Гидромеханическое устройство для поворота гелиопоглощающей системы

 

Изобретение относится к устройствам для поворота преобразователей солнечной энергии и может быть использовано при создании гелиоустановок, работающих в режиме слежения за Солнцем. Технический результат изобретения заключается в реализации равномерного поворота гелиопоглощающей системы и обеспечения ее эффективного демпфирования в условиях работы при ветровых нагрузках на протяжении всего цикла поворота, а также в обеспечении возможности поворота с помощью гидромеханического устройства одной или нескольких гелиопоглощающих систем. Гидромеханическое устройство состоит из двух грузов, частично погруженных во время работы в жидкость, наливаемую в емкости, расположенные на разных уровнях. Емкости связаны тросом, проходящим через шкив поворотного узла, с возможностью регулирования скорости перетекания жидкости из верхней емкости в нижнюю, что заставляет перемещаться грузы. При этом соединяющий их трос протягивается через шкив и вращает поворотный узел и связанную с ним гелиосистему. 5 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к устройствам для поворота преобразователей солнечной энергии.

Известен механизм слежения солнечного коллектора, обеспечивающий изменение положения шарнирно закрепленной солнечной панели в соответствии с изменением положения Солнца. Он содержит электродвигатель с устройством для его включения и выключения. Механизм оборудован также программатором, генерирующим последовательные временные сигналы. От программатора сигналы поступают к пускателю, периодически включающему и выключающему электродвигатель [1] Однако данный механизм слежения работает с необходимой точностью не всегда, и он не всегда применим, так как в нем задействована электрическая схема с программирующим устройством.

Наиболее близким аналогом (прототипом) является устройство для поворота гелиопоглощающей системы [2] Оно содержит трос, связанный с гелиопоглощающей системой путем его оборачивания вокруг шкива, сидящего на оси системы, а также грузовое приспособление, включающее ведро, подвешенное к прикрепленному к нему концу троса, и пружину, один конец которой зафиксирован, а к другому прикреплен трос. Ведро постепенно опускается под воздействием воды, равномерно переливаемой в него из бака, и тянет трос, который, в свою очередь, поворачивает гелиопоглощающую систему.

Данное устройство работает без специального технического оснащения (электроаппаратуры и вычислительной техники).

Однако при растяжении пружины увеличивается усилие, необходимое для ее удлинения на единицу длины. В результате при равномерном поступлении воды в ведро и, следовательно, при равномерном увеличении растягивающего усилия, скорость растягивания пружины, а значит, и скорость поворота гелиосистемы будут уменьшаться. Поэтому известное устройство нельзя использовать для поворота двух или более гелиопоглощающих систем.

Наряду с этим, из-за того, что усилие, необходимое для растяжения пружины и поворота системы, будет неодинаковым на разных фазах поворота, различным будет и влияние, оказываемое на вращение моментом сопротивления системы (например, из-за трения в узлах вращения недостатков балансировки и т.п.). Это влияние, а следовательно, и возможные отклонения от равномерности поворота будут большими в начале цикла.

Кроме того, поскольку натяжение троса в начале цикла определяется лишь весом пустого ведра в начале цикла и является очень слабым, возможно проскальзывание троса относительно шкива. По этой же причине неудовлетворительно обеспечивается демпфирование случайных поворотов гелиопоглощающей системы в связи с изменяющимися ветровыми нагрузками. Порыв ветра может необратимо изменить положение гелиопоглощающей системы относительно солнца.

Технический результат изобретения заключается в реализации равномерного поворота гелиопоглощающей системы и обеспечении ее эффективного демпфирования в условиях работы при ветровых нагрузках на протяжении всего цикла поворота, а также в обеспечении возможности поворота с помощью гидромеханического устройства одной или нескольких гелиопоглощающих систем.

Сопоставительный анализ с наиболее близким аналогом показывает, что заявляемое устройство отличается от него особым выполнением грузового приспособления гидромеханического устройства. Так, оно выполнено в виде двух одинаковых грузов с тросом, каждый из грузов погружен в емкость, частично заполняемую жидкостью на время работы устройства, концы троса укреплены на грузах; длина троса, грузы и жидкость подобраны так, что грузы не полностью погружены в жидкость; вес грузов превышает вес вытесняемой ими жидкости; емкости установлены на разных уровнях, гидравлически связаны друг с другом с возможностью регулирования скорости перетекания жидкости из одной емкости в другую, и выполнены с условием соблюдения равного изменения уровня жидкости в обеих емкостях при протекании жидкости.

