АВТОМАТИЧЕСКИЙ ПРИВОД ГЕЛИОКОНЦЕНТРАТОРА ДЛЯ ПОДДЕРЖАНИЯ ОТРАЖЕННОГО СОЛНЕЧНОГО ПЯТНА В НЕПОДВИЖНОЙ ЗОНЕ
AUTOMATIC DRIVE FOR SOLAR CONCENTRATOR FOR MAINTAINING REFLECTED SOLAR SPOT IN FIXED AREA

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к механизмам ориентации солнечных концентраторов, и может быть использовано во многих хозяйствах для нагревания воды, выработки электроэнергии, для нагревания различных неподвижных объектов за счет энергии Солнца.
Автоматический привод состоит из: датчика времени, датчика сигнала «стоп», блока сигнала «старт-стоп», блока реверса, датчиков реверса, блока управления электродвигателем, электродвигателя с редуктором, вала с резьбой, рейки, тросов, кулачкового диска, сектора 90° и гелиоконцентратора.
Привод обеспечивает автоматическое вращение гелиоконцентратора 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, они лишь усложняют конструкцию. Наличие датчиков слежения - фотоэлементов чревато потерей ориентации в случае затяжной облачности. Нет функции возврата отражателя в исходное положение к утру.
Прототипом предлагаемого изобретения может быть «Автоматическое устройство для концентрации солнечных лучей на неподвижном объекте», содержащее часовой механизм, скобу основания, коромысло, большую и малую шестерни, ролик, рычаг и концентратор (Патент RU 2435112 от 13.05.2010).
Недостатком этого устройства является отсутствие стандартных деталей (за исключением часового механизма). Изготовление нестандартных механизмов повышает себестоимость конструкции. Кроме того, усилие, развиваемое часовым механизмом, недостаточно для привода больших гелиоконцентраторов.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение возможности автономного многосуточного слежения за Солнцем за счет использования датчика времени, простой схемы управления и применения электродвигателя относительно небольшой мощности, способного приводить в движение массивные гелиоконцентраторы.
Указанный технический результат достигается тем, что автоматический привод гелиоконцентратора для поддержания отраженного солнечного пятна в неподвижной зоне содержит датчик времени, датчик сигнала «стоп», блок сигнала «старт-стоп», блок управления электродвигателем, блок реверса, электродвигатель с редуктором, вал с резьбой, гайку, рейку, два троса, два датчика реверса, кулачковый диск, сектор 90° и гелиоконцентратор. Согласно изобретению, выход датчика времени соединен с первым входом блока «старт-стоп», второй вход которого электрически связан с датчиком сигнала «стоп», который механически связан с кулачковым диском, жестко закрепленным на валу с резьбой, выход блока сигнала «старт-стоп» связан с первым входом блока управления электродвигателем, а два других входа - с выходами блока реверса, а два входа последнего связаны с датчиками реверса, расположенными у концов резьбы вала с резьбой; при этом выход блока управления электродвигателем связан с электродвигателем с редуктором, выходной вал которого расположен на одной оси и жестко соединен с валом с резьбой, посредством резьбы, соединенным с гайкой, которая жестко соединена с серединой рейки, к концам которой прикреплены концы тросов, вторые концы которых перекрестно соединены со сторонами сектора 90°, ось вращения которого совмещена с осью вращения гелиоконцентратора, причем временные параметры датчика времени и технические параметры компонентов устройства рассчитаны с возможностью вращения гелиоконцентратора на 90° за 12 часов в прямом направлении и за такое же время - в обратном.
Устройство привода представлено на чертежах:
На фиг. 1 представлены фазы положения Солнца относительно концентратора 13 и неподвижной зоны.
На фиг. 2 представлена схема автоматического привода.
На фиг. 3 представлен вид по стрелке А.
Для уяснения представления предлагаемого изобретения рассмотрим теоретическую сторону (фиг 1).
Утром Солнце находится на востоке (солнечный диск слева), касательная дуги гелиоконцентратора 13 сориентирована под углом 45° к горизонтальной линии. Лучи, испускаемые солнцем, преломятся гелиоконцентратором 13 и отразятся, сфокусировавшись в неподвижной зоне. Следующая фаза - зенит. Чтобы теперь солнечные лучи отразились в неподвижной зоне, необходимо, чтобы касательная дуги гелиоконцентратора 13 была расположена горизонтально. Т.е. за время поворота солнца на 90°, концентратор 13 должен повернуться только на 45°.
Итак, чтобы соблюдалось условие постоянного отражения солнечных лучей в неподвижной зоне, необходимо, чтобы гелиоконцентратор 13 поворачивался в два раза медленнее скорости вращения солнца.
