Устройство для слежения гелиоустановки за Солнцем Советский патент 1992 года по МПК F24J2/38 

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к системам слежения гелиоустановки за положением солнца.

Проблема создания экологически чистых источников энергии встала достаточно остро. Особое место среди указанных источников энергии по неисчерпаемости и доступности занимает солнечная энергия. Однако устройства, используемые для концентрации, преобразования и передачи солнечной энергии, являются недостаточно эффективными вследствие ряда причин, в частности из-за низкой устойчивости при воздействии ветровых нагрузок. Низкая устойчивость гелиоустановок под воздействием ветровой нагрузки приводит к

недостаточно эффективной ориентации отражающего элемента в азимутальной и зе- нитальной плоскостях по направлению перемещения солнца, причем имеющиеся в известных гелиоустановках системы слежения в указанных плоскостях с помощью электро- (гидре-) приводов являются сложными в управлении и не обеспечивают эффективного противодействия ветровой нагрузке.

Известна гелиоустановка, содержащая ориентируемый солнечный коллектор, центр масс размещен на оси его вращения, установленный с возможностью поворота вокруг азимутальной оси, расположенной в плоскости его симметрии, совпадающей с

VI ю со ел ю о

направлением ориентации коллектора, и механизм ориентации, выполненный в виде двух емкостей, закрепленных симметрично плоскости симметрии коллектора, с 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, а центр тяжести механизма ориентации расположен ниже оси вращения.

Однако известная гелиоустановка обладает низкой эффективностью в результате неустойчивости коллектора при воздействии ветровой нагрузки, возможности слежения гелиоустановки за солнцем только в одной (азимутальной) плоскости, высокой инерционности, резко возрастающей при наличии даже незначительной (по времени) облачности, и вызываемой инерционностью нагрева солнечными лучами легкокипящей жидкости и ее перемещением от испарителя к баллону для создания нового положения равновесия. Наличие дополнительно установленных испарителей и экранов, а также необходимость использования легкокипящей жидкости делают конструкцию гелиоустановки сложной и громоздкой.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является гелиостат, содержащий основание с полым валом азимутального поворота, закрепленный на последнем посредством вала зенитального поворота зеркальный щит и раздаточный механизм, кинематическая связь которого с валом зенитального поворота выполнена внутри полого вала азимутального поворота, раздаточный механизм выполнен в виде перемещающихся в осевом направлении выходных азимутального и зенитального винтов и попарно установленных на каждом из них с помощью вала с гайкой свободно вращающихся входных блоков, взаимодействующих с валами посредством электромагнитных муфт, вал азимутального поворота имеет приводной блок, а кинематическая связь выходных винтов с валами азимутального и зенитального поворотов выполнена в виде тросов.

Однако известный гелиостат является неустойчивым при воздействии ветровой нагрузки с изменяющейся силой ветра, что приводит к колебанию зеркального щита и, как следствие, снижению эффективности работы раздаточного механизма и г лиоста- та в целом. Это происходит потому, что противовес в нем имеет постоянный вес и рассчитан на определенную ветровую нагрузку. При превышении ветровой нагрузки веса противовеса будет происходить колебание зеркального щита. Если поставить противовес с большим весом, выдерживаю5 щим значительные ветровые нагрузки, это приведет к повышению инерционности раздаточного механизма и гелиостата в целом, а также к повышению расхода электроэнергии для преодоления большего веса. Замена

0 веса противовеса при изменении ветровой нагрузки также нецелесообразна, так как ветровая нагрузка может меняться очень часто и на значительную величину (нужно иметь метеостанцию слежения), а частая

5 смена противовеса приведет к снижению эффективности использования гелиостата и его КПД.

Недостатками известной гелиоустановки являются также сложность раздаточного

0 механизма в приводе гелиостата и наличие электродвигателя.

Целью изобретения является повышение устойчивости гелиоустановки при ветровых нагрузках.

5 Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для слежения гелиоустановки за солнцем, содержащем основание с валом азимутального слежения, закрепленный на последнем посредством вала зенитального

0 слежения отражающей элемент, оптически связанный с приемником, привод, выполненный в виде тросов, кинематически свя- занных с валами азимутального и зенитального слежения и электромагнитов

5 торможения валов, электрически связанных сдатчиком слежения, и противовес, привод дополнительно содержит две емкости с входом и выходом для жидкости и электромагниты регулирования расхода жидкости.

