PL248560B1 - Urządzenie nadążne - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie nadążne, zwłaszcza urządzenie nadążne w instalacji paneli słonecznych.

W celu najpełniejszego wykorzystania energii promieni słońca w okresie jego dobowych zmian na nieboskłonie korzystnym jest, aby wykorzystywany do tego celu panel fotowoltaiczny / kolektor cieplny nadążał za kierunkiem padania promieni słońca i w dowolnej chwili ustawiał się w takim przestrzennym położeniu orientacji kątowej, aby kierunek padających nań promieni był do jego powierzchni prostopadły. Panel powinien być zamocowany na wywyższeniu ponad gruntem tak, aby na drodze padających nań promieni słonecznych nie pojawiały się przeszkody. Panel / kolektor powinien być zamontowany np. na pionowym słupie i wyposażony w mechanizmy do samoczynnej zmiany kąta nachylenia panelu względem płaszczyzny poziomej oraz zmiany kąta obrotu względem osi pionowej dla nadążania za zmianą położenia słońca. W mechanizmach zmiany kąta obrotu w płaszczyźnie poziomej w tzw. trackerach solarnych stosuje się duże, ciężkie i masywne mechanizmy z przekładniami ślimakowymi o dużych średnicach napędzane silnikami elektrycznymi i montowane na słupach. Jest to rozwiązanie drogie, gdyż w produkcji takich przekładni wymagane jest wykorzystywanie zaawansowanych technik i technologii oraz drogiego parku maszynowego, a napęd wymaga stosowania silników elektrycznych dużej mocy o znacznym zużyciu energii potrzebnej do ich pracy.

Znane są rozwiązania, w których płaska rama z panelem jest ułoży skowana obrotowo w osi poziomej na podstawie, a do zmiany kąta w płaszczyźnie pionowej względem płaszczyzny poziomej służy siłownik liniowy, który jednym końcem jest przegubowo zamontowany do podstawy a drugim ruchomym końcem jest przegubowo połączony z ramą mocującą panel w ten sposób, że podczas zmiany długości siłownika liniowego zmianie ulega kąt nachylenia panelu względem płaszczyzny poziomej. Sposób realizacji tego napędu powoduje, że zakres możliwego kąta obrotu jest ograniczony do ok. 120-140 stopni kątowych.

Znane są rozwiązania mechanizmów obrotu dla śledzenia kierunku promieni słońca, w których zastosowano liniowy siłownik elektryczny z przekładnią śrubową. Taki siłownik jest jednym końcem przegubowo zamocowany do nieruchomej podstawy urządzenia a drugim końcem wysuwnego tłoczyska jest przegubowo zamocowany do korby związanej sztywno z ramą napędzanego panelu solarnego. Siłownik realizuje obrót panelu solarnego względem osi pionowej w ten sposób, że gdy siłownik zmienia swoją długość, to związana z nim korba zmienia swoje położenie kątowe względem osi zamocowania na podstawie i wraz z nią panel solarny obraca się podążając za padającymi nań promieniami słońca. Rozwiązanie takie ma swoje zalety gdyż jest proste w konstrukcji, łatwe w obsłudze, wymaga małej mocy napędu, zużywa mało energii, jest tanie w produkcji i eksploatacji i jest niezawodne. Natomiast jego niedostatkiem jest fakt, że siłownik napędzający korbę może efektywnie wytwarzać moment napędzający w ograniczonym zakresie kąta obrotu korby i przy próbach zwiększenia kąta poza wyznaczone granice powyżej ok. 120-140 stopni kątowych mechanizm traci sztywność, nie daje się sterować jego położeniem kątowym i mechanizm może ulec zablokowaniu a nawet uszkodzeniu.

