RU2090777C1

RU2090777C1 - Solar tracking system

Info

Publication number: RU2090777C1
Application number: RU93009397A
Authority: RU
Inventors: Ефим Ефимович Волков
Original assignee: Ефим Ефимович Волков
Priority date: 1993-02-18
Filing date: 1993-02-18
Publication date: 1997-09-20

Abstract

FIELD: solar engineering; tracking systems for plants converting energy of sun rays into electricity, heat, and other kinds of energy; solar collectors and cells, mirrors of solar-electric power plants solar compasses, weather heliographs, etc. SUBSTANCE: system depends for its operation on directed sun flux which heats up heat-sensing elements of high coefficient of linear thermal (volumetric) expansion. Ecliptic-oriented heat-sensing elements are assembled into two sun-tracking units forming tracking mechanism with respect to cardinal points relative to vertical axis and tracking mechanism with respect to altitude above horizon relative to horizontal axis. Due to temperature difference, extensions of heat-sensing elements cause lilting of screw platforms corresponding to motion of the Sun tracked by rolls and mechanically transmitted to oriented axes coupled with auxiliary solar element. EFFECT: improved design. 9 cl, 12 dwg

Description

Изобретение относится к гелиотехнике и может быть использовано в качестве следящей системы в установках, преобразующих лучистую энергию Солнца в электроэнергию, тепло и другие формы: в ориентируемых солнечных коллекторах, солнечных батареях; зеркалах солнечных ТЭС, солнечном компасе, метеорологических гелиографах и т.д. The invention relates to solar engineering and can be used as a tracking system in installations that convert the radiant energy of the Sun into electricity, heat and other forms: in oriented solar collectors, solar panels; mirrors of solar thermal power plants, solar compass, meteorological heliographs, etc.

Известны устройства слежения за Солнцем с применением оптико-электронных и тепловых датчиков, электромеханических приводов, часовых механизмов. Known devices for tracking the sun using optoelectronic and thermal sensors, electromechanical drives, clockwork.

Известны также устройства по принципу работы регуляторов прямого действия с применением термочувствительных элементов, основанных на тепловом расширении (удлинении) жидкостей, газов, твердых тел, деформации биметаллических элементов, элементов из материалов с термопамятью. При их работе непосредственно используется тепловая энергия регулируемой среды или источника тепловой энергии. Датчик температуры или термочувствительный элемент (ТЧЭ) является одновременно исполнительным механизмом устройства. Also known are devices based on the principle of operation of direct-acting controllers using heat-sensitive elements based on the thermal expansion (elongation) of liquids, gases, solids, deformation of bimetallic elements, elements made of materials with thermal memory. During their work, the thermal energy of a controlled environment or a source of thermal energy is directly used. A temperature sensor or a thermosensitive element (TEC) is at the same time an actuator of the device.

Преимущества первых устройств достаточная точность работы; вторых - простота конструкции, автономность и надежность в работе. The advantages of the first devices are sufficient accuracy; second - simplicity of design, autonomy and reliability in operation.

Недостатки первых значительная стоимость оптико-электронных систем и их эксплуатации, необходимость в электропитании приводов, введения поправок на сезонную высоту склонения Солнца; вторых недостаточная чувствительность и, следовательно, точность слежения за Солнцем, частичная или полная потеря работоспособности при переменном режиме освещенности Солнцем. The disadvantages of the first are the significant cost of optoelectronic systems and their operation, the need for power supply to the drives, the introduction of amendments to the seasonal declination height of the Sun; secondly, insufficient sensitivity and, consequently, accuracy of tracking the Sun, partial or complete loss of working capacity under the variable regime of illumination by the Sun.

Наиболее близким аналогом из числа известных устройств вышеуказанных типов является термомеханическая, самонаводящаяся система слежения за Солнцем, состоящая из механизма отслеживания по сторонам света, имеющего стационарное горизонтальное основание с неподвижно закрепленной перпендикулярной ему осью и сопряженную с ней, через шарикоподшипники, вертикально ориентируемую ось, а также из установленного на последней механизма отслеживания по высоте над горизонтом, имеющего основание и перпендикулярную его плоскости и сопряженную с ним, через шарикоподшипники, горизонтально ориентируемую ось, к которой крепится технологический гелиоэлемент, при этом каждый механизм отслеживания снабжен термочувствительными элементами, содержащими материал с большим удельным коэффициентом температурного расширения [1]
Недостаток известного технологического решения состоит в том, что данная установка плохо приспособлена для эксплуатации в естественных условиях, поскольку ТЧЭ в ее конструкции, кроме направленности потока солнечных лучей, также реагирует на переменную годовую, дневную, облачную интенсивность солнечного излучения. При любом дополнительном увеличении солнечного потока произойдет "переориентация" гелиоэлемента относительно Солнца, а при уменьшении "недоориентация". Таким образом, будет происходить неадекватная ориентация гелиоэлемента относительно Солнца по сезонам года, часам дня, а также к рысканию при переменной облачности.The closest analogue among the known devices of the above types is a thermomechanical, self-guided tracking system for tracking the Sun, consisting of a tracking mechanism on the cardinal points, having a stationary horizontal base with an axis fixed perpendicular to it and paired with it through ball bearings, a vertically oriented axis, and from the tracking mechanism installed on the latter over the horizon above the horizon, having a base and perpendicular to its plane and conjugated with they, through ball bearings, have a horizontally oriented axis to which the process solar element is attached, and each tracking mechanism is equipped with thermosensitive elements containing material with a large specific coefficient of thermal expansion [1]
A disadvantage of the known technological solution is that this installation is poorly adapted for operation in natural conditions, since the TEC in its design, in addition to directing the flow of sunlight, also responds to variable annual, daylight, and cloudy solar radiation intensities. With any additional increase in the solar flux, a "reorientation" of the solar cell relative to the Sun will occur, and with a decrease in "misorientation". Thus, an inadequate orientation of the solar cell relative to the Sun will occur according to the seasons of the year, hours of the day, and also to yaw with variable cloud cover.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание такой системы слежения за Солнцем (относящейся ко второму типу устройств), которая наряду с автономностью и надежностью работы обеспечивает повышение чувствительности, точности и стабильности ориентации. The technical result of the present invention is the creation of such a tracking system for the Sun (related to the second type of device), which, along with autonomy and reliability, provides increased sensitivity, accuracy and stability of orientation.

