АВТОМАТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНЦЕНТРАЦИИ СОЛНЕЧНЫХ ЛУЧЕЙ НА НЕПОДВИЖНОМ ОБЪЕКТЕ
AUTOMATIC DEVICE FOR CONCENTRATION OF SUN RAYS ON STATIONARY OBJECT

Автоматическое устройство для концентрации солнечных лучей на неподвижном объекте предназначено для использования тепловой солнечной энергии.
Устройство относится к гелиотехнике, в частности к механизмам ориентации солнечных концентраторов, и может быть использовано во многих хозяйствах для нагревания жидкости, выработки электроэнергии, для нагрева различных неподвижных объектов за счет энергии солнца.
Устройство состоит из часового механизма, малой и большой шестерен, связанных коромыслом, ролика, скобы-основания, рычага и концентратора. Устройство обеспечивает автоматическое вращение концентратора в азимутальном направлении (днем с востока на запад, а ночью - в обратном направлении).
Известно устройство, содержащее параболоцилиндрический концентратор, соединенный с зубчатым колесом, в зацеплении с червячным валом, реверсивный электропривод, фотоэлементы левого и правого поворота, фотоэлемент заднего наблюдения, концевые выключатели, трубопроводы подвода холодной и отвода горячей воды (Патент RU 2281442 от 10.08.2006, F24J 2/04).
Недостатком данного устройства является необходимость использования реверсивного двигателя, наличие датчиков слежения за положением Солнца, а в случае длительной ненастной погоды потребуется вмешательство оператора для настройки системы. Кроме этого устройство имеет сложную конструкцию.
Прототипом предлагаемого изобретения может быть механизм ориентации для солнечного модуля со стационарным и дополнительными концентраторами, содержащим фотоэлементы, зубчатое колесо и шестерни, приводимые во вращение исполнительным механизмом (Патент RU 2243457 от 27.12.2004, F24J 2/54).
Недостатком известного технического устройства являются дополнительные отражатели, предназначенные (по мнению автора) компенсировать затемнение неподвижного концентратора, что лишь усложняет конструкцию. Не показан ход лучей и приемник излучения. Реверсивный исполнительный механизм и наличие датчиков слежения также усложняют конструкцию устройства.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является упрощение конструкции устройства и обеспечение автономной многосуточной работы в любых погодных условиях (отсутствие сбоя ориентации при длительной пасмурной погоде).
Упрощение конструкции достигается за счет совмещения в одном агрегате - часовом механизме датчика положения и привода.
Устройство представлено на 6-ти чертежах.
На фиг.1 представлены фазы положения Солнца относительно концентратора 1 и неподвижного объекта 2.
На фиг.2 изображена траектория вращения ролика 1 и связанного с ним рычага 2.
На фиг.3 представлен чертеж устройства (вид спереди).
На фиг.4 - чертеж (вид справа).
На фиг.5 и 6 - фотографии макета устройства в различных фазах.
Для более наглядного представления предложенного изобретения рассмотрим два теоретических момента.
Сначала рассмотрим взаимное расположение Солнца и концентратора в различных фазах (фиг.1). Здесь показана принципиальная схема расположения перемещающегося Солнца, концентратора 1 и приемника излучения - неподвижного объекта 2. Ось вращения концентратора 1 сориентирована параллельно полярной оси Земли.
Утром Солнце находится на востоке (солнечный диск слева), касательная дуги концентратора 1 сориентирована под углом 45° к горизонтальной линии. Лучи, испускаемые Солнцем, преломятся концентратором 1 и отразятся, сфокусировавшись на неподвижном объекте 2.
Следующая фаза - зенит. Чтобы теперь солнечные лучи отразились на неподвижном объекте, необходимо, чтобы касательная дуги концентратора была расположена горизонтально. Т.е. за время поворота Солнца на 90° концентратор должен повернуться только на 45°.
Итак, чтобы соблюдалось условие постоянного отражения солнечных лучей на неподвижном объекте 2, необходимо, чтобы концентратор 1 поворачивался в два раза медленнее вращения Солнца.
Теперь рассмотрим свойство угла, вершина которого лежит на окружности (фиг.2).
Из школьного курса геометрии известно, что «угол, вершина которого лежит на окружности, равен половине дуги, на которую он опирается».
Рассмотрим окружность - траекторию вращения некоторого ролика 1 (штрихпунктирная линия) и находящийся с ним в скользящем зацеплении рычаг 2, ось вращения которого находится на этой окружности. Очевидно, что при повороте ролика 1 по полуокружности на 180° рычаг 2 повернется лишь на 90°. Соответственно, если ролик повернется на 240° - рычаг на 120°.
