АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА НАВЕДЕНИЯ ЛУЧЕЙ СОЛНЦА НА ОБЪЕКТ Российский патент 2010 года по МПК F24J2/42 

Изобретение относится к области гелиотехники, обеспечивающей концентрацию солнечной радиации, а также для увеличения степени инсоляции затененных участков Земли.

Известен ряд технических установок, в которых требуется концентрировать солнечные лучи на сравнительно небольшом участке пространства. К ним, в первую очередь, относятся солнечные электростанции, состоящие из концентратора - системы солнечных гелиостатов и солнечного парогенератора или фотоэлектрического преобразователя, на котором концентрируются отраженные от гелиостатов лучи Солнца. Известны также системы наведения отраженных солнечных лучей на селения, находящиеся в глубоких ущельях. Этот способ получил в последнее время распространение в горных местностях Швейцарии и Италии, где наблюдается недостаток в солнечном освещении из-за гор, заслоняющих Солнце большую часть дня (www.radiomayak.ru 29.12.2006, 20:15).

В качестве прототипа изобретения может служить система наведения отраженных лучей Солнца на объект, которая содержит зеркальные отражатели-гелиостаты, каждый гелиостат снабжен приводами зенитного и азимутного вращения, функции приводов выполняют электродвигатели, которыми управляет электронный блок по заданной программе, так, что в каждый момент времени отраженные солнечные лучи направлены на объект (Эврика-86 / сост. А.В.Лельевр. - М.: Мол.гвардия, 1986. - 303 [1] с., ил., стр.233-234).

Недостатками этой системы являются высокие затраты на эксплуатацию, большие расходы электроэнергии на питание электродвигателей, малая надежность из-за сложности устройства и множественности элементов, составляющих систему и имеющих в том числе экологически опасные компоненты.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является создание экологически безопасной установки, не потребляющей техногенной энергии, имеющей простую конструкцию и высокую надежность.

Техническим результатом является повышение точности наведения отраженных лучей Солнца на объект, уменьшение экологической нагрузки на окружающую среду, увеличение срока службы и уменьшение эксплуатационных расходов устройства.

Задача изобретения решается тем, что в автономной системе наведения лучей Солнца на объект, содержащей основание, ориентируемый зеркальный отражатель, приводы зенитного и азимутного вращения, согласно изобретению, в качестве приводов использован металл с эффектом памяти формы, приводы выполнены в виде торсионов и расположены соосно с осями вращения север-юг и восток-запад, оси перпендикулярны друг другу и проходят средними частями одну точку, находящуюся в геометрическом центре плоскости зеркального отражателя, корпус которого является составной частью оси вращения север-юг, при этом каждый из попарно идентичных приводов закреплен одним концом неподвижно на основании, а вторым связан соосно с осью редуктора, который соединен с осью вращения, каждый из попарных приводов в исходном положении деформирован кручением в противоположных направлениях друг относительно друга, каждый из приводов снабжен светоотражающим экраном, выполненным с возможностью регулирования и помещенным перед приводом на пути солнечных лучей с направления восток-запад для оси вращения, лежащей вдоль линии север-юг, и с направления север-юг для оси, лежащей вдоль линии восток-запад, редукторы, расположенные между приводами и осями вращения, имеют передаточное число ¹/₂.

Технический результат достигается тем, что, как и в известной системе, предлагаемая автономная система наведения лучей Солнца на объект содержит зеркальный отражатель, снабженный приводами зенитного и азимутного вращения.

В отличие от известной, в предлагаемой системе наведения лучей Солнца на объект, функции приводов выполняют элементы, изготовленные из металла с эффектом памяти формы, которыми управляют световые экраны по заданной схеме так, что в каждый момент времени, при наличии прямой солнечной радиации, отраженные солнечные лучи оказываются направленными на объект.

Работа предлагаемой системы обеспечивает автономное вращение зеркального отражателя в зенитном и азимутном направлении и удержание отраженных лучей на объекте, упрощает конструкцию и увеличивает надежность работы.

