ГЕЛИОУСТАНОВКА Российский патент 1997 года по МПК F24J2/42 

Изобретение относится к технике устройств для преобразования солнечной энергии в механическую и может найти применение в энергетике, сельском хозяйстве и других отраслях, включая космическую технику.

Известны установки, использующие солнечную энергию для выработки механической энергии. Например, известен механический двигатель (см. журнал "Техника и наука", N 7, 1978 г. с. 43), представляющий собой колесо, составленное из нескольких сообщающихся сосудов, заполненных частично жидкостью с низкой температурой кипения. Сосуды связаны между собой трубопроводами, являющимися одновременно и спицами колеса. Двигатель устанавливается так, что нижние сосуды погружены в воду, которая прогревается за счет солнечной энергии.

Недостатки этих установок связаны с ограниченной областью применения (необходимо наличие водяного бассейна).

Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому изобретению является тепловой двигатель (а. с. СССР N 861717, кл. F 03 G 7/06, опубл. 03.03.76 г.), содержащий ротор, проходящий через зоны нагрева и охлаждения, установленный на неподвижном основании с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси и снабженный тепловыми рабочими элементами с прикрепленными к ним дебалансными грузами, расположенными на одинаковом расстоянии от оси вращения. Ротор снабжен упорами, и его рабочие элементы закреплены между упорами и установлены с прогибом в сторону от оси вращения.

Этот тепловой двигатель выбран в качестве прототипа. Недостатком прототипа является относительно небольшая развиваемая мощность, а также невозможность использования для его работы солнечной энергии.

Задачей заявляемого изобретения является устранение отмеченных недостатков.

Поставленная задача достигается тем, что гелиоустановка, содержащая ротор, проходящий последовательно через зоны нагрева и охлаждения, установленный на неподвижном основании с возможностью вращения вокруг оси и снабженный тепловыми рабочими элементами с прикрепленными к ним дебалансными грузами, расположенными в статическом состоянии на одинаковом расстоянии от оси вращения, и отражатель, согласно изобретению тепловые рабочие элементы ротора выполнены из металла с памятью формы, отражатель размещен на неподвижном основании перпендикулярно оси вала и экранирует половину обращенной к солнцу боковой поверхности ротора.

Поставленная задача достигается также тем, что тепловые рабочие элементы размещены с возможностью радиального перемещения на спицах, связывающих ступицу ротора с его ободом.

Поставленная задача достигается также тем, что тепловые рабочие элементы выполнены подпружиненными.

Поставленная задача достигается также тем, что пружины выполнены из металла с памятью формы.

Поставленная задача достигается также тем, что тепловой рабочий элемент жестко связан с зубчатой рейкой, входящей в зацепление с зубчатой шестерней, связанной с другой зубчатой шестерней меньшего диаметра, которая в свою очередь связана с зубчатой рейкой, установленной на дебалансном грузе, размещенном с возможностью радиального перемещения на спице, связывающей ступицу ротора с его ободом.

Выполнение тепловых рабочих элементов из металла с памятью формы, размещение отражателя на неподвижном основании перпендикулярно оси вала с экранировкой половины обращенной к солнцу боковой поверхности ротора, снабжение тепловых рабочих элементов экранами, размещенными на роторе, размещение тепловых рабочих элементов на спицах, связывающих ступицу ротора с его ободом, выполнение тепловых рабочих элементов подпружиненными, выполнение пружин из металла с памятью формы, выполнение теплового рабочего элемента жестко связанным с зубчатой рейкой, входящей в зацепление с зубчатой шестерней, связанной с другой зубчатой шестерней меньшего диаметра, связанной с зубчатой рейкой, установленной на дебалансном грузе, размещенном с возможностью радиального перемещения на спице, связывающей ступицу ротора с его ободом эти признаки определяют новизну заявляемой гелиоустановки.

На фиг. 1 дана гелиоустановка. Она содержит ротор 1, установленный с возможностью вращения на оси 2. Ступица ротора 3 и обод 4 связаны спицами 5. На роторе, а конкретнее на его ободе 4 размещены тепловые рабочие элементы 6, выполненные из металла с памятью формы, на концах которых размещены дебалансные грузы (не показаны).

Гелиоустановка содержит дебалансные грузы 7, размещенные с возможностью радиального перемещения на спицах 5 и выполненные хотя бы частично из металла с памятью формы, удерживаемые в статическом положении пружинами 8, закрепленными на жестких упорах 9. Пружины 8 могут быть выполнены из металла с памятью формы и размещены на неподвижном основании параллельно плоскости вращения ротора 1 (см. фиг. 2). Ротор 1 ориентирован на солнце, при горизонтальной установке вала 2 отражатель установлен вертикально и ориентирован на Юг, при вертикальной установке вала отражатель установлен в горизонтальной плоскости и в этом случае его ориентировка по сторонам света не имеет значения.

