Установка для моделирования движения солнца

Изобретение относится к области гелиотехники и направлено на создание установки для демонстрации и анализа хода световых лучей к солнцевоспринимающим поверхностям солнечных и энергоэффективных зданий, с учетом затеняющих факторов от близлежащих объектов, а также возможности показать закономерности изменения положения солнца в течение суток в различные времена года. Этот результат обеспечивается за счет того, что установка для моделирования движения солнца, включающая рабочую поверхность, регулируемые механизмы, источник света и макеты, моделирующие затенение различных объектов, содержит в качестве источника света мощный светодиод с оптикой, обеспечивающей малый угол расходимости света, закрепленный на траверсе, движущейся по двум направляющим дугам с возможностью вращаться вокруг оси, расположенной ниже рабочей поверхности установки, а на солнцевоспринимающих поверхностях макетов, моделирующих исследуемые объекты, расположены фотоэлементы, вырабатывающие ток, значение которого измеряется при помощи мультиметра, установленного на рабочей поверхности, что позволяет количественно оценить степень влияния затенения на исследуемый объект. 3 ил.

 

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к установкам для моделирования движения солнца, оценки прихода солнечных лучей и затененности от зданий, естественных преград, особенностей ландшафта при проведении исследований и проектировании зданий.

Известна лабораторно-исследовательская установка под названием Heating Model (Нагревательная модель) (патент US №4457296 от 3 июля 1984 г.), которая выбрана за прототип. В данной установке источник света закреплен на дуге с углом раскрыва 180°, которая, в свою очередь, специальным регулируемым механизмом закреплена на рабочей поверхности. Данная установка позволяет моделировать приход солнечного излучения для диапазона широт в диапазоне 10°-60° с шагом в 5°, а так же время суток в диапазоне 5-19 ч с шагом в 1 час, выбор времени года осуществляется с точностью до 1 месяца.

Известны американские патенты на установки, выполняющие схожие функции: Sunshine simulator (Симулятор солнечных лучей) №4470820; Sunshine Simulator for small scale models (Симулятор солнечных лучей для моделей мелкого масштаба) №4881899; Apparatus for studing illumination (Аппарат для изучения освещения) №2328456.

Недостатками известной установки, выбранной в качестве прототипа, являются: близкое размещение узлов регулирования широты и времени года в пространстве, что вызывает большие механические нагрузки на узлы регулирования и соответственно создает дополнительную сложность при изменении этого параметра; меньшая наглядность при регулировании времени года; возможность лишь визуальной оценки тени и получения ее графической картинки.

Основным недостатком Sunshine simulator (№4470820) является то, что смещается не источник света, а поверхность с макетами, что является менее интуитивно понятным при обучении студентов, и, кроме того, требуется, большая прочность узлов конструкции и соответственно количество материала, так как масса рабочей поверхности не сравнимо выше, а так же необходим механизм крепления макетов зданий к поверхности, что снижает количество вариантов их расположений. Основным недостатком Sunshine Simulator for small scale models (№4881899) является та же причина, что и у Sunshine simulator, однако тут проблему с прочностью узлов можно исключить, так как массивность установки не велика. Apparatus for studing illumination (№2328456) имеет следующий недостаток: он обладает общим механизмом регулирования широты и времени года, что требует предварительного расчета - прибавления к высотному углу солнца в день равноденствия для избранной широты значения угла склона солнца, определяемого по таблицам для конкретного времени года или высчитываемого по специальной формуле.

Задачей предлагаемого изобретения является создание установки для демонстрации и анализа хода световых лучей к солнцевоспринимающим поверхностям солнечных и энергоэффективных зданий, с учетом затеняющих факторов от близлежащих объектов, а также возможности показать закономерности изменения положения солнца в течение суток в различные времена года.

Предлагаемое изобретение может быть применено для исследования геометрических особенностей прихода солнечного излучения к солнцевоспринимающим поверхностям гелиоактивных зданий в различные времена суток и года, для различных широт исследуемой местности.

Принцип работы установки базируется на геометрии движения Земли вокруг Солнца.

Изобретение может быть использовано для проведения исследовательских работ при изучении особенностей затенения различных частей здания или всего здания в целом от смежных объектов. Изобретение позволяет дать визуальную и количественную оценки данного явления. Учет влияния атмосферы можно произвести, внеся в результат измерения специальные коэффициенты, учитывающие среднестатистические значения приходящей солнечной радиации в день в течение исследуемого месяца.