Реализация поставленной цели основана на работе элементов из металла с эффектом памяти формы в виде торсионов, включенных по дифференциальной схеме друг относительно друга с помощью двух осей вращения и размещенных на противоположных концах этих осей соосно с ними. При неодинаковой степени освещенности прямыми солнечными лучами у попарных элементов возникает перепад температуры, поэтому вследствие эффекта памяти формы и дифференциальной схемы попарного включения элементов, возникает вращение осей в том или ином направлении на угол, пропорциональный разности температур, при этом степень освещенности регулируется световыми экранами, которыми снабжен каждый из элементов. Вращение осей через редукторы передается зеркальному отражателю, посылающему, при совокупной работе системы, лучи Солнца на объект в автоматическом режиме. Использование редукторов с соответствующими передаточными числами обеспечивает работу устройства в различных вариантах.

Сравнение с прототипом показывает, что предлагаемая автономная система наведения лучей Солнца на объект позволяет устранить расходы энергии на питание приводов, что значительно повышает экономичность работы установки. Система отличается небольшим числом составляющих ее частей и отсутствием экологически опасных компонентов, что повышает уровень надежности и безопасности. Использованные в заявляемом изобретении технические решения приводят к иному техническому результату по сравнению с прототипом, поэтому предлагаемая система наведения соответствует критерию «новизна».

Сопоставительный анализ предлагаемого изобретения с известным устройством (пат. РФ 2313046, МПК⁶ F24J 2/38, заявл. 03.02.06 опубл. 20.12.07), в котором приводы также выполнены из металла с памятью формы, показал, что соединение приводов с осями вращения с помощью редукторов и совмещение осей вращения в одной точке, совпадающей с геометрическим центром плоскости зеркального отражателя в предлагаемой системе наведения, приводит к следующим результатам:

а) система слежения превращается в систему наведения;

б) увеличивается компактность установки и КПД работы приводов.

Поскольку этого не было установлено ранее, можно сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию «изобретательский уровень».

На фиг.1 представлен эскиз автономной системы наведения лучей Солнца на объект.

Система содержит общее основание 1, на котором размещены:

редукторы вращения север-юг 2, приводы вращения север-юг 3, подвижные световые экраны 4, сопряженные с приводами 3, корпуса 5 вращательных узлов север-юг, платформу вращения север-юг 6, на которой размещены: зеркальный отражатель 7, редукторы вращения восток-запад 8, приводы вращения восток-запад 9, подвижные световые экраны 10, сопряженные с приводами 9, корпуса 11 вращательных узлов восток-запад. Общие оси вращения север-юг и восток-запад перпендикулярны друг другу и проходят через одну точку, находящуюся в геометрическом центре плоскости фигуры зеркального отражателя, имеющей поворотный центр симметрии. Зеркальный отражатель и платформа вращения север-юг являются составными частями двух общих осей вращения север-юг и восток-запад. Редукторы расположены соосно с осями вращения, между приводом и осью.

На фиг.2 представлен общий вид системы наведения.

На фиг.3 показана схема работы устройства в условиях, когда объект находится выше уровня зеркала.

На фиг.4 показана схема работы устройства, когда объект находится ниже уровня зеркала.