Указанный технический результат достигается тем, что в описанной выше термомеханической, самонаводящейся системе слежения за Солнцем каждый механизм отслеживания снабжен диском перекоса и устройством отслеживания максимального угла перекоса, включающим в себя ролик качения по поверхности указанного диска со средством обеспечения прижима ролика к диску, кинематически связанный через ось-водило с ориентируемой осью механизма отслеживания, причем термочувствительные элементы сопряжены по схеме люфтового соединения с каждым из дисков перекоса с шагом по его окружности и прикреплены: к основанию механизма отслеживания по сторонам света по эллипсообразующей кривой, соответствующей положению эклиптики на данной местной широте, а к основанию механизма отслеживания по высоте над горизонтом по окружности, при этом термочувствительные элементы снабжены узлами корректировки длины рабочих органов, а на основаниях установлены светоэкранирующие юбки. The indicated technical result is achieved by the fact that in the above-described thermomechanical, self-guided tracking system for tracking the Sun, each tracking mechanism is equipped with a skew disk and a device for tracking the maximum skew angle, including a roller on the surface of the specified disk with a means of securing the roller against the disk, kinematically connected through drive axle with an orientable axis of the tracking mechanism, and the heat-sensitive elements are interfaced according to the pattern of backlash connection with each of the disco skew with a step along its circumference and are attached: to the base of the tracking mechanism on the cardinal points in an ellipsoid curve corresponding to the position of the ecliptic at a given local latitude, and to the base of the tracking mechanism in height above the horizon around the circumference, while the heat-sensitive elements are equipped with nodes for adjusting the length of the working bodies , and light-shielding skirts are installed on the bases.

Кроме того, в данной системе каждый термочувствительный элемент может быть выполнен в виде полосы из твердого материала с большим удельным коэффициентом температурного удлинения, имеющей плоскую, зачерненную рабочую поверхность. In addition, in this system, each heat-sensitive element can be made in the form of a strip of solid material with a large specific coefficient of thermal elongation, having a flat, blackened working surface.

При этом указанные светоэкранирующие юбки каждого механизма отслеживания могут быть снабжены направляющими поясами для дополнительного крепления термочувствительных элементов с возможностью их продольного перемещения. Moreover, these light-shielding skirts of each tracking mechanism can be equipped with guide belts for additional fastening of thermosensitive elements with the possibility of their longitudinal movement.

В частном варианте исполнения системы каждый термочувствительный элемент содержит корпус с деталями крепления к механизму отслеживания и вложенными в него плоско-параллельно полосами из твердого материала с большим удельным коэффициентом температурного удлинения с установленными с возможностью продольного перемещения, а также образующими плоский пакет и соединенными между собой с тыльной стороны, по телескопической схеме, полосами твердого материала с малым или отрицательным удельным коэффициентом температурного удлинения. In a particular embodiment of the system, each temperature-sensitive element comprises a housing with fastening parts to the tracking mechanism and flat-parallel strips of solid material with a large specific coefficient of thermal elongation embedded in it, installed with the possibility of longitudinal movement, as well as forming a flat bag and interconnected with the rear side, according to the telescopic scheme, with strips of solid material with a small or negative specific coefficient of temperature elongation.

При этом термочувствительные элементы могут быть выполнены в виде устройств с термообъемным расширением жидкости, каждое из которых содержит герметичную емкость с плоской зачерненной световоспринимающей поверхностью, снабженную устройством заливки и корректировки рабочего объема жидкости и, по меньшей мере, одной сообщающей трубкой с рабочим органом в виде сильфона. In this case, the thermosensitive elements can be made in the form of devices with thermo-volume expansion of the liquid, each of which contains a sealed container with a flat blackened light-receiving surface, equipped with a device for filling and adjusting the working volume of the liquid and at least one communicating tube with a working body in the form of a bellows .

В другом варианте исполнения каждый термочувствительный элемент механизма отслеживания по сторонам света содержит несколько сообщающих трубок, соединенных с соответствующими рабочими органами- сильфонами, предназначенными для установки, по одному на равном им количестве систем слежения за Солнцем, работающих синхронно, при этом термочувствительные элементы выполнены с возможностью установки на одной из систем слежения за Солнцем или отдельно от указанной системы. In another embodiment, each thermally sensitive element of the tracking mechanism to the cardinal directions contains several communicating tubes connected to the corresponding working bodies-bellows intended for installation, one each on an equal number of solar tracking systems operating simultaneously, while the thermosensitive elements are made with the possibility of installation on one of the systems for tracking the Sun or separately from the specified system.

В данной системе диск перекоса каждого механизма отслеживания может быть сопряжен с рабочими органами термочувствительных элементов через заклинивающие механизмы, снабженные креплением к диску перекоса посредством карданной подвески. In this system, the skew disk of each tracking mechanism can be paired with the working bodies of thermosensitive elements through jamming mechanisms equipped with a mount to the skew disk by means of a gimbal.

Система может содержать в качестве технологического гелиоэлемента отражающие зеркальные поверхности для наведения солнечных лучей на стационарный гелиоприемник, при этом в каждом механизме отслеживания ось-водило ролика качения сопряжена с соответствующей ориентируемой осью кинематическим устройством, понижающим угловую скорость ориентации в два раза. The system may contain reflecting mirror surfaces as a technological solar cell for directing sunlight to a stationary solar collector, while in each tracking mechanism the axis-carrier of the rolling roller is coupled to a corresponding orientable axis by a kinematic device that reduces the angular velocity of orientation by half.