Кроме того, с целью достижения равномерного поворота, верхняя емкость грузового приспособления выполнена в виде расширяющегося вверх сосуда, поперечное сечение которого S увеличивается с высотой l, как S≈2 l, а нижняя емкость выполнена в виде сосуда, расширяющегося книзу по такому же закону.

С целью упрощения изготовления и эксплуатации устройства и обеспечения равномерности поворота, достаточной для эффективной фокусировки солнечных лучей, емкости выполнены в виде цилиндров, а высота расположения верхней емкости относительно нижней увеличена по сравнению с расположением расширяющихся емкостей.

Кроме того, с целью использования гидромеханического устройства для поворота двух гелиопоглощающих систем и исключения нарушения их ориентации относительно друг друга при резких порывах ветра, в поворотный узел включен второй шкив и через него также пропущен трос, а шкивы соединены между собой приводным ремнем.

С целью использования гидромеханического устройства для поворота нескольких гелиопоглощающих систем поворотный узел включает дополнительные шкивы, соединенные приводными ремнями друг с другом и с одним или двумя шкивами, приводимыми в движение тросом гидромеханического устройства.

Кроме этого, приводные ремни и трос могут быть зафиксированы на ободах шкивов в точках, оказывающихся в полдень на прямой линии, соединяющей оси шкивов. Это позволяет исключить проворачивание шкивов относительно троса при резких усилениях ветровой нагрузки на систему. Фиксация не будет препятствовать работе поворотного узла, поскольку в течение светового дня гелиопоглощающая система поворачивается не более чем на ±70^o относительно среднего положения.

На фиг.1 показано гидромеханическое устройство для поворота гелиопоглощающей системы; на фиг.2 вариант того же устройствf для поворота двух гелиопоглощающих систем; на фиг.3 вариант того же устройства для поворота нескольких гелиопоглощающих систем.

Гидромеханическое устройство для поворота одной гелиопоглощающей системы (фиг.1) содержит трос 1, перекинутый через блоки 2 и шкив 3 поворотного узла 4, связанного с солнечным коллектором 5 гелиопоглощающей системой.

Грузовое приспособление состоит из двух одинаковых грузов, представляющих собой емкости 6, залитые водой, а также другие емкости 7, в которые погружены емкости 6 во время работы устройства. Емкости 7 также заполнены водой и снабжены переливом 8 с запорно-регулирующим приспособлением 9, присоединяемым к емкостям 7 штуцерами 10. Устройство установлено на раме 11. Гелиопоглощающая система 5 крепится на раме 11 с помощью подшипниковых узлов 12.

Гидромеханическое устройство для поворота двух гелиопоглощающих систем (фиг. 2) дополнительно содержит второй шкив 3, через который также проходит трос 1 и приводной ремень 13, которым соединены оба шкива 3. В местах пересечения троса 1 и приводного ремня 13 с прямой, соединяющей оси шкивов, трос 1 и приводной ремень 13 зафиксированы на шкивах с помощью фиксатора 14.

Гидромеханическое устройство для поворота нескольких гелиопоглощающих систем (фиг.3) содержит те же элементы конструкции.

Устройство работает следующим образом.

В начале светового дня приводят в рабочее состояние грузовое приспособление. Заливают воду в емкость 6, а затем наполняют водой емкости 7 так, чтобы при ориентировании модулей на солнце, емкости 6 были на половину высоты погружены в воду. Затем открывают запорно-регулирующее приспособление 9, и вода по переливу 8 начинает поступать из верхней емкости 7 в нижнюю. Соответственно верхний и нижний грузы перемещаются и перетягивают трос, приводящий в движение поворотный узел 4. Приспособление 9 регулируют так, чтобы скорость поворота гелиопоглощающей системы соответствовала скорости движения солнца. К концу светового дня опускающийся уровень воды в верхней емкости 7 достигнет уровня сливного штуцера 10 и переливание воды прекратится.

Для запуска в работу гидромеханического устройства на следующий день сливают из нижней емкости 7 воду, перетекшую в нее за предыдущий день, и такое же количество воды доливают в верхнюю емкость 7. Вместо этого можно перелить из нижней емкости 7 воду, перетекшую в нее за предыдущий день, в верхнюю емкость. Во время этой процедуры грузы 6 перемещаются, и гелиопоглощающая система поворачивается с запада на восток. Перелив воды заканчивают тогда, когда гелиопоглощающая система оказывается сориентированной на солнце. Поскольку на время ориентировки на солнце запорно-регулирующее приспособление не перекрывают, устройство начинает работать сразу по окончании перелива воды. Ориентирование по солнцу и запуск системы в работу можно производить в любое время дня.

