Гелиостат

 

186 A

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (11) (51) F 24 J 3/02

Ф

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСМОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3320255/24-06 (22) 09. 07,81 (46) 23.05.83. Ьюл. И 19 (72) А,А.Макаров (71) Центральное проектно-конструкторское и технологическое бюро научного приборостроения АН Узбекской ССР (53) 662, 997(088.8) (56) 1, Захидов P,À. Технология и испытания гелиотехнических концентрирующих систем. Ташкент, "фан", 1978, с. 167, рис. 78. (54) (57) ГЕЛИОСТАТ, содержащий несущую раму с фацетами и приводами поворота, лвухкоординатную систему слежения, связанную с приводами поворота, и аналоговый преобразователь, отличающийся тем,что, с целью повышения коэффициента Kali центрации, он снабжен датчиками ско ростей слежения и приводами поворота фацет, причем датчики электрически соединены с входами аналогового преобразователя, а приводы поворота фацет - с его выходами.

1019186

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности, гелиостатам солнечных установок энергетического или технологического назначения, Известен гелиостат, содержащий несущую раму с фацетами и приводами поворота, двухкоординатную систему слежения, связанную с приводами поворота, и аналоговый преобразователь.

8 этом гелиостате аналоговым преобразователем служат эталонное зеркало и ЭВМ; с помощью которых может быть осуществлена концентрация потока солнечной радиации гелиостатного поля на общем приемнике излучения(1 ).

Однако концентрация потока радиации в пределах однэго гелиостата ограничена отсутствием адаптивности его отражательной поверхности, Целью изобретения является повышение коэффициента концентрации.

Поставленная цель достигается тем, что гелиостат, содержащий несущую раму с фацетами и приводами поворота, двух коорди н ат ную систему слежения, связанную с приводами поворота, и аналоговый преобразователь, снабжен датчиками скоростей слежения и приводами поворота фацет, причем датчики электрически соединены с входами аналогового преобразователя, а приводы поворота фацет - с его выходами, На фиг. 1 показана функциональная блок-схема гелиостата; на фиг. 2вид бтражающей поверхности гелиостата, образованной фацетами, сгруппированными по горизонтальным и вертикальным рядам; на фиг, 3,- функциональная зависимость поворота фа-, цет в зависимости от угловых скоростей W> и 4 слежения гелиостата, соответственно, по зениту и азимуту.

Гелиостат содержит несущую раму 1 с фацетами 2 и приводами 3 поворота, двухкоординатную систему 4 слежения, связанную с приводами 3 поворота, и аналоговый преобразователь 5.

Гелиостат снабжен датчиками 6 скоростей слежения и приводами 7 поворота фацет 2, причем датчики 6 электрически соединены с входами ана» логового преобразователя 5, а приводы

7 поворота фацет 2 - с его выходами.

8 состав двухкоординатной системь

4 слежения входят четырехквадратный фотодатчик 8 и усилители 9 мощности, Центральная фацета 2 гелиостата неподвижно закреплена на несущей

5 раме 1.

Приводы 7 поворота каждой пери« ферийной фацеты 2, подвижно установленной на несущей раме 1, обеспечивают повороты фацеты 2 относительно двух взаимно перпендикулярных осей.

Электрические сигналы фотодатчи. ка 8 системы 4 слежения с помощью усилителей 9 и приводов 3 обеспечивают повороты несущей рамы 1 гелио15 стата в соответствии с перемещениями Солнца.Электрические сигналы датчиков 6 скоростей слежения несущей рамы 1 гелиостата через аналоговый преоб20 разователь 5, формирующий закон корректировки положения фацет 2 поступают на приводы 7.

Горизонтальные группы фацет 2 (фиг. 2) - 1- 1У, вертикальные - У-УЯ.

25 Каждая из групп фацет 2 занимает такое положение, которое с достаточным приближением соответствует ча" сти теоретической концентрирующей поверхности адаптивного гелиостата.

30 Группировка фацет 2 гепиостата по заданному закону фокусирования производится исходя из следующих предпосылок, Отражающая поверхность следящего гелиостата представляет непрерывно изменяемую форму поверхности двойной кривизны, так как является оптимальной поверхностью внеосевой вырезки из параболоида„ Причем зв 0 данный закон текущего фокусирования отраженного пучка на объект облучения определяется условиями непрерывного регулирования оптимальной поверхности гелиостата как в тече45 ние дневного цикла слежения, так и в течение года.