Тепловые рабочие элементы, выполненные из металла с памятью формы, снабжены экранами 11 (см. фиг. 1 и 2), которые жестко связаны с ротором с помощью стоек 12 и выполнены из материала с высокой поглощающей способностью (например, шероховатый и окрашенный в черный цвет лист металла). На чертежахах экраны 11 показаны только перед топливными элементами 7, совмещенными с дебалансными грузами.

Вал 2 размещен в подшипниках 13.

Дебалансные грузы 7 могут быть также выполнены в виде цилиндра 7, выполненного или частично или полностью из металла с памятью формы. Грузы 7 с помощью пружин 8 удерживаются в статическом состоянии на одинаковых расстояниях от оси вала 2. В свою очередь пружины 8 закреплены на упорах 9, жестко связанных со спицами 5. Пружины 8 могут быть выполнены из металла с памятью формы.

На фиг. 3 показано размещение теплового рабочего элемента 14, выполненного из металла с памятью формы, на оси 5. С элементом 14 связана жестко зубчатая рейка 15, входящая в зацепление с зубьями зубчатой шестерни 16, размещенной с возможностью вращения на валу, который через подшипниковые узлы связан с ротором (не показано). С зубчатой шестерней 16 находится в зацеплении зубчатая шестерня 17 меньшего диаметра, которая также установлена с возможностью вращения на валу, который через подшипниковые узлы связан с ротором (не показано). Шестерня 17 входит в зацепление с зубчатой рейкой 18, жестко связанной с дебалансным грузом 19, размещенным с возможностью радиального перемещения на спице 5.

Работа гелиоустановки основана том, что по достижении некоторой вполне определенной температуры элемент из металла с памятью формы принимает вполне определенную, наперед заданную геометрическую форму. При уменьшении температуры ниже определенной величины геометрическая форма металла возвращается к первоначальной. Описанный процесс характеризуется малой инерционностью, высокой чувствительностью к изменению температуры и большим рабочим усилием. Элементы из металла с памятью формы выдерживают несколько миллионов рабочих циклов без видимых отклонений от заданных геометрических параметров. Температура, при которой происходит восстановление формы элемента, зависит от свойства металла с памятью, а точнее от состава компонентов, входящих в сплав. Например, у никелина титана Т46Н54 начало восстановления формы происходит при 75 ^oC, у никелида титана Т45Н55 при 35 ^oC. Известны устройства, в которых используются элементы, выполненные из металлов с памятью формы, например, устройства по а. с. N 1100423, 1148678, 1137264, 1044266, 1116215, 1558579, 1560597 и другие. Линейные размеры элементов, выполненных из металлов с памятью формы, могут меняться на 15 Гелиоустановка работает следующим образом. Когда лучи солнца начинают падать на поверхность земли, они попадают и на боковую поверхность ротора 1. При этом тепловые рабочие элементы 6, выполненные из материала с памятью формы, начинают нагреваться и их температура повышается. Как только температура элемента 6 станет больше температуры перехода из одной геометрической формы в другую, элемент 6 "вспоминает" свою форму. Часть элемента 6, ранее установленная под углом α₁ отклоняется от первоначального положения и занимает положение под углом α₂ к касательной. Так как на концах элементов 6 размещены дебалансные грузы, то при увеличении расстояния от оси вала до дебалансного груза возникает вращающий момент. Все это справедливо только для той части ротора 1, которая освещена солнцем. Вторая половина ротора 1 все время заэкранирована от солнечного излучения с помощью экрана 10. Тепловые элементы 6, находящиеся в тени экрана 10, не меняют своего положения относительно оси ротора 2. Любая система стремится к равновесию, и ротор начинает вращаться. Как только тепловой элемент 6 из положения, соответствующего углу α₂ переместится в затененную экраном 10 зону, он "вспомнит" свою первоначальную форму и отклонится от касательной на первоначальный угол α₁ Ротор будет вращаться до тех пор, пока солнечные лучи будут нагревать тепловые элементы 6 до определенной температуры, соответствующей температуре перехода из одной формы в другую, т. е. несколько часов в день. Системы отбора мощности от вращающегося вала общеизвестны и в материалах заявки не рассматриваются.

