Система автоматичного цілорічного стеження за сонцем по азимуту та куту піднесення

Реферат: Система автоматичного цілорічного стеження за Сонцем по азимуту та куту піднесення містить меридіонально закріплену нерухому раму (1) з шарнірно прикріпленою до неї рухомою рамою (2). Рухома рама (2) виконана з можливістю повороту у вертикальній площині меридіана. На рухомій рамі (2) встановлені з можливістю обертання параболоциліндричні концентратори (3) сонячної енергії. У фокусах вказаних концентраторів (3) розміщені адсорбери (9). Концентратори (3) сонячної енергії зв'язані з шестернями (4), які зачеплені з черв'яками (5), що насаджені на загальний шліцьовий вал (6). Шліцьовий вал (6) через шліцьову муфту (7) зв'язаний із синхронним мотор-редуктором (8) з автономним джерелом живлення. Новим є те, що остання черв'ячна пара (4, 5) через аналогічну шліцьову муфту зв'язана з редуктором (10), що має передаточне число 1:365. Вихідний вал вказаного редуктора (10) зв'язаний з ексцентриком (11), який через шарнірно з'єднаний із нерухомою рамою (1) шатун (12) здійснює піднімання й опускання рухомої рами (2) на заданий кут відносно нерухомої рами (1). Винахід забезпечує автоматичну і точну орієнтацію концентраторів енергії одразу у двох площинах - в зенітному (куту піднесення) й азимутному напрямках, спрощення конструкції, розширення функціональності й максимально ефективне накопичення сонячної енергії, покращення експлуатаційних характеристик сонячної установки, зниження енергетичних витрат на її живлення. UA 98379 C2 (12) UA 98379 C2 UA 98379 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить переважно до галузі геліоенергетики, а саме до геліотехнічних систем стеження в установках, що перетворюють сонячну енергію в електричну, теплову тощо, та може бути використаний в сонячних колекторах і батареях, дзеркалах сонячних ТЕС, в метеорологічних геліографах та будь-яких інших концентраторах сонячної енергії для максимально ефективного накопичення й перетворення енергії Сонця протягом цілого року. На сьогоднішній день доцільність використання систем стеження за Сонцем у сучасних геліоустановках не викликає сумнівів, адже експериментально доведено, що при обертанні 2 концентратора сонячної енергії навколо полярної осі річна інсоляція 1 м вдвічі і більше перевищує рівень інсоляції відповідної площі, розташованої непорушно в горизонтальній площині. Для того, щоб забезпечити максимальну ефективність стеження за Сонцем, необхідно врахувати географічну широту місця встановлення концентратора сонячної енергії, зміну висоти Сонця протягом дня (добове обертання) і зміну висоти Сонця залежно від пори року (річне обертання). Використання даних метеорологічної служби стосовно тривалості дня й висоти Сонця над горизонтом у заданий час дозволяє визначити оптимальний кут повороту концентратора сонячної енергії, що забезпечує максимальне поглинання енергії. Разом з тим, врахування залежності зміни географічних координат визначає зміну кута нахилу концентратора сонячної енергії залежно від широти місця його установки і конкретної пори року. Відомо, що кут відхилення земної осі відносно перпендикуляра до площини екліптики складає 23°27'. Тоді кут нахилу концентратора енергії, встановленого на певній широті в день літнього сонцестояння (21 червня) дорівнює максимальному значенню висоти сонця в зеніті, а саме різниці суми 90° + 23°27' і значення широти, на якій встановлений даний концентратор енергії. Кут нахилу концентратора енергії, встановленого на цій же широті у день зимового сонцестояння (22 грудня), що дорівнює мінімальному значенню висоти сонця в зеніті в цей день, отримують, віднімаючи від різниці 90° - 23°27' значення даної широти. Зрозуміло, що зміна кута нахилу концентратора енергії у зазначеному часовому інтервалі знаходитися у межах вказаних граничних кутових величин і повинна бути врахована, оскільки максимум енергії концентратор енергії отримує від сонячних променів, що падають перпендикулярно на його поглинаючу поверхню. На сьогоднішній день з джерел патентної та науково-технічної інформації відома велика кількість різноманітних конструкцій систем стеження за Сонцем, що відрізняються принципами роботи, типами приводів тощо. Відомий, наприклад, гідромеханічний пристрій для повороту геліопоглинаючої системи, що складається із двох вантажів, частково занурених під час роботи у рідину, що наливається в ємності, які розташовані на різних рівнях та зв'язані тросом, що проходить через шків поворотного вузла, з можливістю регулювання швидкості перетікання рідини з верхньої ємкості в нижню, що примушує переміщатися вантажі, при цьому трос, що сполучає їх, протягується через шків і обертає поворотний вузол та зв'язану з ним геліосистему [див. патент Російської Федерації № 2105936 C1, F24J2/38, F24J2/40, опублікований 27.02.1998]. Недоліком відомого технічного рішення є гідромеханічний принцип роботи, що є малоефективним в умовах його використання у сучасних геліотехнічних установках, оскільки він має низький коефіцієнт корисної дії (к.