Скорость уменьшения разницы уровней воды в емкости 7 остается постоянной в течение всего рабочего цикла. Это достигается тем, что уменьшение скорости перелива, вызванное уменьшением перепада высот в течение цикла, компенсируют специальной формой емкостей 7.

Кроме того, постоянная скорость уменьшения разности уровней в емкостях 7 обеспечивает неизменный во времени вращательный момент на поворотный узел. Оба этих обстоятельства приводят к тому, что скорость поворота гелиопоглощающей системы остается постоянной в течение всего рабочего цикла. При выборе емкостей 7 с постоянным по высоте сечением расстояние между верхней и нижней емкостями 7 выбирают таким, чтобы уменьшение скорости перелива воды из-за постепенного уменьшения разности уровней воды в емкостях 7 давало бы в течение дня отклонение в ориентации не больше, чем отклонение, допускаемое конструкцией гелиопоглощающей установки.

Положение емкостей 6 относительно поверхности воды в емкостях 7 в течение всего цикла поворота остается неизменным, и поэтому сила натяжения троса также не меняется. При внезапных поворотах гелиосистемы из-за порывов ветра один из грузов 6 поднимается относительно поверхности воды в емкости 7, а другой опускается. Возникает сила, стремящаяся вернуть грузы, а с ними и гелиосистему в прежнее положение. Демпфирующая сила будет расти пропорционально отклонению от равновесного состояния. Величина этой силы при отклонении системы на один градус зависит от поперечного сечения емкости 6. Их выбирают в зависимости от местных ветровых условий и допустимых отклонений в ориентировании на солнце. Величина демпфирующей силы, возникающей при определенном отклонении системы от равновесия, будет одинаковой в течение всего цикла поворота.

Таким образом, описываемое гидромеханическое устройство позволяет реализовать равномерный поворот одной или нескольких гелиопоглощающих систем и обеспечить ее эффективное демпфирование при ветровых нагрузках на протяжении всего цикла поворота.

Формула изобретения

1. Гидромеханическое устройство для поворота гелиопоглощающей системы, содержащее грузовое приспособление, поворотный узел для поворота гелиопоглощающей системы за Солнцем и трос, прикрепленный своими концами к грузовому приспособлению и проходящий через шкив поворотного узла, отличающееся тем, что грузовое приспособление выполнено в виде двух одинаковых грузов, каждый из которых погружен в емкость, частично заполняемую жидкостью на время работы устройства, концы троса укреплены на грузах, длина троса, грузы и жидкость подобраны так, что грузы во время работы устройства не полностью погружены в жидкость, а масса грузов превышает массу вытесняемой ими жидкости, емкости установлены на разных уровнях, гидравлически связаны друг с другом с возможностью регулирования скорости перетекания жидкости из одной емкости в другую и выполнены с условием соблюдения равного изменения уровня жидкости в обеих емкостях при перетекании жидкости.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что верхняя емкость выполнена в виде расширяющегося вверх сосуда, поперечное сечение которого S увеличивается с высотой l, как S ~ 2l, a а нижняя емкость выполнена в виде сосуда, расширяющегося книзу по такому же закону.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, с целью упрощения изготовления и эксплуатации устройства и обеспечения равномерности поворота, достаточной для эффективной фокусировки солнечных лучей, емкости выполнены в виде цилиндров, а высота расположения верхней емкости относительно нижней увеличена по сравнению с расположением расширяющихся емкостей.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, с целью его использования для поворота двух гелиопоглощающих систем, в поворотный узел включен второй шкив, трос проходит через оба шкива и шкивы соединены между собой приводным ремнем.

5. Устройство по пп.1 4, отличающееся тем, что, с целью его использования для поворота нескольких гелиопоглощающих систем, поворотный узел включает дополнительные шкивы, соединенные приводными ремнями между собой и со шкивами, через которые проходит трос.

6. Устройство по пп.1, 4 и 5, отличающееся тем, что, с целью исключения проворачивания шкивов относительно троса и приводных ремней при импульсных ветровых нагрузках на гелиопоглощающие системы и обеспечения их демпфирования, приводные ремни и трос зафиксированы на ободах шкивов в точках, оказывающихся в полдень на прямой линии, соединяющей оси шкивов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3