Установка автоматического слежения приемной панели за солнцем

Авторы патента:

Тихонов Антон Валентинович (RU)

Никитин Борис Андреевич (RU)

Тихонов Павел Валентинович (RU)

Харченко Валерий Владимирович (RU)

F24J2/54 - специально предназначенные для вращательного движения

Владельцы патента RU 2482401:

Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии) (RU)

Изобретение относится к области гелиотехники, в частности к устройствам, которые используются для ориентации рабочей поверхности солнечных модулей, водонагревателей (гелиосистем) и т.д. перпендикулярно лучам солнечного излучения. Установка автоматического слежения приемной панели за Солнцем содержит станину, на которой закреплен вертикальный вал, с жестко укрепленной на нем для азимутального движения поворотной рамой, приемную панель, электродвигатель с редуктором, датчик солнечной ориентации с блоком автоматического управления, подключающий электродвигатель к аккумуляторной батарее. Приемная панель в средней части шарнирно соединена с поворотной рамой с возможностью ее перемещения в вертикальной плоскости относительно поворотной рамы, при этом между нижней частью приемной панели и нижней частью станины расположен стержень, с возможностью изменения его длины в зависимости от даты года, закрепленный с помощью шарниров в его крайних точках, что обеспечивает соответствующее изменение зенитального положения приемной панели при азимутальном перемещении поворотной рамы, в течение светового дня. Технический результат заключается в обеспечении максимального уровня освещенности объекта, монтированного на приемную панель установки во время процесса слежения, и в обеспечении слежения с помощью одного электродвигателя, а также в том, что слежение осуществляется автоматически за счет использования кинематической схемы, элементы которой рассчитаны для предполагаемой широты местности использования установки. 5 ил.

Известны поворотные устройства фирмы "Селтек" [http://selteq.com.], представляющие собой компьютерную систему, обеспечивающую автоматическое слежение за Солнцем. Основное управление устройством осуществляется с помощью микропроцессора, который реализует заложенный программный алгоритм на основе траектории движения Солнца. Программа слежения запрограммирована с учетом времени года и для работы в любой территориальной точке эксплуатации. В соответствии с сигналом от микроконтроллера устройство осуществляет слежение за Солнцем по азимуту и углу возвышения (элевации) благодаря двум электродвигателям. Недостаток таких устройств заключается в том, что без учета облачности в светлое время суток компьютер непрерывно выдает управляющие сигналы на исполнительный механизм.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является солнечная электростанция, лишенная недостатков предыдущего устройства. Солнечная электростанция содержит вертикальный вал с приводом азимутального вращения, на верхнем конце которого установлен горизонтальный вал с симметричными эксцентриковыми поводками, по его концам контактирующими с синусоидальным пазом жестко закрепленного горизонтального кольца (патент на изобретение №2298860 от 24.02.2005). На горизонтальном валу жестко закреплена солнечная фотобатарея с системой автоматики азимутального поворота. При азимутальном повороте вала горизонтальный вал своими поводками, взаимодействуя с синусоидальным пазом горизонтального кольца, осуществляет поворот на 45° в одну или в другую сторону при движении по пазу, соответственно утро-полдень-вечер, чем обеспечивается зенитальное слежение за солнцем фотобатареи станции.

Недостатками известной солнечной электростанции является ее ограниченное использование только совместно с фотоэлектрическими модулями, что сужает возможный потенциал применения ее опорно-поворотной конструкции. А также то, что зенитальный поворот рамы обеспечивается всегда по одной и той же траектории, что не обеспечивает высокой точности слежения установки, так как угол возвышения Солнца меняется в течение года. К недостаткам данной конструкции относится также то, что станция во время полуденного солнца не обеспечивает ориентацию фотобатареи перпендикулярно падающим лучам Солнца для различных дат года.

