Автономная система слежения за перемещением солнца по небосводу

Автономная система слежения за перемещением Солнца по небосводу относится к гелиотехническим устройствам, обеспечивающим ориентацию объекта по направлению к Солнцу. В системе используются термоприводы в виде торсионов, изготовленные из металла с эффектом памяти формы. Ориентация по направлению к Солнцу обеспечивается вращением двух осей - зенитной и азимутной. Система представляет собой двухуровневую конструкцию. На верхней оси вращения закреплена ориентируемая панель, а на нижней оси - несущий остов верхней оси. Вращение верхней оси обеспечивает азимутальный поворот панели запад-восток, а вращение нижней оси - зенитный поворот север-юг. Термоприводы осей вращения работают за счет тепловой энергии, исходящей от Солнца. Они попарно соединены между собой по дифференциальной схеме и при неодинаковой степени освещенности (при косом падании лучей благодаря подобранным экранам) имеют разную температуру, из-за чего между ними возникает разность деформаций, которую преобразуют в поворот панели по направлению к Солнцу, в результате чего происходит автоматическая ориентация относительно светила. Высокая удельная работоспособность системы и точность ориентации позволяет использовать ее для обслуживания любых гелиотехнических объектов: солнечные батареи и коллекторы, фокусирующие зеркала и линзы, актинометры и т.п., а биологически инертный материал, из которого изготовлены термоприводы, обеспечивает экологическую безопасность. 1 ил.

 

Изобретение относится к гелиотехническим устройствам, обеспечивающим ориентацию объекта по отношению к Солнцу.

Известен ряд технических установок, где требуется обеспечивать слежение за перемещением Солнца по небосводу. К ним относятся: приборы для измерения прямой солнечной радиации, фотоэлектрические станции, солнечные тепловые станции, солнечные коллекторы и т.д.

Условно все системы автоматического слежения за Солнцем можно разделить на два класса. К первому относятся конструкции, потребляющие невосполнимую энергию и в общем случае включают в себя электрические двигатели, отдельно для зенитного и азимутного вращения, а также электронный блок, связанный с вычислительным комплексом. Литературные источники отмечают высокую точность таких систем и, вместе с тем, - значительные издержки по их созданию и эксплуатации, расходу энергии, а также малую надежность. Ко второму классу относятся устройства, в которых работа прибора производится за счет энергии самого Солнца, и в этом смысле они являются автономными и сравнительно недорогими.

Так известно устройство для ориентации солнечного преобразователя, содержащее опорную стойку, связанное с ней при помощи шарнира ориентируемое основание и упругие тяги, взаимодействующие с термочувствительными элементами и закрепленные на стойке. Элементы, испытывающие деформацию при нагреве, консольно закреплены на основании по кругу, симметрично вертикали, проходящей через центр сферического шарнира. При косом падении солнечных лучей на основание освещенность элементов, попарно находящихся в противоположных точках круга, неодинакова из-за кругового выступа, отбрасывающего тень на более удаленные от солнца элементы. Вследствие этого между попарными элементами возникает перепад температур, в результате чего они по разному меняют свою форму и воздействуют на сопряженные тяги таким образом, что возникает крутящий момент, обеспечивающий поворот основания по направлению к Солнцу.

Недостатком данного устройства является сочетание консольного крепления термочувствительных рабочих элементов и упругости связанных с ними тяг. При слишком большом суммарном коэффициенте жесткости этих деталей будет резко ограничено угловое перемещение основания, что сделает невозможным обеспечение требуемой ориентации. С другой стороны при низком суммарном коэффициенте жесткости конструкция становится неуправляемой под воздействием тяжести ориентируемого основания и ветрового давления (см. а.с. СССР 1460552, МПК⁴ F24J 2/38, 2/40; заявл. 10.04.87; опубл. 23.02.89).

Известно также устройство для ориентации гелиоустановки (пат. РФ 2043583, МПК⁶ F24J 2/38; заявл. 15.08.92; опубл. 10.09.95). Устройство включает в себя два блока биметаллических элементов, отдельно для зенитного и азимутного вращения ориентируемой рамы. Элементы выполнены в виде спиралей, которые реагируют на температуру, сворачиваясь и разворачиваясь соответственно в более или менее плотную спираль. Эти движения спиралей создают крутящий момент, передаваемый на зенитную и азимутную оси вращения. Температуру спиралей ставят в зависимость от их положения по отношению к падающим лучам Солнца с помощью затеняющих экранов, в результате чего крутящие моменты от спиралей, передаваемые на соответствующие оси вращения, производят ориентацию рамы на Солнце.

Существенным недостатком этого устройства является незначительность тех усилий, которые может развить биметаллический элемент в ходе изменения своей формы. Это связано с тем, что толщина биметаллической пластины не может превышать одного-двух миллиметров, при этом работать они могут только на изгиб. По этой причине элементы, изготовленные из биметалла, используются в основном как датчики температуры, но не как исполнительные органы, что требуется в системах ориентации гелеоустановок.

