ГЕЛИОУСТАНОВКА Российский патент 1995 года по МПК F24J2/38 

Изобретение относится к гелиотехнике и может быть использовано для слежения гелиоприемников за положением Солнца.

В настоящее время проблема использования экологически чистых, доступных и дешевых источников энергии встала достаточно остро. Особое место среди таких источников энергии по неисчерпаемости и доступности занимает солнечная энергия. Системы слежения гелиоустановок за положением Солнца, используемые в настоящее время, являются либо дорогостоящими и энергоемкими, требующими при эксплуатации подвода, например, электрической энергии, либо имеют невысокие быстродействие и точность при использовании энергии солнечного излучения и являются достаточно сложными.

Известна гелиоустановка, содержащая ориентируемый солнечный коллектор, установленный с возможностью поворота вокруг оси, расположенной в плоскости его симметрии, совпадающей с направлением ориентации коллектора, и механизм ориентации, выполненный в виде баллонов с легкокипящей жидкостью, закрепленных симметрично относительно плоскости симметрии коллектора, и снабжен симметрично расположенными испарителями, каждый из которых сообщен с одним из баллонов и расположен с ним оппозитно относительно плоскости, проходящей через ось вращения коллектора и перпендикулярной плоскости симметрии коллектора, каждый испаритель снабжен поворотным экраном, при этом центр масс коллектора размещен на оси его вращения, а центр масс механизма ориентации расположен ниже оси вращения [1].

Однако известная гелиоустановка имеет невысокое быстродействие в результате использования для ориентации несфокусированного солнечного излучения и, как следствие, высокой инерционности при нагреве до необходимого объема легкокипящей жидкости, а попытки повысить быстродействие за счет введения дополнительных испарителей с легкокипящей жидкостью и отражающих экранов значительно усложняют систему слежения, увеличивают расход легкокипящей жидкости и габариты гелиоустановки. Точность ориентации коллектора является невысокой за счет трудности равной дозировки и дальнейшего длительного сохранения равных больших объемов легкокипящей жидкости в испарителях и баллонах, что вызывает различную величину перемещения коллектора при нагреве баллонов и испарителя на одну и ту же температуру.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является гелиоустановка, содержащая ориентируемый оптический элемент, установленный на опорно-поворотном устройстве, и систему слежения, включающую диаметрально расположенные относительно фокуса оптического элемента датчики, выполненные в виде термобаллонов с легкокипящей жидкостью, соединенных посредством капиллярных трубок с компенсаторами давления, выполненными в виде сильфонов, дифференциал, колеса которого соединены с сильфонами, а вал водила - с зубчатой передачей, связанной с управляющим элементом сопел, соединенных через распределительные золотники гидроусилителей с системой поворота гелиоустановки [2].

Однако известна гелиоустановка имеет невысокое быстродействие из-за значительной сложности системы слежения и большого числа передаточных звеньев (десять). Точность ориентации оптического элемента является невысокой за счет трудности равной дозировки и дальнейшего длительного сохранения равных объемов легкокипящей жидкости в баллонах и сильфонах, что вызывает различную величину перемещения оптического элемента при нагреве баллонов и сильфонов на одну и ту же температуру, а также из-за большого количества передаточных звеньев, и наличия неупругих сильфонов, деформируемых на различную величину, которые приводят к снижению надежности гелиоустановки.

Достигаемым новым техническим результатом является повышение надежности гелиоустановки путем повышения быстродействия и точности ориентации оптического элемента за положением Солнца.

Технический результат достигается тем, что в известную гелиоустановку, содержащую ориентируемый оптический элемент, установленный на опорно-поворотном устройстве, и систему слежения, включающую расположенные симметрично относительно фокуса оптического элемента термобаллоны с легкокипящей жидкостью, соединенные посредством трубок с компенсатором давления, введены приемники излучения, установленный в фокусе оптического элемента, юстировочный вентиль, соединяющий посредством трубопроводов термобаллоны, которые расположены на боковой поверхности приемника излучения, и ползун, установленный с возможностью перемещения вдоль опоры, а компенсатор давления выполнен в виде по крайней мере двух гидроцилиндров по числу термобаллонов, закрепленных со стороны полостей на нерабочей поверхности оптического элемента с возможностью его ориентации на опорно-поворотном устройстве при перемещении штоков гидроцилиндров, закрепленных жестко на ползуне, при этом трубки соединены с полостями соответствующих гидроцилиндров.