Задачей предлагаемой установки является осуществление слежения за Солнцем его приемной панели по азимутальным и зенитальным (угол возвышения) параметрам в течение светового дня для различных дат года с использованием одного электродвигателя в соответствии с расчетными данными для определенной широты местности использования установки. А также задачей является обеспечение переориентации позиционируемого объекта во время рассвета (разворот с запада на восток).

Достигаемый технический результат заключается в обеспечении максимального уровня освещенности объекта монтированного на приемную панель установки во время процесса слежения и в обеспечении слежения объекта за положением Солнца с помощью одного электродвигателя, а также в том, что слежение осуществляется автоматически за счет использования кинематической схемы, элементы которой рассчитаны для предполагаемой широты местности использования установки.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что установка содержит станину, на которой шарнирно закреплен вертикальный вал, с жестко укрепленной на нем для азимутального движения поворотной рамой, приемную панель, электродвигатель с редуктором, датчик солнечной ориентации с блоком автоматического управления, подключающий электродвигатель к аккумуляторной батарее, причем приемная панель в средней части шарнирно соединена с поворотной рамой с возможностью ее перемещения в вертикальной плоскости относительно поворотной рамы, при этом между нижней частью приемной панели и нижней частью станины расположен стержень, с возможностью изменения его длины в зависимости от даты года, закрепленный с помощью шарниров в его крайних точках, что обеспечивает соответствующее изменение зенитального положения приемной панели при азимутальном перемещении поворотной рамы, в течение светового дня.

Сущность предлагаемой установки поясняется фиг.1, 2, 3, 4, и 5.

На фиг.1 изображена общая схема установки автоматического слежения приемной панели за Солнцем: а) вид, когда наблюдается максимальный угол возвышения Солнца для данной местности; б) вид при некотором отклонении угла возвышения Солнца от максимума.

На фиг.2 показана схема работы основных элементов конструкции, обеспечивающих слежение приемной панели: а) вид, когда наблюдается максимальный угол возвышения Солнца для данной местности; б) вид при некотором отклонении угла возвышения Солнца от максимума; в) вид при восходе, т.е когда угол возвышения равен 0°.

На фиг.3 показан схематичный вид установки спереди и сверху: а) вид, когда наблюдается максимальный угол возвышения Солнца для данной местности; б), в) при некотором отклонении Солнца от максимума; г) вид при восходе.

На фиг.4 представлены характерные зависимости угла возвышения Солнца над горизонтом на широте г.Москва в течение светового дня для некоторых реперных дат года, а - для дня равноденствия, b - для дня летнего солнцестояния, с - для дня, определяемого среднеарифметическим значением зависимостей за летнее полугодие.

На фиг.5 изображен внешний вид установки автоматического слежения приемной панели за Солнцем, работающей от одного электродвигателя, на котором закреплены фотоэлектрические панели.

Предлагаемая установка автоматического слежения приемной панели за Солнцем содержит станину, приемную панель 2, вертикальный вал 3, поворотную раму 4, редуктор 5, электродвигатель 6, датчик солнечной ориентации (ДСО) 7, стержень 8, регулятор длины стержня 9, шарнир 10, блок автоматического управления и аккумуляторные батареи, располагаемые внутри корпуса станины (не показаны).