Наконец, механизм отслеживания по сторонам света может быть снабжен устройством возврата ролика качения и, через ось-водило вертикально ориентируемой оси в "утреннее" исходное положение, включающим в себя подвижный сегмент, расположенный под роликом качения, конец которого в западном секторе прикреплен шарнирно к диску перекоса; конец сегмента в восточном секторе, снизу подперт пружиной через отверстие, выполненное в диске перекоса, а сверху сильфоном, соединенным сообщающей трубкой с термочувствительным элементом с жидкостью, размещенном на освещенной стороне механизма отслеживания и имеющим заливочное и корректирующее приспособления. Finally, the tracking mechanism on the cardinal points can be equipped with a device for returning the rolling roller and, through the axis, drove the vertically oriented axis to the "morning" initial position, including a movable segment located under the rolling roller, the end of which in the western sector is hinged to the disk skew; the end of the segment in the eastern sector is supported by a spring from below through an opening made in the skew disk, and from above by a bellows connected by a connecting tube to a thermosensitive element with liquid, placed on the illuminated side of the tracking mechanism and having filling and corrective devices.

На фиг.1 изображен механизм отслеживания Солнца по сторонам света, общий вид; на фиг.2 механизм отслеживания Солнца по сторонам света, вид сверху; на фиг.3 механизм отслеживания Солнца по высоте над горизонтом; на фиг.4 - конструкция трехступенчатого термочувствительного элемента пакетного типа; на фиг. 5 конструкция четырехступенчатого симметричного термочувствительного элемента пакетного типа; на фиг. 6 конструкция жидкостного термочувствительного элемента (объемного расширения); на фиг.7 - схема-полуразвертка крепления на фиксированных штырях диска перекоса; на фиг.8 схема-полуразвертка крепления на освобождающихся штырях диска перекоса; на фиг.9 конструкция выключающегося (включающегося) заклинивающего механизма крепления диска перекоса; на фиг.10 кинематическая схема шестеренчатого двухступенчатого передаточного устройства; на фиг.11 кинематическая схема рычажного передаточного устройства; на фиг.12 схема устройства автоматического перевода следящей системы в исходное "утреннее" положение. Figure 1 shows the mechanism for tracking the Sun around the world, a general view; figure 2 mechanism for tracking the sun on the cardinal points, top view; figure 3 mechanism for tracking the Sun in height above the horizon; figure 4 - design of a three-stage heat-sensitive element of the batch type; in FIG. 5 design of a four-stage symmetrical heat-sensitive element of the batch type; in FIG. 6 design of a liquid heat-sensitive element (volume expansion); 7 is a diagram of a half-scan mounting on the fixed pins of the skew disk; on Fig scheme is a half-scan mounting on the released pins of the skew disk; Fig.9 design of the shutting down (turning on) jamming mechanism for mounting the skew disk; figure 10 kinematic diagram of a gear two-stage transmission device; figure 11 kinematic diagram of the lever transmission device; 12 is a diagram of a device for automatically transferring a servo system to its original "morning" position.

На фиг.1, 2 представлен механизм отслеживания Солнца по сторонам света, состоящий из горизонтального основания 1 с разметкой контура эллипса на ее поверхности. Фокусы эллипса строго сориентированы на север юг. В центре северного фокуса вертикально установлена стационарная ось 2. На стационарную ось 2 насажена ориентируемая, вращающаяся ось 3 в виде трубы с донцем 4, опорным 5 и радиальным 6 шарикоподшипниками. В щелевом отверстии 7 оси 2, на карданной подвеске 8 фиксируется диск перекоса 9. Диск перекоса 9 опирается штырями 11 в щелевые пазы 12 верхних концов термочувствительных элементов 13. ТЧЭ 13 расположены по верхней окружности с шагом (в 45^o). Нижние концы ТЧЭ 13 закреплены горизонтальными петлями 14 к основанию 1 по эллипсообразующей кривой, соответствующей ориентации ТЧЭ 13 по эклиптике на данной местной широте. Для возможности регулировки длины ТЧЭ 13, в их конструкции имеется узел корректировки 15 (винтовой, телескопический или муфтовый). К нижней части ориентируемой оси 3, к проушинам с горизонтальной осью 16 крепится ось-водило 17 с отвесом 18. Ось-водило 17 является осью ролика качения 19, сидящего на шарикоподшипнике 20. Для затенения ТЧЭ 13 от сквозных боковых лучей Солнца и придания им жесткости на основании 1 установлена экранирующая юбка 21 с направляющим поясом (ами) 22. На верхнем конце вращающейся оси 3 установлены крепежные узлы 23, к которым пристыкован механизм отслеживания Солнца по высоте над горизонтом 24.Figure 1, 2 shows the mechanism for tracking the Sun on the cardinal points, consisting of a horizontal base 1 with a marking of the contour of the ellipse on its surface. The focuses of the ellipse are strictly oriented north to south. A stationary axis 2 is vertically mounted in the center of the northern focus. An orientable, rotating axis 3 is mounted on the stationary axis 2 in the form of a pipe with a bottom 4, a supporting 5 and a radial 6 ball bearings. In the slotted hole 7 of the axis 2, on the gimbal suspension 8, the skew disk 9 is fixed. The skew disk 9 is supported by pins 11 in the slotted grooves 12 of the upper ends of the heat-sensitive elements 13. TCH 13 are located on the upper circle in increments of 45 ^o . The lower ends of the TCE 13 are fixed by horizontal loops 14 to the base 1 in an ellipsoid curve corresponding to the orientation of the TEC 13 in the ecliptic at a given local latitude. To be able to adjust the length of the TCE 13, their design has an adjustment unit 15 (screw, telescopic or coupling). The drive axle 17 with a plumb line 18 is attached to the bottom of the orientable axis 3, to the eyes with a horizontal axis 16. The axle carrier 17 is the axis of the rolling roller 19 sitting on the ball bearing 20. To shade the TCE 13 from the through lateral rays of the Sun and make them stiff on the base 1, a shielding skirt 21 is installed with guide belt (s) 22. At the upper end of the rotating axis 3, fixing nodes 23 are installed, to which the mechanism for tracking the Sun in height above horizon 24 is docked.

При равной температуре всех ТЧЭ 13 (в ночное время) диск перекоса 9 выставляется строго в горизонтальное положение (первоначально с помощью узлов корректировки 15, без люфтения между штырями 11 и нижними краями пазов 12). At the same temperature for all of the TECs 13 (at night), the skew disk 9 is set strictly horizontal (initially using the correction units 15, without any play between the pins 11 and the lower edges of the grooves 12).

