СОЛНЕЧНЫЙ КИПЯТИЛЬНИК Российский патент 2007 года по МПК H01L31/04 F24J2/04 

Изобретение относится к солнечным кипятильникам для получения горячей воды и пара для бытовых и технологических нужд.

Прототипом изобретения является параболоцилиндрический концентратор лучистой солнечной энергии, по фокальной оси которого установлен трубопровод [1]. Концентратор устанавливается отражающей поверхностью на южную сторону и под некоторым углом навстречу зенитальным лучам солнца.

Недостатком прототипа является низкая эффективность, т.к. положение солнца меняется на 180°, а поворот концентратора по азимуту осуществляется вместе с трубопроводом, что трудоемко для промышленных установок с большими объемами воды и невозможно при комплекте кипятильников в одной тепловой установке. Слежение за азимутом солнца визуальное.

Настоящее изобретение позволяет получить новый технический эффект - повышение эффективности работы кипятильника и автоматическое слежение за азимутом солнца.

Настоящий технический эффект достигается тем, что параболоцилиндрический концентратор лучистой солнечной энергии имеет возможность вращения вокруг трубопровода и снабжен реверсивным приводом его азимутального поворота за солнцем. который управляется контактами силовых реле из цепи питания установленной солнечной фотобатареи с аккумулятором, а обмотки силовых реле включены в эту же цепь питания через контакты поляризованного реле с нейтральным положением якоря, обмотка которого включена встречно между двумя фотоэлементами правого и левого поворотов, а также установлен фотоэлемент заднего наблюдения включенного на обмотку своего поляризованного реле в цепи питания собственного силового реле через нормально замкнутые контакты самоблокировки, при этом последовательно с контактами силового реле реверсивного привода левого поворота включены контакты силового реле заднего наблюдения; он выполнен в виде ряда параболоцилиндрических концентраторов с общим приводом азимутального поворота и коллектором трубопроводов и расположенных в ряд с юга на север на расстояниях затемнения максимального зенитального положения солнца.

На фиг.1 показан общий вид солнечного кипятильника в продольном сечении.

На фиг.2 - вид на фиг.1 слева.

На фиг.3 показана электрическая схема солнечного кипятильника.

Солнечный кипятильник состоит из основания 1, на котором на опоре 2 шарнирно установлена рама 3 с закрепленными на ней угольниками 4, поддерживающими в наклонном положении параболоцилиндрические концентраторы 5 солнечной лучистой энергии, в верхних и нижних концах которых закреплены втулки 6 с подшипниками 7. Последние жестко связаны с угольниками 4. На нижних концах втулок 6 закреплены конические шестерни 8, находящиеся в зацеплении с коническими шестернями 9 горизонтального вала 10, который через редуктор 11 снабжен реверсивным приводом 12. Вдоль фокальной оси параболоцилиндрического концентратора 5 через втулки 6, подшипники 7 и шестерни 8 проходят трубопроводы 13 с верхним 14 и нижним 15 коллекторами. В верхней части переднего концентратора 5 установлена солнечная фотобатарея 19 (Фэ) с командными левым и правым фотоэлементами 20 (Фл и Фп) и задним 21 (Фз). В нижней части любого концентратора 5 слева и справа закреплены упоры 22, а на раме 3, против них, по сторонам - концевые выключатели - левый ВКл и правый ВКп. Свободный конец рамы 3 снабжен домкратом или шарнирно-рычажным механизмом, включающим в себя шарнирные рычаги 16 с винтовым валом 17 и колесом 18 вала 17.

Солнечный кипятильник стационарно устанавливается приемным окном (окнами) на юг с углом установки 0,5 максимального зенитального положения солнца, т.к. даже на экваторе падение солнечных лучей по оси концентратора составит только ±22,5°, что не имеет существенного значения, будет только на эту величину осевое перемещение фокального луча вдоль трубопровода 13. К тому же можно учесть, что при положении солнца над горизонтом до 15° вообще не имеет теплового излучения по коэффициенту отражения до 90%. Поэтому осевой угол установки концентратора 5 к горизонту нужно увеличить на 15°, т.е. 0,5 зенитального +15°. Тогда даже на экваторе отклонения составят только ±15°, тем более эта величина снижается в более широких поясах.