Работает установка следующим образом. При засветке лучами солнца элементов датчика солнечной ориентации 7 (фиг.1) сигналы от него поступают на блок автоматического управления. После обработки сигнала блок осуществляет управление реверсивным электродвигателем 6. Блок управления подает напряжение заданной полярности на электродвигатель 6, который через редуктор 5 приводит в движение раму 4, жестко закрепленную с вертикальным валом 3. Изменение положения поворотной рамы 4 по азимуту влево или вправо относительно оси N (фиг.2) происходит в зависимости от сигнала блока управления. На раме 4 с помощью шарниров 10 закреплена приемная панель 2, которая перемещается по азимуту совместно с рамой 4. Панель 2, за счет шарниров, может перемещаться относительно оси М, изменяя, таким образом, свой угол наклона относительно горизонта. Во время процесса слежения, при перемещении рамы 4 автоматически происходит поворот панели 2 и по углу возвышения за счет изменения положения стержня 8, один конец которого связан шарнирно со станиной 1, а другой шарнирно с приемной панелью 2 (фиг.1, 2 и 3). Таким образом, происходит изменение положения приемной панели 2 по углу возвышения относительно оси М и по азимуту относительно оси N (фиг.2). Поворот панели 2 по азимуту осуществляется по радиусу r относительно оси N. Поворот по углу возвышения зависит от параметров r, l, a, H, R. Буквой l обозначается длина стержня 8. Прямая а лежит на плоскости панели 2 и определяет расстояние от оси поворота М до крепления панели 2 со стрежнем 8. H - это высота, на которой относительно нижнего конца стержня 8 располагается поворотная рама 4. Буквой R обозначено расстояние от места крепления стержня 8 со станиной 1 до оси вращения N. Параметры установки рассчитаны таким образом, что при повороте с помощью электродвигателя 6 поворотной рамы 4 по азимуту обеспечивается автоматически необходимый поворот панели 2 по углу возвышения. Оптимально подобранные параметры обеспечивают необходимую точность слежения приемной панели 2 установки. Размеры элементов (r, l, a, H, R) рассчитываются индивидуально для каждой широты, где потенциально может использоваться установка согласно расчетным характерным зависимостям угла возвышения Солнца над горизонтом на заданной широте в течение светового дня. Для территориальных точек, расположенных на широте, соответствующей г.Москва, такая траектория (характерная зависимость) представлена на фиг.4. Корректировка по зенитальному параметру положения приемной панели 2 для различных дат года может быть обеспечена изменением длины стержня узлом 9 (фиг.1 и 3). Периодичность изменения длины стержня различна, во время солнцестояния корректировка может быть произведена один раз в два месяца, во время равноденствия один раз в течение 7 дней.

Схематичные виды установки автоматического слежения приемной панели за Солнцем в различный момент процесса работы показаны на фиг.3, в соответствии с зависимостью фиг.4. Положение 1 (фиг.3а) определяет максимальный угол возвышения Солнца для заданной местности. Положение 4 (фиг.3г) определяет вариант, когда приемная панель 2 установки ориентирована на Солнце во время восхода, при этом панель 2 располагается вертикально. При положении 2 и 3 (фиг.3б и в) представлен вид установки, при некоторой ориентации приемной панели 2 во время процесса слежения за положением Солнца.

На приемную панель 2 установки могут монтироваться гелиоколлекторы, фотоэлектрические тепловые установки, фотоэлектрические модули и т.д. Внешний вид установки автоматического слежения приемной панели за Солнцем с закрепленными на приемной панели фотоэлектрическими модулями представлен на фиг.5.

Установка автоматического слежения приемной панели за Солнцем, содержащая в себе станину, на которой закреплен вертикальный вал с жестко укрепленной на нем для азимутального движения поворотной рамой, приемную панель, электродвигатель с редуктором, датчик солнечной ориентации с блоком автоматического управления, подключающий электродвигатель к аккумуляторной батарее, отличающаяся тем, что приемная панель в средней части шарнирно соединена с поворотной рамой с возможностью ее перемещения в вертикальной плоскости относительно поворотной рамы, при этом между нижней частью приемной панели и нижней частью станины расположен стержень с возможностью изменения его длины в зависимости от даты года, закрепленный с помощью шарниров в его крайних точках, что обеспечивает соответствующее изменение зенитального положения приемной панели при азимутальном перемещении поворотной рамы в течение светового дня.

