Адаптируемый к положению естественного источника инфракрасного излучения (Солнца) держатель рабочей поверхности солнечного коллектора Российский патент 2019 года по МПК F24S30/00 

Изобретение относится к гелиотехническим устройствам, предназначенным для повышения эффективности гелиосистем, за счет улучшения инсоляции двигателя системы - солнечного коллектора, путем обеспечения автономной ориентации его рабочей поверхности, относительно естественного источника инфракрасного излучения.

Технические установки, предназначенные для преобразования инфракрасного излучения Солнца в тепло для обогрева объектов - гелиосистемы. Эффективность таких систем имеет прямую зависимость от уровня инсоляции поверхности солнечного коллектора, поэтому автоматическая ориентация этих поверхностей (слежение за положением Солнца) необходима при решении задачи максимального КПД таких систем.

Технологии автоматического слежения за Солнцем классифицируются по типам исполнительных механизмов, осуществляющих движение и соответственно по способам управления ими. К одному классу относятся конструкции с электрическими исполнительными механизмами, система управления, которых включает ряд измерительных и сигнальных устройств, где управляющие воздействия генерируются в цифровом виде. Такие системы слежения имеют высокие показатели точности и большой потенциал к увеличению мощности для гелиосистем с тяжелыми рабочими поверхностями, но присутствие в таких системах разнообразных датчиков снижает ее надежность при работе в суровых климатических условиях, а электрические исполнительные механизмы расходуют значительное количество не возобновляемой энергии. Второй класс устройств использует аналоговые исполнительные механизмы и системы управления, нацеленные на минимизацию затрат не возобновляемой энергии, регулируемые аналоговыми управляющими воздействиями: механическими или естественными. К недостаткам второго класса относится низкий потенциал к оптимизации управления и недостаточная мощность исполнительных механизмов для перемещения тяжелых конструкций рабочих поверхностей коллекторов.

К известным устройствам такого рода относится изобретение (см. а.с. СССР 1460552, МПК⁴ F24J 2/38, 2/40; заявл. 10.04.87; опубл. 23.02.89), конструкция которого состоит из опорной стойки, объединенной с ориентируемым основанием, шарниром, где исполнительными механизмами являются упругие тяги, управляющие воздействия на которые подаются термочувствительными элементами. Система управления построена на взаимодействии элементов конструкции с естественным задающим воздействием в виде температуры окружающей среды. При воздействии инфракрасного излучения Солнца возникает нагрев определенной зоны основания устройства и возникает перепад температур, являющейся естественным управляющим воздействием на сопряженные тяги из-за чего возникает крутящий момент, как следствие основание поворачивается по направлению источнику нагрева. К недостаткам данного решения относится ограниченная зона перемещения конструкции, что снижает общую эффективность разработки при определенных положения Солнца.

Другое устройство схожего назначения (пат. РФ 2043583, МПК⁶ F24J 2/38; заявл. 15.08.92; опубл. 10.09.95), состоящее из двух блоков биметаллических элементов, для зенитного и азимутного вращения, адаптируемой рамы. Спиралевидные блоки, под воздействием нагрева, создаваемого инфракрасным излучением Солнца, сворачиваются или разворачиваются, тем самым создается крутящий момент, передаваемый на соответствующие оси вращения, что изменяет положение рабочей поверхности по отношению к солнцу. Главным недостатком устройства является недостаточность усилий, создаваемых спиралями для изменения положения тяжелой рабочей поверхности солнечного коллектора.

Наиболее близким техническим решением является автономная система слежения за перемещением Солнца по небосводу (пат. RU 2313046 С2, МПК⁶ F24J 2/38; заявл. 02.03.06; опубл. 20.12.07). Конструкция устройства включает: остов, ориентируемую панель, установленную на оси вращения, одну пару термоприводов и светоотражающий экран. Решение особенно тем, что обеспечивает автономную ориентацию несущей панели в зенитном и азимутном направлении, имеет относительно более высокую полезную допустимую нагрузку по весу и по площади в классе устройств с минимальными затратами не возобновляемой энергии. Что достигается за счет определенного размещения термоприводов, а именно так, что с одной стороны, они практически полностью разгружены по отношению к несущим нагрузкам, с другой стороны, находясь в напряженном состоянии за счет взаимного воздействия друг на друга через жесткую осевую связь, устраняют тем самым паразитные люфты, что в совокупности способствует увеличению КПД термопривода в качестве рабочего элемента и повышению точности ориентации несущей панели на Солнце. К недостаткам устройства относится отсутствие возможности интеграции с уже установленными гелиосистемами, без их полной реконструкции, кроме того решение не имеет потенциала к модернизации при необходимости, в случае добавления секций (соответственно и увеличения веса) к поверхности солнечного коллектора. Кроме того, устройство ограничивает направления рабочей поверхности по двум осям, в связи с чем решение не может считаться универсальным для всех гелиосистем.