На прямоугольной несущей раме 1 гелиостата фацеты 2 размещаются рядами параллельно соответствующим

50 осям симметрии несущей рамы 1, пере. секающимся с главной оптической осью гелиостата, на которой находится точка фокуса и приемник излучения, Каждая фацета 2 имеет возможность автоматического поворота вокруг двух взаимно перпендикуляр, ных осей, совпадающих с осями соответствующих рядов. Ряд характеризуется общим для оси фацет 2 одно1019186 го

30

35 ао

3

ro ряда расстоянием до соответствующей параллельной оси симметрии несущей рамы 1. Это расстояние, как- . один иэ параметров оптической системы при неизменном удалении гелиостата от объекта облучения, обуславливает характер текущего иэмвяения величины угла наклона группы фацет 2 по такому закону, по которому отраженные о фацет лучи в ходе слежения гелиостата непрерывно ориентированы в точку фокуса в пределах допустимой погрешности.

Ряд фацет 2 объединен в группу с общим заданным законом текущего фокусирования путем синхронного поворота группы Фацет 2 относительно оси данного ряда. При этом поворот фацет, 2 данного ряда,относительно перпендикулярных к нему осей также характерен закономерными зависимостями, индивидуальными для каждого перпендикулярного ряда.

Групповой поворот фацет 2 по аппроксимирующему закону в двух взаимно перпендикулярных направлениях обеспечивает непрерывную адаптацию зеркальной поверхности гелиостата к изменяющемуся положению Солнца и ориентацию с достаточным приближением направления лучей, отраженных от фацет 2, на точку фокуса оптической системы, Групповое управле- ние фацетами 2 упрощает систему ав" томатической адаптации при практически удовлетворительных оптико-геометрических характеристиках поверхн8сти гелиостата, работающего, например, в составе солнечной энергетической станции при значительных удалениях от приемника.

Поле угловых скоростей слежения по двум осям гелиостата (две исходные переменные координаты) закономерно и однозначно определяют текущий угол поворота фацеты 2 (зависи1

: мая координата) (фиг. 3) .

В частности, в качестве иллюстрации имеющейся функциональной зависимости поворота фацет 2 от скоро50 с тей слежения на графи ке пока з àíî поле скоростей в течение года, полученное при следующих данных: фиксирован" ной ориентации отраженного луча от центральной фацеты 2 гелиоста- 55 та, принятой- вдоль меридиана северюг ; географической широте 41,5 склонении от +23,5О до -23,5".

Основой для построения графиков принят часовой угол, общий для аэимутальной и угломестной скоростей слежения. Точки, обозначенные кружком, соответствуют каждым 10 часоO вого угла от полудня до захода Солнца. Поле скоростей в первой половине дня расположено симметрично относительно горизонтальной оси графи" ка (ось азимутальных скоростей), Рядом с точками, обозначенными треугольниками, указаны текущие углы поворота фацеты 2 (зависимая координата), найденные расчетным путем. фацета 2 в данном примере расположена на расстоянии 2 м от -гориэон" тальной и вертикальной осей симметрии несущей рамы 1, а гелиостат уда. лен от приемника излучения на 50 м.

В числителе приведены углы поворота фацеты 2 вокруг вертикальной оси, в знаменателе — горизонтальной. Углы поворота фацеты 2 даны в угловых минутах, Угловая коррекция данной фацеты

2, как и других фацет 2, осуществляется при условии непрерывной фокусировки (ориентации) отраженного от нее светового пучка в фокульную зону приемника. Функциональные .характеристики аналоговых преобразователей

5 воспроизводят закон текущей угловой коррекции фацет 2 в ооответствии о с найденной расчетным путем математической зависимостью в виде полинома для каждой фацеты 2. Заданный закон фокусирования индивидуально для той или иной фацеты 2 с достаточным приближением аппроксимируется расчетным полиномом. При этом аналоговым преобразователем реализуется функциональная обработка входных сигналов (угловых скоростей слежения) в выходную зависимую переменную (угол поворота фацеты 2) согласно расчету. Все единичные фацеты 2 адаптивных гелиостатов дают совмещающиеся изображения на приемнике независимо от положения Солнца и координат гелиостата в гелиостатном поле.

Гелиостат работает следующим об" разом.