Аппарат, использующий солнечную энергию для подогрева и выработки электроэнергии // 2476782

Изобретение относится к солнечным установкам с функциями подогрева и выработки электроэнергии, включающим в себя, по меньшей мере, солнечный концентратор, приспособленный к приведению в действие механизмов, способных ориентировать себя к солнцу в течение дня таким образом, чтобы получать максимальное количество солнечной энергии для нагревания и аккумулирования жидкостей для различных применений и для выработки электрической энергии с высокими энергетическими КПД.

Способ и устройство для вращения панелей солнечных батарей // 2474768

Изобретение относится к области использования солнечной энергии и может быть применено в устройствах солнечных батарей и предназначено для теплоснабжения домов, коттеджей, предприятий, зданий сельскохозяйственного и другого назначения.

Установка для выработки электрической энергии с использованием солнечной энергии // 2442083

Изобретение относится к установке для выработки электроэнергии, а именно к установке для выработки электрической энергии с использованием солнечной энергии. .

Установка для подогрева воды с использованием солнечной энергии // 2440540

Изобретение относится к водонагревателям, в частности к установке для подогрева воды с использованием солнечной энергии. .

Модуль солнечной электростанции // 2437036

Изобретение относится к гелиоэнергетике и может быть использовано в солнечных электростанциях на основе фотоэлектрических преобразователей. .

Автоматическое устройство для концентрации солнечных лучей на неподвижном объекте // 2435112

Устройство для преобразования солнечной энергии // 2434184

Изобретение относится к устройствам для преобразования солнечной энергии. .

Поворотное устройство для солнечного энергомодуля // 2381426

Установка для ориентации фотоэлектрической батареи на солнце // 2377474

Изобретение относится к области солнечной энергетики, и в частности к фотоэнергетическим установкам, и может найти применение в солнечных электростанциях для преобразования солнечной энергии в электрическую, а также может быть использовано в качестве энергетической установки индивидуального пользования.

Система слежения за солнцем фотоэнергоустановки // 2488046

Изобретение относится к устройствам солнечной энергетики и может найти применение при конструировании и изготовлении установок с фотоэлектрическими модулями, требующими как одноосного, так и двухосного слежения за солнцем

Автоматический гелиоконцентратор с неподвижным приемником излучения // 2491483

Устройство для ориентации приемника солнечной энергии // 2516595

Изобретение относится к гелиотехнике и может быть использовано в качестве устройства поворота приемников солнечной энергии (следящей системы) в установках, преобразующих энергию излучения Солнца в другие виды энергии. Устройство для ориентации приемника солнечной энергии содержит механизм ориентации по зениту и механизм ориентации по азимуту, включающий резервуар с рабочей жидкостью, согласно решению резервуар выполнен цилиндрическим и снабжен азимутальным копиром, представляющим собой, по крайней мере, один винтовой паз, выполненный на внутренней поверхности резервуара, механизм ориентации по азимуту содержит вал со шлицами, расположенный по оси симметрии резервуара, поплавок, закрепленный на валу с возможностью перемещения вдоль шлицов, сильфон с постоянной разностью уровней входного и выходного отверстий, закрепленный на поплавке, при этом входное отверстие погружено в рабочую жидкость, а выходное отверстие выведено за пределы резервуара, на боковой поверхности поплавка закреплена по крайней мере одна траверса азимутального копира с роликом на конце, расположенным в винтовом пазе резервуара; устройство дополнительно включает механизм ориентации по зениту содержит шток, кинематически скрепленный с валом, толкатель, выполненный с возможностью поступательного перемещения, при этом концы штока и толкателя соединены шарнирно с приемником солнечной энергии. Технический результат заключается в повышении надежности устройства за счет упрощения конструкции и точности ориентации гелиоприемника на Солнце за счет использования сифонного часового механизма, обеспечивающего плавный равномерный поворот. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

