Устройство ориентации на световое излучение Советский патент 1993 года по МПК F24J2/24 

рг/е.1

Изобретение относится к устройствам для использования солнечной энергии, а именно, к использованию направляющих средств в устройствах для преобразования солнечной энергии.

Целью изобретения является упрощение конструкции и эксплуатации устройства, повышение его экономичности.

На фиг.1а, б изображена компоновочная схема устройства; на фиг.2 - общий случай взаимного расположения плоскостей обмотки, светоприемной поверхности ФЭ, направлений магнитного поля статора и распространения света.

Устройство ориентации на световое излучение содержит ориентируемый приемник излучения t, механическую передачу 2, установленную на основании, компенсирующий электродвигатель, состоящий из статора 3 и ротора 4, фотоэлементы 5, расположенные на боковой поверхности несущего элемента б, закрепленного на роторе 4, и подключенные к электрическим обмоткам 7 ротора 4, Несущий элемент 6с фотоэлементами 5 открыт освещению со всех направлений в плоскости вращения ротора 4. Светоприёмные поверхности фотоэлементов 5, подключенных к одной определенной обмотке 7, параллельны друг другу. Обмотки 7 ротора 4 расположены в постоянном магнитном поле, создаваемом статором 3. Направление магнитного поля - перпендикулярно оси ротора. Компенсирующий электродвигатель с несущим элементом 6 и расположенными на его боковой поверхности фотоэлементами 5, выполняет функции управляющего блока.

Статор установлен таким образом, что он может изменять свое угловое положение относительно источника света путем вращения вокруг оси ротора посредством механической передачи, например, редуктора. Конструктивно это может быть выполнено следующим статор 3 неподвижно размещен на корпусе редуктора 2, входной (быстрый) вал которого жестко связан с осью ротора, а выходной (медленный) вал неподвижно закреплен на основании устройства (фигЛа), либо - корпус редуктора 2 неподвижно установлен на неподвижном относительно земли основании устройства, входной вал редуктора 2, как и в первом случае, жестко связан с осью ротора, а выходной вал жестко связан со статором. В этом случае ось вращения выходного вала должна совпадать с осью вращения входного вала (фиг. 16). В обоих случаях ось вращения ротора параллельна входному и выходному валу передачи (редуктора).

Ориентируемый приемник 1 установлен

на конструкции неподвижно относительно

статора 3. Угол между плоскостью обмотки

ротора и питающих ее ФЭ одинаков для

всех обмоток.

Устройство работает следующим образом.

При освещении ФЭ 5 по обмотке 7 протекает электрический ток, магнитное поле

которого взаимодействует с магнитным полем статора 3, в результате чего обмотка 7 вместе с ротором 4 поворачивается.

Рассмотрим более детально взаимодействие ротора с магнитным полем статора.

На фиг.2 условно показаны токовая рамка. играющая роль обмотки ротора, фотоэлемент, направления светового потока и магнитного поля, а также углы между ними в произвольном случае. Для простоты изложения показан случай, когда рамка симметрична относительно оси вращения ротора, что. не повлияет на выводы об основных свойствах управляющего блока. Мф.М - нормали соответственно к плоскостям ФЭ и

токовой рамки(направление NI совпадает с направлением магнитного поля рамки). Механический момент М, действующий на рамку, можно выразить через напряженность магнитного поля статора Н и силу тока I в

рамке следующим образом:

М HI sin(Ni,H)HI sinw

О)

Сила тока I в рамке зависит от угла па- дения света на ФЭ:

l 4ecos(N(j, свет),(2) где 10 - сила тока при нормальном падении света на поверхность ФЭ. Функция Н sinw

симметрична (нечетна) относительно и равна нулю в этой точке, а функция f четна относительно направления потока. Если взаимное расположение токовой рамки и гтитающего ее ФЭ такое, что при

фотоэлемент освещен по направлению нормали ( ), то функция (1) симметрична относительно и . При этом (при полном обороте) вклады моментов, вращающих рамку вправо и влево, одинаковы. Таким

образом, если равны углы

()(М|,Мф)(3) то рамка (и ротор) будет вращаться по инерции, если она первоначально вращалась, и

при наличии сил трения остановится, или будет покоиться, если не была приведена во вращение. Состояние системы, соответствующее условию (3), назовем для удобства состоянием мертвой точки.