Przykładowo, w dokumencie DE102010031876A1 ujawniono system nadążny do regulacji czterokołowych paneli słonecznych, posiadający układ modułów ustawianych zgodnie z położeniem słońca za pomocą siłowników liniowych, na różnych punktach obciążenia. W omawianym systemie, do ustawionego pionowo elementu osadczego, poprzez oprawę łożyska, zamocowana jest poziomo i obrotowo pierwsza belka podporowa o pionowej osi obrotu, zaś do pierwszej belki podporowej poprzez co najmniej dwa przeguby zawiasowe zamocowany jest element wsporczy z panelami słonecznymi. Po przeciwległej stronie, względem mocowania przegubów zawiasowych, pierwszej belki podporowej na jej pierwszym końcu zamocowana jest pierwsza podpora, na której zamocowany jest pierwszy napęd połączony z pierwszym końcem pierwszego siłownika, zaś drugi koniec pierwszego siłownika połączony jest ruchomo do elementu osadczego. Ponadto, w pobliżu pierwszego końca pierwszej belki podporowej zamocowana jest prostopadle pierwszym końcem druga belka podporowa, zaś na jej drugim końcu zamocowana jest druga podpora, do której zamocowany jest drugi napęd połączony z pierwszym końcem drugiego siłownika. Z kolei drugi koniec drugiego siłownika połączony jest ruchomo z elementem wsporczym, powyżej pierwszej belki podporowej.

Zgodnie z opisem wzoru użytkowego PL129483U1 znany jest również tracker panelu ogniw fotowoltaicznych, wyposażony w belkę podporową, połączoną z pionowym słupem. Do górnej części pionowego słupa, połączonego rozłącznie z betonową podstawą, mocowany jest rozłącznie motoreduktor o osi obrotu równoległej do osi pionowego słupa, natomiast od góry słup połączony jest z zespołem belki poziomej. Belka pozioma na swych końcach, poprzez łożyska, połączona jest obrotowo z ramą panelu. Tracker dodatkowo posiada napęd elektryczny oraz siłownik, którego cylinder połączony jest obrotowo z modułem środkowym zespołu belki poziomej, zabudowanym prostopadle do belki poziomej. Tłoczysko siłownika elektrycznego połączone jest z kolei obrotowo z elementem ramy panelu.

Dodatkowo, z dokumentów WO2012014236A1 oraz US2008017784A1 znane są płytki dla paneli słonecznych z układem fotokomórek światłoczułych przesłoniętych względem siebie nieprzepuszczającą światła przesłoną w kształcie litery X.

Żadne z powyżej wymienionych rozwiązań mechanizmów obrotu trackerów solarnych, w szczególności napędzanych mechanizmami z siłownikami o ruchu liniowym nie zapewnia potrzeb, zwłaszcza dotyczących wysokiej sprawności chwilowej i ogólnej wydajności dobowej przetwarzania energii promieni słonecznych na energię elektryczną czy cieplną.

Celem wynalazku jest wykorzystanie maksymalnego zakresu kąta zataczanego przez słońce na nieboskłonie w ruchu dobowym nie przekraczające 260°-280° umożliwiając maksymalizację wynikowej sprawności chwilowej jak i maksymalizację wydajności dobowej w pełnym okresie dobowym oraz w całym cyklu rocznym jego użytkowania. Wynalazek mimo zastosowania siłowników liniowych, charakteryzuje się dużym zakresem kąta obrotu w osi pionowej, co pozwala na znaczną poprawę sprawności pozyskiwania energii promieniowania słonecznego oraz w istotny sposób zwiększa wydajność pracy solarnego systemu fotowoltaicznego / cieplnego w pełnym okresie dobowym operowania słońca w okresie całego roku.

