УСТАНОВКА АВТОМАТИЧЕСКОГО СЛЕЖЕНИЯ ПРИЕМНОЙ ПАНЕЛИ ЗА СОЛНЦЕМ
APPARATUS FOR AUTOMATIC SUN TRACKING WITH RECEIVING PANEL

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.
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.