Системой 4 слежения (фиг, 1) не" прерывно задаются угловые скорости несущей рамы 1 гелиостата в соответствии с перемещением Солнца по не" босводу. Угловые скорости азимутальной и угломестной осей гелиостата

Функционально связаны с географичес5 10191 кой широтой места установки гелиостата, заданной ориентацией его главной оптической оси на приемник излучения относительно направления северюг и угла наклона этой оси к горизонтальной плоскости, а также с ве" личиной угла склонения, определяющей месяц и день, и с истинным солнечным временем. Угловые скорости двух осей гелиостата (несущей рамы 1) являются 10 взаимозависимыми величинами, образующими -в течение года закономерное поле скоростей на координатной плоскости.

Система 4 гелиостата с непрерыв- 1 ным регулированием процесса слежения может быть выполнена как автоном" ной с индивидуальным фотодатчиком 8 слежения, так и непрерывно управляемой от централизованного командно" 2о го устройства, В последнем случае гелиоустановка содержит, как правило, множество гелиостатов, В гелиостате угловые скорости несущей рамы 1 и пропорциональные им 2s сигналы на выходах датчиков 6 приняты в качестве исходных переменных координат, т.е. аналоговых сигналов, в функции которых с помощью ЭВИ найдены полиномы, аппроксимирующие с Зр достаточным приближением заданный закон текущего поворота индивидуально для каждой группы фацет 2, непрерывно фокусирующей отраженный пучок на приемник излучения, 35

Аппроксимация непрерывной функ" цией позволяет выразить, а затем и реализовать соотношение между входными аналоговыми сигналами и зависимой выходной переменной, за46 дающеи с достаточным приближением закон текущего углового поворота группы фацет 2.

Аналоговый преобразователь 5, содержащий аналоговые блоки по числу групп фацет 2 на раме 1 гелиостата

45 и выполненный на стандартных операционных усилителях и аналоговых пвремножителях, производит измерение и индивидуальную обработку общих аналоговых сигналов, поступающих от дат чиков 6. При этом в основу функционирования каждого аналогового блока заложен свой индивидуальный полином, аппроксимирующий заданный закон фокусирования той или иной группы фацет 2, Полином общего вида с целыми показателями в виде, например квадрат86 Ь ного уравнения может быть принят для схемного построения всех аналоговых блоков. Индивидуальная настройка аналогового блока, предназначенного для заданной ориентации гелиостата на местности и данной группы фацет 2 на гелиостате, производится с помощью установочных регулирующих устройств, позволяющих обеспечить необходимые величины коэффици" ентов при независимых переменных в полиноме, полученном расчетнь1м путем.

Текущий автоматический поворот фацет 2 осуществляется относительно их исходного положения. Исходное положение фацет 2 целесообразно выставить таким образом, чтобы в истинный полдень и при нулевом отклонении они находились в исходной рабочей позиции, В соответствии с такой позицией выставляется также исходное положение не показанного на схеме датчика угла фацет 2, входящих в группу, осуществляющего контроль текущего углового положения группы фацет 2 в автоматическом режиме адаптации, В качестве датчиков угла применяются, например, линейные вращающиеся трансформаторы или прецизионные линейные потенциометры, сочленяеиые с осью вращения фацет 2 через согласующий редуктор. Передаточное отношение согласующего редуктора между валом к датчику угла фацет 2 и ее осью вращения должно обеспечивать полное использование угла поворота датчика, соответствующего рабочему диапазону поворота фацеты 2 в циклах слежения и адаптации, В этом случае автоматическая адаптация отражающей поверхности гелиостата осуществляется в цикле слежения более точно при сравнительно небольшом диапазоне угловых перемеще ний фацет 2 от их исходного положения, От принятой исходной поверхности гелиостата зависит также вид расчетного полинома и функциональные характеристики аналоговых блоков преобразователя 5.

С учетом указанной установки фацет 2 и датчиков угла их поворота в исходные положения производится юстировка фацет 2, Функциональные характеристики аналоговых блоков преобразователя 5 обеспечивают в цикле слежения непрерывное фокусирование отраженных от фацет 2 пучков 8 фокальную зону приемника излучеt5 ственно определяются углом раскры° тия плоской фацеты 2, который эави-

