АВТОМАТИЧЕСКИЙ ГЕЛИОКОНЦЕНТРАТОР С НЕПОДВИЖНЫМ ПРИЕМНИКОМ ИЗЛУЧЕНИЯ
AUTOMATIC SOLAR COLLECTOR WITH FIXED RADIATION RECEIVER

Автоматический гелиоконцентратор с неподвижным приемником излучения предназначен 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 нагревания различных неподвижных объектов за счет энергии солнца.
Устройство состоит из привода, шестерни, цепи, рычага, концентратора с осью и основания. Устройство обеспечивает автоматическое вращение концентратора в азимутальном направлении (днем - с востока на запад, а ночью в обратном направлении).
Известно устройство, содержащее механизм ориентации для солнечного модуля со стационарным и дополнительными концентраторами, содержащими фотоэлементы, зубчатое колесо и шестерни, приводимые во вращение исполнительным механизмом (патент RU 2243457 от 27.12.2004 F24J 2/54).
Недостатком данного устройства являются дополнительные отражатели, предназначенные (по мнению автора) компенсировать затемнение неподвижного концентратора, лишь усложняет конструкцию. Реверсивный исполнительный механизм и наличие датчиков слежения также усложняет конструкцию устройства.
Прототипом предлагаемого изобретения может быть «Автоматическое устройство для концентрации солнечных лучей на неподвижном объекте», содержащем: часовой механизм, скобу основания, коромысло, большую и малую шестерни, ролик, рычаг и концентратор с осью вращения. (патент RU 2435112 от 13.05. 2010 F24J 2/54).
Недостатком этого устройства является двухступенчатая передача вращения от привода к концентратору. Это усложняет конструкцию. Здесь передача вращения от часового механизма к концентратору осуществляется через малую и большую шестерни - первая ступень, а прямой и обратный ход концентратора, обеспечиваемый остальными механизмами - вторая ступень.
Задачей предлагаемого изобретения является упрощение конструкции устройства за счет обеспечения прямого и обратного хода концентратора по одноступенчатой схеме.
Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей.
Указанный технический результат достигается тем, что в автоматическом гелиоконцентраторе с неподвижным приемником излучения, состоящем из привода, например, часового механизма, шестерни, закольцованной цепи, рычага, концентратора, оси и основания, согласно изобретению, шестерня жестко закреплена на валу привода с возможностью перемещения по внешней и внутренней дугам закольцованной цепи в прямом и обратном направлении с возможностью вращения концентратора через скользящее соединение привода с рычагом, другой конец которого жестко связан с концентратором, ось вращения которого закреплена на основании, причем числа оборотов шестерни в прямом и обратном направлениях равны, а время движения шестерни по внешней дуге цепи в 90° составляет 12 часов.
Устройство представлено на 1-4 фиг.
На фиг.1 представлены фазы положения Солнца относительно концентратора 1 и неподвижного объекта 2.
На фиг.2 изображена траектория перемещения шестерни 1 внутри закольцованной цепи 2.
На фиг.3 представлен чертеж предлагаемого устройства (вид сверху).
На фиг.4 - фотография макета устройства.
Для уяснения представления предлагаемого изобретения рассмотрим теоретическую сторону (фиг.1)
Здесь показана принципиальная схема расположения перемещающегося Солнца, концентратора 1 и приемника излучения - неподвижного объекта 2. Ось вращения концентратора 1 сориентирована в пространстве перпендикулярно солнечным лучам.
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 2, необходимо, чтобы касательная дуги концентратора 1 была расположена горизонтально. Т.е. за время поворота Солнца на 90° концентратор 1 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 скорости вращения Солнца.
В основу предлагаемого изобретения положено взаимодействие шестерни 1 и цепи 2, имеющей особую конфигурацию (фиг.2).
Закольцованная цепь 2 уложена в плоскости основания 3 с конфигурацией внешней и внутренней дуг, имеющих общий центр О. Внутри цепи 2 вращается шестерня 1. Она вращается всегда в одном направлении например, против часовой стрелки.