к.д.) і не забезпечує належного рівня енергоємності основних робочих елементів, що поглинають сонячну енергію. Відома також система стеження за Сонцем, що входить до складу сонячної енергетичної установки та має привід механізму повороту у вигляді монорейок, встановлених на опори перпендикулярно концентраторам енергії, і тросів руху, та програмне управління приводом [див. патент Російської Федерації № 2190810 C2, F24J2/14, F24J2/52, опублікований 10.10.2002]. Недоліком відомої системи стеження є її висока собівартість, яка зумовлена наявністю програмованого приводу, а також складна, масивна і нестійка до опору вітру конструкція основи, що не забезпечує потрібної орієнтації установки відносно положення Сонця. Ще одним відомим технічним рішенням у даній сфері є термомеханічна система стеження за Сонцем, що самонаводиться та працює від спрямованого сонячного потоку, який нагріває термочутливі елементи (ТЧЕ) з великим температурним коефіцієнтом лінійного (об'ємного) розширення, орієнтовані по екліптиці та скомпоновані у два вузли стеження, при цьому через різницю температур кінці подовжуючих ТЧЕ створюють крен майданчиків перекосу, відповідний руху Сонця, який відстежується роликами скочування і механічно передається орієнтованим осям, з якими пов'язаний технологічний геліоорган [див. патент Російської Федерації № 2090777, F03G6/00, опублікований 20.09.1997]. 1 UA 98379 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Недоліком відомої термомеханічної системи стеження за Сонцем є те, що вона не достатньо надійна й функціональна при одночасній високій собівартості. Це пов'язано із складнощами налаштування й контролю установки, оснащеної ТЧЕ, через нестабільний характер температурних показників в різний час доби і року, в різних географічних широтах, особливо в сучасних умовах інтенсивних кліматичних змін. Найбільш близькою за своєю суттю та ефектом, що досягається, і яка приймається за прототип, є система стеження за Сонцем, яка заснована на розрахунково-постійних характеристиках, що відповідають географічному місцю установки концентратора енергії та зміні висоти Сонця протягом дня з урахуванням пори року та включає реверсивний механічний привод, що обертає гвинтову пару, до гайки котрої жорстко прикріплена зубчаста рейка, при переміщенні якої повертається зубчастий сектор, закріплений на осі повороту параболоциліндричного концентратора сонячної енергії, і одночасно повертає штангу по копіру, який контролює денну зміну висоти Сонця, а відповідна зміна за порами року забезпечується гвинтовою парою, шарнірно встановленою на опорних стійках, при чому її гвинт зв'язаний з копіром [див. патент Російської Федерації № 2300058 C2, F24J2/14, F24J2/18, опублікований 27.05.2007]. Основний недолік відомої системи стеження за Сонцем полягає у складності її конструкції, зумовленій використанням реверсивного механічного приводу разом з часовим реле та системою кінцевих вимикачів, що забезпечують роботу останнього. Також конструкція додатково ускладнена наявністю опорної рами з установленим на ній копіром та штангою. Все це робить конструкцію масивною і ускладнює технологію виготовлення установки. Наступний суттєвий недолік відомої системи стеження за Сонцем пов'язаний з попереднім і полягає у тому, що після закінчення робочого сеансу дана система за допомогою реверсивного приводу швидко повертає концентратор сонячної енергії у вихідне положення, і реле часу вмикається в режим очікування початку нового сеансу роботи установки. Логічно дана операція є цілком виправданою (адже вночі потік сонячної енергії відсутній), але з економічної точки зору швидке повернення концентратора з режиму налаштованої автоматичної роботи у вихідне положення не можна вважати раціональним кроком через значну втрату енергії на даному етапі, яка витрачається до того ж і на живлення додаткових