Устройство ориентации на световое излучение

(51) 5 Р ЕНИЯ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР(71) Киевский государственный университет им. Т.Г,Шевченко(72) С,С.Кильчицкая и С,В.Литвиненко (56) Патент СШАМ 4354117, кл, Р 24 ) 3/02, 1987.Патент ФранцииМ 2550856, кл, Е 24 ) 2/24, 1985. (54) УСТРОЙСТВО ОРИЕНТАЦИИ НА СВЕТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ(57) Использование; в системах наведения гелиотехнических устройств. Сущность иэоб ретения: устройство содержит; ориентируемый приемник излучения (1), механическую передачу (2), компенсирующий электродвигатель, состоящий иэ статора (3) и ротора (4), фотоэлементы (5), расположенные на боковой поверхности несущего элемента (6), закрепленного на рото-. ре, и подключенные к электрическим обмоткам (7) ротора. Статор может изменять свое угловое положение относительно источника света посредством механической передачи, приводимой в движение осью ротора. 1 з.п. ф-лы, 1 ил,Ориентируемый приемник 1 установленна конструкции неподвижно относительностатора 3, Угол между плоскостью обмоткиротора и питающих ее ФЭ одинаков для5 всех обмоток.Устройство работает следующим образом,При освещении ФЭ 5 по обмотке 7 протекает электрический ток, магнитное поле10 которого взаимодействует с магнитным полем статора 3, в результате чего обмотка 7вместе с ротором 4 поворачивается,Рассмотрим более детально взаимодействие ротора с магнитным полем статора.15 На фиг.2 условно показаны токовая рамка,играющая роль обмотки ротора, фотоэлемент, направления светового потока и магнитного поля, а также углы между ними впроизвольном случае. Для простоты изло 20 жения показан случай, когда рамка симметрична относительно оси вращения ротора,25 30 40 45 50 55 Изобретение относится к устройствамдля использования солнечной энергии, аименно, к использованию направляющихсредств в устройствах для преобразованиясолнечной энергии.Целью изобретения является упрощение конструкции и эксплуатации устройства, повышение его экономичности,На фиг,1 а, б изображена компоновочная схема устройства; на фиг.2 - общий случай взаимного расположения плоскостейобмотки, светоприемной поверхности ФЭ,направлений магнитного поля статора ираспространения света,Устройство ориентации на световое излучение содержит ориентируемый приемник излучения 1, механическую передачу 2,установленную на основании, компенсирующий электродвигатель, состоящий из статора 3 и ротора 4, фотоэлементы 5,расположенные на боковой поверхности несущего элемента 6, закрепленного на роторе 4, и подключенные к электрическимобмоткам 7 ротора 4, Несущий элемент 6 сфотоэлементами 5 открыт освещению совсех направлений в плоскости вращения ротора 4, Светоприемные поверхности фотоэлементов 5, подключенных к однойопределенной обмотке 7. параллельны другдругу. Обмотки 7 ротора 4 расположены впостоянном магнитном поле, создаваемомстатором 3. Направление магнитного поля -перпендикулярно оси ротора, Компенсирующий электродвигатель с несущим элементом 6 и расположенными на его боковой 3поверхности фотоэлементами 5, выполняетфункции управляющего блока.Статор установлен таким образом, чтоон может изменять свое угловое положениеотносительно источника света путем вращения вокруг оси ротора посредством механической передачи, например, редуктора.Конструктивно это может быть выполненоследующим образом: статор 3 неподвижноразмещен на корпусе редуктора 2, входной("быстрый") вал которого жестко связан сосью ротора, а выходной ("медленный") валнеподвижно закреплен на основании устройства (фиг,1 а), либо - корпус редуктора 2неподвижно установлен на неподвижномотносительно земли основании устройства,входной вал редуктора 2, как и в первомслучае, жестко связан с осью ротора, а выходной вал жестко связан со статором, Вэтом случае ось вращения выходного валадолжна совпадать с осью вращения входного вала (фиг.1 б). В обоих случаях ось вращения ротора параллельна входному ивыходному валу передачи (редуктора). что не повлияет на выводы об основных свойствах управляющего блока, Нф,й - нормали соответственно к плоскостям ФЭ и токовой рамки (направление К совпадает с направлением магнитного поля рамки), Механический момент М, действующий на рамку, можно выразить через напряженность магнитного поля статора Н и силу токав рамке следующим образом: М Н зп(йьН)=Н зала (1) Сила тока в рамке зависит от угла падения света на ФЭ; уГс1=1;,соз(йф, свет), (2) где 1 О - сила тока при нормальном падении света на поверхность ФЭ, Функция Н залпа симметрична (нечетна) относительно а=О и равна нулю в этой точке, а функция 1 созе четна относительно направления потока, Если взаимное расположение токовой рамки и гвтающего ее ФЭ такое, что при а=О фотоэлемент освещен по направлению нормали ( р=О), то функция (1) симметрична от- носительно а=О и уО, При этом(при полном обороте) вклады моментов. вращающих рамку вправо и влево, одинаковы. Таким образом, если равны углы Г(Н, свет)=(йь Кф) (3) то рамка (и ротор) будет вращаться по