7 1а ния. Поэтому юстировка может быть выполнена в любое время года и дня при включенной в работу автоматике адаптации и в режиме слежения гелиостата. С этой целью дополнительно к приводам 7 поворота фацет 2, осу" ществляющим текущую адаптацию, на фацетах 2 предусматриваются крепежноюстировочные приспособления, с помо.щью которых устанавливается и фиксируется их положение в нужной сфоку" сированной позиции. При этом ориентация отраженного луча от юстируемой фацеты 2 на приемник излучения производится Ro визуальному наблюдению эа приемником и положением фокусируемого луча.нв нем. Наблюдение за удаленным приемником производится, например, с помощью зрительной трубы

При использовании приводов 7, выполненных в виде реверсивных шаговых микродвигателей, отрабатываются синхронные повороты группы фацет 2 по текущим командным сигна- лам, формируемым на выходах блоков аналогового преобразователя 5, Текущий командный сигнал формируется в виде числа импульсов, соответствующего повороту фацет 2 в заданное положение и заданному общему числу шагов микродвигателя. Число командных импульсов в каждый момент вре" мени представляет алгебраическую разность между текущим командным сиг налом и фактическим интегральным числом шагов, отработанных микродвигателем, начиная от исходного отъюстированного положения rpynw фацет

2, Шаговый микродвигатель присоеди- . нен к понижающему редуктору, передающему угловой поворот фацет 2, Передаточное число редуктора принято по условию обеспечения требуемой точности единичного углового поворота фацет 2, приходящегося на один шаг микродвигателя, Понижающий редуктор имеет промежуточный выходной валик,. присоединяемый к датчику угла поворота фацеты 2, т,е. понижающий редуктор может использоваться одновременно и как согласующий редуктор к датчику угла.

Сигнал с выхода датчика угла подается на преобразователь (не показан), выдающий сигнал, например, в виде числа импульсов, пропорционального углу поворота фацет 2 или числу шагов, отработанных микродвигателем от исходного положения фа19186 8 цет 2. Выход преобразователя датчи ка угла подключен к устройству; выполняющему алгебраическое сравнение числа. командных импульсов на выходе аналогового преобразователя 5 а числом импульсов, вырабатываемых преобразователем датчика угла.

Для солнечных энергетических установок, в составе которых основным элементом концентрирующей системы может использоваться адаптивный гелиостат, фокальное пятно на поверхности приемника формируется многократным наложением световых пучков от плоских зеркальных фанет 2 на. одну и ту же приемную поверхность.

Геометрические размеры пятна сущесит от удаленности гелиостата от приемни .а и видимого углового ðàçмера диска Солнца, от размеров фацеты 2. Увеличение плоскости и стабильности, солнечной радиации на при35 емной поверхности энергоустановки достигается благодаря непрерывной автоматической адаптации зеркальных фацет 2 в цикле слежения множества гелиостатов, обеспечивая повыше5в ние температуры процесса трансформа" ции солнечной радиации в тепло рабочего тела и повышение КПД установки °

Применение фацет 2 вЬгнутой формы позволяет сократить размеры .отраженного пучка на объекте облучения в пределе до габаритов светового отверстия фацеты 2. Гелиостатс адаптивной поверхностью, образуемой низкопрофильными вогнутыми фацета ми 2, обеспечивает повышение плот.— ности сконцентрированной радиации на приемнике, Кроме того, количество вогнутых фацет 2 по сравнению с плоскими может быть уменьшено в тех случаях, когда солнечная установка предусматривается на заданную плотность сконцентрированного излу чения.

Использование сигналов, вырабаты50 ваемых датчиками 6 угловых скоростеи несущей рамы 1 гелиостата, в качестве аналоговых сигналов позволяет автоматизировать процесс адаптации фацет 2 в жесткой функциональной зависимости от текущих скоростей слежения гелиостата, Постоянство прочих параметров, зависящих, например, от ориентации гелиостата на местности, Фиа2

ВНИИПИ Заказ 3675/30 Тираж 783 Подписное филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

9 10191 направления его оптической оси на приемник и пр, позволяет единожды ввести эти параметры в аналоговый преобразователь 5 как установочные индивидуальные:.для каждого гелиостата, В ходе поворота рамы 1 гелиостата как в течение дневного цикла слежения так и в течение года поле скоростей слежения по двум осям гелиостата закономерно и однозначно олре t»

86 . 10 деляет текущий угол поворота каждой группы фацет 2. Автоматическая адаптация зеркальной поверхности гелиостата к изменяющемуся положению Солнца на небосводе обеспечивает непрерывную фокусировку отраженного пучка от каждой фацввы в фокальную камеру приемника при высокой степени концентрации излучения и его ста,бильности,