RU2303753C1

RU2303753C1 - Solar house

Info

Publication number: RU2303753C1
Application number: RU2006117115/06A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Семенович Стребков (RU); Дмитрий Семенович Стребков; нович Эдуард Владимирович Тверь (RU); Эдуард Владимирович Тверьянович; Анатолий Евгеньевич Иродионов (RU); Анатолий Евгеньевич Иродионов; Сергей Александрович Полушин (RU); Сергей Александрович Полушин
Priority date: 2006-05-19
Filing date: 2006-05-19
Publication date: 2007-07-27

Abstract

FIELD: helioarchitecture and solar power engineering, in particular, solar houses with built-in solar power plants for production of electric power and heat.

SUBSTANCE: the solar house has enclosing constructions of walls and a roof, two solar modules with concentrators are installed on the roof, the concentrators consist of two symmetrically conjugated semiparabolic mirror reflectors with an aperture angle within 24 to 72 deg., their optical axes are directed in the north - south axis and oriented to the south at an angle of (90-φ)° to the horizon, and the branches of the adjacent semiparabolic reflectors have one common vertical tangential plane of symmetry, the branches of each reflector are turned relative the focal axis so that the angle between the focal planes of each branch would be equal to 24 to 70 deg, and the receivers of solar radiation are installed in each reflector between the focal planes of their branches, where φ - the country latitude. The micro reflectors may be made in the form of mirror bevels of hardened glass with bevel width "a" equal to a=(0.4-1.2)OF - the focal distance of the concentrator.

EFFECT: enhanced efficiency of use of solar power, produced helioengineering device built in the faces and roofs of buildings.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к гелиоархитектуре и гелиоэнергетике, в частности к солнечным зданиям со встроенными солнечными энергетическими установками для получения электрической энергии и теплоты.The invention relates to solar architecture and solar energy, in particular to solar buildings with built-in solar power plants for generating electrical energy and heat.

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.Solar (solar energy) buildings are known, equipped with devices for heat and electricity supply, hot water preparation due to the conversion of solar energy. As such devices, solar collectors and photovoltaic modules are used, which are embedded in the building envelope, in the walls and roof (Energy-active buildings. Edited by E.V. Sarnatsky and N.P. Selivanova, M., Stroyizdat 1988, p. 59- 347). A disadvantage of known solar homes is the low concentration of solar radiation in solar collectors and photovoltaic modules built into the building envelope, and, as a result, the low temperature of the coolants in the solar collector, the high cost of solar photovoltaic modules.

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.A known solar photovoltaic module with a solar energy concentrator for generating electrical energy and heat, in which to increase the efficiency of using solar energy, the reflector consists of two different parts separated by a plane of symmetry passing through the top and focal axis of the reflector (D. Strebkov, E. Tveryanovich .V., Kivalov S.N., Irodionov A.E., RF patent No. 2172451, 08.20.2001). To increase the concentration coefficient, the main mirror reflector is made in the form of one branch of a para-cylindrical reflector and is equipped with a second semi-cylindrical mirror reflector, and the bandwidth of the radiation receiver is equal to the radius of the second mirror reflector. A solar module with a hub is installed on the balcony of the building or under the transparent roof of the building.

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.A disadvantage of the known solar module is that the photoelectric detector consists of flat glass strips of different widths glued into a double-glazed unit, and with a sharp increase in temperature in the focal spot of the mirror reflector due to non-simultaneous heating of the double-glazed windows, as well as the slight material heterogeneity at the junction of the double-glazed unit gives a leak. For the same reasons, the resulting air bubbles lead to a broken glass unit. Also, large labor costs are required in the manufacture of a double-glazed window of a hub receiver.

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 А₁ 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.The closest in technical parameters to the present invention is a solar photovoltaic module with a concentrator for generating electric energy and heat, containing two linearly focusing semi-parabolic cylindrical reflectors with aperture angles A ₁ and A ₂ with a common focal axis and a receiver in the form of a strip located parallel to the focal axes, mirror reflectors are deployed around the focal axis at the entrance surface towards each other so that their plane of symmetry passing h Through the focal axis and the vertices of the reflectors, they make a dihedral angle equal to the aperture angle of the solar module.