Таким образом, скорость вращения рычага 2 ниже скорости вращения ролика 1 в два раза.
Из упомянутой выше закономерности вытекает, что при равномерной скорости вращения ролика 1 вращение рычага 2 также будет равномерно.
Конструкция предлагаемого устройства представлена на фиг.3.
Автоматическое устройство для концентрации солнечных лучей на неподвижном объекте состоит из: часового механизма 1, скобы-основания 2, коромысла 3, малой шестерни 4, большой шестерни 5, ролика 6, рычага 7, оси 8, концентратора 9, неподвижного объекта 10, пружины 11 и упора 12. Рычаг 7 расположен перпендикулярно к плоскости концентратора 9.
Ось вращения 8 концентратора 9 сориентирована в пространстве параллельно полярной оси Земли. Часовой механизм 1 жестко закреплен на скобе-основании 2. На оси часовой стрелки часового механизма 1 жестко закреплена малая шестерня 4, находящаяся в зацеплении с большой шестерней 5, причем ось вращения шестерни 5 закреплена на одном конце коромысла 3, а другой его (коромысла) конец имеет возможность вращаться вокруг оси часового механизма 1. Коромысло 3 пружиной 11 притянуто к упору 12.
На большой шестерне 5 жестко закреплен ролик 6, в скользящем зацеплении с которым находится рычаг 7, жестко скрепленный через общую ось вращения 8 с концентратором 9.
Устройство работает следующим образом.
На фиг.3 показано положение солнца на западе (в летнее время примерно 20 часов). Справа внизу условно показан ход лучей. Концентратор 9 собирает солнечные лучи на неподвижном объекте 10. Из чертежа видно, что часовой механизм 1 закреплен тыльной стороной к наблюдателю, значит, малая шестерня 4 будет вращаться против часовой стрелки, а большая шестерня 5 соответственно - по часовой (показано стрелкой).
Идет дневной цикл. В этом же направлении вращаются: ролик 6, рычаг 7 и концентратор 9. При перемещении ролика 6 в положение «а» (показанное пунктиром) рычаг 7, а соответственно и концентратор 9 закончат дневной цикл, т.е. вращение по часовой стрелке.
Начинается ночной цикл. Ролик 6 упрется в неподвижную часть скобы-основания 2, и с этого момента одновременно:
- ось вращения шестерни 5 перемещается по дуге вокруг оси часового механизма 1 за счет поворота коромысла 3 и
- рычаг 7 и концентратор 9 начнут вращаться в обратную сторону вокруг оси 8.
Таким образом, ролик 6, при контакте с неподвижной частью скобы-основания 2, вращает рычаг 7, а значит, и концентратор 9 в обратную сторону, т.е. против часовой стрелки.
Ролик 6, достигнув положения «в» (показанное пунктиром), переместит рычаг 7 в вертикальное положение, а концентратор 9 - в горизонтальное.
При этом за счет профиля скобы-основания 2 шестерня 5 займет максимально высокое положение (показано пунктиром). Пружина 11 максимально растянется.
Пройдя апогей, ролик 6 придет в точку «с», коромысло 3 под действием пружины 11 упрется в упор 12 и займет исходное положение. К этому времени рычаг 7 и концентратор 9 максимально повернутся против часовой стрелки. Закончен ночной цикл.
Начинается новый цикл дневного времени. При этом ролик 6 повернется на 240°, а рычаг 7 - лишь на 120°. Концентратор 9 (условно) с 6 часов утра и до 22 часов будет вращаться по часовой стрелке вслед за роликом 6 от точки «с» до точки «а» равномерно, постоянно собирая солнечные лучи на неподвижном объекте 10.
Для наглядности представлены фотографии макета устройства. На фиг.5 - дневной цикл, т.е. ролик 6 не касается неподвижной части скобы-основания 2, рычаг 7 перемещается вниз. На фиг.6 - ночной цикл, т.е. ролик 6 упирается в центральную часть скобы-основания 2, при этом ось большой шестерни 5 максимально отклонилась вправо за счет поворота коромысла 3, а рычаг 7 ускоренно перемещается вверх.
Автоматическое устройство может работать автономно постоянно при условии автоподзавода часового механизма с помощью электропривода, с питанием от аккумулятора, подзаряжаемого от солнечных элементов (не представленных на чертежах).