Солнечный самонаводящийся коллектор-нагнетатель // 2535193

Изобретение относится к солнечным теплоустановкам и может быть использовано в целях теплоснабжения жилых и производственных помещений и других объектов, а также для иных бытовых и технологических нужд. Коллектор имеет в качестве абсорбера упругую панель, создающую в замкнутой полости при своей деформации избыточное давление, как в диафрагменном насосе. Деформация панели в циклическом режиме обеспечивается нагреваемыми солнечным излучением теплочувствительными элементами. Такая конструкция коллектора с системой клапанов обеспечивает циркуляцию теплоносителя в системе солнечного теплоснабжения без электроприводных нагнетателей даже при наиболее распространенном расположении коллектора выше теплоснабжаемых объектов. Кроме того, коллектор-нагнетатель снабжен энергонезависимым устройством самоориентации на источник излучения в виде, например, воспринимающей солнечное излучение теплочувствительной трехслойной пластины, кинематически связанной с поворотным основанием коллектора. Таким образом, солнечный самонаводящийся коллектор-нагнетатель обеспечивает эффективное преобразование солнечной энергии практически в любых условиях ее использования без применения известных электроприводных систем подачи теплоносителя и систем ориентации солнечных коллекторов. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Устройство ориентации гелиоустановки // 2542707

Изобретение относится к гелиотехнике, а именно к приводным устройствам для ориентации гелиоустановки, и может быть использовано для ориентации любого коллектора лучевой энергии, облучаемого перемещаемым источником тепловой радиации. В устройстве ориентации гелиоустановки, содержащем основание с опорной стойкой, ориентирующую раму гелиоустановки, привод ориентации, систему азимутального слежения, согласно изобретению рама дополнительно снабжена установленными перпендикулярно ее плоскости передними и задними управляемыми шторками с приводами, датчиками ветра, которые через систему управления подключены к приводам шторок. Изобретение позволяет экономить энергию аккумулятора и использовать бесплатную энергию ветра для поворота устройства ориентации. 3 ил.

Солнечная энергоустановка // 2548244

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к конструкциям солнечных энергетических установок с фотоэлектрическим датчиком слежения за Солнцем и системами азимутального и зенитального поворотов плоскости солнечной энергоустановки. Энергоустановка содержит принимающую солнечную энергию плоскость, систему управления приводами азимутального и зенитального поворотов плоскости и разворота ее с запада на восток, валы приводов, систему слежения за Солнцем. Система слежения включает в себя два фотоэлектрических модуля, закрепленных на выносной платформе, которая установлена параллельно принимающей солнечную энергию плоскости энергоустановки. Первый фотоэлектрический модуль представляет собой датчик положения Солнца по азимуту, в конструкции которого размещены два фотоэлемента слежения за Солнцем и командный фотоэлемент разворота принимающей солнечную энергию плоскости солнечной энергоустановки с запада на восток. Второй фотоэлектрический модуль представляет собой датчик положения Солнца по зениту, содержащий два фотоэлемента слежения за Солнцем. Конструкция каждого фотоэлектрического модуля содержит монтажную площадку, на верхней стороне которой размещены два фотоэлемента, разделенные перегородкой, служащей в свою очередь разделителем направлений освещенности последних и опорой для крепления зеркального цилиндра. Командный фотоэлемент разворота плоскости энергоустановки с запада на восток находится на нижней стороне монтажной площадки фотоэлектрического модуля, следящего за положением Солнца по азимуту. Применение данного изобретения обеспечивает высокую точность слежения по азимуту и зениту за положением Солнца и повышенную надежность работы энергоустановки. 3 ил.