инерции; если она первоначально вращалась, и при наличии сил трения остановится, или будет покоиться, если не была приведена во вращение, Состояние системы, соответствующее условию (3), назовем для удобства состоянием "мертвой точки",5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Если условие (3) не выполняется, то ротор будет вращаться в одну из сторон (направление вращения задается направлением магнитного поля и полярностью подключения ФЗ), при изменении направления освещения на 180 направление вращения изменится на противоположное, При повороте ротора относительно статора на угол, равный углу между обмотками, новое состояние эквивалентно предыдущему, поскольку угол между плоскостями обмотки ротора и питающих ее ФЭ одинаков для всех обмоток, поэтому момент вращения остается прежним. и ротор вращается в ту же сторону.указанные свойства единого функционального управляющего блока (наличие "мертвой точки", изменение направления вращения) используются в предлагаемом устройстве ориентации на световое излучение, Для определенности рассмотрим процесс ориентации устройства по одной координате (например. по азимуту).При освещении фотоэлементов ротора происходит его вращение относительно статора, приводящее посредством механической передачи к повороту статора относительно направления освещения, т.е. изменяется угол (Н. свет). Т.к, угол (МьМ) остается постоянным, то через некоторое время окажется выполненным условие (3) и вращение прекратится, При изменении направления освещения несущий элемент, закрепленный на роторе, будет освещаться с нового направления (поскольку в плоскости вращения ротора его освещение возможно с любого направления по азимуту). и ОПИ будет ориентироваться на источник света. если он закреплен относительно статора в положении, в котором при условии реализации "мертвой точки" (3) обеспечиваются наилучшие условия освещения,При ориентации по азимуту ОПИ, произвольно наклоненного к горизонту, освещенность его будет максимальной, если проекции направления освещения и оси ориентируемого приемника излучения на азимутальную плоскость (плоскость вращения ротора) сов падают. Имен но поэтому ОПИ должен быть закреплен неподвижно относительно статора так. чтобы угол между проекцией оси ОПИ на плоскость вращения ротора и направлением магнитного поля статора был равен углу между плоскостью обмотки ротора и питающих ее ФЭ, как это следует из условия (3),Как уже указывалось, назначение механической передачи - поворот статора относительно направления освещения путем передачи вращения оси ротора. Кроме этого. применение механической передачи обусловливает воэможность оптимального компромисса между точностью отработки координаты (которая повышается при увеличении передаточного числа) и скоростью отработки, Механическая передача обеспечивает также возможность сравнительно медленного поворота достаточно массивных обьектов, каковыми могут быть солнечные батареи, концентраторы, с помощью маломощного двигателя,Конструкция устройства. позволяющая освещать несущий элемент, закрепленный на роторе, с любого направления в плоскости вращения ротора, обеспечивает сравнение световых потоков со всех направлений в той же плоскости. что важно например, при наличии рассеянного света.С целью дальнейшего упрощения устройства, а также повышения точности ориентации каждая обмотка ротора выполняется симметричной относительно оси ротора и подключена, по крайней мере, к двум включенным навстречу ФЗ, которые размещены диаметрально противоположно на боковой поверхности несущего элемента. закрепленного на роторе, При этом же количестве ФЭ число обмоток ротора сокращается вдвое, поэтому устройство упрощается. При повороте ротора на 180 ток в обмотке меняет направление, т,к, она запитывается фотоэлементами, подключенными другой полярностью, а поскольку сама обмотка повернулась на 180", то направление ее магнитного поля относительно поля статора сохраняется, и ротор продолжает вращаться в ту же сторону. Происходит, так сказать, "теневая" коммутация тока. аналогично коммутации тока в коллекторном двигателе постоянного тока.Основные характеристики устройства при этом сохраняются, а точность ориентации на световое излучение повышается, Дело в том, что для безупречной работы устройства каждая обмотка ротора при идентичных условиях освещения и взаимодействия со статором должна обеспечивать один и тот же момент вращения, Однако. вследствие неточности изготовления ФЭ и обмоток это требование выполняется ориблизительно, В случае, когда симметричная обмотка подключена к фотоэлементам. включенным встречно и расположенным на противоположных сторонах боковой поверхности несущего элемента. неодинаковость моментов вращения при повороте ротора на 180" обусловлена только неточностью изготовления ФЗ.