; мощность, генерируемая единицей площади солнечной батареи, в данном случае равна 9,08 Вт/м².

Пример 4.

Все параметры аналогично примеру 2, но солнечные лучи падают на поверхность фотоэлектрического профилированного листового материала под углом 90°.

Мощность, генерируемая солнечной батареей, равна 5,29 Вт; мощность, генерируемая единицей площади солнечной батареи, в данном случае равна 12,83 Вт/м².

Из приведенных примеров следует, что предлагаемый профилированный фотоэлектрический листовой строительный материал как при нормальном, так и при наклонном падении солнечных лучей обеспечивает большую мощность, генерируемую единицей площади солнечной батареи, чем ближайший аналог. Следует отметить, что, в силу меньшей суммарной площади ФЭП, электрическая мощность, генерируемая батареей в целом, у предлагаемой полезной модели меньше, чем у ближайшего аналога.

Источники информации

1. RU 2200357 С1 Солнечная батарея. Заявка 2001115344/28 от 04.06.01 г, патентообладатель Открытое акционерное общество «Сатурн»

2. RU 2303832 С2 Профилированная фотоэлектрическая кровельная панель. Заявка 2004122434/28 от 18.12.2002 г, патентообладатель АКЦО НОБЕЛЬ Н.В.

3. Чопра К., Дас С. Тонкопленочные солнечные элементы: Пер. с английского с сокращениями. - М.: Мир, 1986 - 435 с, с ил.

4. Журавлев О.А. Электропотребление домохозяйств Москвы и Подмосковья в 2001-2008 гг.// Региональная экономика и управление, 2011. - 2 (26).

Профилированный фотоэлектрический листовой строительный материал, содержащий подложку периодически повторяющегося профиля и фотоэлектрические преобразователи, отличающийся тем, что фотоэлектрические преобразователи размещены только на выступающих полуволнах подложки, а площадь фотоэлектрических преобразователей составляет не менее 31% площади подложки.