На фиг. 1 показана принципиальная схема гелиоустановки для случая параболического оптического элемента (коллектора); на фиг.2 - то же, для случая параболоцилиндрического оптического элемента (коллектора).

Гелиоустановка состоит из ориентируемого оптического элемента (коллектора) 1, в фокусе которого установлен приемник 2 излучения, опорно-поворотного устройства 3 с установленным с возможностью перемещения вдоль опоры 4 ползуном 5, системы слежения, включающей расположенные симметрично относительно фокуса оптического элемента (коллектора) 1 на боковой поверхности приемника 2 термобаллоны 6 с легкокипящей жидкостью, соединенные посредством трубок 7 с полостями 8 соответствующих гидроцилиндров 9, закрепленных со стороны полостей 8 на нерабочей поверхности 10 оптического элемента (коллектора) 1 с возможностью его ориентации на механизме 11 поворота опорно-поворотного устройства 3 при перемещении штоков 12 гидроцилиндров 9, закрепленных жестко на ползуне 5, и юстировочный вентиль 13, соединяющий посредством трубопроводов 14 термобаллоны 6. В качестве оптического элемента (коллектора) 1 криволинейной формы, например параболической или параболоцилиндрической, используют, например, оптический элемент из сплава АМГ-6, обработанный по стандартной технологии, например, методом свободного абразива со следующими оптическими параметрами: фокусное расстояние - 1,5 м; оптическая чистота (Р) = V.

В качестве юстировочного вентиля 13, гидроцилиндров 9, трубок 7 и трубопроводов 14 используют, например, стандартные, непроницаемые для используемой легкокипящей жидкости соответствующие аналоги.

В качестве приемника 2 используют, например, трубопровод для дистилляции воды, фотоэлектрический преобразователь или двигатель Стирлинга, преобразующий тепловую энергию в механическую, и т.п. В качестве ползуна 5 используют стандартный ползун, широко применяемый, например, в паровозостроении и т.п. В качестве механизма 11 опорно-поворотного устройства 3 используют, например, стандартный цилиндрический шарнир (для параболоцилиндра) или шаровидный шарнир (для параболоида, сфероида и т.п.).

В качестве легкокипящей жидкости используют жидкость, имеющую большой коэффициент теплового расширения или низкую температуру кипения, преимущественно негорючую, например фреон-114В2.

Гелиоустановка работает следующим образом.

Для приведения гелиоустановки в рабочее положение открывают юстировочный вентиль 13, соединяющий термобаллоны 6, и тем самым разблокируют гидроцилиндры 9, ответственные за ориентацию оптического элемента (коллектора) 1, за счет выравнивания давления и количества легкокипящей жидкости в системе слежения. Устанавливают оптический элемент (коллектор) 1 таким образом, чтобы солнечное излучение фокусировалось на приемник 2. После этого закрывают юстировочный вентиль 13. При этом без взаимодействия с фокусом оптического элемента 1 и при дрейфе температуры окружающей среды в сторону увеличения или уменьшения легкокипящая жидкость, находящаяся в термобаллонах 6, в случае установленного в них равенства давлений под действием юстировочного вентиля 13 соответственно увеличивает или уменьшает свой объем (на равную величину в каждом из термобаллонов). Изменение объема жидкости компенсируется изменением объема полостей соответствующих гидроцилиндров 9 на равную величину, которая регулируется при необходимости смещением ползуна 5 вниз по опоре 4. При этом никакого перемещения оптического элемента (коллектора) 1 не происходит.