Предлагаемое устройство может использоваться как самостоятельно, т е. для5 10 20 25 30 того же назначения 40 4550 55 ориентации по одной угловой координате так и в системе ориентации по двум угловым координатам, Для ориентации и по азимуту, и по углу места можно воспользоваться двумя устройствами, в соответствии с настоящим техническим решением, ориентирующими во взаимно перпендикулярных направлениях, либо применить предложенное устройство в паре с любым известным устройством того же назначения. В этом случае может быть достигнута абсолютно максимальная освещенность ОПИ, когда ось ОПИ совпадает с направлением освещения. Поскольку в настоящем устройстве ориентация по одной координате происходит в плоскости вращения ротора, то для ориентации по другой координате необходимо ориентировать саму ось ротора, Поэтому при использовании данного устройства в системе ориентации по двум угловым координатам положение ОПИ относительно статора конкретизируется: его ось должна быть перпендикулярна оси ротора,Устройство ориентации на световое излучение может быть выполнено следующим образом.В качестве ФЭ использованы кремниевые структуры площадью около 1 см каждая, КПД 68 , по три ФЭ, соединенные последовательно, для питания каждой обмотки, Количество обмоток ротора - 3, Индукция магнитного поля статора около 50 мТл. Использован редуктор с передаточным числом 2400, Статор неподвижно размещен на корпусе редуктора, входной вал которого приводится в движение от оси ротора, а выходной вал неподвижно закреплен на основании устройства. Фотоэлементы и обмотки ротора разнесены вдоль оси ротора путем размещения фотоэлементов на несущем элементе, закрепленном на роторе, чтобы магнитная система статора не препятствовала прохождению света,При солнечном освещении максимальная скорость вращения ротора составляет 250 - 300 об/мин, а полный оборот ОПИ при этом может совершиться за 8 - 10 мин. Солнце за это время проходит угловой путь 2.5, поэтому скорость отработки угловой координаты при слежении за солнцем вполне достаточна,Использование настоящего решения по сравнению с прототипом приводит одновременно к простоте конструкции, упрощению эксплуатации, повышению экономичности, а также к расширению области применения.Простота конструкции обусловлена тем, что нет необходимости в электронных схемах, преобразующих управляющие сигналы, и использован новый единый управляющий функциональный блок, выполняющий функции фотоэлементов-датчиков угла, источника питания, компенсирующего ЭД, электронного управляющего блока.Экономичность определяется тем, что отсутствуют энергоемкие потребители - электронный блок, содержащий реле и др. элементы, к тому же использование в устройстве бесколлекторного, по сути, электродвигателя уменьшает потери на трение, а также работой устройства от солнечнойэнергии,Упрощение эксплуатации (обслуживания) достигается тем, что используется только солнечная энергия для работы устройства, не требуется замена, ремонт аккумуляторов, батарей,Способность устройства сравнивать световые потоки с разных направлений вплоскости вращения ротора определяет возможность работы в условиях не только прямого солнечного, но и рассеянного излучения,Возможно использование устройства как самостоятельно, т.е, для ориентации поодной угловой координате, так и в системе ориентации по двум угловым координатам, для чего устройство используется в паре с идентичным или аналогичным устройством Простота конструкции и эксплуатации, экономичность устройства дает возможность его использования для ориентации сравнительно маломощных преобразователей световой энергии, для которых использование известных устройств ориентации было бы невыгодно,Формула изобретения 1, Устройство ориентации на световое излучение, содержащее ориентируемый приемник излучения, сопряженный посредством механической передачи с компенсирующим электродвигателем, ось ротора которого жестко связана с входным валом механической передачи, а также фотоэлементы для питания электродвигателя, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью упрощения конструкции и технического обслуживания, устройство дополнительно содержит закрепленный на роторе несущий элемент,фотоэлементы размещены на его боковой поверхности, каждая обмотка ротора подключена к фотоэлементам, причем свето- приемные поверхности подключенных к одной обмотке фотоэлементов параллельны друг другу, а угол между плоскостью обмотки ротора и светоприемной поверхностью фотоэлементов одинаков для всех обмоток, при этом ориентируемый приемник жестко10 1815530 ет Составитель С,ЛитвиненкоРедактор В,фельдман Техред М,Моргентал Корректор А,Обручар Заказ 1631 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 связан со статором электродвигателя, который установлен с возможностью поворота посредством механической передачи относительно источника света в плоскости вращения ротора.2. Устройство по п,1, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышения точности ориентации, каждая обмотка выполнена симметричной относительно оси последнего и подключена по крайней мере к двум включенным навстречу фотоэлементам, 5 размещенным на боковой поверхности несущего элемента диаметрально противоположно,