Если условие (3) не выполняется, то ротор будет вращаться в одну из сторон (направление вращения задается направлением магнитного поля и полярностью подключения ФЭ), при изменении на- правления освещения на 180° направление вращения изменится на противоположное. При повороте ротора относительно статора на угол, равный углу между обмотками, новое состояние эквивалентно предыдущему, поскольку угол между плоскостями обмотки ротора и питающих ее ФЭ одинаков для всех обмоток, поэтому момент вращения остается прежним, и ротор вращается в ту же сторону.

Указанные свойства единого функционального управляющего блока {наличие мертвой точки, изменение направления вращения) используются в предлагаемом устройстве ориентации на световое излуче- ние. Для определенности рассмотрим процесс ориентации устройства по одной координате (например, по азимуту).

При освещении фотоэлементов ротора происходит его вращение относительно ста- тора, приводящее посредством механической передачи к повороту статора относительно направления освещения, т.е.

изменяется угол (Н. свет). Т.к. угол (.Мф) остается постоянным, то через.некоторое время окажется выполненным условие (3) и вращение прекратится. При изменении направления освещения несущий элемент, закрепленный на роторе, будет освещаться с нового направления (поскольку в плоскости вращения ротора его освещение возможно с любого направления по азимуту), и ОПИ будет ориентироваться на источник света, если он закреплен относительно статора в положении, в котором при условии реализации мертвой точки (3) обеспечиваются наилучшие условия освещения.

При ориентации по азимуту ОПИ, произвольно наклоненного к горизонту, осве- щенность его будет максимальной, если проекции направления освещения и оси ориентируемого приемника излучения на азимутальную плоскость (плоскость вращения ротора) совпадают. Именно поэтому ОПИ должен быть закреплен неподвижно относительно статора так. чтобы угол между проекцией оси ОПИ на плоскость вращения ротора и направлением магнитного поля статора был равен углу между плоскостью обмотки ротора и питающих ее ФЭ, как это следует из условия (3).

Как уже указывалось, назначение механической передачи - поворот статора относительно направления освещения путем

передачи вращения оси ротора. Кроме этого, применение механической передачи обусловливает возможность оптимального компромисса между точностью отработки координаты (которая повышается при увеличении передаточного числа) и скоростью отработки. Механическая передача обеспечивает также возможность сравнительно медленного поворота достаточно массивных объектов, каковыми могут быть солнечные батареи, концентраторы, с помощью маломощного двигателя.

Конструкция устройства, позволяющая освещать несущий элемент, закрепленный на роторе, с любого направления в плоскости вращения ротора, обеспечивает сравнение световых потоков со всех направлений в той же плоскости, что важно, например, при наличии рассеянного света.

С целью дальнейшего упрощения устройства, а также повышения точности ориентации каждая обмотка ротора выполняется симметричной относительно оси ротора и подключена, по крайней мере, к двум включенным навстречу ФЭ, которые размещены диаметрально противоположно на боковой поверхности несущего элемента, закрепленного на роторе. При этом же количестве ФЭ число обмоток ротора сокращается вдвое, поэтому устройство упрощается. При повороте ротора на 180° ток в обмотке меняет направление, т.к. она запитывается фотоэлементами, подключенными другой полярностью, а поскольку сама обмотка повернулась на 180°. то направление ее магнитного поля относительно поля статора сохраняется, и ротор продолжает вращаться в ту же сторону. Происходит, так сказать, теневая коммутация тока, аналогично коммутации тока в коллекторном двигателе постоянного тока.

Основные характеристики устройства при этом сохраняются, а точность ориентации на световое излучение повышается. Дело в том, что для безупречной работы устройства каждая обмотка ротора при идентичных условиях освещения и взаимодействия со статором должна обеспечивать один и тот же момент вращения. Однако, вследствие неточности изготовления ФЭ и обмоток это требование выполняется приблизительно. В случае, когда симметричная обмотка подключена к фотоэлементам, включенным встречно и расположенным на противоположных сторонах боковой поверхности несущего элемента, неодинаковость моментов вращения при повороте ротора на 180° обусловлена только неточностью изготовления ФЭ.

Предлагаемое устройство может использоваться как самостоятельно, т.е. для

ориентации по одной угловой координате так и в системе ориентации по двум угловым координатам. Для ориентации и по азимуту, и по углу места можно воспользоваться двумя устройствами, в соответствии с настоящимтехническим решением, ориентирующими во взаимно перпендикулярных направлениях, либо применить предложенное устройство в паре с любым известным устройством того же назначения. В этом случае может быть достигнута абсолютно максимальная освещенность ОПИ, когда ось ОПИ совпадает с направлением освещения. Поскольку в настоящем устройстве ориентация по одной координате происходит в плоскости вращения ротора, то для ориентации по другой координате необходимо ориентировать саму ось ротора. Поэтому при использовании данного устройства в системе ориентации по двум угловым координатам положение ОПИ относительно статора конкретизируется: его ось должна быть перпендикулярна оси ротора.