При восходе Солнца "восточный" ТЧЭ 13, получая наибольший тепловой поток и удлиняясь, создает крен диска перекоса 9 с максимальным углом, проходящим через диаметрально противоположную наинизшую точку диска перекоса 9 и ось 2. При этом ролик качения 19 вместе с осью-водилом 17 и отвесом 18 займет соответствующее низшее положение "запад", устанавливая ориентируемую ось 3 вместе с механизмом 24 в соответствующее относительно Солнца положение. Синхронно дневному перемещению Солнца относительно оси 2(3) будет происходить плавное и поочередное перераспределение нагрева, а, следовательно, и длин ТЧЭ 13 (по синусоидальной зависимости относительно друг друга). В диаметрально противоположном направлении, стремясь за перемещающимся максимумом угла перекоса, движется ролик качения 19, поворачивая осью-водилом 17 ориентируемую ось 3. When the sun rises, the "eastern" TCE 13, receiving the greatest heat flux and lengthening, creates a roll of the skew disc 9 with a maximum angle passing through the diametrically opposite lowest point of the skew disc 9 and axis 2. The rolling roller 19 together with the carrier axis 17 and Plumb 18 will occupy the corresponding lowest position "West", setting the orientable axis 3 together with the mechanism 24 in the corresponding position relative to the Sun. Synchronously to the daytime movement of the Sun relative to axis 2 (3), a smooth and sequential redistribution of heating will occur, and, consequently, the lengths of the HSE 13 (according to a sinusoidal dependence relative to each other). In the diametrically opposite direction, striving behind the moving maximum of the skew angle, the rolling roller 19 moves, turning the axis 3 driven by the carrier axis 17.

На фиг. 3 (поз.24, фиг.1) представлен механизм отслеживания Солнца над горизонтом, состоящий из вертикального диска-основания 25, горизонтально ориентируемой оси 26 на опорном 27 и радиальном 28 шарикоподшипниках. По ободу основания 26 с шагом (в 45^o) жестко закреплены неподвижными концами ТЧЭ, имеющие узлы корректировки длины 30. На подвижных концах ТЧЭ 29, в прорезях свободно крепится диск перекоса 31 штырями 32. С внешней стороны диска перекоса 31, на ось 26 жестко крепится ступица 33 с осью-водилом 34, являющимся осью ролика качения 35. Ось-водило является пружинным элементом, прижимающим ролик качения 35 к диску перекоса 31. Возможно расположение деталей 33, 34, 35 с внутренней стороны диска 31, но с противоположным расположением упорного подшипника 27. Для придания жесткости всей конструкции на основании 25 установлена юбка 36 с направляющим поясом (ами) 37 для поддержания ТЧЭ 29. Противоположный торец юбки 36 сопряжен с осью 26 через шарикоподшипник 38. Для крепления механизма отслеживания Солнца по высоте над горизонтом к механизму по сторонам света имеются крепежные детали 39 на основании 25 и юбке 36.In FIG. 3 (pos. 24, FIG. 1), a mechanism is shown for tracking the Sun above the horizon, consisting of a vertical disk-base 25, a horizontally oriented axis 26 on the supporting 27 and radial 28 ball bearings. Along the rim of the base 26 with a step (45 ^o ) are rigidly fixed by the fixed ends of the HSE having length adjustment units 30. At the movable ends of the HSE 29, the slant disk 31 is freely fixed in the slots with 32 pins 32. On the outer side of the slant disk 31, the axis 26 is rigidly the hub 33 is attached with the carrier axis 34, which is the axis of the rolling roller 35. The carrier axis is a spring element pressing the rolling roller 35 against the skew disk 31. It is possible to arrange parts 33, 34, 35 on the inside of the disk 31, but with the opposite position of the thrust bearing 27. To give On the basis of the rigidity of the entire structure, a skirt 36 with a guide belt (s) 37 is installed on the base 25 to maintain the TFE 29. The opposite end of the skirt 36 is coupled to the axis 26 through a ball bearing 38. For fixing the Sun tracking mechanism above the horizon to the mechanism on the cardinal points 39 based on 25 and skirt 36.

Наладка конструкции заключается в достижении строгой перпендикулярности горизонтально ориентируемой оси 26 к диску перекоса 32, выравниванием рабочей длины всех ТЧЭ 29, посредством узлов корректировки 30, при условии равенства температуры всех ТЧЭ 29. Необходима также балансировка всех деталей и узлов, крепящихся к ориентируемой оси 26, относительно оси 26. The adjustment of the design consists in achieving a strict perpendicularity of the horizontally oriented axis 26 to the skew disk 32, by aligning the working length of all the HSE 29, by means of the adjustment nodes 30, provided that the temperature of all the HSE 29 is equal. It is also necessary to balance all parts and assemblies attached to the orientable axis 26. relative to axis 26.

При перемещении Солнца по высоте над горизонтом и относительно горизонтально ориентируемой оси 26, будет происходить поочередное перераспределение нагрева и, следовательно, изменение длин ТЧЭ 29, приводящее к перемещению максимума угла перекоса диска 31 и перемещению ролика качения 35. Отслеживание роликом качения 35 максимального угла наклона передается посредством оси-водила 34, горизонтально ориентируемой оси 26, которая поворачивается синхронно движению Солнца по высоте. When the Sun moves in height above the horizon and relative to the horizontally oriented axis 26, the heating will be redistributed one by one and, consequently, the change in the length of the HSE 29 will lead to the displacement of the maximum skew angle of the disk 31 and the movement of the rolling roller 35. Tracking by the rolling roller 35 of the maximum inclination angle is transmitted by means of the carrier axis 34, the horizontally oriented axis 26, which rotates synchronously with the movement of the Sun in height.

Принцип: ось-водило пружинящий элемент, может быть применен в механизме с вертикально ориентируемой осью. Principle: axle carrier spring element, can be used in a mechanism with a vertically oriented axis.