0 электрически связанные с датчиком слежения и установленные на входе и выходе емкостей, одна из которых связана с тросом, кинематически связанным с валом зенитального слежения, а другая - через другой

5 трос с противовесом.

На фиг. 1 дана схема гелиоустановки в крайнем рабочем положении в утренние часы; на фиг. 2 - вид А на фиг. 1; на фиг. 3 - то же. в полдень; на фиг. 4 - вид Б на фиг. 3; на фиг. 5 -то же,в крайнем рабочем положении

0 в вечерние часы.

Гелиоустановка содержит основание 1- 4 с валом 28 азимутального слежения, закрепленным на последнем посредством кронштейна 5, и вал 18 зенитального слеже5 ния, отражающий элемент 6, оптически свя- занный с приемником 13, привод, выполненный в виде двух емкостей 7 и 10 с входом и выходом для жидкости и электромагнитов 15,17, 20 и 22 регулирования расхода жидкости, электрически связанных с датчиком 12 слежения и установленных на входе и выходе емкостей 7 и 10, емкость 10 связана с тросом 9, кинематически связанным через отражающий элемент 6 с валом 18 зенитального слежения, а емкость 7 - через трос 16. кинематически связанный с валом 28 азимутального слежения с противовесом 8. и электромагнитов 23 и 24 торможения валов, электрически связанных с датчиком 12 слежения. Отражающий элемент б установлен с возможностью поворота в азимутальной и зенитальной плоскостях, расположенных в плоскостях симметрии отражающего элемента б и совпадающих с направлением его ориентации. Емкость 7 установлена симметрично с противовесом 8 относительно плоскости симметрии отражающего элемента 6. Центр масс емкости 10 находится в зенитальной плоскости на зенитальной оси 11, проходящей через центр масс отражающего элемента б. Датчик 12 слежения и приемник 13 установлены на оптической оси отражающего элемента 6 и составляют противовес емкости 10, обеспечивающий перемещение отражающего элемента б в зенитальной плоскости.

Емкость 14 слива жидкости установлена под емкостями 7 и 10 и соединена с ними посредством трубопроводов 21 и 25 через электромагниты 15 и 17 регулирования расхода жидкости. Напорный резервуар 19 установлен над емкостями 7 и 10 и соединен с ними посредством трубопроводов 26 и 27 через электромагниты 20 и 22 регулирования расхода жидкости. На основании 4 в азимутальной плоскости вращения закреплен электромагнит 23 торможения вала 28 азимутального слежения. На кронштейне 5 в зенитальной плоскости закреплен электромагнит 24 торможения вала 18 зенитального слежения, контактирующий с отражающим элементом 6,

Устройство для слежения гелиоустановки за солнцем работает следующим образом.

При появлении солнечного излучения (утренние часы) датчик 12 слежения, у которого в этот момент освещается, по крайней мере, один фототранзистор, посылает сигнал через электронную схему на электромагниты 17 и 20 регулирования расхода жидкости и электромагниты 23 и 24 торможения валов.

При этом электромагнит 20 открывает вход емкости 7, электромагнит 17открывает выход емкости 10, электромагниты 23 и 24 перестают удерживать в закрепленном положении вал 28 азимутального слежения и

отражающий элемент 6, тем самым позволяя последнему перемещаться в азимутальной и зенитальной (с помощью вала 18 зенитального слежения) плоскостях по направлению к солнцу.

Вода из напорного резервуара 19 поступает в емкость 7. вода из емкости 10 начинает вытекать в емкость 14 слива жидкости. Изменение уровня воды в емкостях 7 и 10 приводит к нарушению равновесия в приво0 де отражающего элемента 6 по направлению к солнцу в азимутальной и зенитальной плоскостях. Как только датчик 12 слежения займет положение, при котором все четыре фототранзистора будут освещены (крайнее

5 рабочее положение в утренние часы, фиг. 1), электромагнит 20 перекроет вход емкости 7, электромагнит 17 перекроет выход емкости 10. а электромагниты 23 и 24 зафиксируют отражающий элемент 6 в указанном поло0 жении.

При этом отражающий элемент 6 принимает, концентрирует и осуществляет передачу энергии солнечного излучения на приемник 13, который преобразует ее в

5 электрическую энергию. Отбор электроэнергии, вырабатываемой приемником 13, осуществляется на питание электронной схемы датчика 12 слежения и электромагнитов, а также для хозяйственных и промыш0 ленных нужд. Отбор электроэнергии и ее накопление в период, когда расход электроэнергии минимальный, осуществляются в аккумулятор. Генерируемая аккумулятором электроэнергия может интенсивно расходо5 ваться в ночное время, когда солнце не обеспечивает работу гелиоустановки,.а расход энергии возрастает.