Задачей, на решение которой направленно данное изобретение, является создание универсальной адаптируемой автономной установки ориентирования за положением естественного источника инфракрасного излучения (Солнца), функционирующей при минимальных затратах не возобновляемой энергии (электричества), за счет преобразования электрического импульса в сигнал для компрессора создающего давление для осуществления работы пневматического исполнительного механизма прямого хода, изменяющего угол наклона рабочей поверхности солнечного коллектора в любом направлении.

Техническим результатом является повышение точности ориентации, увеличение количества возможных направлений рабочей поверхности, возможность изменения удельной мощности исполнительных механизмов за счет модульности конструкции, универсальность держателя.

Технический результат достигается за счет конструкции, содержащей основание в виде полусферы, на котором установлен прямоугольный отражатель (ориентируемая площадь) с выемкой под размер основания, а также 4 привода прямого хода закрепленных по углам прямоугольника, объединяющие отражатель и каркас конструкции.

В предлагаемом изобретении прямоугольный отражатель (на который в дальнейшем крепятся любые элементы рабочей поверхности солнечного коллектора), является датчиком нагрева, формирующим управляющие воздействия, для изменения угла наклона и/или поворота рабочей поверхности. Отражатель вогнутой формы, толщиной не более 15 мм, имеющий воздушную прослойку между верхней и нижней гранью, где к нижней грани с внутренней стороны присоединены 4 электрода, расположенные по углам прямоугольного отражателя. При этом верхняя грань имеет толщину не более 2 мм и при нагреве определенной зоны поверхности отражателя деформируется, в следствии чего происходит соприкосновение с установленным на нижней грани электродом. В результате соединения верхней грани с электродом создается электрический импульс, являющийся сигналом к началу работы исполнительного механизма.

Таким образом, зоны отражателя с наиболее высокой температурой создают электрические импульсы и исполнительный механизм, относящийся к этой зоне сжимается, опуская нагретую зону. Каждый исполнительный механизм получает дискретные независящие друг от друга сигналы, что обеспечивает точное следование рабочей поверхности за источником нагрева, а основание в виде полусферы обеспечивает неограниченную свободу для положения рабочей поверхности.

На фиг. 1 представлен эскиз, адаптируемого к положению естественного источника инфракрасного излучения (Солнца), держателя рабочей поверхности солнечного коллектора с основанием в виде полусферы и пневматическими исполнительными механизмами, который содержит: 1 - отражатель; 2 - основание в виде полусферы; 3 - каркас; 4 - рабочую поверхность солнечного коллектора; 5 - пневматический исполнительный механизм прямого хода; 6 - шарнирное крепление.

На фигурах 2, 3 представлена модель отражателя в разрезе, которая содержит: верхнюю грань отражателя 7; нижнюю грань отражателя 8; электрод 9;

На фигурах 4, 5, 6 представлена компьютерная модель устройства в разных положениях в процессе работы.

Изобретение содержит отражатель 1, полый внутри с присоединенными к нижней грани четырьмя электродами (модель отражателя в разрезе на фиг. 2, 3, где 7 - верхняя грань, 8 - нижняя грань, 9 - электрод), основание в виде полусферы 2 на котором установлен отражатель, каркас 3 к которому крепятся все элементы установки, рабочую поверхность солнечного коллектора 4 (в данном случае набор из вакуумных трубок), четыре пневматических исполнительных механизма прямого хода 5, шарнирные соединительные элементы 6 для объединения подвижных частей.

Принцип работы адаптируемого к положению естественного источника инфракрасного излучения (Солнца), держателя рабочей поверхности солнечного коллектора с основанием в виде полусферы и пневматическими исполнительными механизмами:

При нагреве определенной области отражателя 1, его верхняя грань деформируется и соприкасается с электродом, расположенным на нижней грани, в следствии чего формируется электрический импульс, передаваемый токопроводящими элементами конструкции, компрессору, установленному в гелиосистеме, который создает нужное давление и направляет его через внутрисистемный шланг к исполнительному механизму 5, соответствующему нагретой области. Исполнительный механизм совершает работу по перемещению штока в открытое состояние, а противоположно расположенный исполнительный механизм выполняет обратную работу. Поверхность отражателя перемещается по траектории задаваемой опорой (основанием в виде полусферы), которая берет на себя основную нагрузку, таким образом исполнительные механизмы, лишь задают направление, а не держат весь вес рабочей поверхности.

Предлагаемая система имеет модульную конструкцию с надежным основанием и каркасом, к которым могут быть присоединены исполнительные механизмы различной мощности. Кроме того, каркас и основание имеют достаточную толщину для того, чтобы внутри расположить сеть из трубок и токопроводящих элементов, обеспечивающих точное управление системой с минимальными затратами невосполнимой энергии.