Отслеживающее устройство: диск перекоса, ось-водило, ролик качения - могут быть закрыты от загрязнения защитным кожухом. Tracking device: skew disk, carrier axle, rolling roller - can be closed from contamination by a protective casing.

Чувствительность и точность ориентации предлагаемой системы слежения за Солнцем зависит от удельного коэффициента линейного расширения α ТЧЭ, разности их температур DT на солнечной (T_с) и теневой (T_т) сторонах, а также их начальной длины l₀. Зависимость удлинения от этих величин выражается известной формулой:
Δl = l_c-l_т=αl_o(T_с-T_т).
Достаточное удлинение ТЧЭ при малых значениях удельного коэффициента температурного удлинения твердых тел и ограниченном перепаде температур можно получить лишь при большой начальной их длине l₀. Однако для конструкций приемлемых габаритов возможна длина ТЧЭ ≈ до 3 м. На фиг.4 и 5 представлены варианты компактных ТЧЭ пакетного типа.The sensitivity and orientation accuracy of the proposed tracking system for the Sun depends on the specific coefficient of linear expansion α TEC, the difference in their temperatures DT on the solar (T _s ) and shadow (T _t ) sides, as well as their initial length l ₀ . The dependence of elongation on these values is expressed by the well-known formula:
Δl = l _c -l _t = αl _o (T _c -T _t ).
A sufficient elongation of TCE for small values of the specific coefficient of temperature elongation of solids and a limited temperature difference can be obtained only with a large initial length l _{0 of this} . However, for structures of acceptable dimensions, a TCE length of ≈ up to 3 m is possible. Figures 4 and 5 show options for compact TCEs of a batch type.

На фиг.4 конструкция трехступенчатого ТЧЭ пакетного типа, состоящего из корпуса 41, трех термочувствительных пластин 42, 43, 44 с большим коэффициентом α_max, двух пластин 45 и 46 с минимальным коэффициентом α_min (показаны пунктирными линиями), поперечины 47, крепежных деталей 48.In Fig. 4, the design of a three-stage batch type HFE consisting of a housing 41, three heat-sensitive plates 42, 43, 44 with a large coefficient α _max , two plates 45 and 46 with a minimum coefficient α _min (shown by dashed lines), the cross member 47, fasteners 48.

Пластина 42 нижним концом прикреплена к нижнему торцу корпуса 41, верхний, свободно перемещающийся при удлинении конец пластины 42 соединен с тыльной стороны с верхним концом пластины 45. Нижний конец пластины 45 скреплен с нижним концом пластины 43, верхний конец 43 с верхним концом 46, нижний конец 46 с нижним концом 44, а верхний конец пластин 44 является выходным рабочим. Поперечины 47 удерживают пакет пластин в корпусе 41. The plate 42 with the lower end is attached to the lower end of the housing 41, the upper end of the plate 42 that moves freely during elongation is connected from the back to the upper end of the plate 45. The lower end of the plate 45 is bonded to the lower end of the plate 43, the upper end 43 to the upper end 46, lower the end 46 with the lower end 44, and the upper end of the plates 44 is the output working. The cross members 47 hold the package of plates in the housing 41.

При нагреве и удлинении термочувствительных пластин 42, 43, 44 происходит их взаимное телескопическое подтягивание вверх пластинами 45 и 46. Результирующее удлинение выходного конца термочувствительного элемента 44 выразится формулой:
Δl_рез= l_o(3α_max-2α_min)(T_c-T_т), или в общем случае n звеньев:
Δl $\binom{n}{Σ}$ = l_o[nα_max-(n-1)α_min](T_c-T_т).
На фиг.5 представлен четырехступенчатый, симметричный ТЧЭ пакетного типа. Симметричное расположение пластин предотвращает их перекос и заклинивание, создает большее усилие.When heating and elongation of the thermosensitive plates 42, 43, 44, they are telescopically pulled upward by the plates 45 and 46. The resulting elongation of the output end of the thermosensitive element 44 is expressed by the formula:
Δl _rez = l _o (3α _max -2α _min ) (T _c -T _t ), or in the general case n links:
Δl $\binom{n}{Σ}$ = l _o [nα _max - (n-1) α _min ] (T _c -T _t ).
Figure 5 presents a four-stage, symmetrical HSE batch type. The symmetrical arrangement of the plates prevents them from skewing and jamming, creating more effort.

Увеличение чувствительности системы слежения за Солнцем можно достичь за счет применения в качестве рабочего тела ТЧЭ жидкости, удельный коэффициент объемного температурного расширения которой на несколько порядков больше, чем линейный коэффициент у твердых тел. An increase in the sensitivity of the tracking system for the Sun can be achieved through the use of a fluid as a working fluid, the specific coefficient of volumetric thermal expansion of which is several orders of magnitude greater than the linear coefficient of solids.

На фиг.6 представлена конструкция жидкостного ТЧЭ объемного расширения в виде плоской панели с зачерненной поверхностью, с трубчатыми сообщающимися полостями 51. Внутренний объем панели 51 соединен сообщающейся трубкой 52 с сильфоном 53, являющимся исполнительным механизмом наклона диска перекоса. Все внутренние полости конструкции заполнены жидкостью и герметичны. На крышке панели 50 имеется заливочно-корректирующий штуцер 54. Сильфоны 53 крепятся в механизмах отслеживания на дополнительных жестких консолях или кольцевых площадках под дисками перекоса, или непосредственно по краям экранных юбок 21 (фиг.1), 36 (фиг.3). Figure 6 shows the design of a liquid HFE volumetric expansion in the form of a flat panel with a blackened surface, with tubular communicating cavities 51. The internal volume of the panel 51 is connected by a communicating tube 52 with a bellows 53, which is the tilt drive of the skew disk. All internal cavities of the structure are filled with liquid and sealed. On the cover of the panel 50 there is a fill-correcting fitting 54. The bellows 53 are mounted in the tracking mechanisms on additional rigid consoles or ring platforms under the skew disks, or directly along the edges of the screen skirts 21 (Fig. 1), 36 (Fig. 3).