Электрическая схема солнечного кипятильника включает в себя солнечную фотобатарею Фэ с аккумулятором "АК", также параллельно включен вольтметр V. Командные фотоэлементы левого Фл и правого поворота Фп соединены встречно с обмоткой поляризованного малоточного реле РП1 с нейтральным якорем, с левым и правым контактами замыкания, в цепях которых установлены обмотки РСл и РСп. Между контактами реле РСл1 и РСп подключен реверсивный двигатель М постоянного тока. Каждая фаза питания имеет нормально замкнутые контакты концевых выключателей ВКл и ВКп. В электрическую схему кипятильника также входит сигнальный фотоэлемент Фз заднего наблюдения, включенного на обмотку собственного поляризованного реле РП2, контакты замыкания которого включены в цепь питания обмотки своего реле РСз, с параллельно разомкнутыми собственными контактами РСз1, а также последовательно с ними включены нормально замкнутые контакты РСл2 реле РСл. При этом в цепи питания реверсивного двигателя М последовательно с нормально замкнутыми контактами РСл2 включены нормально замкнутые контакты РСз2 с параллельным их переключением.

Солнечный кипятильник работает следующим образом. Холодная вода насосом (на чертеже не показан) или перепадом давления подается в питающий коллектор 15, распределяется по трубопроводам 13, которые расположены по фокальным осям концентраторов 5, где вода нагревается до расчетной температуры или пара, которые зависят от параметров концентраторов 5, расхода и времени (расчетные величины). Нагретая вода или пар по выходному коллектору 14 отводится по технологическому назначению.

Солнечная фотобатарея Фэ (19) ориентируется на световые лучи и постоянно вырабатывает расчетную электрическую энергию на зарядку аккумулятора АК.

С утра начинается зенитальное и азимутальное перемещение солнца. С увеличением азимутального угла с востока на запад происходит увеличение угла падения солнечных лучей на правый фотоэлемент Фп (20) и затемнение левого фотоэлемента Фл (20). Правый фотоэлемент Фп (20) вырабатывает ток, который подается на обмотку поляризованного реле РП1. Последнее срабатывает и замыкает свой якорь РП1 на правый контакт и ставит под ток обмотку реле РСп, которое размыкает свои нормально замкнутые контакты РСп и замыкает нормально разомкнутые контакты РСп, тем самым ставит под ток реверсивный привод М (12). Последний через редуктор 11, горизонтальный вал 10 и коническую передачу колес 9 и 8, втулки 6 на подшипниках 7 вокруг трубопроводов 13 вращает солнечные концентраторы 5 вправо и разворачивает их по азимутальному положению солнца. При азимутальном выравнивании оба фотоэлемента Фп (20) и Фл (20) под малым углом к солнечным лучам вырабатывают одинаковые малые токи, которые уравновешиваются на обмотке РП1. Последняя обесточивается и отпускает свой якорь РП1. Цепь питания обмотки реле РСп обесточивается, реле отпускает свои контакты РСп и обесточивает привод М (12). Азимутальный поворот прекращается. При дальнейшем азимутальном изменении солнца операция повторяется до заката солнца. Таким образом обеспечивается в течение дня постоянная фокусировка фокального луча концентраторов 5 на трубопроводы 13. При отсутствии солнца кипятильник и слежение не работают, поэтому при появлении солнца оно может оказаться как справа, так и слева, например, на следующий день.

При появлении солнца справа кипятильник работает описанным образом. При появлении солнца слева под лучи попадает фотоэлемент левого поворота Фл (20), который вырабатывает постоянный электрический сигнал и проходит через обмотку поляризованного реле РП1 в обратном направлении, вследствие чего описанным образом ставится под ток обмотка реле РСл, реле перекидывает свои контакты РСл1 и замыкает цепь питания через нормально замкнутые контакты ВКл и РСз2 реверсивного двигателя М (12) в обратном направлении. Последний описанным образом разворачивает концентраторы 5 влево.