При изменении положения солнца (подъем к зениту) происходит затемнение по

0 крайней мере одного фототранзистора в датчике 12 слежения, который в этот момент посылает сигнал через электронную схему на электромагниты 15 и 22 регулирования расхода жидкости и электромагниты 23 и 24

5 торможения валов. При этом электромагнит 15 открывает выход емкости 7, электромагнит 22 открывает вход емкости 10, электромагниты 23 и 24 перестают удерживать в закрепленном положении вал 28 азимуталь0 ного слежения и отражающий элемент 6, позволяя последнему перемещаться в азимутальной и зенитальной (с помощью вала 18 зенитального слежения) плоскостях по направлению к солнцу. Вода из напорного

5 резервуара 19 поступает в емкость 10, вода из емкости 7 начинает вытекать в емкость 14 слива жидкости. Изменение уровня воды в емкостях 7 и 10 приводит к нарушению равновесия в приводе отражающего элемента

6 и его перемещению по направлению к солнцу в азимутальной и зенитальной плоскостях. Как только датчик 12 слежения займет положение, при котором все четыре фототранзистора будут освещены, электромагнит 15 перекроет выход емкости 7. электромагнит 22 перекроет вход емкости 10, электромагниты 23 и 24 зафиксируют отражающий элемент 6 в указанном положении.

При дальнейшем смещении солнца к зениту и затемнении вновь по крайней мере одного фототранзистора датчика 12 слежения произойдет дальнейшее заполнение водой емкости 10 и опорожнение емкости 7 аналогично описанному и смещение отражающего элемента 6 по направлению к солнцу, и так до тех пор. пока отражающий элемент 6 не займет положение, представленное на фиг. 2 (полдень на экваторе).

При дальнейшем смещении солнца к закату произойдет затемнение по крайней мере одного фототранзистора датчика 12 слежения, который в этот момент посылает сигнал через электронную схему на электромагниты 15 и 17 регулирования расхода жидкости и электромагниты 23 и 24 торможения валов. При этом электромагниты 15 и

17открывают выходы емкостей 7 и 10, электромагниты 23 и 24 перестают удерживать в закрепленном положении вал 28 азимутального слежения и отражающий элемент 6, позволяя последнему перемещаться в азимутальной и зенитальной (с помощью вала

18зенитального слежения) плоскостях. Вода из емкостей 7 и 10 начинает вытекать в емкость 14 слива жидкости. Уменьшение уровня воды в емкрстях 7 и 10 приводит к нарушению равновесия в приводе отражающего элемента б и его перемещению по направлению к солнцу в азимутальной и зенитальной плоскостях. Как только датчик 12 слежения займет положение, при котором все четыре фототранзистора будут освещены, электромагниты 15 и 17 перекроют выходы емкостей 7 и 10, а электромагниты 23 и 24 зафиксируют отражающий элемент б в указанном положении. При дальнейшем смещении солнца к закату и затемнении вновь по крайней мере одного фототранзистора датчика 12 слежения происходит дальнейшее опорожнение емкостей 7 и 10 аналогично описанному и смещение отражающего элемента 6 по направлению к сол- нцу в азимутальной и зенитальной плоскостях, и так до тех пор, пока отражающий элемент 6 не зaймef крайнего рабочего положения в вечерние часы (фиг. 3 закат).

В течение всего дня работы гелиоустановки вода для заполнения емкостей 7 и 10 поступает из напорного резервуара 19, в

качестве которого может быть использован, HanpHMept и водопроводный кран, самотеком при открывании входов в эти емкости соответствующими электромагнитами 20 и 22.

При опорожнении емкостей 7 и 10 вода поступает самотеком в емкость 14 слива жидкости при открывании выходов этих емкостей соответствующими электромагнитами 15 и 17. В течение каждого дня расходуется примерно одно и то же количество воды, которая является оборотной. При опорожнении напорного резервуара 19 в конце дня вода из емкости 14 слива жидкости перемещается с помощью насоса или вручную обратно в напорный резервуар 19. Поэтому для ориентации в пространстве гелиоустановки используется ограниченное количество воды в замкнутом цикле.

