Устройство для слежения гелиоустановки за солнцем

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)ю F 24 J 2/38

ГОСУДАРСТВЕ ННЫЙ КОМИТЕТ пО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ4ЕТЕЛЬСТВУ

Л

00 (Л

0 с) (21) 4683710/06 (22) 25.04.89 (46) 23.04.92. Бюл. М 15 (71) Научно-производственное объединение

"Астрофизика" (72) В.А.Алексеев, А.H.Âèíoãðàäîâ, В.Г,Володин, Н.Е.Воробьев, Э.А.Нарусбек и С.А.Филин (53) 662.997 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N. 1196621, кл. F 24 J 2/38, 1984.

Авторское свидетельство СССР

N. 1126777, кл. F 24 J 2/38, 1980, (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЛЕЖЕНИЯ ГЕЛИОУСТАНОВКИ ЗА СОЛНЦЕМ (57) Изобретение относится к гелиотехнике.

Для повышения устойчивости гелиоустановки при ветровых нагрузках в устройстве для слежения гелиоустановки за солнцем, соИзобретение 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

„, SU „„1728596A1 держащем 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 иэ которых связана с тросом, кинематически связанным с валом зенитального слежения, а другая — через другой трос с противовесом. 5 ил. недостаточно эффективной ориентации отражающего элемента в азимутальной и зенитальной плоскостях по направлению перемещения солнца, причем имеющиеся в известных гелиоустановках системы слежения в укаэанных плоскостях с помощью электро- (гидро-) приводов явля.отся 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

1728596 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 поворотнйм 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 гелиостата в целом. Это происходит потому, что противовес в нем имеет постоянный вес и рассчитан на определенную ветровую ха4 с валом 28 азимутального слежения, закрепленным на последнем посредством кронштейна 5, и вал 18 зенитального слежения, отражающий элемент 6, оптически свя55 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 расгрузку. 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

10 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

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

Недостатками известной гелиоустановки являются также сложность раздаточного

20 механизма в приводе гелиостата и наличие электродвигателя.

Целью изобретения является повышение устойчивости гелиоустановки при ветровых нагрузках.

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

30 слежения отражающей элемент, оптически связанный с приемником, привод, выполненный в виде тросов, кинематически связанных с валами азимутального и эенитального слежения и электромагнитов

35 торможения валов, электрически связанных с датчиком слежения, и противовес, привод дополнительно содержит две емкости с входом и выходом для жидкости и электромагниты регулирования расхода жидкости, 40 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

45 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

50 в вечерние часы.

Гелиоустановка содержит основание 11728596 хода жидкости, электрически связанных с отражающий элемент 6 тем самым поз тч да иком 12 слежения и установленных на ляя последнему перемещаться в азимутальвходе и выходе емкостей 7 и 10. емкость 10 ной и зенитальной (с помощью вала 18 связанас тросом 9, кинематически связан- зенитального слежения) плоскостях по наным через отражающий элемент 6 с валом правлению к солнцу.

18 зенитального слежения, а емкость 7 — 5 Водаизнапорногорезервуара19постучерез трос 16, кинематически связанный с пает в емкость 7, вода из емкости 10 начивалом 28 азимутального слежения с проти- нает вытекать в емкость 14 слива жидкости. вовесом 8, и электромагнитов 23 и 24 тормо- Изменение уровня воды в емкостях 7 и 10 жения валов, электрически связанных с приводиткнарушениюравновесия в приводатчиком 12 слежения. Отражающий эле- 10 де отражающего элемента 6 по направлемент 6 установлен с возможностью поворо- нию к солнцу в азимутальной и зенитальной та в азимутальной и зенитальной плоскостях, Как только датчик 12 слежения плоскостях, расположенных в плоскостях займет положение, при котором все четыре симметрии отражающего элемента 6 и сов- фототранзистора будут освещены (крайнее падающих с направлением его ориентации. 15 рабочее положение в утренние ча ф . 1)

Емк т 7 ос ь 7 установлена симметрично с про- электромагнит 20 перекроет вход емкости 7, тивовесом 8 относительно плоскости сим- электромагнит 17 перекроет выход емкости метрии отражающего элемента 6. Центр 10, а электромагниты 23 и 24 зафиксируют масс емкости 10 находится в зенитальной отражающий элемент 6 в указанном полоплоскости на зенитальной оси 11, проходя- 20 жении. щей через центр масс отражающего эле- При этом отражающий элемент 6 принимента 6. Датчик 12 слежения слежения и приемник 13 мает, концентрирует и осуществляет переустановлены на оптической оси отражаю- дачу энергии солнечного излучения на щего элемента 6 и составляют противовес приемник 13, который преобразует ее в емкости10,обеспечивающий перемещение 25 электрическую энергию. Отбор электроотражающего элемента 6 в зенитальной энергии, вырабатываемой приемником 13, плоскости. осуществляется на питание электронной

