УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОРИЕНТАЦИИ ПРИЕМНИКА СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
DEVICE FOR ORIENTATION OF SOLAR ENERGY RECEIVER

сзобретение 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, например, в электроэнергию, тепло и другие формы: в ориентируемых солнечных коллекторах, солнечных батареях и, вообще, в любых приемниках солнечной энергии, не требующих высокоточной ориентации на Солнце, а также в качестве водяных часов, программатора или таймера с механическим силовым приводом, позволяющим использовать как крутящий момент, так и вертикальное перемещение для исполнительных механизмов.
Основная область применения - сезонное, для индивидуальных хозяйств.
Известны устройства слежения за Солнцем с применением оптико-электронных и тепловых датчиков, электромеханических приводов, часовых механизмов.
Известен автоматический приемник солнечной энергии, включающий в себя два соосных параболических зеркала с совпадающими фокусами, два механизма ориентации оси зеркал на солнце в горизонтальном и вертикальном направлениях, гибкий и стационарный зеркальные световоды и систему автоматического управления механизмами ориентации, состоящую из датчика интенсивности солнечного потока, часового механизма с электрическим линейным угловым датчиком, двух последовательных следящих систем для наведения оси зеркал на солнце, логического блока, состоящего из двух реле для пуска во время восхода и остановки во время захода Солнца, а также для обновления памяти о длительности солнечного дня и максимального склонения солнца над горизонтом, функциональных блоков для определения максимального угла склонения Солнца над горизонтом, для изменения масштаба времени и синусоидального входа в вертикальную следящую систему, обеспечивающую угол склонения Солнца в вертикальном направлении (см. заявку на изобретение РФ №98118282, МПК 6 H02N 6/00).
Недостатком данного устройства слежения является высокая стоимость изготовления и обслуживания.
Известны также устройства по принципу работы регуляторов прямого действия с применением термочувствительных элементов, основанных на тепловом расширении (удлинении) жидкостей, газов, твердых тел, деформации биметаллических элементов, элементов из материалов с термопамятью. При их работе непосредственно используется тепловая энергия регулируемой среды или источника тепловой энергии. Датчик температуры или термочувствительный элемент (ТЧЭ) является одновременно исполнительным механизмом устройства.
Так, например, известна система слежения за перемещением Солнца, в которой используются термоприводы в виде торсионов, изготовленные из металла с эффектом памяти формы. Ориентация по направлению к Солнцу обеспечивается вращением двух осей - зенитной и азимутной. Термоприводы осей вращения работают за счет тепловой энергии, исходящей от Солнца. И поскольку они попарно соединены между собой по дифференциальной схеме, то при неодинаковой степени освещенности (при косом падании лучей благодаря подобранным экранам) имеют разную температуру, из-за чего между ними возникает разность деформаций, которую преобразуют в поворот панели по направлению к Солнцу, в результате чего происходит автоматическая ориентация относительно светила (см. патент РФ №2313046, МПК F24J 2/38).
Главным недостатком является недостаточная надежность устройства при малой разности интенсивности прямого и рассеянного излучения, поступающего на управляющие элементы.
Известна термомеханическая система ориентации на Солнце, которая содержит термочувствительные элементы из материала с высоким коэффициентом температурного расширения, которые объединены в механизмы ориентации. Каждый механизм имеет ориентируемую ось и диск перекоса, кинематически связанный с этой осью и указанными элементами через ролик качения по диску. При дезориентации системы относительно Солнца перераспределяются температуры нагрева термочувствительных элементов и перемещаются максимальные углы перекоса дисков соответствоответствующих механизмов. Вследствие этого ориентируемые оси приводятся во вращение (с противовращением остальной части механизмов), возвращая один или несколько базис-модулей в ориентированное на Солнце положение (см. патент РФ №2134219, МПК B64G 1/36).
Недостатком этого типа систем ориентации является недостаточная чувствительность и, следовательно, точность слежения за Солнцем, частичная или полная потеря работоспособности при переменном режиме освещенности Солнцем.
Наиболее близким является устройство ориентации гелиоустановки, в которой механизм ориентации по азимуту содержит храповые колеса, спиральные и цилиндрические пружины, а привод осуществляется за счет заполнения жидкостью из стационарного резервуара через калиброванный патрубок и мерную чашу некоторой емкости, подвешенной на тросе, намотанном на шкив (см. патент РФ №2117882, МПК F024J 2/38).
Недостатком прототипа является сложность и высокая металлоемкость устройства. Кроме того, поворот гелиоприемника по азимуту осуществляется дискретно, а на интервал дискретности влияет температура внешней среды, изменяющая скорость наполнения мерного сосуда.