Рассмотрим схему автоматического привода, представленную на фиг. 2. Автоматический привод гелиоконцентратора для поддержания отраженного солнечного пятна в неподвижной зоне состоит из: датчика времени 1, блока сигнала «старт-стоп» 2, датчика сигнала «стоп» 3, блока управления электродвигателем 4, блока реверса 5, электродвигателя с редуктором 6, вала с резьбой 7, гайки 8, рейки 9, тросов 10, 11, сектора 90° 12, гелиоконцентратора 13, датчиков реверса 14, 15, кулачкового диска 16.
Автоматический привод работает следующим образом:
Рассмотрим сначала взаимосвязь отдельных узлов в статическом режиме.
Выход датчика времени 1 соединен с первым входом блока сигнала «старт-стоп» 2, второй его вход через н.з. контакт датчика сигнала «стол» 3 соединен с источником питания. Выход блока сигнала «старт-стоп» 2 соединен с первым входом блока управления электродвигателем 4, второй и третий входы которого соединены с выходами блока реверса 5, входы которого соединены с датчиками реверса 14 и 15, роль которых выполняют стандартные концевые выключатели.
Выход блока управления электродвигателем 4 подключен к электродвигателю с редуктором 6, выходной вал которого расположен на одной оси и жестко соединен с валом с резьбой 7, на резьбовой части которого расположена гайка 8, жестко прикрепленная к центру рейки 9 (на чертеже часть рейки справа усечена). Концы рейки 9 крестообразно соединены с тросами 10 и 11 со сторонами сектора 90° 12, ось вращения которого совмещена с осью вращения гелиоконцентратора 13, оптическая ось которого совпадает с биссектрисой сектора 90° 12.
На валу с резьбой 7 жестко закреплен кулачковый диск 16, механически связанный с датчиком сигнала «стоп» 3 (см. Фиг. 3). На этой фигуре датчик сигнала «стоп» 3 повернут для наглядности.
Рассмотрим теперь работу схемы в динамическом режиме (Фиг. 2). С датчика времени 1, например, минутный импульс (или кратный ему), поступив в блок 2, приводит его в положение «старт». Этот сигнал через блок 4 запустит электродвигатель с редуктором 6 и вал редуктора 6 начнет вращаться. В начальный момент вращения кулачковый диск 16 находится в положении, показанном на Фиг. 3, и контакт датчика «стоп» 3 замкнут, но сигнала «стоп» нет. Для получения сигнала «стоп» необходимо, чтобы контакты датчика сигнала «стоп» 3 разомкнулись и снова замкнулись, т.е. блоком сигнала «старт-стоп» 2 отслеживается передний фронт импульса 0-1.
Т.о., сделав один оборот за заданный интервал времени, вал с резьбой 7 переместит гайку 8 и связанную с ней рейку 9 на величину шага резьбы. Рейка 9 перемещается (в данный момент влево Фиг. 2) и за счет тросов 10, 11 поворачивает сектор 90° 12 вокруг его оси вращения по часовой стрелке.
Схема рассчитана так, что через 6 часов сектор 90° 12 повернется на 45°. Биссектриса сектора 90° 12 и оптическая ось концентратора 13 будут находиться в вертикальном положении. Солнце за 6 часов переместится в зенит и отраженные от гелиоконцентратора 13 лучи сконцентрируются в неподвижной зоне.
Через 12 часов сектор 90° 12 повернется на 90° (от первоначального положения), гайка 8 переместится в крайнее левое положение. В это время сработает датчик реверса 15 и блок 5 через блок 4 запустит электродвигатель с редуктором 6 в обратную сторону.
Привод обеспечивает автоматическое азимутальное вращение концентратора 13 по часовой стрелке, сопровождая солнце с востока на запад, удерживая отраженные лучи в неподвижной зоне в дневное время, а в ночное - возвращает его в исходное положение.
Эффект постоянного (многосуточного) автоматического слежения за солнцем и поддержания отраженного сфокусированного пучка солнечных лучей в неподвижной зоне достигается применением датчика времени (например, минутных импульсов), выход которого связан с первым входом блока «старт-стоп», второй вход которого электрически связан с датчиком сигнала «стоп», связанного с кулачковым диском, жестко закрепленным на валу с резьбой. При этом выход блока «старт-стоп» связан с первым входом блока управления электродвигателем, а два других его входа - с выходами блока реверса, а два входа последнего связаны с датчиками реверса, расположенными у концов резьбы вала с резьбой; при этом выход блока управления электродвигателем с редуктором, выходной вал которого расположен на одной оси и жестко соединен с валом с резьбой, сочлененной с гайкой, жестко соединенной с рейкой, к концам которой прикреплены концы тросов, вторые концы которых перекрестно соединены со сторонами сектора 90°, ось вращения которого совмещена с осью вращения гелиоконцентратора.
Важной особенностью наличия и взаимодействия вышеперечисленных компонентов является установка временных интервалов датчика времени, увязанных с шагом резьбы вала с резьбой и геометрическими размерами сектора 90°.
Эти параметры могут варьировать, но они рассчитываются таким образом, чтобы за 12 часов гелиоконцентратор поворачивался на четверть оборота (90°) в прямом направлении и за такое же время - в обратном.