пристроїв автоматики: вищезгаданого реле, вимикачів тощо. Ще одним важливим недоліком відомої системи стеження за Сонцем є складність і незручність її експлуатації, зумовлена необхідністю ручного налаштування концентратора енергії до осі горизонту. Незважаючи на автоматичний режим робочого сеансу, що регулюється завдяки реле, через попереднє ручне налаштування відома система стеження не відповідає сучасним вимогам до подібного обладнання, яке орієнтоване на повну автоматизацію процесу поглинання сонячної енергії. Крім того, правильність і ефективність роботи відомої системи стеження завжди значною мірою залежить від впливу так званого «людського фактора» (якщо вісь обертання концентратора енергії при установці опорної рами з певних причин не буде строго орієнтованою у напрямку північ-південь, а поворотна вісь його несучої рами не буде встановлена строго горизонтально, це призведе до неправильної роботи всієї установки і, внаслідок цього, значних енергетичних втрат), що також є небажаним у сучасних конструкціях систем стеження, адже це вимагає додаткових витрат на підготовку висококваліфікованого обслуговуючого персоналу. Також недоліком відомої системи стеження за Сонцем є те, що її конструкція дозволяє встановити лише один параболоциліндричний концентратор енергії, що, природно, обмежує функціональність і загальну продуктивність такої установки, зокрема не дозволяє збільшити кількість поглинання сонячної енергії за певну одиницю часу. В основу винаходу поставлено задачу спрощення конструкції системи стеження за Сонцем з одночасним підвищенням її функціональності й покращенням експлуатаційних характеристик за рахунок забезпечення автоматичного цілодобового й цілорічного режиму роботи в двох площинах (за азимутом і кутом нахилу земної осі) шляхом зміни її конструкції. Рішення поставленої задачі досягається тим, що система автоматичного цілорічного стеження за Сонцем по азимуту та куту піднесення, яка заснована на розрахунково-постійних характеристиках, що відповідають географічному місцю установки концентратора енергії та зміні висоти Сонця протягом дня з урахуванням пори року, та включає механічний привод повороту концентратора сонячної енергії, згідно з пропозицією, механізм приводу для цілодобового і цілорічного автоматичного обертання концентратора сонячної енергії містить меридіанально закріплену нерухому раму з шарнірно прикріпленою до неї рухомою рамою, яка виконана з можливістю повертатися у вертикальній площині до меридіана та містить установлені на неї з можливістю обертання параболоциліндричні концентратори сонячної 2 UA 98379 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 енергії, що мають у своїх фокусах адсорбери, та зв'язані з шестернями, зачепленими з черв'яками з утворенням черв'ячних пар, при цьому черв'яки насаджені на загальний шліцьовий вал, який через шліцьову муфту зв'язаний із синхронним мотор-редуктором, а остання черв'ячна пара через аналогічну шліцьову муфту зв'язана з редуктором, що має передаточне число 1:365, вихідний вал якого зв'язаний з ексцентриком, котрий через шатун здійснює піднімання й опускання рухомої рами на заданий кут відносно нерухомої основи. Зміна конструкції у запропонованій системі стеження за Сонцем забезпечує автоматичну орієнтацію концентратора енергії одразу у двох площинах (в зенітному й азимутному напрямках), технологічно спрощує її, збільшує корисну допустиму площу, що дозволяє розмістити одночасно декілька концентраторів сонячної енергії і таким чином розширити функціональність та суттєво підвищити продуктивність сонячної установки. При цьому відмова від реверсного механічного принципу роботи системи стеження й заміна її принципом повністю автоматизованого цілодобового й цілорічного обертання дозволяє уникнути марних витрат енергії та підвищити точність і повноту поглинання сонячної енергії, виключаючи вплив «людського фактора». Як показують дослідження, цілодобове й цілорічне обертання концентраторів сонячної енергії (у тому числі й взимку та уночі, коли потік сонячної енергії замалий або взагалі відсутній), незважаючи на здоровий глузд, є економічно виправданим, адже енергетичні затрати на живлення редукторів є меншими, ніж енергетичні затрати на забезпечення дії реверсного механізму й усіх супутніх автоматичних пристроїв у технічному рішенні, прийнятому за прототип. До того ж, запропонований тип живлення є повністю автономним (використовує акумульовану енергію того ж таки