Задачей изобретения является разработка энергонезависимого устройства для автоматической ориентации гелиоустановок.
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.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для ориентации приемника солнечной энергии, содержащее 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. Механизм ориентации по зениту содержит зенитный копир, расположенный по дуге окружности с центром на оси вращения штока, траверсу зенитного копира, радиально закрепленную на штоке, толкатель, закрепленный в траверсе над зенитным копиром с возможностью вертикального перемещения, опорный ролик, закрепленный на нижнем конце толкателя и поджатый пружиной к лекальной поверхности зенитного копира, при этом с приемником солнечной энергии соединены верхние концы штока и толкателя.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 приведен общий вид установки; на фиг.2 - вид сбоку в разрезе; на фиг.3 - механизм ориентирования по зениту; на фиг.4 - пример одного из возможных профилей развертки зенитного кулачка-копира; на фиг.5 - шарнирное крепление приемника солнечной энергии (гелиоприемника); на фиг.6 - кинематическая схема устройства для ориентации гелиоприемника; на фиг.7 - схематичное изображение поплавка с сильфоном; на фиг.8 - иллюстрация получения вращательного движения с помощью винтового паза в механизме ориентации по азимуту. Позициями на чертежах обозначены:
1 - вертикальный вал со шлицами;
2 - верхний подшипник;
3 - нижний (опорный) подшипник;
4 - резервуар;
5 - поплавок;
6 - шлицевая втулка;
7 - траверса азимутального копира;
8 - опорный ролик;
9 - сифон;
10 - запорный кран (верхний);
11 - запорный кран (нижний);
12 - поверхность рабочей жидкости;
13 - фланец крепления солнечного коллектора;
14 - азимутальный копир (винтовой паз);
15 - зенитный кулачок-копир;
16 - траверса зенитного копира;
17 - толкатель зенитного кулачкового механизма;
18 - пружина толкателя зенитного кулачкового механизма;
19 - шток шарнира гелиоприемника с ответным фланцем;
20 - П-образная рама шарниров гелиоприемника;
21 - условное обозначение гелиоприемника;
22 - кран сифона;
23 - приемная емкость для рабочей жидкости;
24 - условное обозначение опорной рамы устройства со стойками (станины).
Устройство содержит вертикальный вал со шлицами 1, который может поворачиваться вокруг собственной оси симметрии в верхнем подшипнике 2, укрепленном в опорной раме (станине) 24 и опорном подшипнике 3 в нижней части вала со шлицами 1. Ось вала со шлицами 1 совпадает с осью симметрии резервуара 4 для рабочей жидкости, неподвижно скрепленного со станиной. Ось вала со шлицами 1 имеет скользящую посадку со шлицевой втулкой 6, которая может перемещаться вдоль шлицов оси вала 1, не имея при этом заметного радиального поворота вокруг оси симметрии вертикального вала 1. Шлицевая втулка 6 жестко скреплена с поплавком 5, к которому радиально прикреплена траверса азимутального копира 7, имеющая на дальнем от поплавка конце свободно вращающийся вокруг собственной оси симметрии опорный ролик 8, который может перемещаться по азимутальному винтовому пазу-копиру, расположенному на внутренней боковой поверхности резервуара 4. С поплавком скреплен один из концов сифона 9 с входным отверстием, второй конец которого снабжен выходным отверстием с краном сифона 22 и выведен за пределы резервуара 4 ниже уровня входного отверстия. В верхней части вертикального вала со шлицами 1 (выше шлицевой втулки и поплавка) находится фланец крепления солнечного коллектора 13, который через ответный фланец соединен со штоком 19 механизма ориентации по зениту (шарнира гелиоприемника). Верхний конец штока шарнира гелиоприемника 19 через шарнир П-образной рамы шарниров 20 соединен с гелиоприемником 21 так, что последний может поворачиваться вместе с вертикальным валом 1 со шлицами и соединенным с ним фланцевым соединением штоком 19 в горизонтальной плоскости, тем самым изменяя азимутальное положение. Для одновременного изменения ориентации гелиоприемника в зенитном направлении к штоку шарнира гелиоприемника 19 жестко прикреплена траверса зенитного копира 16, расположенная радиально по отношению к штоку, на дальнем от штока 19 конце траверсы 16 во втулке закреплен с возможностью перемещения в вертикальном направлении толкатель зенитного кулачкового механизма 17, верхний конец которого шарнирно связан с П-образной рамой 20, а нижний конец снабжен свободно вращающимся опорным роликом и поджат пружиной 18 толкателя зенитного кулачкового механизма к зенитному кулачку-копиру 15, образующая которого представляет некоторую усредненную локальную кривую, рассчитанную на определенный временной интервал. Зенитный кулачок-копир 15 жестко скреплен с неподвижными деталями станины. Резервуар 4 снабжен двумя запорными кранами - верхним 10 и нижним 11, которые позволяют заполнять и сливать рабочую жидкость из резервуара 4. Вокруг резервуара 4 расположена приемная емкость для слива рабочей жидкости. Устройство может содержать механизм автоматического подъема поплавка в исходное положение. Его функция заключается в том, что в нижнем положении поплавка подвижная штанга наталкивается на упор, связанный рычагом, который перекрывает нижний кран и закрывает кран сифона, и после этого открывает верхний кран; резервуар заполняется жидкостью до начального уровня; при этом поплавок, поднимаясь и разворачиваясь, приводит гелиоприемник в исходное положение. Данное устройство не содержит никаких электромагнитных устройств, не требует электропитания и остается работоспособным даже при наличии жесткого излучения, т.е. является устойчивым к радиации.