Вращаясь, шестерня 1 перемещается по внешней дуге цепи 2. Дойдя до конца этой дуги, ось вращения шестерни 1 начнет перемещаться вниз, в сторону центра О, например на одно звено цепи 2. Когда зубья шестерни 1 коснутся внутренней дуги цепи 2, ось вращения шестерни 1 будет перемещаться над внутренней дугой (показано штрих-пунктирной линией) до крайнего левого положения. После чего шестерня 1 переместится вверх в исходное положение.
Таким образом, ось нереверсивной шестерни 1 внутри закольцованной цепи 2 будет совершать вращательно - возвратные перемещения относительно центра О.
При расчете конфигурации цепи 2 необходимо обеспечить два условия:
1 - время прохождения шестерни 1 по четверти окружности внешней дуги должно быть равно 12 часам. 2 - длина и конфигурация цепи 2 должны обеспечить равенство оборотов шестерни 1 в прямом и обратном направлениях.
В плоскости основания 3, на котором уложена цепь 2 отфрезерован паз по штрих - пунктирной линии (показан на фиг.4), внутрь которого входит конец оси шестерни 1 для предотвращения выхода ее из зацепления с цепью 2.
Конструкция предлагаемого устройства представлена на фиг.3.
Автоматический гелиоконцентратор с неподвижным приемником излучения состоит из: привода 1, на оси которого жестко закреплена шестерня 2, находящаяся в зацеплении с цепью 3, уложенной на основании 7. Привод 1 имеет сквозные отверстия, в которые вставлен вилкообразный рычаг 4, второй конец которого жестко прикреплен к концентратору 5, ось вращения 6 которого вставлена в основание 7.
Устройство работает следующим образом.
В исходном положении привод 1 и шестерня 2 находятся в начале внешней дуги цепи 3. Солнце находится на востоке. Лучи, падающие на концентратор 5 под углом 45 к его плоскости, отразятся под тем же углом на приемник излучения 8. Привод 1 с шестерней 2 перемещаются по звеньям цепи 3 по внешней ее дуге. За 12 часов они достигнут положения, показанного на фиг.3 пунктиром. При этом рычаг 4, а значит и концентратор 5 повернутся вокруг оси 6 на 90°.
Солнце за эти 12 часов повернется на 180°. И отраженные его лучи от нового положения концентратора 5 (показанного пунктиром) отразятся на приемник излучения 8.
Согласно теории, рассмотренной выше (фиг.1), если концентратор 5 вращается в 2 раза медленнее, чем вращается Солнце (как в нашем случае), то в любой момент времени солнечные лучи, отразившись от концентратора 5, будут падать на неподвижный приемник излучения 8.
Но в летнее время день длится более 12 часов, поэтому вращение шестерни 2 по внешней дуге цепи 3 продолжается до ее конца. Дальнейшее вращение шестерни 2 переместит ее вместе с приводом 1 (например на одно звено цепи 3) вниз в направлении оси вращения концентратора 6. Дальнейшее вращение шестерни 2 будет происходить по внутренней дуге цепи 3 в обратном направлении. Достигнув крайнего левого положения, шестерня 2 вместе с приводом 1, переместившись на одно звено цепи 3 вверх, займут исходное положение.
При этом важно, чтобы конфигурация цепи 3 обеспечивала движение шестерни 2 в прямом (по внешней дуге) и обратном направлениях одинаковое число оборотов.
Примечание: на фиг. 3 и 4 концентратор 5 показан плоским потому, что может быть применена линза Френеля с отражением лучей, сфокусированных на приемнике излучения.
Приводом может быть часовой механизм. В этом случае ось часовой стрелки, жестко связанная с шестерней 2 должна совершать один оборот при повороте концентратора 5 на 90°.
Предлагаемое изобретение расширяет функциональные возможности устройства. Здесь приводом может быть синхронный электродвигатель с другой редукцией на выходном валу. Например 1/300 об/мин. Выходной вал такого электродвигателя будет совершать один оборот за 5 часов. Значит за 12 часов выходной вал электродвигателя совершит: 12:5=2,4 оборота. При этом увеличится длина цепи, что снизит требование к мощности двигателя.
Автоматический гелиоконцентратор с неподвижным приемником излучения может работать автономно многосуточно при условии автоподзаряда часового механизма с помощью электропривода или от синхронного электродвигателя (в качестве привода) с питанием от аккумулятора, подзаряжаемого от солнечных элементов (не представленных на чертежах).