Места крепления жидкостных ТЧЭ на механизме отслеживания по сторонам света функционально жестко не обусловлены и могут быть вынесены за пределы конструкции. Основным требованием их монтажа и компоновки вне механизма отслеживания является строгая пространственная ориентация рабочей плоскости каждого ТЧЭ относительно эклиптики Солнца местной широты. The attachment points of liquid electrochemical cells on the tracking mechanism on the cardinal directions are not functionally rigidly determined and can be moved outside the design. The main requirement for their installation and layout outside the tracking mechanism is a strict spatial orientation of the working plane of each HSE relative to the ecliptic of the Sun of local latitude.

При достаточно емких жидкостных ТЧЭ к ним могут быть подключены сообщающими трубками несколько позиционно подобных сильфонов нескольких компактно установленных механизмов отслеживания, работающих синхронно, поскольку вращение их ориентируемых осей происходит с одной скоростью, а положение технологического гелиоэлемента зависит от первоначально заданной ориентации относительно Солнца. With sufficiently capacious liquid TECs, several positionally similar bellows of several compactly mounted tracking mechanisms operating synchronously can be connected to them by communicating tubes, since the rotation of their orientable axes occurs at the same speed, and the position of the technological solar cell depends on the originally set orientation relative to the Sun.

Для повышения чувствительности и точности ориентации системы возможно увеличение угла наклона дисков перекоса в два раза за счет изменения принципа их крепления к рабочим концам ТЧЭ. To increase the sensitivity and accuracy of system orientation, it is possible to double the angle of inclination of the skew disks due to a change in the principle of their attachment to the working ends of the TCE.

На фиг.7 дана схема-полуразвертка положения диска перекоса 55 и ее опорных штырей относительно рабочих концов ТЧЭ 56, 57, 58, 59, 60, показанных в конструкциях крепления фиг. 1, 2, 3. Здесь максимальный угол наклона (γ) обусловлен положением опирающихся штырей на максимально удаленном ТЧЭ 60 и диаметрально противоположно ему расположенном "холодном" ТЧЭ 56, находящемся в тени. Fig. 7 shows a half-scan diagram of the position of the skew disk 55 and its support pins with respect to the working ends of the electrical elements 56, 57, 58, 59, 60 shown in the fastening structures of Fig. 1, 2, 3. Here, the maximum angle of inclination (γ) is due to the position of the supporting pins at the most remote TFE 60 and the "cold" TFE 56 located in the shade diametrically opposite to it.

На фиг.8 аналогичная схема-полуразвертка, но с креплениями рабочих концов ТЭЧ так, чтобы могли освобождаться соответствующие штыри диска перекоса 56, 57, находящиеся в тени. Здесь угол γ′ обусловлен тем же удлинением ТЧЭ 60 и нейтральными, зажатыми штырями на ТЧЭ 58 и 58', находящимися на линии терминатора в полдиаметра от ТЧЭ 60. Таким образом, угол γ′ в 2 раза больше угла γ
В принципе, данный угол будет тем больше, чем ближе к оси (центру) диска перекоса крепятся рабочие концы ТЧЭ.On Fig, a similar half-scan scheme, but with fastenings of the working ends of the TEC so that the corresponding pins of the skew disk 56, 57, which are in the shade, can be released. Here, the angle γ ′ is due to the same elongation of the TCE 60 and the neutral, pinched pins on the TEC 58 and 58 'located on the terminator line half a diameter from the TEC 60. Thus, the angle γ ′ is 2 times the angle γ
In principle, this angle will be the larger, the closer to the axis (center) of the skew disk, the working ends of the HSE are attached.

На фиг.9 представлена конструкция включающегося (выключающегося) заклинивающего механизма для осуществления варианта крепления диска перекоса по схеме фиг.8. Figure 9 shows the design of the on / off jamming mechanism for implementing the option of mounting the skew disk according to the scheme of Fig. 8.

Механизм состоит из корпуса 61, крышки 62, плоского клина 63, включающего винта 64, рычага насадки 65, карданной подвески 66 на корпусе 61 и толкающего стержня 76, являющегося наконечником рабочего конца термочувствительного элемента. The mechanism consists of a housing 61, a cover 62, a flat wedge 63, including a screw 64, a nozzle lever 65, a cardan suspension 66 on the housing 61 and a pushing rod 76, which is the tip of the working end of the heat-sensitive element.

При повороте рычага насадки 65, в нужный момент включения, винт 64 вворачивается в корпус 61 и прижимает клин 63 к стержню 67. При удлинении ТЧЭ стержень 67 заклинивается между клином 63 и задней крышкой 62, увлекая весь механизм заклинивания и диск перекоса, соединенные карданной подвеской 66. При повороте рычага насадки 65 в противоположную сторону винт 64 освобождает стержень 67 из зацепления с клином 63 и крышкой 62. В отключенном состоянии заклинивающего механизма прилегающий участок диска перекоса может независимо перемещаться вдоль стержня 67. When turning the nozzle lever 65, at the right moment of turning on, the screw 64 is screwed into the housing 61 and presses the wedge 63 against the rod 67. When extending the HFE, the rod 67 is wedged between the wedge 63 and the back cover 62, capturing the entire jamming mechanism and the skew disk connected by the gimbal 66. When the nozzle lever 65 is turned in the opposite direction, the screw 64 releases the shaft 67 from engagement with the wedge 63 and the cover 62. In the disconnected state of the jamming mechanism, the adjacent section of the skew disk can independently move along the shaft 67.

В представленной конструкции винт 64 может быть заменен кулачком или эксцентриком. In the presented design, the screw 64 can be replaced by a cam or an eccentric.

Включение и выключение каждого заклинивающего механизма осуществляется толкателями или направляющими, конструктивно связанными с ориентируемой осью или осью-водилом ролика качения (не показано). The switching on and off of each jamming mechanism is carried out by pushers or guides structurally connected with the orientable axis or carrier axis of the rolling roller (not shown).

Включение заклинивающего механизма должно происходить с некоторым опережением начала освещения соответствующего ТЧЭ Солнцем, а выключение с некоторым запаздыванием, после перехода в тень. The inclusion of the jamming mechanism should occur somewhat ahead of the start of illumination of the corresponding TEC by the Sun, and the shutdown with some delay, after the transition to the shadow.