Urządzenie nadążne, zawierające element osadczy, co najmniej jedną belkę, co najmniej jeden siłownik oraz czujnik światła, przy czym belka jest zamocowana obrotowo do elementu osadczego, zaś do belki zamocowany jest element wsporczy a na nim panele słoneczne, charakteryzuje się tym, że do skierowanego pionowo elementu osadczego poprzez oprawę łożyska zamocowana jest poziomo i obrotowo pierwsza belka podporowa o pionowej osi obrotu. Do pierwszej belki podporowej poprzez co najmniej dwa przeguby zawiasowe zamocowany jest element wsporczy z panelami słonecznymi a po przeciwległej stronie, względem mocowania przegubów zawiasowych, pierwszej belki podporowej na jej pierwszym końcu zamocowana jest pierwsza podpora, na której zamocowany jest pierwszy napęd połączony z pierwszym końcem pierwszego siłownika. Drugi koniec pierwszego siłownika połączony jest ruchomo poprzez pierwsze widełki z pierwszym końcem wahacza zdawczego, który to wahacz zdawczy zamocowany jest drugim końcem poprzez drugie widełki do pierwszej belki podporowej, zasadniczo na jej środku, przy czym pierwszy koniec wahacza zdawczego jest także zamocowany poprzez łącznik sztywny do pierwszego końca łącznika zdawczego, który swoim drugim końcem poprzez ruchomy trzpień zamocowany jest do elementu osadczego. Z kolei w pobliżu drugiego końca pierwszej belki podporowej zamocowana jest prostopadle pierwszym końcem druga belka podporowa, zaś na jej drugim końcu zamocowana jest druga podpora, do której zamocowany jest drugi napęd połączony z pierwszym końcem drugiego siłownika. Drugi koniec drugiego siłownika połączony jest ruchomo poprzez trzecie widełki z elementem wsporczym, powyżej pierwszej belki podporowej. Natomiast na elemencie wsporczym w pobliżu krawędzi panelu słonecznego zamocowana jest płytka podstawy, a na niej znajduje się układ fotokomórek przesłoniętych względem siebie nieprzepuszczającą światła przesłoną w kształcie litery X.

Korzystnie, układ fotokomórek zawiera pierwszą fotokomórkę i drugą fotokomórkę, które są w płaszczyźnie poziomej oraz trzecią fotokomórkę i czwartą fotokomórkę, które są w płaszczyźnie pionowej.

Korzystnie, pierwszy napęd oraz drugi napęd są napędami elektrycznymi.

Korzystnie, element osadczy jest mocowany do słupa poprzez śruby.

Korzystnie, element wsporczy stanowi belkową kratownicę.

Korzystnie, panele słoneczne mają postać paneli fotowoltaicznych.

Korzystnie, panele słoneczne mają postać kolektorów słonecznych.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania został uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia urządzenie nadążne wraz z panelami fotowoltaicznymi, fig. 2 urządzenie nadążne w zbliżeniu, a fig. 3 układ fotokomórek zamocowany na konstrukcji wsporczej paneli fotowoltaicznych.

Przykład wykonania przedmiotowego wynalazku uwidoczniony na fig. 1 i fig. 2 przedstawia urządzenie nadążne, w którym element osadczy 2 umożliwiający osadzenie konstrukcji zamocowany jest do słupa 1 poprzez śruby 1a. Do skierowanego pionowo elementu osadczego 2 poprzez oprawę 3 łożyska zamocowana jest poziomo i obrotowo pierwsza belka podporowa 4 o pionowej osi obrotu. Do pierwszej belki podporowej 4 poprzez cztery przeguby zawiasowe 5 zamocowany jest element wsporczy 6 z panelami słonecznymi 7 mającymi postać paneli fotowoltaicznych. Po przeciwległej stronie, względem mocowania przegubów zawiasowych 5, pierwszej belki podporowej 4 na jej pierwszym końcu 4a zamocowana jest pierwsza podpora 8, na której zamocowany jest pierwszy napęd 9 elektryczny, połączony z pierwszym końcem 10a pierwszego siłownika 10. Drugi koniec 10b pierwszego siłownika 10 połączony jest ruchomo poprzez pierwsze widełki 11 z pierwszym końcem 12a wahacza zdawczego 12, który to wahacz zdawczy 12 zamocowany jest drugim końcem 12b poprzez drugie widełki 13 na środku pierwszej belki podporowej 4. Pierwszy koniec 12a wahacza zdawczego 12 jest także zamocowany poprzez łącznik sztywny 14 do pierwszego końca 15a łącznika zdawczego 15, który swoim drugim końcem 15b poprzez ruchomy trzpień 16 zamocowany jest do elementu osadczego 2. Z kolei w pobliżu drugiego końca 4b pierwszej belki podporowej 4 zamocowana jest prostopadle pierwszym końcem 17a druga belka podporowa 17, zaś na jej drugim końcu 17b zamocowana jest druga podpora 18, do której zamocowany jest drugi napęd 19 elektryczny połączony z pierwszym końcem 20a drugiego siłownika 20, a drugi koniec 20b drugiego siłownika 20 połączony jest ruchomo poprzez trzecie widełki 21 z elementem wsporczym 6, powyżej pierwszej belki podporowej 4. Z kolei na elemencie wsporczym 6 w pobliżu krawędzi panelu słonecznego 7 zamocowana jest płytka podstawy 22, a na niej znajduje się układ fotokomórek 23.

