Способ ориентации на Солнце приемного устройства солнечной энергии и преобразования ее в другие виды энергии
METHOD OF ORIENTATION OF SOLAR ENERGY RECEIVING DEVICE ON THE SUN AND ITS CONVERSION INTO OTHER TYPES OF ENERGY

Изобретение относится к области гелиотехники, в частности, к способам ориентации на местности приемного устройства на Солнце и преобразования солнечной энергии в другие виды энергии, в том числе приемного устройства, содержащего концентраторы солнечного излучения с узконаправленной зоной чувствительности.
Известны поворотные устройства фирмы "Селтек" [http://selteq.com.], включающее в себя компьютерную систему, обеспечивающую автоматическое слежение за Солнцем. В нем управление поворотным устройством осуществляется с помощью микропроцессора, который реализует заложенный программный алгоритм на основе траектории движения Солнца. Вышеуказанный программный алгоритм обеспечивает выдачу управляющих команд с учетом времени года, а также эксплуатацию поворотного устройства в любой территориальной точке. В соответствии с сигналом от микроконтроллера устройство осуществляет слежение за Солнцем по азимуту и углу возвышения (элевации) благодаря двум электродвигателям. Недостатком таких устройств является их низкая эффективность, вызванная неоправданно высокими затратами на изготовление, настройку и эксплуатацию подобных устройств.
Также известен способ размещения панелей солнечных батарей (см. патент RU 2285209, F24J 2/00, опубликован 10.10.2006 г. ), согласно которому панели солнечных батарей располагают рядами друг за другом параллельно длинными торцами друг к другу, а плоскостями - перпендикулярно или с максимально большим углом к направлению солнечных лучей в данном районе с технологическим интервалом между рядами, таким образом, чтобы тень от предыдущего ряда панелей при оптимальной высоте солнца не накрывала последующего ряда, а технологический интервал внутри рядов между панелями устанавливают не более 0,1…0,15 длины панели, причем по высоте панели располагают над поверхностью земли, равной среднему росту обслуживающего персонала. Недостатком известного способа является его низкая эффективность в сравнении с повышенной удельной выработкой энергии каждой панелью в случае применения слежения каждой панелью за перемещением Солнца на небосводе.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого способа ориентации на Солнце устройства для приема и преобразования солнечной энергии в другие виды является способ и устройство для вращения панелей солнечных батарей (см. Патент RU 2474768, F24J 2/54, опубликован 10.02.2013 г.).
Согласно известному способу, вращение панелей солнечных батарей в световой отрезок времени включает в себя поступление воды из резервуара в рабочую емкость, давящую на устройство с ограничителями, которые регулируют равномерное понижение емкости, при этом барабан вращается и разворачивает панели солнечных батарей вокруг своей оси. Устройство для вращения панелей солнечных батарей содержит резервуар с водой со стоком, рабочую емкость, установленную на устройстве с ограничителями, которая связана при помощи троса с барабаном и панелями солнечных батарей.
Недостатком способа прототипа является низкая точность и эффективность ориентации панелей в результате неконтролируемого отставания или опережения центральной осью зоны чувствительности панели солнечной батареи от направления на Солнце при равномерном развороте по азимуту панели вокруг своей оси (см. поз. (8) на фиг, 1, где также обозначены вертикальные стойки для панелей - поз. 8 при пояснении сущности изобретения РФ №2474768). Способ осуществляет равномерное вращение (по сути - пошаговые повороты) панелей, в результате постепенного опускания рабочей емкости с использованием пошагово расположенных ограничителей поз.4, фиг. 1. Такое равномерное вращение не учитывает неравномерное, нелинейное изменение азимута при повороте Солнца после восхода, перед заходом и при приближении его к полуденной кульминации в средней части дня (см. изменения азимута Солнца в различные дни года (И.И. Смульский. «Феномены Солнца в исторической перспективе», 2016 г., Тюмень, рис. 10, рис. 11, стр. 25). Особенно это явление проявляется в средних широтах, близких к экваториальной зоне (см. влияние широты на изменение азимута Солнца: astronomy.ru, Форум от 17. 06. 2002., А.А. Волчков, стр. 2). Кроме этого, этим известным способом реализуется неэкономный расход энергии на обеспечение собственной работоспособности, поскольку расходование энергии, в виде большого расхода воды в течение светового дня, непрерывно в течение всего времени работы панелей.