Недостатком данного солнечного модуля является низкий коэффициент концентрации и невозможность использования модуля при другой, кроме полярной, системе ориентации на Солнце, например в фотоэлектрических фасадах зданий и при ориентации восток-запад.The disadvantage of this solar module is the low concentration coefficient and the inability to use the module with a different orientation system to the Sun other than the polar one, for example, in the photovoltaic facades of buildings and in the east-west orientation.

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.The objective of the invention is to increase the efficiency of use of solar energy and reduce the cost of electricity and heat, as well as the creation of effective solar technology built into the facades and roofs of buildings to provide them with electricity and heat.

Указанная задача решается тем, что в солнечном доме, содержащем ограждающие конструкции стен и крышу, на крыше установлены два солнечных модуля с концентраторами, состоящие из двух симметричных сопряженных полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей с апертурным углом 24-72°, оптические оси которых направлены по оси север-юг и ориентированы на юг под углом (90-φ)° к горизонту, а ветви рядом расположенных полупараболоцилиндрических отражателей имеют одну общую вертикальную касательную плоскость симметрии, ветви каждого отражателя развернуты относительно фокальной оси таким образом, что угол между фокальными плоскостями каждой из ветвей равен 24-70°, а приемники солнечного излучения установлены в каждом отражателе между фокальными плоскостями их ветвей, где φ - широта местности.This problem is solved by the fact that in a solar house containing walling and roof structures, two solar modules with concentrators are installed on the roof, consisting of two symmetric conjugated semi-parabolic cylindrical reflectors with an aperture angle of 24-72 °, the optical axes of which are directed along the north- south and oriented south at an angle of (90-φ) ° to the horizontal, and the branches of the adjacent semi-parabolic cylindrical reflectors have one common vertical tangent plane of symmetry, the branches of each reflector p are turned around the focal axis in such a way that the angle between the focal planes of each branch is 24-70 °, and solar radiation detectors are installed in each reflector between the focal planes of their branches, where φ is the latitude of the terrain.

В солнечном доме зеркальные отражатели могут быть выполнены в виде зеркальных фацет из закаленного стекла с шириной фацет а, равной а=(0,4-1,2)OF, где OF - фокусное расстояние концентратора.In a solar house, mirror reflectors can be made in the form of mirror facets of tempered glass with a facet width a equal to a = (0.4-1.2) OF, where OF is the focal length of the concentrator.

Сущность изобретения поясняется на чертежах, где на фиг.1 изображен общий вид солнечного дома, на фиг.2 представлен вид сбоку солнечного дома по п.2 формулы для Москвы.The invention is illustrated in the drawings, where Fig. 1 shows a general view of a solar house, Fig. 2 shows a side view of a solar house according to claim 2 of the formula for Moscow.

Солнечный дом содержит установленные на крыше два солнечных модуля с концентраторами. Концентратор состоит из двух симметричных сопряженных полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей с апертурным углом 24-72°, оптические оси которых направлены по оси север-юг и ориентированы на юг под углом (90-φ)° к горизонту, где φ - широта местности, с ветвями АО и OB, a также О'В и O'A'. Ветви рядом расположенных полупараболоцилиндрических отражателей имеют одну общую вертикальную касательную плоскость симметрии КК', а ветви каждого отражателя развернуты относительно фокальной оси таким образом, что угол между фокальными плоскостями каждой из ветвей равен 24-70°. Приемники солнечного излучения установлены в каждом отражателе между фокальными плоскостями их ветвей. Зеркальные отражатели могут быть выполнены в виде зеркальных фацет из закаленного стекла с шириной фацет «а», равной (0,4-1,2)OF, где OF - фокусное расстояние концентратора.The solar house contains two solar modules with concentrators installed on the roof. The hub consists of two symmetric conjugated semi-parabolic cylindrical reflectors with an aperture angle of 24-72 °, the optical axes of which are directed along the north-south axis and oriented south at an angle of (90-φ) ° to the horizon, where φ is the latitude of the area, with branches AO and OB, as well as O'B and O'A '. The branches of the adjacent semi-parabolic cylindrical reflectors have one common vertical tangent plane of symmetry KK ', and the branches of each reflector are rotated relative to the focal axis so that the angle between the focal planes of each of the branches is 24-70 °. Solar radiation receivers are installed in each reflector between the focal planes of their branches. Mirror reflectors can be made in the form of mirror facets made of tempered glass with a facet width “a” equal to (0.4-1.2) OF, where OF is the focal length of the concentrator.