Для применения системы слежения в качестве установок наведения зеркал-концентраторов на солнечных ТСЭ предлагается устройство, замедляющее вращение ориентируемых осей в два раза. Такое передаточное устройство (редуктор) позволяет постоянно удерживать перпендикуляр к центру отражательной поверхности (зеркала) в биссектрисном положении относительно Солнца и энергоприемника. To use the tracking system as a guidance system for mirror concentrators on solar TSEs, a device is proposed that slows down the rotation of oriented axes by half. Such a transmission device (gear) allows you to constantly keep the perpendicular to the center of the reflective surface (mirror) in a bisector position relative to the Sun and the energy receiver.

На фиг.10 представлена кинематическая схема шестеренчатого, двухступенчатого передаточного устройства с парами по модулю 1,25:1 и 1,5:1; 1,41:1 и 1,414:1 или 1:1 и 2:1. Figure 10 presents the kinematic diagram of a gear, two-stage transmission device with pairs modulo 1.25: 1 and 1.5: 1; 1.41: 1 and 1.414: 1 or 1: 1 and 2: 1.

На стационарной оси 68 механизма отслеживания (поз.2 фиг.1) закреплен неподвижный кронштейн 69 с дополнительной осью 70. На дополнительной оси 70 на одном роликоподшипнике 71 насажены два жестко связанных шестеренчатых колеса 72 и 73. Нижнее колесо 72 находится в зацеплении с шестеренчатым колесом 74, вращающимся на шарикоподшипнике, насажанном на стационарную ось 68 и имеющем жесткую связь по ступице с водилом 76 ролика качения 77. Верхнее колесо 73 находится в зацеплении с шестеренчатым колесом 78, жестко сидящем на ориентируемой оси 79. A fixed bracket 69 with an additional axis 70 is fixed on the stationary axis 68 of the tracking mechanism (item 2 of FIG. 1). Two rigidly connected gear wheels 72 and 73 are mounted on an additional axis 70 on one roller bearing 71. The lower wheel 72 is engaged with the gear wheel 74, rotating on a ball bearing mounted on a stationary axis 68 and having a rigid connection along the hub with the carrier 76 of the roller 77. The upper wheel 73 is engaged with the gear wheel 78, rigidly sitting on the orientable axis 79.

Расстояние между ориентируемой осью устройства 68 и дополнительной 70 кратно диаметру колеса 74 по модулю: d x 1,125 для первого варианта передаточных пар и d x 1,207 для второго. В обоих вариантах результирующая величина редукции: (1,25:1)x(1,6:1)= 2 или (1,414:1)x(1,414:1)=2. The distance between the orientable axis of the device 68 and the additional 70 is a multiple of the diameter of the wheel 74 modulo: d x 1,125 for the first variant of the transmission pairs and d x 1,207 for the second. In both cases, the resulting reduction is: (1.25: 1) x (1.6: 1) = 2 or (1.414: 1) x (1.414: 1) = 2.

На фиг.11 представлена кинематическая схема рычажного передаточного устройства, дающего соотношение 2:1. Здесь на диск перекоса 80 (поз.9, фиг.1) установлена дополнительная ось 81 с водилом 82, роликом качения 83 на соответствующих шарикоподшипниках 84 и 85. На стационарной оси 86 (поз.2 фиг.1) закреплен неподвижный кронштейн 87 с дополнительной осью 88, на свободном конце которой на подшипнике 89 закреплен рычаг-сателлит 90. На конце рычага-сателлита 90 вертикально закреплен шток 91, нижний конец которого находится в зацеплении с водилом 82, а верхний с водилом 92, жестко связанным с ориентируемой осью 93 (поз.3 фиг.1) При равенстве расстояний между осями 81 93 и 83 91 осуществляется редукция вращения осей 93:81 как 2:1. Figure 11 presents the kinematic diagram of the lever transmission device giving a ratio of 2: 1. Here, on the skew disk 80 (pos. 9, Fig. 1), an additional axis 81 is installed with the carrier 82, the rolling roller 83 on the corresponding ball bearings 84 and 85. On the stationary axis 86 (pos. 2 of Fig. 1), a fixed bracket 87 with an additional an axis 88, on the free end of which a satellite lever 90 is fixed on the bearing 89. At the end of the satellite lever 90, a rod 91 is vertically fixed, the lower end of which is in engagement with the carrier 82, and the upper end with the carrier 92, rigidly connected with the oriented axis 93 ( Pos. 3 of Fig. 1) If the distances between the axes 81 93 and 83 91 are equal estvlyaetsya reduction rotational axes 93:81 2: 1.

Передаточное устройство шестеренчатого типа приемлемо в обоих механизмах отслеживания, а рычажного практически только в механизме с вертикальной осью. The gear type gear type is acceptable in both tracking mechanisms, and linkage is practically only in the mechanism with a vertical axis.

По завершении светового (солнечного) дня температура всех ТЧЭ выравнивается, и диск перекоса занимает горизонтальное положение (в механизме отслеживания Солнца по сторонам света). Весь механизм отслеживания остается в положении, ориентируемом на запад до следующего утра. At the end of the daylight (sunny) day, the temperature of all the solar cells equalizes, and the skew disk occupies a horizontal position (in the mechanism for tracking the sun on the cardinal points). The whole tracking mechanism remains in a position oriented to the west until the next morning.

На фиг. 12 дана схема устройства автоматического возврата следящей системы в исходное положение с ориентацией на восток. In FIG. 12 is a diagram of a device for automatically returning a tracking system to its original position with an orientation to the east.