Противовес 8. ориентирующий отражающий элемент б в азимутальной плоскости совместно с емкостью 7, составляет по весу половину веса емкости 7 в полностью заполненном состоянии. При этом в качестве противовеса 8 может быть использована емкость, равная по объему емкости 7 и заполненная только наполовину.

При нахождении солнца в зените (фиг. 3) заполнение емкости 7 и противовеса 8

одинаковое и составляет половину их обье- ма. Снабжение гелиоустановки электропитанием осуществляется по принципу самообеспечения.

Использование в приводе гелиоустаковки емкостей, изменяющих свой вес относи- тельно противовеса в зависимости от положения отражающего элемента по направлению к солнцу, позволяет повысить устойчивость гелиоустановки при ветровых

нагрузках.

Так, если в момент перемещения отражающего элемента б в азимутальной изенитальной плоскостях в направлении, оптимальном по отношению к солнцу, когда

электромагниты 23 и 24 торможения валов не фиксируют отражающий элемент б в устойчивом положении, произойдет сильный порыв ветра, создающий крутящий момент, препятствующий ориентации отражающего

элемента 6 в оптимальное по отношению к солнцу положение, заполнение (опорожнение) емкостей 7 и 10 будет происходить до тех пор, пока этот крутящий момент (ветровое воздействие) не будет преодолено. То

есть, в зависимости от силы ветрового воздействия будет регулироваться количество воды в емкостях 7 и 10, тем самым нейтрализуя это ветровое воздействие и делая ори- ентацию отражающего элемента по

отношению к солнцу устойчивой.

В то время как в прототипе при силе ветрового воздействия, превышающего противовес, может происходить перевертывание отражающего элемента и выход гелиоустановки из строя.

Если противовес по прототипу предусмотреть большим, превышающим все возможные ветровые нагрузки, то гелиоустановка станет в результате этого инерционной (трудно преодолевать такой противовес).

. В предложенном техническом решении вес противовеса не является постоянным и может все время изменяться в зависимости от силы ветрового воздействия, что и обус- лавливает, в конечном счете, его повышенную, не менее чем на 15%, устойчивость по сравнению с прототипом при ветровой нагрузке.

Предлагаемое устройство для слежения гелиоустановки за солнцем по сравнению с прототипом позволяет:

повысить устойчивость гелиоустановки при ветровых нагрузках не менее чем на 15% за счет использования для ориентации отра- жающего элемента противовес с изменяющимся весом в зависимости от величины ветровой нагрузки;

повысить надежность гелиоустановки за счет повышения ее устойчивости и, как следствие, увеличить ресурс ее работы не менее чем в 2 раза;

использовать для ориентации отражающего элемента ограниченное количество жидкости в замкнутом цикле;

производить энергообеспечение системы ориентации отражающего элемента с ис- пользованием энергии, снимаемой с приемника, т.е. с возможностью энергетического самообеспечения.

Формула изобретения

Устройство для слежения гелиоустановки за солнцем, содержащее основание с валом азимутального слежения, закрепленный на последнем посредством вала зенитального слежения отражающий элемент, оптически связанный с приемником, привод, выполненный в виде тросов, кинематически связанных с валами азимутального и зенитального слежения, и электромагнитов торможения валов. электрически связанных с датчиком слежения, и противовес, отличающееся тем, что, с целью повышения устойчивости гелиоустановки при ветровых нагрузках, привод дополнительно содержит две емкости с входом и выходом для жидкости и электромагниты регулирования расхода жидкости. электрически связанные с датчиком слежения и установленные на входе и выходе емкостей, одна из которых связана с тросом, кинематически связанным с валом зенитального слежения, а другая через другой трос - с противовесом.

Фиг. 2

55

Фиг.З

Изобретение относится к гелиотехнике. Для повышения устойчивости гелиоустановки при ветровых нагрузках в устройстве для слежения гелиоустановки за солнцем, содержащем основание с валом азимутального слежения, закрепленный на последнем посредством вала зенитального слежения отражающий элемент, оптически связанный с приемником, привод, выполненный в виде тросов, кинематически связанных с валами азимутального и зенитального слежения, и электромагнитов торможения валов, электрически связанных с датчиком слежения, и противовес, привод дополнительно содержит две емкости входом и выходом для жидкости и электромагниты регулирования расхода жидкости, электрически связанные с датчиком слежения и установленные на входе и выходе емкостей, одна из которых связана с тросом, кинематически связанным с валом зенитального слежения, а другая - через другой трос с противовесом. 5 ил. СП с