Способ получения тепловой и электрической энергии и устройство для его осуществления // 2554168

Группа изобретений относится к области энергетики и может быть использована для выработки электроэнергии, горячей воды и пара. Способ получения тепловой и электрической энергии включает фокусирование солнечных лучей концентратором на неподвижную тепловоспринимающую поверхность и последующее передвижение по ней фокуса в соответствии с перемещением солнца, нагрев через тепловоспринимающую поверхность теплоносителя и преобразование полученной тепловой энергии в электрическую. В качестве концентратора используют вогнутое зеркало, которое перемещают путем слежения за солнцем, при этом тепловоспринимающую поверхность размещают на пересечении вертикальной и горизонтальных осей, вокруг которых осуществляют поворот концентратора при слежении. Для поворота концентратора вокруг вертикальной оси включают первый электродвигатель, в результате чего червяк 5 начинает вращаться и поворачивать зубчатое колесо 2 вместе с платформой 1. При достижении концентратором нужного положения (азимута) выключают первый электродвигатель. Для поворота концентратора вокруг горизонтальной оси включают второй электродвигатель, благодаря чему начинают вращаться вал 14 с червяком 13, который посредством зубчатого колеса 12 и связанного с ним червяка 10 поворачивает зубчатый сектор 9 с осью 6 и колесом 7. При этом за счет цепной передачи 8 происходит поворот ведомого колеса 15 с горизонтальной осью 17 и концентратором до требуемого положения, после чего производят его фиксирование путем выключения двигателя. При этом на нижней части тепловоспринимающей поверхности сферы 19 формируется световое пятно сконцентрированных солнечных лучей, которое перемещается по этой поверхности в процессе слежения за солнцем в течение светового дня. Изобретение должно обеспечить повышение стабильности параметров энергоносителей, повышение КПД, а также улучшение эксплуатационных характеристик. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

Устройство ориентации гелиоустановки // 2554701

Изобретение относится к области гелиотехники, а именно к приводным устройствам для ориентации гелиоустановки, и может быть использовано для ориентации любого коллектора лучевой энергии, облучаемого перемещаемым источником тепловой радиации. В устройстве ориентации гелиоустановки, содержащем основание с опорной стойкой, ориентирующую раму, привод ориентации системы азимутального слежения, согласно изобретению, привод ориентации снабжен звездочками, через которые перекинуты две замкнутые цепи, которые охватывают две дополнительные разнесенные звездочки, а сами звездочки установлены на вертикальных валах с возможностью вращения. Изобретение направлено на достижение более эффективной работы при интенсивной облачности. 5 ил.

Система слежения за солнцем // 2558665

Изобретение относится к гелиоэнергетике и может найти применение при конструировании и изготовлении установок, требующих слежения за солнцем. Система слежения за солнцем содержит датчик угла поворота, платформу, раму с тягой и электрические двигатели, кинематически связанные с рамой и установленные с возможностью перемещать раму вокруг ее горизонтальной и вертикальной геометрических осей. Система, по крайней мере, имеет две кинематические связи, одна из которых выполнена в виде двух червяков со скрещивающимися, взаимно перпендикулярными осями и червячного колеса, которое жестко закреплено на оси одного червяка, размещенного на платформе и взаимодействующего с зубчатым сектором, соединенным с тягой рамы, и сопряжено с другим червяком, ось которого совмещена с вертикальной осью поворота рамы и платформы. Изобретение должно обеспечить упрощение конструкции, повышение надежности и улучшение эксплуатационных характеристик. 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

Устройство ориентации гелиоустановки // 2561207

Изобретение относится к гелиотехнике, а именно к приводным устройствам для ориентации гелиоустановки, и может быть использовано для ориентации любого коллектора лучевой энергии, облучаемого перемещаемым источником тепловой радиации. Устройство ориентации гелиоустановки дополнительно снабжено плоским сегментом, расположенным под опорной стойкой, на которой установлен солнечный коллектор, опорная стойка расположена на ориентирующей раме, при этом последняя снабжена двигателем с редуктором с ведущей шестерней, которая связана цепной передачей с верхней шестерней, к которой прикреплен плоский сегмент. К технико-экономическим преимуществам данного устройства относится то, что оно позволяет экономить энергию аккумулятора и использовать бесплатную энергию ветра для поворота устройства ориентации. 4 ил.