Устройство работает следующим образом. Попарно идентичные приводы вращения 3 и 9 в виде торсионов из металла с эффектом памяти формы, предварительно попарно скрученных друг относительно друга, 4 обеспечивают зенитное и азимутное вращение поверхности зеркального отражателя 7 относительно направления на Солнце. Вращение попарных приводов происходит за счет эффекта памяти формы, реализуемого при перепаде температур между ними, возникающего из-за различной освещенности Солнцем. Степень освещенности зависит от положения Солнца и дополнительно регулируется световыми экранами 4 и 10. Работа устройства происходит в двух режимах: а) при использовании в системе солнечных электростанций, б) в системе искусственной инсоляции горных долин. В первом случае зеркальный отражатель расположен выше объекта освещения 12 наведенным лучом, а во втором - ниже (фиг.3,4). Как видно из приведенных рисунков, в обоих случаях при изменении положения Солнца по отношению к зеркальному отражателю 7 на угол β, плоскость отражателя должна повернуться на угол 1/2 β для сохранения (первоначально наведенного на объект) отраженного луча на объекте. Во втором случае устанавливают два зеркальных отражателя (второй на фиг. не показан), один с восточной, другой с западной стороны. Приводы 3 и 9, действующие напрямую (без редукторов) на оси вращения север-юг и восток-запад, ориентируют изначально направленную в сторону Солнца воображаемую антенну, закрепленную на оси север-юг в точке поворотного центра симметрии плоскости отражателя, точно на Солнце. Это происходит за счет автоматического выравнивания освещенности приводов включенных по дифференциальной схеме. Введение редукторов, расположенных между приводами и поворотными осями, имеющих передаточный коэффициент ¹/₂, обеспечивает ориентацию зеркала по отношению к Солнцу и сохранение отраженного луча на объекте при перемещении Солнца по небосводу.

Предлагаемая система наведения лучей Солнца на объект имеет энергетически автономный характер работы, отличается простой и надежной конструкцией.

Материал, из которого состоят термоприводы, имеет высокую коррозионную стойкость, может совершать большое число рабочих циклов без усталостных разрушений, биологически инертен, что обеспечивает экологическую безопасность.

Предлагаемое устройство обеспечивает автономное автоматическое наведение лучей Солнца на объект, следовательно, оно соответствует условию «промышленная применимость».

Автономная система наведения лучей Солнца на объект относится к гелиотехническим устройствам, обеспечивающим концентрацию солнечной радиации и увеличение степени инсоляции затененных участков Земли. В системе используются приводы в виде торсионов, изготовленные из металла с эффектом памяти формы. Наведение лучей Солнца на объект обеспечивается вращением зеркального отражателя с помощью двух осей вращения, зенитной и азимутной. Приводы подключены к осям вращения через редукторы с передаточным числом ¹/₂. Оси вращения системы перпендикулярны друг другу и проходят через единую геометрическую точку пространства, совпадающую с центром плоскости отражателя. Приводы осей вращения работают за счет энергии тепла Солнца. Они попарно соединены между собой по дифференциальной схеме и при неодинаковой степени освещенности (при косом падении лучей, благодаря подобранным световым экранам) имеют разную температуру, из-за чего между ними возникает разность деформаций, которую преобразуют в поворот плоскости зеркального отражателя, в результате чего происходит автоматическое удержание лучей Солнца, отраженных от зеркала, на освещенном объекте. Высокая удельная работоспособность и автономность приводов позволяет использовать устройство в любых гелиотехнических системах: от небольших фотоприемных приборов до значительных по весу гелиостатов на станциях. 4 ил.

Автономная система наведения лучей Солнца на объект, содержащая основание, ориентируемый зеркальный отражатель, приводы зенитного и азимутного вращения, отличающаяся тем, что в качестве приводов использован металл с эффектом памяти формы, приводы выполнены в виде торсионов и расположены соосно с осями вращения север-юг и восток-запад, оси перпендикулярны друг другу и проходят средними частями через одну точку, находящуюся в геометрическом центре плоскости зеркального отражателя, корпус которого является составной частью оси вращения север-юг, при этом каждый из попарно идентичных приводов закреплен одним концом неподвижно на основании, а вторым связан соосно с осью редуктора, который соединен с осью вращения, каждый из попарных приводов в исходном положении деформирован кручением в противоположных направлениях относительно друг друга, каждый из приводов снабжен светоотражающим экраном, выполненным с возможностью регулирования и помещенным перед приводом на пути солнечных лучей с направления восток-запад для оси вращения, лежащей вдоль линии север-юг, и с направления север-юг для оси, лежащей вдоль линии восток-запад, редукторы, расположенные между приводами и осями вращения, имеют передаточное число ¹/₂.