Задачей изобретения является повышение точности и эффективности способа ориентации на Солнце при его реализации в приемном устройстве солнечной энергии за счет учета нелинейного поворота Солнца по азимуту после восхода, перед заходом и в средней части светового дня в зависимости от широты местности путем определения ожидаемой единовременной разности координат между астрономической угловой координатой азимута направления на Солнце и угловой координатой азимута направления центральной оси. Последующую, по сути, корректировку положения оси чувствительности приемного устройства относительно текущего положения направления на Солнце по азимуту выполняют, учитывая величину этой ожидаемой разности координат, выставляя (см. патент RU 2325309 от 26.01.2006) ось впереди направления на Солнце путем поворота на один пошаговый угол или удерживая ось в неподвижном положении в отдельных очередных промежутках времени.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение эффективности и точности способа ориентации на Солнце приемного устройства солнечной энергии за счет повышения удельной выработки энергии каждым устройством путем повышения точности ориентации. При этом также снижены затраты энергии на обеспечение достигают за счет пошаговых поворотов и своевременных удержаний центральной оси зоны чувствительности приемного устройства в соответствии с существенным нелинейным изменением азимута Солнца, например, в южных широтах Земли после восхода Солнца, перед заходом и особенно в средней части светового дня. Расчеты ожидаемой разности координат от каждого пошагового поворота могут проводиться предварительно - до начала работы приемного устройства, а тогда во время ориентации уже необходимо выполнять приемным устройством только простейший алгоритм действий без объемных вычислений на открытой местности, требующих больших затрат особенно при крайних температурах окружающей среды.
Сущность изобретения состоит в том, что способ ориентации на Солнце приемного устройства солнечной энергии и преобразования ее в другие виды включает в себя повороты на пошаговый угол по азимуту приемного устройства после совмещения на местности по азимуту направления центральной оси зоны чувствительности приемного устройства с направлением на Солнце и пуска в работу приемного устройства в начале одного из последовательных промежутков времени.
При этом пошаговый угол по величине выполняют постоянным и не превышающим угол раствора зоны чувствительности приемного устройства, который измеряют от ее вышеуказанной центральной оси,
а промежуток времени с каждым поворотом выдерживают с постоянной длительностью, равной времени, за которое астрономическая угловая координата азимута Солнца в день работы приемного устройства увеличивается на величину пошагового угла, начиная с 12 часов дня по местному среднему времени в средних и высоких широтах Земли.
Причем, начиная с пуска, определяют ожидаемую разность координат D между астрономической угловой координатой азимута направления на Солнце и очередной угловой координатой азимута направления центральной оси в конце промежутка времени от поворота центральной оси на один пошаговый угол в соответствии с выражением
где:  - астрономическая угловая координата азимута направления на Солнце в конце текущего промежутка времени, которую принимают равной астрономической угловой координате азимута направления на Солнце в начале следующего промежутка времени;
i - местное среднее время суток в начале каждого текущего промежутка времени;
Δt - промежуток времени;
i+Δt -местное среднее время суток в конце промежутка времени;
i
A- угловая координата азимута центральной оси в начале очередного текущего промежутка времени;
s - пошаговый угол
и центральную ось с помощью привода по азимуту выставляют впереди направления на Солнце путем поворота на один пошаговый угол, начиная с пуска, и в начале каждого того промежутка времени, в котором модуль ожидаемой разности координат D соответствует диапазону изменений его углового значения, определяемому из выражения
где: Q - угол раствора зоны чувствительности приемного устройства,
причем после каждого поворота центральную ось удерживают в неподвижном положении по азимуту до конца промежутка времени и ее удерживают в неподвижном положении по азимуту в каждом том промежутке времени, в котором ожидаемая разность координат D от поворота центральной оси на один пошаговый угол имеет угловое значение, которое определяют из выражения
Совокупность признаков заявленного изобретения, составляющих вышеприведенную сущность изобретения, обеспечивают достижение вышеуказанного технического результата.
Способ осуществлен в приемном устройстве солнечной энергии и преобразования ее в другие виды, например, в электрическую энергию следующим образом.
1. В качестве приемника и преобразователя энергии солнечного излучения применен, например, фотоэлектрический преобразователь энергии солнечного излучения в электрическую энергию. В этом фотоэлектрическом преобразователе угол раствора зоны чувствительности - Q, измеряемый от центральной оси его зоны чувствительности, равен 15 градусам при выработке 97% фототока от максимума (см., например, рис. 1 - Дараев А.М., Алферов А.Н. Системы слежения за Солнцем для гелиоэнергетики, - Вестник №6, КазНИТУ им. К.И. Сатпаева, 24.12.2013 г.).
2. Определен постоянный пошаговый угол s при повороте по азимуту центральной оси не превышающий угол раствора зоны чувствительности и принят равным 15 градусам.
3. Приемное устройство установлено для работы, например, в заданный день года 14 мая (это 134-й день не високосного года, отсчитываемый от 01 января) на местности с широтой 23,5 градусов и долготой 60 градусов.
4. Определен промежуток времени Δt с постоянной длительностью равной 6 минутам времени. За это время астрономическая угловая координата азимута Солнца, в день работы приемного устройства 14 мая, увеличивается на величину пошагового угла в 15 градусов, начиная с азимута 10 градусов в 12 часов дня по местному среднему времени в начале средней широты 23,5 градуса до азимута равного 25 градусам. В этот промежуток времени этого дня работы премного устройства происходят наиболее быстрые, нелинейные изменения азимута Солнца.