Сонця), а отже суттєво не знижує енергоємність концентраторів сонячної енергії. Таким чином, уся сукупність суттєвих ознак запропонованого рішення стосовно системи безперервного автоматичного стеження за Сонцем за двома напрямами забезпечує досягнення технічного результату. Подальша суть винаходу пояснюється разом з ілюстративним матеріалом, на якому схематично представлена в плані запропонована система автоматичного цілорічного стеження за положенням Сонця по азимуту та куту піднесення. Запропонована система стеження містить нерухому раму 1, що закріплюється на будь-якій поверхні, наприклад, на ґрунті, меридіанально під кутом згідно з географічною широтою місця встановлення. До нерухомої рами 1 шарнірно прикріплена рухома рама 2, що має можливість повертатися у вертикальній площині до меридіана Землі. На рухомій рамі з можливістю обертання змонтовані параболоциліндричні концентратори сонячної енергії 3, зв'язані з шестернями 4. Шестерні 4 зачеплені із черв'яками 5 з утворенням відповідних черв'ячних пар. Черв'яки 5 насаджені на загальний шліцьовий вал 6, який через шліцьову муфту 7 зв'язаний із синхронним мотор-редуктором 8, що живиться від автономного джерела енергії, наприклад, сонячної батареї (зважаючи на загальновідомість, не показана). У фокусі кожного параболоциліндричного концентратора енергії 3 розташований адсорбер 9. Остання (крайня) черв'ячна пара через аналогічну шліцьову муфту 7 зв'язана редуктором 10, що працює від вищезгаданого автономного джерела енергії та має передаточне число 1:365. Вихідний вал редуктора 10 зв'язаний з ексцентриком 11, який через шатун 12 здійснює піднімання й опускання рухомої рами 2 на заданий кут відносно нерухомої основи 1. Запропонована система стеження за Сонцем працює на такий спосіб. Добове обертання параболоциліндричних концентраторів сонячної енергії 3 здійснюється за допомогою синхронного мотор-редуктора 8, з яким вони зв'язані шліцьовим валом 6 через черв'яки 5. Частота обертання параболоциліндричних концентраторів 3 становить 1 оберт за 24 години, таким чином вони і вдень, і вночі обертаються разом із Сонцем. Річне обертання параболоциліндричних концентраторів сонячної енергії 3, зв'язаних шліцьовим валом 6 через черв'яки 5, здійснюється через редуктор 10 з передаточним числом на ексцентрик 11, який через шатун 12 здійснює піднімання й опускання рухомої рами 2 на заданий кут ±23 27' відносно нерухомої основи 1. Враховуючи те, що вказаний кут нахилу у межах свого мінімального і максимального значень змінюється за 180 днів і повертається у точку відліку також за наступні 180 днів, змінюючи своє положення протягом кожної доби у межах від 0,18° до 0,23°, юстування концентраторів на таке зміщення відбувається за допомогою шліцьових муфт 7. Суттєва відмінність запропонованої системи стеження за Сонцем від раніше відомих полягає у використанні принципу автоматичного цілодобового й цілорічного обертання концентраторів сонячної енергії у двох площинах - за азимутом і за кутом нахилу земної осі. Вказана відмінність у сукупності із запропонованими конструктивними удосконаленнями забезпечує максимальну поглинаючу здатність концентраторів сонячної енергії. Жодна із відомих систем стеження за Сонцем не може мати вказаних відмінностей, оскільки взагалі не 3 UA 98379 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 передбачає автоматичного і автономного цілодобового обертання концентраторів сонячної енергії протягом цілого року. Таким чином, запропоновані у даному винаходу принцип роботи системи стеження за Сонцем та конструкція, що технологічно забезпечує його здійснення, приводять до якісно нового технічного результату, порівняно із відомими аналогами. Запропонована система стеження за Сонцем не містить у своєму складі жодних елементів чи матеріалів, які неможливо було б відтворити на сучасному етапі розвитку науки і техніки, зокрема, при виробництві геліотехнічних установок, а отже є придатною для промислового застосування. У відомих джерелах науково-технічної та іншої інформації не виявлено систем стеження за Сонцем із вказаною в пропозиції сукупністю суттєвих ознак, тому запропоноване технічне рішення відповідає критерію «новизна». Порівняльний аналіз запропонованого винаходу з відомим пристроєм, взятим за прототип, показав, що виконання системи стеження за Сонцем у вигляді механізму цілодобового і цілорічного обертання концентраторів енергії, яке досягається за рахунок системи редукторів