Наиболее близким техническим решением к данному изобретению является солнечная установка (пат. РФ 2125686, МПК⁶ F24J 2/38; заявл. 15.03.99; опубл. 27.01.99), которая содержит ориентируемую панель, установленную на оси азимутного вращения, два телескопических термопривода, закрепленных на панели, и светоотрожающий экран, расположенный между термоприводами, а также двухзвенный передающий механизм, одно из звеньев которого соединено с осью вращения. Термоприводы распложены вдоль оси азимутного вращения, поэтому при боковом освещении панели один из термоприводов оказывается освещенным, а другой - находящимся в тени, отбрасываемой экраном. В результате между термоприводами возникает разность температур, из-за чего их гидравлические штоки оказываются выдвинутыми на разную величину. За счет этой разности создается крутящий момент на одном из звеньев передаточного механизма, которое, в свою очередь, передает этот момент на второе звено, связанное с осью вращения. Ось при этом поворачивается, осуществляя одновременно поворот панели в направлении к Солнцу.

К недостаткам этой установки относится то, что ее конструкция не позволяет осуществлять ориентацию в зенитном направлении. Кроме того, существенным недостатком является использование в качестве рабочего тела жидкости с большим коэффициентом объемного расширения. Как правило, в роли таких жидкостей выступают определенного сорта нефтепродукты, что создает экологические проблемы, т.к. требуется тщательная герметизация гидроцилиндров. Помимо этого задача герметизации связана с использованием манжет, прокладок и т.п., что сопряжено с малой долговечностью и ненадежностью, особенно при больших перепадах температур и сезонных теплосменах.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является создание экологически чистой установки, работающей без потребления невосполнимой энергии и имеющей высокие эксплуатационные характеристики.

Техническим результатом является повышение точности ориентации, увеличение удельной мощности и срока службы устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что автономная система слежения за перемещением Солнца по небосводу содержит остов, ориентируемую панель, установленную на оси вращения, одну пару термоприводов и светоотражающий экран.

В предлагаемом изобретении система снабжена второй парой термоприводов, тремя светоотражающими экранами и вторым остовом со второй осью вращения, компланарной к первой, при этом несущий остов первой оси закреплен на второй оси, первая ось лежит вдоль линии север-юг, а вторая - запад-восток, на концах которых размещены термоприводы, при этом каждый из попарно идентичных термоприводов в виде торсионов закреплен одним концом неподвижно на остове, а вторым соединен соосно с осью вращения так, что каждый из попарных термоприводов в исходном положении деформирован кручением в противоположных направлениях друг относительно друга, а светоотражающие экраны, выполненные с возможностью регулирования, помещены перед каждым термоприводом на пути солнечных лучей с направлений восток-запад для первой оси, и север-юг - для второй, причем термоприводы изготовлены из сплава с эффектом памяти формы, находящимся в полифазном состоянии при ±60°С.

В отличие от известной в предлагаемой автономной системе слежения за перемещением Солнца термоприводы изготовлены из металла с эффектом памяти формы и размещены попарно на каждом из концов двух осей и соосно с ними таким образом, что один конец термопривода закреплен неподвижно, а другой соединен с осью, при этом приводы в виде торсионов попарно скручены в одинаковой степени в противоположных направлениях и находятся в напряженном состоянии, взаимодействуя между собой через жесткую связь - ось вращения. Светоотражающие экраны выполнены с возможностью их регулирования с целью повышения точности ориентации.

Это обеспечивает автономную ориентацию несущей панели в зенитном и азимутном направлении, увеличивает полезную допустимую нагрузку по весу и по площади (учитывая ветровое давление), упрощает конструкцию, уменьшает экологическую нагрузку на окружающую среду.

Реализация поставленной цели основана на соответствующем позиционировании термоприводов по отношению к азимутным и зенитным осям вращения. А именно, термоприводы в виде торсионов попарно помещены на концах осей вращения, соосно с ними и закручены на одинаковые углы в противоположных направлениях друг относительно друга, что позволяет существенно упростить конструкцию, снять весовую нагрузку с рабочих элементов.

В предлагаемом изобретении термоприводы расположены так, что с одной стороны, они практически полностью разгружены по отношению к несущим нагрузкам, с другой стороны, находясь в напряженном состоянии за счет взаимного воздействия друг на друга через жесткую осевую связь, устраняют тем самым паразитные люфты, что в совокупности способствует как увеличению КПД термопривода в качестве рабочего элемента и его долговечности, так и повышению точности ориентации несущей панели на Солнце. В тоже время использование биологически инертного металла с памятью формы в качестве термоприводов обеспечивает экологическую безопасность. Таким образом, предлагаемое в заявляемом изобретении расположение термоприводов и особенность материала, из которого они изготовлены, приводит к принципиально иному техническому результату по сравнению с аналогами.

Сравнение с прототипом показало, что предлагаемая автономная система слежения за перемещением Солнца по небосводу отличается позиционированием термоприводов по отношению к осям вращения, исключающим весовую нагрузку на них и способствующим более точной ориентации на Солнце. Поэтому настоящая система слежения соответствует критерию новизна.