Na fig. 3 uwidoczniony jest układ fotokomórek 23 wykorzystywanych do automatycznego sterowania orientacją kątową urządzenia nadążnego. Układ fotokomórek 23 przesłonięty jest względem siebie nieprzepuszczającą światła przesłoną 24 w kształcie litery X, zawiera pierwszą fotokomórkę 23a i drugą fotokomórkę 23b, które są w płaszczyźnie poziomej oraz trzecią fotokomórkę 23c i czwartą fotokomórkę 23d, które są w płaszczyźnie pionowej. Podczas padania światła słonecznego na układ fotokomórek 23, wytwarzają one sygnały napięciowe o poziomie wartości zależnym od aktualnego chwilowego natężenia światła słonecznego padającego na ich elementy światłoczułe. Jeśli w chwilowym położeniu płaszczyzna paneli słonecznych 7 jest ustawiona prostopadle do kierunku padających promieni słonecznych, to wartości sygnałów napięciowych pierwszej fotokomórki 23a i drugiej fotokomórki 23b są takie same. Wtedy pierwszy napęd 9 oraz siłownik 10 na kierunku poziomym pozostają w spoczynku oraz ponieważ również wartości sygnałów napięciowych trzeciej fotokomórki 23c i czwartej fotokomórki 23d są takie same, więc urządzenie nadążne na kierunku zmiany kąta względem poziomu drugiego napędu 19 oraz drugiego siłownika 20 również pozostają w spoczynku. Natomiast jeśli po upływie pewnego czasu położenie słońca na nieboskłonie się zmieni, to jedna z pierwszej fotokomórki 23a lub drugiej fotokomórki 23b zostanie częściowo przesłonięta przesłoną 24 i w układzie porównywania sygnałów tej pary fotokomórek powstanie różnica napięć wytwarzająca sygnał sterujący pierwszym napędem 9 i pierwszym siłownikiem 10 do obrotu względem osi pionowej na kierunku poziomym co spowoduje obrócenie paneli słonecznych 7 względem tej osi o pewien kąt i ponowne odsłonięcie przesłoniętej wcześniej fotokomórki. Podobnie, jeśli słońce przed południem zmieni swoją wysokość położenia na nieboskłonie w górę, to trzecia fotokomórka 23c zostanie przysłonięta przysłoną 24 i różnica napięć trzeciej fotokomórki 23c i czwartej fotokomórki 23d wytworzy sygnał dla drugiego napędu 19 i drugiego siłownika 20 do zmiany kąta nachylenia względem poziomu i ten drugi napęd 19 skoryguje położenie paneli słonecznych 7 zmniejszając ich kąt względem poziomu. Po południu, gdy słońce zacznie zmieniać swoją wysokość w dół, czwarta fotokomórka 23d zostanie przysłonięta przysłoną 24 i różnica napięć trzeciej fotokomórki 23c i czwartej fotokomórki 23d wytworzy sygnał dla drugiego napędu 19 i drugiego siłownika 20 do zmiany kąta nachylenia względem poziomu na taką wartość, że ten drugi siłownik 19 skoryguje położenie paneli słonecznych 7 zwiększając ich kąt względem poziomu. W ten sposób, w kolejnych chwilach czasu pierwszy siłownik 10 obrotu poziomego sterowany sygnałem różnicowym pierwszej fotokomórki 23a i drugiej fotokomórki 23b oraz drugi napęd 19 nachylenia paneli słonecznych 7 względem poziomu sterowany sygnałem różnicowym trzeciej fotokomórki 23c i czwartej fotokomórki 23d sukcesywnie będą ustawiały wynikowe położenie orientacji kątowej paneli słonecznych 7 zarówno w płaszczyźnie poziomej jak i w płaszczyźnie pionowej względem poziomu na kierunek orientacji jak najbardziej zbliżony do prostopadłego do kierunku padających promieni słonecznych.