Крыша дома выполнена в виде прозрачного защитного покрытия. В качестве приемника используют солнечные фотоэлектрические модули, а также солнечный коллектор для получения горячей воды и теплого воздуха. Данный солнечный дом применим для территорий с широтой ±45°.The roof of the house is made in the form of a transparent protective coating. As the receiver, solar photovoltaic modules are used, as well as a solar collector to produce hot water and warm air. This solar house is applicable for territories with a latitude of ± 45 °.

Солнечный дом используется следующим образом.The sunny house is used as follows.

В полдень, когда солнце находится на линии КК', его лучи отражаются от ветвей обоих полупараболоцилиндрических отражателей. Таким образом, 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 части FAO₁ отражателя, собираются в точке O₁, а лучи, отраженные от части FBO₁, - в точке F. При подъеме солнца на высоту 60° солнечные лучи параллельны OF и собираются на приемнике в области OF/2, при этом работает отражатель АВО и часть ВА'О' другого отражателя. В пределах азимутального угла солнца от 60° до 120° работают три части отражателя из четырех. При угле 90° кратковременно работают все четыре части отражателя. На закате все происходит симметрично с полупараболоцилиндрическим отражателем BO'A' аналогично работе полупараболоцилиндрического отражателя АОВ на восходе солнца. Солнечный дом использует на 40-50% больше солнечной энергии, чем солнечные дома с расположением солнечных концентраторов только на южном фасаде или южном скате крыши дома.At noon, when the sun is on the KK 'line, its rays are reflected from the branches of both semi-parabolic cylindrical reflectors. Thus, all the radiation falling on the roof of the solar house is collected at the receivers of the concentrators FO and F'O '. At sunrise, the FO receiver is illuminated by direct sunlight. When the sun rises to a height of 30 ° above the horizon, the rays reflected from part FAO _{1 of the} reflector are collected at point O ₁ , and the rays reflected from part FBO ₁ are collected at point F. When the sun rises to a height of 60 °, the sun's rays are parallel to OF and they are collected at the receiver in the OF / 2 region, while the ABO reflector and part of VA'O 'of the other reflector are working. Within the azimuthal angle of the sun from 60 ° to 120 °, three of the four reflector parts work. At an angle of 90 °, all four parts of the reflector work briefly. At sunset, everything happens symmetrically with the semi-parabolic-cylindrical reflector BO'A ', similar to the operation of the semi-para-cylindrical reflector AOW at sunrise. A solar house uses 40-50% more solar energy than solar houses with solar concentrators located only on the southern facade or southern slope of the roof of the house.

Claims

1. A solar house containing enclosing wall structures and a roof, characterized in that two solar modules with concentrators are installed on the roof, consisting of two symmetrical conjugated semi-parabolic cylindrical reflectors with an aperture angle of 24-72 °, the optical axes of which are directed along the north-south axis and are oriented southward at an angle (90-φ) ° to the horizon, and the branches of the adjacent semi-parabolic cylindrical reflectors have one common vertical tangent plane of symmetry, the branches of each reflector are deployed relative respect to the focal axis such that the angle between the focal planes of each of the branches is equal to 24-70 °, and a solar radiation detectors installed in each reflector between the focal planes of their branches, where φ - latitude areas.

2. The solar house according to claim 1, characterized in that the mirror reflectors are made in the form of mirror facets made of tempered glass with a facet width “a” equal to (0.4-1.2) OF, where OF is the focal length of the hub.