В результате использования изобретения появляется возможность наблюдения процесса тенеобразования от различных зданий и объектов в различные времена суток, года и широты исследуемой местности и проследить процесс движения теневого пятна в течение заданного интервала времени, а так же количественно показать преимущества того или иного расположения зданий относительно друг друга в поле солнечного излучения, удобство при работе с установкой достигается за счет простоты механизма регулирования широты и времени года, которая обеспечивается путем их большего разнесения в пространстве; большая наглядность при демонстрации изменения положения солнца с течением года; возможность количественной оценки падающего на поверхность объекта света.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что установка для моделирования движения солнца содержит рабочую поверхность, регулируемые механизмы со шкалами регулирования времени суток, года и широты, источник света и макеты исследуемых объектов, моделирующие затенение различных объектов, в качестве источника света используется мощный светодиод с оптикой, обеспечивающей малый угол расходимости света, закрепленный на траверсе, обладающей возможностью перемещения по двум направляющим дугам, стянутыми по краям двумя планками, которые размещены на оси вращения, расположенной ниже рабочей поверхности установки, вокруг которой осуществляется вращение всей конструкции, а на солнцевоспринимающих поверхностях макетов, моделирующих исследуемые объекты, расположены фотоэлементы, токи которых измеряются при помощи мультиметра, установленного на рабочей поверхности и позволяют количественно оценить степень влияния затенения на исследуемый объект.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг.1 и 2.

На фиг.1 изображен внешний вид лабораторно-исследовательской установки.

На фиг.2 показана схема лабораторной установки.

На фиг.3 представлено: а - исходное положение лабораторной установки; б - после регулирования широты, в - после регулирования времени суток; г - после регулирования времени года.

Предлагаемая установка содержит подвижную траверсу 1, имеющую форму дуги с наклеенной шкалой регулирования времени года, подвижные крепления 2, источник света 3 с малым углом расходимости, моделирующий солнце, пара параллельно расположенных дуг 4, отвечающих за регулирование времени суток, макеты гелиоактивных зданий 5, с установленными на них фотоэлементами, макеты смежных объектов 6, представляющих собой, например, соседние здания и создающие затенение, защелка 7, колесо 8 с нанесенной шкалой регулирования широты, ось вращения конструкции 9, рабочая поверхность 10 установки, стягивающие планки 11, ножки 12 установки, которые могут быть составными, обеспечивая регулирование высоты для большего удобства, скобы 13, применяемые для крепления оси к установке. Подвижная траверса 1, источник света 3 и колесо регулирования широты 8 являются регулируемыми механизмами.

Установка содержит в качестве источника света мощный светодиод с оптикой, обеспечивающей малый угол расходимости света, закрепленный на траверсе, обладающей возможностью перемещения по двум направляющим дугам, стянутыми по краям двумя планками, которые размещены на оси, расположенной ниже рабочей поверхности установки, вокруг которой осуществляется вращение, а на солнцевоспринимающих поверхностях макетов, моделирующих исследуемые объекты, расположены фотоэлементы, токи которых измерены при помощи мультиметра, установленного на рабочей поверхности, и позволяют количественно оценить степень влияния затенения на исследуемый объект.

Данная установка состоит из источника света 3, в качестве которого применяется мощный светодиод со специальной оптикой, обеспечивающей малую угловую расходимость света, источник света закреплен на подвижной траверсе 1, имеющей форму дуги, позволяющей перемещать источник вдоль ее оси, регулируя тем самым времена года, задавая интересующий месяц. Моделируемое время года устанавливается согласно шкале, наклеенной на этой дуге. Траверса 1, в свою очередь, фиксируется на двух дугах 4 при помощи подвижного крепления 2 для установки траверсы в требуемом положении. Дуги необходимы для регулирования моделируемого времени суток, и на них располагается соответствующая шкала, подвижная траверса 1 способна перемещаться по этим дугам в пределах 180°, что позволяет изменять регулируемое время суток в пределах от 6 до 18 часов по солнечному времени. Дуги, в свою очередь, стягиваются планками 11, создающими единую и устойчивую конструкцию. При этом планки закреплены на оси 9, вращение всей этой конструкции вокруг оси позволяет изменять географическую широту моделируемой местности. Фиксация выбранной широты осуществляется при помощи колеса 8 и защелки 7. На колесе 8 расположена шкала регулирования широт, цена деления которого равна 8°, регулирование осуществляется в пределах от 0° до 64° и включает в себя значение, равное 56°, примерно соответствующее широте г.Москва. Ось 9 закреплена ниже рабочей поверхности установки 10, применяемой для размещения макетов гелиоактивных зданий, которая располагается выше поверхности пола на расстоянии, которое определяется формулой

l=0,44·r_дуги, (см)

где r_дуги - радиус дуги регулирования времени суток; что позволяет свободно вращать конструкцию вокруг оси, для этого используются ножки 12 соответствующей высоты, а ось вращения крепится к установке при помощи специальных скоб 13. Расстояние, на которое ось отстоит от рабочей поверхности, определяется по формуле

h=a_ст+0,5+r_оси, (см)

где а_ст - толщина столешницы, используемой в качестве рабочей поверхности;

r_оси - радиус оси, относительно которой происходит вращение.