В диске перекоса 94, по дуге перемещения ролика качения 95 установлен подвижный сегмент 96, конец которого в западном секторе крепится к диску перекоса 94 шарниром 97, а в восточном опирается на пружину 98, проходящую снизу через отверстие в диске перекоса 94. Сверху, над пружиной 98 на восточный конец сегмента 96 давит сильфон 99, соединенный сообщающей трубкой 100 с жидкостным ТЧЭ сферической формы, установленного на незатемняемом участке системы слежения. Жидкостный ТЧЭ 101 имеет жесткий сильфон 102, предотвращающий разрыв гидросистемы при "перегреве" рабочей жидкости и биметаллическое устройство 103, компенсирующее избыточный объем жидкости в относительно теплые ночи, а также повышение температуры в тени, позволяя выгибаться мягкой части оболочки 104 ТЧЭ 101. Штуцер 105 - заправочно-корректирующий. In the skew disc 94, along the arc of movement of the rolling roller 95, a movable segment 96 is installed, the end of which in the western sector is attached to the skew disc 94 by a hinge 97, and in the eastern sector it is supported by a spring 98 passing from below through the hole in the skew disc 94. Above, above the spring 98, the bellows 99 presses on the eastern end of segment 96, connected by a communicating tube 100 to a spherical liquid HSE mounted on an obscured portion of the tracking system. Liquid TFE 101 has a rigid bellows 102 that prevents the breakdown of the hydraulic system during “overheating” of the working fluid and a bimetallic device 103 that compensates for the excess volume of fluid in relatively warm nights, as well as an increase in temperature in the shade, allowing the soft part of the shell 104 of the TFE 101 to bend. refueling and corrective.

При восходе Солнца жидкость в ТЧЭ 101 нагревается, расширяется и через сообщающую трубку 100 и сильфон 99 давит на "восточный" конец сегмента 96, пересиливая пружину 98. Поверхность сегмента 96 сравнивается с верхней поверхностью диска перекоса 94, что позволяет ролику качения 95 проходить дневной путь отслеживания. When the sun rises, the liquid in the TEC 101 heats up, expands and through the communication tube 100 and the bellows 99 presses on the "eastern" end of the segment 96, overpowering the spring 98. The surface of the segment 96 is compared with the upper surface of the skew disc 94, which allows the roller 95 to pass the daytime tracking.

В ночное время рабочая жидкость в ТЧЭ 101, охлаждаясь, сжимается, и пружина 98 передавливает сильфон 99. "Восточный" конец сегмента 96 поднимается над поверхностью диска перекоса 94, образуя горку, и ролик качения 95 перемещается из восточного сектора в западный, поворачивая ориентируемую ось на восток. At night, the working fluid in TCE 101 cools and cools, and the spring 98 presses the bellows 99. The "east" end of segment 96 rises above the surface of the skew disc 94, forming a slide, and the roller 95 moves from the eastern sector to the western one, turning the oriented axis to the East.

Claims

1. Thermomechanical homing tracking system for tracking the sun, consisting of a tracking mechanism on the cardinal points, having a stationary horizontal base with a fixed axis perpendicular to it and mating with it, through ball bearings, a vertically oriented axis, and also from a height-tracking mechanism mounted on the latter horizon, having a base and perpendicular to its plane and mating with it, through ball bearings, a horizontally oriented axis to which the techno biological solar element, wherein each tracking mechanism is equipped with heat-sensitive elements containing material with a large specific coefficient of thermal expansion, characterized in that each tracking mechanism is equipped with a skew disk and a device for tracking the maximum skew angle, including a roller on the surface of the specified disk with means for providing pressing the roller to the disk, kinematically connected through the carrier axis with the oriented axis of the tracking mechanism, The individual elements are coupled according to the pattern of a backlash connection to each of the skew disks in increments of its circumference and are attached to the base of the tracking mechanism on the cardinal points in an ellipsoid curve corresponding to the position of the ecliptic at this local latitude, and to the base of the tracking mechanism in height above the horizon around the circle, wherein the thermosensitive elements are equipped with nodes for adjusting the length of the working bodies, and light-shielding skirts are installed on the bases behind the thermosensitive elements.

2. The system according to p. 1, characterized in that each heat-sensitive element is made in the form of a strip of solid material with a large specific coefficient of temperature elongation having a flat, blackened working surface.

3. The system according to claim 1 or 2, characterized in that the light-shielding skirts of each tracking mechanism are provided with guide belts for additional fastening of the thermosensitive elements, with the possibility of their longitudinal movement.

4. The system according to claim 1, characterized in that each heat-sensitive element comprises a housing with fastening parts to the tracking mechanism and strips of solid material with a large specific coefficient of temperature elongation, mounted with the possibility of longitudinal movement, embedded in it, flat-parallel, and also forming a flat bag and interconnected from the back, according to the telescopic scheme, bands of solid material with a small or negative specific coefficient of temperature elongation.

5. The system according to claim 1, characterized in that the heat-sensitive elements are made in the form of devices with thermo-volume expansion of the liquid, each of which contains a sealed container with a flat blackened light-receiving surface, equipped with a device for filling and adjusting the working volume of the liquid and at least one communicating tube with a working body in the form of a bellows.

6. The system according to any one of claims 1 and 5, characterized in that each heat-sensitive element of the tracking mechanism on the cardinal points contains several communicating tubes connected to the corresponding working bodies-bellows intended to be installed one at a time, on the equal number of tracking systems for The sun operating synchronously, while the thermosensitive elements are configured to be installed on one of the tracking systems for the Sun, or separately from the specified system.

7. The system according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the skew disk of each tracking mechanism is coupled to the working bodies of the heat-sensitive elements through jamming mechanisms provided with a mount to the skew disk by means of a gimbal.

8. The system according to any one of claims 1 to 7, characterized in that it contains reflective mirror surfaces as a technological solar cell for directing sunlight to a stationary solar collector, while in each tracking mechanism the axis of the carrier of the rolling roller is associated with a corresponding kinematic device orientated axis, halving the angular velocity of orientation twice.

9. The system according to claim 1 and any one of paragraphs. 5 8, characterized in that the tracking mechanism on the cardinal points is equipped with a device for returning the rolling roller and through the carrier axis of the vertically oriented axis to the "morning" initial position, including a movable segment located under the rolling roller, the end of which is pivotally attached in the western sector to the skew disk, the end of the segment in the eastern sector is supported from below by a spring through an opening made in the skew disk, and from above by a bellows connected by a communicating tube with a thermosensitive element with liquid, On the lightened side of the tracking mechanism and having filling and corrective devices.