5. Для местности с широтой 23,5 градусов и долготой 60 градусов для заданного дня работы устройства 14 мая, например, заблаговременно до пуска приемного устройства в работу определены значения астрономических угловых координат азимута направления на Солнце в начале каждого из последовательных промежутков времени светового дня работы устройства и приведены ниже для отдельных промежутков. Координаты определены, например, расчетным способом с учетом алгоритмов, приведенных на стр. 61, 67, 184 книги «David A. Vallado, Wayne D. McClain Fundamentals of astrodynamics and applications. The McGraw-Hill Companies, Inc., P. 945, ISBN 0-07-066829-9, 1997». При этом за начало отсчета азимута Солнца принято направление на юг.
6. На местности совмещено по азимуту направление центральной оси зоны чувствительности приемного устройства с направлением на Солнце. Для этого центральная ось зоны чувствительности приемного устройства заблаговременно установлена на местности по азимуту под углом, равным 250,4 градуса, который равен углу азимута направления на Солнце в момент пуска устройства по местному среднему времени в начале одного из этих последовательных промежутков времени, например, во время i=5-30.
Восход Солнца 14 мая на данной местности происходит в 5 часов 24 минуты, а заход - в 18 часов ЗОминут; высота Солнца над горизонтом при пуске равна 1,5 градусов, а высота Солнца при окончании работы устройства в i=18-24 равна 1,3 градуса.
Ориентацию центральной оси по высоте Солнца осуществляют при этом любым способом, например, установкой центральной оси зоны чувствительности приемного устройства под неизменным оптимальным углом к горизонту.
7. До начала промежутка времени, в котором выполняют пуск, определена ожидаемая разность координат D между астрономической угловой координатой азимута направления на Солнце (равна 251,0 градусу на начало следующего промежутка) и очередной угловой координатой азимута направления центральной оси в конце промежутка времени (равна сумме (250,4+15=265,4 градуса) в случае выполнения поворота центральной оси на один пошаговый угол в начале этого промежутка времени) в соответствии с выражением
Разность D=251,0-(250,4+15)=-14,4.
8. При пуске центральную ось с помощью привода по азимуту выставили впереди направления на Солнце путем поворота на один пошаговый угол в начале промежутка времени в 5 часов 30 минут (i=5-30), так как модуль ожидаемой разности координат D соответствует диапазону изменений его углового значения, определяемому из выражения , что подтверждается неравенством
0≤|-14,4|≤15. После поворота центральную ось удерживали в неподвижном положении по азимуту до конца промежутка времени, то есть ее удерживали до начала следующего промежутка 5-36.
9. До начала следующего промежутка времени в i=5-36 определена ожидаемая разность координат D между астрономической угловой координатой азимута направления на Солнце и очередная угловой координатой азимута направления центральной оси в конце этого промежутка времени от поворота центральной оси на один пошаговый угол в соответствии с выражением
Имеем: D=251,6-(265,4+15)=-28,8,
10. Центральную ось удержана в неподвижном положении по азимуту в этом промежутке времени с началом в i=5-36, так как ожидаемая разность координат D от поворота центральной оси на один пошаговый угол имеет угловое значение, которое соответствует значению из выражения
Имеем: -28,8<-15.
11. Центральная ось удержана в неподвижном положении по азимуту во всех последующих промежутках включительно до промежутка времени i=10-24, так как ожидаемая разность координат D в них от поворота центральной оси на один пошаговый угол имеет угловое значение, которое соответствует значению из выражения:
Удержание в неподвижном положении по азимуту центральной оси в этих промежутках времени обусловлено очень замедленным изменением азимута Солнца в этой части светового дня на данной местности.
12. Центральную ось с помощью привода по азимуту выставили впереди направления на Солнце путем поворота на один пошаговый угол в начале промежутка времени i=10-30, в котором модуль ожидаемой разности координат  равен D=280,9-(265,4+15)=0,5. Это значение D соответствует диапазону изменений его углового значения, определяемому из выражения:
что подтверждаться неравенством 0≤|0,5|≤15.
13. В следующем промежутке i=10-36 и во всех последующих промежутках времени до промежутка i=11-12 включительно центральную ось удерживали в неподвижном положении по азимуту согласно выражениям (1) и (3).
14. Центральную ось по азимуту выставили впереди на один пошаговый угол в начале промежутка времени i=11-18.
15. Центральную ось удерживали в неподвижном положении по азимуту согласно выражениям (1) и (3) в промежутках времени i=11-24 и i=11-30.
16. В последующей части светового дня центральную ось по азимуту:
- выставили впереди Солнца в начале промежутков времени 11-36, 11-48, 11-54, 12-00, 12-12, 12-18, 12-24, 12-54, 13.54, и 16,42;
- удержали в неподвижном положении в промежутках времени 11-42, 12-06. с 12-36 до 12-48 включительно, с 13-00 до 13-48 включительно, с 14-00 до 16-36 включительно и с 16-48 до 18-30 включительно.