Гелиоустановка может работать также следующим образом. При установке перед каждым тепловым элементом теплопоглощающего экрана 11 температура в зоне установки теплового элемента будет расти быстрее и он быстрее перейдет из одной геометрической формы в другую.

Гелиоустановка может работать также следующим образом. Если дебалансные грузы 7 полностью или частично выполнены из металла с памятью формы, то при установке их на спицах 5 они одной стороной связаны с пружинами 8, которые в свою очередь связаны с жесткими упорами 9. При нагреве металла с памятью формы увеличивается линейный размер дебалансного груза 7 в радиальном направлении. Таким образом, при освещении солнцем грузов 7, находящихся на освещенной солнцем половине ротора 1, они смещаются, и смещается их центр тяжести в направлении оси вала. Возникает вращательный момент, и ротор начинает вращаться. Когда грузы 7 вместе с элементом памяти формы перемещаются в зону, заэкранированную от солнца экраном 10, металл "вспоминает" свою первоначальную форму, т. е. центр тяжести груза 7 становится ближе к оси вала 2. Как и в предыдущем случае, грузы 7, совмещенные с тепловым рабочим элементом, могут экранироваться с помощью экрана 11, закрепленного на роторе и вращающегося вместе с ротором.

Гелиоустановка может работать также следующим образом. Если пружины 8 выполнены из материала с памятью формы, то они при нагреве за счет солнечной радиации также увеличиваются в радиальном направлении, смещая при этом дебалансные грузы по радиусу от центра, что ведет к увеличению крутящего момента.

Гелиоустановка может работать также следующим образом (см. фиг. 3). При нахождении теплового рабочего элемента 14 в освещенной солнцем зоне он увеличивается в размере и перемещает зубчатую рейку 15. Эта рейка заставляет вращаться зубчатую шестерню 16, при этом одновременно вращается и зубчатая шестерня 17. При удлинении элемента 14 шестерни вращаются так, что зубчатая рейка 18, установленная на дебалансном грузе 19, перемещает груз в радиальном направлении, при этом расстояние от центра тяжести груза 19 до оси вала 2 увеличивается. Выполнение шестерни 17 меньшим диаметром, чем шестерня 16, позволяет увеличить линейное перемещение рейки 18, что ведет к увеличению крутящего момента. Когда тепловой элемент 14 при вращении ротора попадает на экранированную от солнца зону, металл "вспоминает" свою первоначальную форму, при этом дебалансные грузы смещаются по радиусу вдоль спицы 5 к центру вала 2.

Время работы гелиоустановки определяется продолжительностью светового дня и соответствующими погодными условиями.

Использование: в технике для преобразования солнечной энергии в механическую энергию. Сущность: гелиоустановка содержит ротор, проходящий последовательно через зоны нагрева и охлаждения, установленный на неподвижном основании с возможностью вращения вокруг оси и снабженный тепловыми рабочими элементами, выполненными из металла с памятью формы, с прикрепленными к ним дебалансными грузами, расположенными в статическом состоянии на одинаковом расстоянии от оси вращения, и отражатель. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Гелиоустановка, содержащая ротор, проходящий последовательно через зоны нагрева и охлаждения, установленный на неподвижном основании с возможностью вращения вокруг оси и снабженный тепловыми рабочими элементами с прикрепленными к ним дебалансными грузами, расположенными в статическом состоянии на одинаковом расстоянии от оси вращения, и отражатель, отличающаяся тем, что тепловые рабочие элементы выполнены из металла с памятью формы, отражатель размещен на неподвижном основании перпендикулярно оси вала и экранирует половину обращенной к солнцу боковой поверхности ротора. 2. Гелиоустановка по п.1, отличающаяся тем, что тепловые рабочие элементы снабжены экранами, размещенными на роторе. 3. Гелиоустановка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что тепловые рабочие элементы размещены с возможностью радиального перемещения на спицах, связывающих ступицу ротора с его ободом. 4. Гелиоустановка по п.3, отличающаяся тем, что тепловые рабочие элементы выполнены подпружиненными. 5. Гелиоустановка по п. 4, отличающаяся тем, что пружины выполнены из металла с памятью формы. 6. Гелиоустановка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что тепловой рабочий элемент жестко связан с зубчатой рейкой, входящей в зацепление с зубчатой шестерней, связанной с другой зубчатой шестерней меньшего диаметра, которая в свою очередь связана с зубчатой рейкой, установленной на дебалансном грузе, размещенном с возможностью радиального перемещения на спице, связывающей ступицу ротора с его ободом.