Urządzenie nadążne według wynalazku może być wykorzystywane w konstrukcjach, których zadaniem jest nadążanie za kierunkiem promieni słońca padających na powierzchnię płaską ramy z umieszczonymi na niej panelami fotowoltaicznymi albo solarnymi kolektorami cieplnymi. Urządzenie może być napędzane liniowymi siłownikami elektrycznymi albo płynowymi.

Claims (7)

1. Urządzenie nadążne, zawierające element osadczy, co najmniej jedną belkę, co najmniej jeden siłownik oraz czujnik światła, przy czym belka jest zamocowana obrotowo do elementu osadczego, zaś do belki zamocowany jest element wsporczy a na nim panele słoneczne, znamienne tym, że do skierowanego pionowo elementu osadczego (2) poprzez oprawę (3) łożyska zamocowana jest poziomo i obrotowo pierwsza belka podporowa (4) o pionowej osi obrotu, zaś do pierwszej belki podporowej (4) poprzez co najmniej dwa przeguby zawiasowe (5) zamocowany jest element wsporczy (6) z panelami słonecznymi (7), a po przeciwległej stronie, względem mocowania przegubów zawiasowych (5), pierwszej belki podporowej (4) na jej pierwszym końcu (4a) zamocowana jest pierwsza podpora (8), na której zamocowany jest pierwszy napęd (9) połączony z pierwszym końcem (10a) pierwszego siłownika (10), zaś drugi koniec (10b) pierwszego siłownika (10) połączony jest ruchomo poprzez pierwsze widełki (11) z pierwszym końcem (12a) wahacza zdawczego (12), który to wahacz zdawczy (12) zamocowany jest drugim końcem (12b) poprzez drugie widełki (13) do pierwszej belki podporowej (4), zasadniczo na jej środku, przy czym pierwszy koniec (12a) wahacza zdawczego (12) jest także zamocowany poprzez łącznik sztywny (14) do pierwszego końca (15a) łącznika zdawczego (15), który swoim drugim końcem (15b) poprzez ruchomy trzpień (16) zamocowany jest do elementu osadczego (2), z kolei w pobliżu drugiego końca (4b) pierwszej belki podporowej (4) zamocowana jest prostopadle pierwszym końcem (17a) druga belka podporowa (17), zaś na jej drugim końcu (17b) zamocowana jest druga podpora (18), do której zamocowany jest drugi napęd (19) połączony z pierwszym końcem (20a) drugiego siłownika (20), a drugi koniec (20b) drugiego siłownika (20) połączony jest ruchomo poprzez trzecie widełki (21) z elementem wsporczym (6), powyżej pierwszej belki podporowej (4), z kolei na elemencie wsporczym (6) w pobliżu krawędzi panelu słonecznego (7) zamocowana jest płytka podstawy (22), a na niej znajduje się układ fotokomórek (23) przesłoniętych względem siebie nieprzepuszczającą światła przesłoną (24) w kształcie litery X.

2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że układ fotokomórek (23) zawiera pierwszą fotokomórkę (23a) i drugą fotokomórkę (23b), które są w płaszczyźnie poziomej oraz trzecią fotokomórkę (23c) i czwartą fotokomórkę (23d), które są w płaszczyźnie pionowej.

3. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że pierwszy napęd (9) oraz drugi napęd (19) są napędami elektrycznymi.

4. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że element osadczy (2) jest mocowany do słupa (1) poprzez śruby (1a).

5. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że element wsporczy (6) stanowi belkową kratownicę.

6. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że panele słoneczne (7) mają postać paneli fotowoltaicznych.

7. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że panele słoneczne (7) mają postać kolektorów słonecznych.