з автономним живленням та технологічних засобів їх взаємозв'язку у вигляді системи шестерень, черв'яків, шліцьових валів і муфт, а також ексцентрика й шатуна, призводить до появи нових технічних якостей, зокрема таких: - спрощення конструкції, що досягається за рахунок відмови від реверсного механізму управління положенням концентраторів енергії відносно Сонця на користь повністю автоматизованого механізму цілодобового й цілорічного їх обертання; - суттєвого зниження витрат енергії на живлення постійно діючої автоматичної системи стеження порівняно із системою, яка з припиненням надходження світлового потоку повертається у вихідне положення, що всупереч логіці й здоровому глузду стало можливим завдяки оптимізації споживання акумульованої енергії на одиницю часу й усуненні зайвих витрат на функціонування автоматичних пристроїв для здійснення реверсу; - збільшення корисної площі поверхні для установки більшої кількості концентраторів сонячної енергії, що реалізується завдяки відмові від механічного приводу і недосконалої конфігурації опорних стійок, а натомість використання електричного приводу з функціональним розташуванням технологічно зв'язаних з ним елементів на поверхні опорної рами; - підвищення точності орієнтації концентраторів енергії одночасно в зенітному і азимутному напрямках, а отже і їх поглинаючої здатності, що досягається завдяки відмові від ручного налаштування. Оскільки ці властивості не були встановлені раніше із існуючого рівня техніки, можна зробити висновок про відповідність запропонованого технічного рішення критерію «винахідницький рівень». Після опису запропонованого технічного рішення фахівцям у даній галузі знань повинно бути наочним, що все вищеописане є лише ілюстративним, а не обмежувальним, будучи представленим даним прикладом. Численні можливі варіанти виконання запропонованої системи стеження за Сонцем, зокрема кількість встановлених черв'ячних пар і, відповідно, концентраторів сонячної енергії, розміри нерухомої і рухомої рам тощо можуть змінюватися залежно від бажаної енергоємності геліоустановки та, зрозуміло, знаходяться в межах об'єму одного із звичайних підходів в даній області знань, і розглядаються такими, що знаходяться в межах об'єму запропонованого технічного рішення. Квінтесенцією запропонованого технічного рішення є те, що система стеження за Сонцем представлена у вигляді механізму цілодобового і цілорічного обертання концентраторів енергії, яке досягається за рахунок системи редукторів з автономним живленням та технологічних засобів їх взаємозв'язку, завдяки чому і досягається технічний результат. Зміна запропонованих параметрів системи стеження за Сонцем на інші, природно, обмежує спектр переваг, перерахованих вище, і не може вважатися новим технічним рішенням в даній області знань, оскільки інші подібні конструкції вже не вимагатимуть будь-якого творчого підходу від інженерівконструкторів, і не можуть вважатися результатами їх творчої діяльності або новими об'єктами інтелектуальної власності, відповідними до захисту охоронними документами. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 55 60 Система автоматичного цілорічного стеження за Сонцем по азимуту та куту піднесення, яка заснована на розрахунково-постійних характеристиках, що відповідають географічному місцю установки концентратора енергії та зміні висоти Сонця протягом дня з урахуванням пори року, та включає механічний привод повороту концентратора сонячної енергії, яка відрізняється тим, що механізм приводу для цілодобового і цілорічного автоматичного обертання 4 UA 98379 C2 5 10 концентратора сонячної енергії містить меридіонально закріплену нерухому раму з шарнірно прикріпленою до неї рухомою рамою, яка виконана з можливістю повороту у вертикальній площині меридіана та містить установлені на ній з можливістю обертання параболоциліндричні концентратори сонячної енергії, що мають у своїх фокусах адсорбери, та зв'язані з шестернями, зачепленими з черв'яками з утворенням черв'ячних пар, при цьому черв'яки насаджені на загальний шліцьовий вал, який через шліцьову муфту зв'язаний із синхронним моторредуктором, а остання черв'ячна пара через аналогічну шліцьову муфту зв'язана з редуктором, що має передаточне число 1:365, вихідний вал якого зв'язаний з ексцентриком, котрий через шатун здійснює піднімання й опускання рухомої рами на заданий кут відносно нерухомої основи. Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5