Сопоставительный анализ предлагаемого изобретения с известным устройством (а.с. СССР 1460552, МПК⁴ F24J 2/38, 2/40; заявл. 10.04.87; опубл. 23.02.89), в котором термоприводы выполнены из деформируемого при нагреве материала, показал, что в предлагаемой системе слежения термоприводы, выполненные из металла с эффектом памяти формы и размещенные в виде торсионов на концах несущих осей вращения, проявляют новые технические качества, что приводит к следующему:

а) значительному увеличению допустимой несущей нагрузки в результате замены упругих связей между попарными термоприводами на жесткие связи;

б) увеличению КПД термопривода, работающего в режиме деформации кручением в отличие от режима деформации изгибом, используемого в аналоге;

в) увеличению точности ориентации и снижению стоимости конструкции при переходе от узлов со сферическими шарнирами к узлам с осями вращения, и учитывая п.п.а) и б).

Поскольку этого не было установлено ранее, можно сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию «изобретательский уровень».

На чертеже схематично представлена автономная система слежения за перемещением Солнца по небосводу.

Устройство содержит две пары термоприводов в виде торсионов 1 и 2, расположенных компланарно в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и соосно с осями вращения 3 и 4, расположенными соответственно вдоль линий север-юг и запад-восток, панель 5, установленную на оси 3, а перед каждым термоприводом установлены попарно световые регулируемые экраны 6 и 7, заслоняющие солнечные лучи, соответственно с направлений запад-восток и север-юг, при этом термоприводы выполнены из сплава с эффектом памяти формы, находящимся в полифазном состоянии при допустимых температурах эксплуатации.

Устройство работает следующим образом.

Термоприводы в виде торсионов 1 и 2, попарно взаимодействующие через оси вращения 3 и 4, попарно деформированы кручением в противоположных направлениях так, чтобы перпендикуляр к площадке ориентируемой панели 5 был обращен в зенит в том случае, когда прямые лучи отсутствуют (ночной период и период облачности). Это состояние системы принимается за исходное. При появлении на небосводе открытого Солнца степень освещенности будет зависеть от угла падения лучей на площадку панели 5. Термоприводы, расположенные со стороны острого угла падения, будут освещены прямыми лучами, а со стороны тупого угла будут находиться либо полностью в тени регулируемых экранов 6 и 7 либо частично. В результате между «тупоугольными» и «остроугольными» термоприводами возникает разность температур, что приводит к разному (по сравнению с исходным состоянием) соотношению долей термодинамических фаз, из которых состоит вещество термоприводов. Поскольку коэффициент жесткости упругих элементов, изготовленных из такого материала, зависит от его фазового состава, постольку упругость термоприводов, расположенных на противоположных концах осей вращения будет отличаться в той степени, в какой отличается их степень освещенности. Вследствие этого более освещенные «жесткие» термоприводы - торсионы будут разворачиваться, а менее освещенные «мягкие» будут сворачиваться, что в итоге приведет к повороту оси вращения, а с нею и панели по направлению к Солнцу, обеспечивая необходимую ориентацию объекта, установленного на панели.

Предлагаемая система слежения за Солнцем имеет простую и надежную конструкцию, а расположенные термоприводы в виде торсионов соосно с осями вращения способствуют увеличению удельной работоспособности и точности ориентации.

Конструкция допускает использование мультипликаторов (увеличителей перемещения), а также концентраторов световых лучей в случае необходимости увеличения диапазона ориентации и точности наведения, а на панель предлагаемой системы могут быть установлены любые гелиотехнические объекты: актинометры, солнечные батареи и коллекторы, фокусирующие зеркала и линзы и т.д.

Термоприводы могут быть изготовлены из сплава на основе никелида титана с соотношением компонентов, обеспечивающим полифазное состояние этого материала при допустимых условиях эксплуатации. Известные сплавы, соответствующие этим требованиям, способны выдерживать рабочие циклы свыше 10⁷ раз.

Предлагаемое устройство обеспечивает автоматическую ориентацию гелиотехнических средств по отношению к Солнцу, следовательно, оно соответствует условию «промышленная применимость».

Автономная система слежения за перемещением Солнца по небосводу, содержащая остов, ориентируемую панель, установленную на оси вращения, одну пару термоприводов и светоотражающий экран, отличающаяся тем, что она снабжена второй парой термоприводов, тремя светоотражающими экранами и вторым остовом со второй осью вращения, компланарной к первой, при этом несущий остов первой оси закреплен на второй оси, первая ось лежит вдоль линии север - юг, а вторая - запад - восток, на концах которых размещены термоприводы, при этом каждый из попарно идентичных термоприводов в виде торсионов закреплен одним концом неподвижно на остове, а вторым соединен соосно с осью вращения так, что каждый из попарных термоприводов в исходном положении деформирован кручением в противоположных направлениях друг относительно друга, а светоотражающие экраны, выполненные с возможностью регулирования, помещены перед каждым термоприводом на пути солнечных лучей с направлений восток - запад для первой оси и север - юг - для второй, причем термоприводы изготовлены из сплава с эффектом памяти формы, находящегося в полифазном состоянии при ±60°С.