Заявляемое изобретение работает следующим образом.
1. При отсутствии рабочей жидкости в резервуаре 4 и нахождении всего механизма ориентации по азимуту (шлицевой втулки 6, поплавка 5, траверсы азимутального копира 7 с опорным роликом 8) в крайнем верхнем положении ролик 8, не удерживаемый никакими приспособлениями, за счет силы тяжести скользит в пазу азимутального винтового паза-копира 14, в это время по шлицам вертикального вала 1 вниз спускается поплавок, одновременно разворачиваясь, следуя за роликом в пазу азимутального копира 14, вплоть до нижнего положения паза (сектор разворота выбирают из технических условий, например 180° для обеспечения поворота из положения «строго на восток» в положение «строго на запад»).
2. Для замедления перехода поплавка механизма ориентации по азимуту из крайнего верхнего в крайнее нижнее положение введены сифонные жидкостные часы, представляющие тарированную трубку, имеющую форму сифона 9 с постоянной разностью уровней входного и выходного отверстий. Сифон установлен на поплавке 5, и, таким образом, независимо от уровня жидкости в резервуаре 4 разность высот входного и выходного отверстий сифона все время остается постоянной, поэтому жидкость вытекает так, что за равные промежутки времени уровень жидкости понижается на одинаковую величину. Запорный кран на выходном отверстии сифона 22 позволяет прекратить вытекание жидкости из резервуара 4 и остановить жидкостные часы.
3. Для приведения заявляемого устройства в действие в качестве программатора положения гелиоустановки устройство устанавливают таким образом, чтобы ориентация солнечного коллектора в процессе работы осуществлялась в направлении с Востока (в исходном положении) на Запад (в конечном положении). Резервуар 4 заполняют рабочей жидкостью через верхний запорный кран 10. Поплавок 5 при этом находится в верхнем положении, а нижний запорный кран 11 закрыт. Свободный конец сифона перекрыт краном 22. В исходном положении на поплавок действует сила тяжести, складывающаяся из веса поплавка 5, шлицевой втулки 6, траверсы 7, опорного ролика 8 и силы Архимеда, действующей на погруженную часть поплавка 5. В исходном положении равнодействующая всех сил, действующих на поплавок, равна нулю. Для запуска установки в работу сифон тем или иным способом полностью заполняют жидкостью и открывают кран сифона 22. Жидкость начинает вытекать из свободного конца, при этом ее уровень в резервуаре понижается, и результирующая всех сил, действующих на поплавок, изменяется за счет уменьшения силы Архимеда. Под действием результирующей силы приложенной к поплавку а от него через траверсу на опорный ролик 8, последний "скатывается" по пазу винтовой поверхности паза 14, разворачивая через траверсу 7 втулку 6 с поплавком 5 и вертикальный вал со шлицами 1, а вместе с ним через фланец 13 и солнечный коллектор. По мере вытекания из сифона жидкости в приемную емкость 19 происходит разворот вертикального вала со шлицами, а вместе с ним и солнечного коллектора в заданном техническим заданием секторе по азимуту.
4. Устройство позволяет ориентировать гелиоприемник не только по азимуту, но и в зенитном направлении. Поворот вертикального вала 1 приводит к повороту жестко связанной с ним траверсы зенитного копира 16, в результате чего толкатель зенитного кулачкового механизма 17, прижатый пружиной 18 к поверхности зенитного кулачка-копира 15, совершает вертикальные перемещения, изменяющие через П-образную раму шарниров гелиоприемника 20 ориентацию гелиоприемника 21 в зенитном направлении.