После заката солнца концентраторы 5 смотрят на запад. С восходом солнца под его лучи попадает фотоэлемент заднего наблюдения Фз (20), который вырабатывает свой постоянный ток, проходящий через обмотку поляризованного реле РП2. Реле замыкает свой якорь и ставит под ток обмотку реле РСз, притягивает свой контакт РСз1 и самоблокируется через нормально замкнутые контакты РСл2. В то же время своими контактами РСз2 замыкает цепь питания реверсивного двигателя М(12) последовательно через нормально замкнутые контакты РСл1. Двигатель М (12) описанным образом разворачивает концентраторы 5 влево до тех пор, пока под лучи попадет фотоэлемент Фл (20), т.е. уже с поворотом на восток. Под током Фл (20) обмотка реле РП1 срабатывает и его якорь ставит под ток обмотку реле РСл, реле своими контактами РСл2 разрывает цепь питания РСз, отпускает свои контакты РСз1 и снимает самоблокировку, а контактами РСз2 - питание двигателя М (12), однако РСл замыкает свои нормально разомкнутые контакты и замыкает цепь питания двигателя М (12), который продолжает разворот концентраторов 5 в азимутальное положение солнца.

После азимутального поворота одновременно начинают работать фотоэлементы Фл (20) и Фп (20), которые описанным образом обеспечивают ориентировку концентраторов 5.

Угол наклона концентраторов 5 в зависимости от времени года регулируется поворотом колеса 18 с винтовым валом 17 и шарнирно-рычажным механизмом 16.

В цепи питания привода М (12) включены концевые выключатели ВКл и ВКп, исключающие аварийные ситуации в работе электрической схемы.

Таким образом, обеспечиваются высокая эффективность работы кипятильника с круглосуточным слежением за азимутом солнца.

Кипятильник работает в Башкирском государственном аграрном университете.

Источники информации

1. Апараси Р.Р., Гарф Б.А. Использование солнечной энергии. М., изд. АН СССР, 1958, с.28, 29 (прототип).

Изобретение относится к солнечным кипятильникам для получения горячей воды и пара для бытовых и технологических нужд. Технический результат изобретения: обеспечение высокой эффективности работы кипятильника с автоматическим слежением за азимутом солнца. Сущность: солнечный кипятильник представляет собой параболоцилиндрический концентратор солнечного излучения, по фокальной оси которого установлен трубопровод для нагрева воды, при этом концентратор установлен с возможностью вращения вокруг трубы с ограничителями правого и левого поворотов и снабжен реверсивным электроприводом азимутального слежения за солнцем, управляемый схемой электроавтоматики от солнечных фотобатарей. С восхода до заката солнца происходит азимутальное слежение концентратора и обеспечивается постоянный нагрев воды в трубопроводе, находящемся в фокальной оси концентратора. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Солнечный кипятильник, включающий в себя параболоцилиндрический концентратор лучистой солнечной энергии, по фокальной оси которого установлен трубопровод, отличающийся тем, что параболоцилиндрический концентратор лучистой солнечной энергии установлен с возможностью вращения вокруг трубопровода и снабжен реверсивным приводом его азимутального поворота за солнцем, который управляется контактами силовых реле из цепи питания установленной солнечной фотобатареи с аккумулятором, а обмотки силовых реле включены в эту же цепь питания через контакты поляризованного реле с нейтральным положением якоря, обмотка которого включена встречно между двумя фотоэлементами правого и левого поворотов, а также установлен фотоэлемент заднего наблюдения включенного на обмотку своего поляризованного реле в цепи питания собственного силового реле через нормально замкнутые контакты самоблокировки, при этом последовательно с контактами силового реле реверсивного привода левого поворота включены контакты силового реле заднего наблюдения.2. Солнечный кипятильник по п.1, отличающийся тем, что он выполнен в виде ряда параболоцилиндрических концентраторов с общим приводом азимутального поворота и коллектором трубопроводов и расположенных в ряд с юга на север на расстояниях затемнения максимального зенитального положения солнца.