При перемещении фокуса на один из термобаллонов 6 легкокипящая жидкость в нем приобретает температуру выше температуры окружающей среды, в результате чего объем жидкости в термобаллоне увеличивается по сравнению с объемом жидкости в других термобаллонах. За счет этого увеличивается давление на поршень соответствующего гидроцилиндра 9, объем полости этого гидроцилиндра возрастает. Происходит разворот оптического элемента (коллектора) 1 за счет увеличения величины штока гидроцилиндра, находящегося вне объема гидроцилиндра, с помощью механизма 11 опорно-поворотного устройства 3 таким образом, что фокус вновь входит в пространство между термобаллонами на приемник 2. И такая ориентация оптического элемента (коллектора) 1 продолжается в течение всего периода эксплуатации в течение светового дня тем или иным из термобаллонов 6 в зависимости от положения Солнца на небосводе и соответствующего отклонения фокуса при перемещении Солнца в сторону того или иного термобаллона 6. Как отмечалось выше, в случае, когда изменяется температура среды, т.е. повышается или снижается рабочая температура жидкости во всех термобаллонах 6, избыточное давление в гидроцилиндрах регулируют изменением положения ползуна 5 по опоре 4 устройства 3. Количество гидроцилиндров 9 равно числу термобаллонов 6 и составляет в случае параболоцилиндра (фиг. 2) два термобаллона 6, расположенных симметрично и оппозитно друг друга относительно фокуса оптического элемента 1, и два гидроцилиндра 9 для перемещения оптического элемента 1 в азимутальной плоскости, а в случае параболоида, сфероида и т.п. необходимо как минимум три термобаллона 6, расположенных симметрично относительно фокуса оптического элемента 1 и под углом 60о друг к другу и три гидроцилиндра 9 для перемещения оптического элемента 1 в азимутально-зенитальной плоскостях. Размещение термобаллонов 6 в соприкосновении с боковой поверхностью приемника 2 позволяет исключить инерционность ориентации оптического элемента 1 при смещении его фокуса в зазор между приемником 2 и термобаллонами 6. Отказ от сильфонов позволяет повысить точность передачи поворотного сигнала за счет исключения возможности их деформирования при передаче на различную величину. Объем легкокипящей жидкости выбирают таким образом, чтобы расширение было достаточным для осуществления поворота оптического элемента 1 в необходимом диапазоне углов в течение всего светового дня.

Новым техническим результатом изобретения являются повышение надежности гелиоустановки путем повышения быстродействия и точности ориентации оптического элемента за положением Солнца не менее чем на 15% за счет снижения почти на порядок числа передаточных звеньев в системе слежения, упрощения последней; повышение быстродействия ориентации оптического элемента не менее чем на 15% за счет снижения почти на порядок числа передаточных звеньев в системе слежения; повышение точности ориентации оптического элемента не менее чем на 10% за счет возможности выравнивания давления в термобаллонах и гидроцилиндрах с помощью юстировочного вентиля и снижения почти на порядок числа передаточных звеньев в системе слежения, исключения деформируемых сильфонов.

Использование: в гелиотехнике для слежения гелиоприемников за положением Солнца. Сущность изобретения: гелиоустановка содержит ориентируемый оптический элемент 1, установленный на опорно - поворотном устройстве 3, и систему слежения. Последняя включает расположенные симметрично относительно фокуса оптического элемента 1 термобаллоны 6 с легкокипящей жидкостью, соединенные посредством трубок 7 с компенсатором давления. Гелиоустановка содержит также приемник 2 излучения, установленный в фокусе оптического элемента, юстировочный вентиль 13, соединяющий посредством трубопроводов термобаллоны 6, которые расположены на боковой поверхности приемника 2 излучения, и ползун 5, установленный с возможностью перемещения вдоль опоры. Компенсатор давления выполнен в виде по крайней мере двух гидроцилиндров 9 по числу термобаллонов, закрепленных со стороны полостей на нерабочей поверхности элемента 1 с возможностью его ориентации на опорно - поворотном устройстве при перемещении штоков гидроцилиндров 9, закрепленных жестко на ползуне 5. При этом трубки 7 соединены с полостями соответствующих гидроцилиндров 9. 2 ил.

ГЕЛИОУСТАНОВКА, содержащая установленный на опорно-поворотном устройстве оптический элемент с приемником излучения, расположенным в его фокусе, и систему слежения, выполненную в виде термобаллонов с легкокипящей жидкостью и гидроцилиндров, взаимодействующих с оптически-поворотным устройством, при этом термобаллоны расположены симметрично относительно фокуса оптического элемента и каждый из них сообщен с полостью своего компенсатора, отличающаяся тем, что термобаллоны расположены на боковой поверхности приемника и соединены попарно между собой трубопроводами с установленными на них юстировочными вентилями, компенсаторами давления служат гидроцилиндры, штоки которых жестко соединены с ползуном, расположенным на опоре, шарнирно закрепленной на нерабочей поверхности оптического элемента, на которой закреплены и гидроцилиндры со стороны их полостей.