Отражатель может быть изготовлен из алюминиевой трубы с неравномерной толщиной стенки, подвергнутой обработке прессом и полировки верхней грани, а также из другого композитного материала со схожими светоотражающими физическими характеристиками.

Компьютерная модель, представленная на фиг. 4, 5, 6 показала, что предлагаемая конструкция позволяет задавать любой угол наклона рабочей поверхности в любом направлении в автономном режиме, а сама конструкция имеет площадь для установки любого оборудования относящегося к различным видам солнечных коллекторов (набор вакуумных трубок, индивидуальные отражатели, солнечные панели и др.) и возможность замены исполнительных механизмов более мощными при необходимости, не нарушая базовых принципов работы изобретения.

При сопоставлении изобретения с ближайшим аналогом (пат. RU 2313046 С2, МПК⁶ F24J 2/38; заявл. 02.03.06; опубл. 20.12.07), имеющим специфическую конструкцию без возможности интеграции с другими частями разных видов гелиосистем, направляющую рабочую поверхность только по определенным осям и без возможности увеличения мощности двигающих механизмов, удалось выявить следующие преимущества нового решения:

1) установка универсальна и может быть применена во всех современных гелиосистемах, путем замены стандартных креплений рабочих поверхностей на указанное изобретение, что значительно повысит ее КПД, поскольку увеличится эффективность инсоляции коллекторов;

2) установка будет одинаково эффективно работать в любых широтах, за счет отсутствия ограничений в направлении рабочей поверхности, благодаря основанию в виде полусферы, что гарантирует адаптивность системы в любых условиях эксплуатации;

3) установка включает пневматические исполнительные механизмы, являющиеся аналогом электрических приводов, наследующие их главное достоинство - максимальную точность при задании угла наклона и нивелирующие их недостаток в виде большого расхода не восполняемой энергии за счет использования в качестве двигающей силы не электричества, а сжатого воздуха, вырабатываемого компрессором, который присутствует в каждой гелиосистеме;

4) установка способна эффективно функционировать с различной несущей нагрузкой, со значительным превосходством над аналогами, поскольку включает модернизируемые элементы без изменения основного принципа работы. Иными словами, при увеличении массы рабочей поверхности, текущие пневматические приводы заменяются более мощными, и система продолжает работу в штатном режиме с увеличенным КПД.

Новое устройство предназначено для обеспечения автоматического следования рабочей поверхности коллектора за положением Солнца.

Изобретение относится к гелиотехническим устройствам, а именно к адаптируемому к положению естественного источника инфракрасного излучения (Солнца) держателю рабочей поверхности солнечного коллектора. Технический результат заключается в повышении точности ориентации, увеличении количества возможных направлений рабочей поверхности, возможности изменения мощности исполнительных механизмов, а также в обеспечении универсальности. Держатель содержит каркас из четырех опор, объединенных в центре с помощью основания в виде полусферы, прямоугольный отражатель, полый внутри, с присоединенными к углам внутренней стороны нижней грани электродами, выполненными с возможностью генерирования электрического импульса, четыре пневматических исполнительных механизма, расположенных по углам внешней стороны нижней грани отражателя, выполненных с возможностью приложения усилий для перемещения отражателя по траектории, задаваемой основанием в виде полусферы, объединенных с ним и каркасом шарнирными соединительными элементами. Полый внутри отражатель выполнен из материала, способного деформироваться под воздействием нагрева и имеющего возможность обработки поверхности до приобретения зеркальной отражающей поверхности, и содержит внутри четыре электрода, прикрепленных к нижней грани и сопряженных с четырьмя пневматическими исполнительными механизмами прямого хода, соединенными с внешней стороной нижней грани отражателя при помощи шарнирных соединительных элементов. 6 ил.

Адаптируемый к положению естественного источника инфракрасного излучения (Солнца) держатель рабочей поверхности солнечного коллектора, содержащий каркас из четырех опор, объединенных в центре с помощью основания в виде полусферы, прямоугольный отражатель, полый внутри, с присоединенными к углам внутренней стороны нижней грани электродами, выполненными с возможностью генерирования электрического импульса, четыре пневматических исполнительных механизма, расположенных по углам внешней стороны нижней грани отражателя, выполненных с возможностью приложения усилий для перемещения отражателя по траектории, задаваемой основанием в виде полусферы, объединенных с ним и каркасом шарнирными соединительными элементами, при этом отражатель – полый внутри и выполнен из материала, способного деформироваться под воздействием нагрева и имеющего возможность обработки поверхности до приобретения зеркальной отражающей поверхности, и содержит внутри четыре электрода, прикрепленных к нижней грани и сопряженных с четырьмя пневматическими исполнительными механизмами прямого хода, соединенными с внешней стороной нижней грани отражателя при помощи шарнирных соединительных элементов.