Емкость 14 слива жидкости установлена схемы датчика 12 слежения и электромагнипод емкостями 7 и 10 и соединена с ними тов, а также для хозяйственных и промышпосредством трубопроводов 21 и 25 через 30 ленных нужд. Отбор электроэнергии и ее элект омагниты 15 и 17 р иты и регулирования рас- накопление в период, когда расход электрохода жидкости. Напорный резервуар 19ус- энергии минимальный, осуществляются в тановлен над емкостями 7 и 10 и соединен аккумулятор. Генерируемая аккумулятором ч с ними посредством трубопроводов 26 и 27 электроэнергия может интенсивно расхо ереэ электромагниты 20 и 22 регулирова- 35 ваться в ночное время, когда солнце не ходония расхода жидкости. На основании 4 в обеспечивает работу гелиоустановки, а расазимутальной плоскости вращения закреп- ход энергии возрастает. лен электромагнит 23 торможения вала 28 При изменении положения солнца азимутального слежения. На кронштейне 5 (подъем к зениту) происходитзатемнение по в зенитальной плоскости закреплен элект- 40 крайней мере одного фототранзистора в ромагнит 24 торможения вала 18 зениталь- датчике 12 слежения, который в этот момент ного слежения, контактирующий с посылает сигнал через электронную схему отражающим элементом 6. на электромагниты 15 и 22 регулирования

Устройство для слежения гелиоустанов- расхода жидкости и электромагниты 23 и 24 ки за солнцем работает следующим обра- 45 торможения валов. При этом электромагнит

П

15 открывает выход емкости 7, электромагри появлении солнечного излучения нит 22 открывает вход емкости 10, электро(утренние часы) датчик 12 слежения, у кото- магниты 23 и 24 перестают удерживать в рого в этот момент освещается, по крайней закрепленном положении вал 28 азимутальмере, один фототранзистор, посылает сиг- 50 ного слежения и отражающий элемент 6, нал через электронную схему на электро- позволяя последнему перемещаться в азимагниты 17 и 20 регулирования расхода мутальной и зенитальной (с помощью вала жидкости и электромагниты 23 и 24 тормо- 18 зенитального слежения) плоскостях по жения валов, направлению к солнцу. Вода из напорного

При этом электромагнит 20 открывает 55 резервуара 19 поступает в емкость 10, вода вход емкости 7. электромагнит 17 открывает из емкости 7 начинает вытекать в емкость 14 выход емкости 10, электромагниты 23 и 24 слива жидкости. Изменение уровня воды в перестают удерживать в закрепленном по- емкостях 7 и 10 приводит к нарушению равложении вал 28 азимутального слежения и новесия в приводе отражающего элемента

1728596

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.

П ри дальнейшем смещении солнца к зениту и затемнении вновь по крайней мере одного фототранзистора датчика 12 слежения произойдетдальнейшее 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

17 открывают 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

18 зенитального слежения) плоскостях. Вода из емкостей 7 и 10 начинает вытекать в емкость 14 слива жидкости. Уменьшение 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, электромагниты 15 и 17 перекроют выходы емкостей 7 и 10, а электромагниты 23 и 24 зафиксируют отражающий элемент 6 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 солнцу в àзимутальной l1 зенитальной плоскостях, и так до тех пор, пока отражающий элемент 6 не займет 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, например, и водопроводный кран, самотеком при открывании входов в эти емкости соответствующими электромагни5 тами 20 и 22.

При опорожнении емкостей 7 и 10 вода поступает самотеком в емкость 14 слива жидкости при открывании выходов этих емкостей соответствующими электромагнита10 ми 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 жидко15 сти перемещается с помощью насоса или вручную обратно в напорный резервуар 19.

Поэтому для ориентации в пространстве гелиоустановки используется ограниченное количество воды в замкнутом цикле.

20 Противовес 8. ориентирующий отражающий элемент 6 в азимутальной плоскости совместно с емкостью 7, составляет по весу половину веса емкости 7 в полностью заполненном состоянии. При этом в качестве про25 тивовеса 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

30 одинаковое и составляет половину их объема. Снабжение гелиоустановки электропитанием осуществляется по принципу самообеспечения.

Использование в приводе гелиоуста35 ковки емкостей, изменяющих свой вес относительно противовеса в зависимости от положения отражающего элемента по направлению к солнцу, позволяет повысить устойчивость гелиоустановки при ветровых

40 нагрузках.

Так, если в момент перемещения отражающего элемента 6 в азимутальной и зенитальной плоскостях в направлении, оптимальном по отношению к солнцу, когда

45 электромагниты 23 и 24 торможения валов не фиксируют отражающий элемент 6 в устойчивом положении, произойдет сильный порыв ветра, создающий крутящий момент, препятствующий ориентации отражающего

50 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

55 есть, в зависимости от силы ветрового воздействия будет регулироваться количество воды в емкостях 7 и 10, тем самым нейтрализуя это ветровое воздействие и делая ориентацию отражающего элемента по отношению K солнцу устойчивои.

172859б

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 обуславливает, 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 flo сравнению с прототипом позволяет: повысить устойчивость гелиоустановки при ветровых нагрузках не менее чем на 15% за счет использования для ориентации отражающего 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 систе5 мы ориентации отражающего элемента с использованием энергии, снимаемой с приемника, т.е, с воэможностью энергетического самообеспечения.

Формула изобретения

10 Устройство для слежения гелиоустановки за солнцем, содержащее основание с валом азимутального слежения, закрепленный на последнем посредством вала зенитального слежения отражающий

15 элемент, оптически связанный с приемником, привод, выполненный в виде тросов, кинематически связанных с валами азимутального и зенитального слежения, и электромагнитов торможения валов.

20 электрически связанных с датчиком слежения,ипротивовес, отличающееся тем, что, с целью повышения устойчивости гелиоустановки при ветровых нагрузках, привод дополнительно содержит две емкости с

25 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, 30 кинематически связанным с валом зенитального слежения, а другая через другой трос — с противовесом.

1728596

1728596

27

22

1728596

15

Фиг.5

Составитель Г. Каралашвили

Техред М.Моргентал Корректор И. Муска

Редактор Л. Гратилло

Заказ 1396 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101