Устройство ориентации на световое излучение может быть выполнено следующим образом.

В качестве ФЭ использованы кремниевые структуры площадью около 1 см каждая, КПД 6...8%, потри ФЭ. соединенные последовательно, для питания каждой обмотки. Количество обмоток ротора - 3. Индукция магнитного поля статора около 50 мТл. Использован редуктор с передаточным числом 2400. Статор неподвижно размещен на корпусе редуктора, входной вал которого приводится в движение от оси ротора, а выходной вал неподвижно закреплен на основании устройства. Фотоэлементы и обмотки ротора разнесены вдоль оси ротора путем размещения фотоэлементов на несущем элементе, закрепленном на роторе, чтобы магнитная система статора не препятствовала прохождению света.

При солнечном освещении максимальная скорость вращения ротора составляет 250-300 об/мин, а полный оборот ОПИ при этом может совершиться за 8-10 мин. Солнце за это время проходит угловой путь 2.5°, поэтому скорость отработки угловой координаты при слежении за солнцем вполне достаточна.

Использование настоящего решения по сравнению с прототипом приводит одновременно к простоте конструкции, упрощению эксплуатации, повышению экономичности, а также к расширению области применения.

Простота конструкции обусловлена тем, что нет необходимости в электронных схемах, преобразующих управляющие сигналы, и использован новый единый управляющий функциональный блок, выполняющий функции фотоэлементов-датчиков угла, источника питания, компенсирующего ЭД,

электронного управляющего блока.

Экономичность определяется тем, что отсутствуют энергоемкие потребители - электронный блок, содержащий реле и др. элементы, к тому же использование в уст0 ройстве бесколлекторного, по сути, электродвигателя уменьшает потери на трение, а также работой устройства от солнечной энергии.

Упрощение эксплуатации (обслужива5 ния) достигается тем, что используется только солнечная энергия для работы устройства, не требуется замена, ремонт аккумуляторов, батарей.

Способность устройства сравнивать

0 световые потоки с разных направлений в плоскости вращения ротора определяет возможность работы в условиях не только прямого солнечного, но и рассеянного излучения.

5Возможно использование устройства как самостоятельно, т.е. для ориентации по одной угловой координате, так и в системе ориентации по двум угловым координатам, для чего устройство используется в паре с

0 идентичным или аналогичным устройством того же назначения.

Простота конструкции и эксплуатации, экономичность устройства дает возможность его использования для ориентации

5 сравнительно маломощных преобразователей световой энергии, для которых использование известных устройств ориентации было бы невыгодно.

Формула изобретения

0 1. Устройство ориентации на световое излучение, содержащее ориентируемый приемник излучения, сопряженный посредством механической передачи с компенсирующим электродвигателем, ось ротора

5 которого жестко связана с входным взлом механической передачи, а также фотоэлементы для питания электродвигателя, отличающееся тем, что, с целью упрощения конструкции и технического Обслужива0 ния, устройство дополнительно содержит закрепленный на роторе несущий элемент, фотоэлементы размещены на его боковой поверхности, каждая обмотка ротора подключена к фотоэлементам, причем свето5 приемные поверхности подключенных к одной обмотке фотоэлементов параллельны друг другу, а угол между плоскостью обмотки ротора и светоприемной поверхностью фотоэлементов одинаков для всех обмоток, при этом ориентируемый приемник жестко

связан со статором электродвигателя, который установлен с возможностью поворота посредством механической передачи относительно источника света в плоскости вращения ротора.

2. Устройство поп.Ч.отличающе - е с я тем, что, с целью повышения точности

ориентации, каждая обмотка выполнена симметричной относительно оси последнего и подключена по крайней мере к двум включенным навстречу фотоэлементам, размещенным на боковой поверхности несущего элемента диаметрально противоположно.

Использование: в системах наведения гелиотехнических устройств. Сущность изобретения: устройство содержит; ориентиру- емый приемник излучения (1), механическую передачу (2), компенсирующий электродвигатель, состоящий из статора (3) и ротора (4), фотоэлементы (5), расположенные на боковой поверхности несущего элемента (6), закрепленного на роторе, и подключенные к электрическим обмоткам (7) ротора. Статор может изменять свое угловое положение относительно источника света посредством механической передачи, приводимой в движение осью ротора. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.