В качестве исследуемых объектов в данном случае используются макеты гелиоактивных зданий 5 и смежных объектов 6 различной формы. Причем на макете гелиоактивного здания 5 обязательно размещаются фотоэлементы, а смежные объекты 6 не должны обязательно их содержать.

На различных гранях макетов гелиоактивных зданий 5 закреплены индикаторы в виде фотоэлементов, которые преобразуют падающий на них свет в электрический ток. Измерение значений этого тока при помощи устанавливаемого на рабочую поверхность мультиметра, который соединяется посредством проводов с макетом гелиоактивного здания позволяет количественно оценить влияние некоторого объекта на гелиоактивное здание в различные времена года и суток, т.к. количество выделяемой ими электроэнергии зависит от угла падения световых лучей и освещаемой площади.

При проведении опытов с использованием данной установки возникает погрешность, связанная с тем, что дневной или искусственный свет создает фоновую подсветку. Данная погрешность при постоянном уровне освещенности помещения, как правило, остается одинаковой, поэтому от нее можно отстроиться. Для этого при проведении опытов необходимо предварительно измерить значение тока, вырабатываемого фотоэлементами при требуемом размещении макетов и данной фоновой засветке, а затем вычитать его из полученного суммарного тока, как постоянную составляющую.

При настройке данной установки необходимо выполнить следующие действия. В начале устанавливается требуемая в исследовании широта. Для этого следует отодвинуть защелку 7 и повернуть конструкцию в новое положение, соответствующее нужной широте, значение которой можно определить по шкале, расположенной на колесе 8, где каждому отверстию соответствует свое значение широты. После выбора необходимой широты защелку 7 необходимо задвинуть в отверстие колеса 8, которое в данный момент будет располагаться напротив нее. После этого необходимо установить нужное время суток, это осуществляется перемещением подвижной траверсы 1, в необходимое положение, предварительно траверсу необходимо освободить, сняв блокировку на подвижных креплениях 2. Необходимое время суток определяется по шкале, наклеенной на дуги 4, после выбора нужного времени необходимо заблокировать подвижные крепления 2, чтобы не допустить самопроизвольного перемещения траверсы по дугам. Для установления нужного времени года источник света 3 перемещается вдоль подвижной траверсы 1 в нужную точку, при этом можно ориентироваться по наклеенной на нее шкале. После этого на рабочей поверхности 10 следует расположить макеты гелиоактивных зданий 5 и смежных с ними объектов 6, которые создадут тень. При этом расстояние между ними и географическую ориентацию можно определить по специальной шкале, расположенной на рабочей поверхности 10. После окончания подготовки к гелиоактивному зданию подключается мультиметр, находящийся в режиме измерения тока. В начале согласно показаниям мультиметра определяется значение тока, создаваемого внешним освещением, это постоянная погрешность, поэтому для избавления от нее достаточно просто вычесть ее из итогового результата. После проведения всех подготовительных операций и измерений можно включать источник света 3. Лучи, испускаемые данным источником, будут направлены на исследуемые объекты под определенным углом, доходя до объекта помехи 6, они будут прерываться, не дойдя до гелиоактивного здания 5, остальные же либо пройдут вовсе мимо, либо попадут на фотоэлементы гелиоактивного здания. Чем большая площадь фотоэлементов, расположенных на гелиоактивных зданиях, будет освещена, и чем ближе угол падения света будет к 90°, тем больше значение покажет мультиметр. По результатам исследований строятся зависимости и делаются выводы об эффективности того или иного взаимного расположения объектов.

Предлагаемое изобретение может быть применено для исследования геометрических особенностей поступления солнечного излучения на солнцевоспринимающие поверхности энергоэффективных и гелиоактивных зданий в различные времена суток и года, для различных широт исследуемой местности при проведении лабораторных занятий по учебным курсам: «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» - раздел «Солнечная энергетика»; «для архитекторов» - «Градостроительство и планирование сельских населенных пунктов»; «Физика» - «Геометрическая оптика», а также другим курсам, например «Экология», в которых рассматриваются вопросы солнечной энергетики.

Установка для моделирования движения солнца, содержащая рабочую поверхность, регулируемые механизмы со шкалами регулирования времени суток, года и широты, источник света и макеты исследуемых объектов, моделирующие затенение различных объектов, отличающаяся тем, что установка содержит в качестве источника света мощный светодиод с оптикой, обеспечивающей малый угол расходимости света, закрепленный на траверсе, обладающей возможностью перемещения по двум направляющим дугам, стянутым по краям двумя планками, которые размещены на оси вращения, расположенной ниже рабочей поверхности установки, вокруг которой осуществляется вращение всей конструкции, а на солнцевоспринимающих поверхностях макетов, моделирующих исследуемые объекты, расположены фотоэлементы, токи которых измеряются при помощи мультиметра, установленного на рабочей поверхности, и позволяют количественно оценить степень влияния затенения на исследуемый объект.