Гелиостат

ОЮЗ СОВЕТСНИОЦИАЛИСТИЧВНРЕСПУБЛИН 18 3/02 ИЯ РЕ ВУ К АВТОРСМ ТЕЛ 54)(57) Г ущую раму ворота, лву слежения, с ота, и ана т л и ч а с целью пов центрации, рос.ей слеж фацет, прич соединены с образовател цет - с его Технология иеских концентент, "Фан",ОСУДАРСТЯЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ОПИСАНИЕ(56) 1. Захидов Р,А,испытания гелиотехнирирующих систем. Таш1978, с. 167, рис. 78 ектно-конст ру кеское бюро науч- АН Узбекской ССР ИОСТАТ, содержащий нефацетами и приводами покоординатную системуязанную с приводами повооговый преобразователь,ю щ и й с я тем, что,вения коэффициента комн снабжен датчиками скония и приводами поворотам датчики электрическивходами аналогового преа приводы поворота Фавыходами,Изобретение относится к гелиотехнике в частности, гелиостатам солнеч.ных установок энергетического илитехнологического назначения,Известен гелиостат, содержащий несущую раму с фацетами и приводамиповорота, двухкоординатную системуслежения, связанную с приводами поворота, и аналоговый преобразователь.В этом гелиостате аналоговым преобразователем служат эталонное зеркало и ЭВМ; с помощью которых можетбыть осуществлена концентрация потока солнечной радиации гелиостатного поля на общем приемнике излучения 1 11,Однако концентрация потока ради"ации в пределах однэго гелиостатаограничена отсутствием адаптивностиего отражательной поверхности,Целью изобретения является повышение коэффициента концентрации,Поставленная цель достигаетсятем, что гелиостат, содержащий несущую раму с Фацетами и приводамиповорота, двухкоординатную системуслежения, связанную с приводами поворота, и аналоговый преобразователь, снабжен датчиками скоростейслежения и приводами поворота Фацет, причем датчики электрическисоединены с входами аналогового преобразователя, а приводы поворотаФацет - с его выходами,На Фиг. 1 показана Функциональнаяблок-схема гелиостата; на фиг. 2 вид бтражающей поверхности гелиостата, образованной Фацетами, сгруппированными по горизонтальным и вертикальным рядам; на фиг, 3,- функциональная зависимость поворота Фа-,цет в зависимости от угловых скоростей И и 4 слежения гелиостата,соответственно, по зениту и азимуту.Гелиостат содержит несущую раму 1с фацетами 2 и приводами 3 поворота,двухкоординатную систему 4 слежения,связанную с приводами 3 поворота,и аналоговый преобразователь 5.Гелиостат снабжен датчиками бскоростей слежения и приводами 7 поворота фацет 2, причем датчики бэлектрически соединены с входами аналогового преобразователя 5, а приводы7 поворота фацет 2 - с его выходами.В состав двухкоординатной системь4 слежения входят четырехквадратный Фотодатчик 8 и усилители 9 мощности,Центральная фацета 2 гелиостатанеподвижно закреплена на несущей5 раме 1,Приводы 7 поворота каждой периферийной фацеты 2, подвижно установленной на несущей раме 1, обеспечивают повороты фацеты 2 относительнодвух взаимно перпендикулярных осей.Электрические сигналы фотодатчи. ка 8 системы 4 слежения с помощьюусилителей 9 и приводов 3 обеспечивают повороты несущей рамы 1 гелио 15 стата в соответствии с перемещениями Солнца.Электрические сигналы датчиков 6скоростей слежения несущей рамы 1гелиостата через аналоговый преоб 20 разователь 5, формирующий закон корректировки положения фацет 2 поступают на приводы 7,Горизонтальные группы фацет 2(Фиг. 2) - 1-1 У, вертикальные - У-УШ.25 Каждая из групп фацет 2 занимаеттакое положение, которое с достаточным приближением соответствует ча"сти теоретической концентрирующейповерхности адаптивного гелиостата.30 Группировка Фацет 2 гелиостатапо заданному закону Фокусированияпроизводится исходя из следующихпредпосылок,Отражающая поверхность следящего гелиостата представляет непрерывно изменяемую Форму поверхностидвойной кривизнытак как являетсяоптимальной поверхностью внеосевойвырезки из параболоида Причем зв 0 данный закон текущего фокусированияотраженного пучка на объект облучения определяется условиями непрерывного регулирования оптимальнойповерхности гелиостата как в тече 45ние дневного цикла слежения, так и втечение года,На прямоугольной несущей раме 1гелиостата фацеты 2 размещаютсярядами параллельно соответствующим50осям симметрии несущей рамы 1, пересекающимся с главной оптическойосью гелиостата, на которой находится точка фокуса и приемник излучения, Каждая фацета 2 имеет возможность автоматического поворотавокруг двух взаимно перпендикуляр, ных осей, совпадающих с осями соответствующих рядов, Ряд характеризуется общим для оси фацет 2 одно1019186 го 30 35 40 3го ряда расстоянием до соответствующей параллельной оси симметрии несущей рамы 1. Это расстояние, как- . один иэ параметров оптической сис" темы при неизменном удалении гелиостата от объекта облучения, обусла" вливает характер текущего иэмвяения величины угла наклона группы фацет 2 по такому закону, по которому отраженные о фацет лучи в ходе слежения гелиостата непрерывно ориентированы в точку фокуса в пределах допустимой погрешности,Ряд фацет 2 объединен в группу с общим заданным законом текущего фокусирования путем синхронного поворота группы Фацет 2 относительно оси данного ряда, При этом поворот фацет, 2 данного ряда,относительно перпендикулярных к нему осей также характерен закономерными зависимостями, индивидуальными для каждого перпендикулярного ряда.Групповой поворот Фацет 2 по аппроксимирующему закону в двух взаимно перпендикулярных направлениях обеспечивает непрерывную адаптацию зеркальной поверхности гелиостата к изменяющемуся положению Солнца и ориентацию с достаточным приближением направления лучей, отраженных от фацет 2, на точку фокуса опти" ческой системы, Групповое управле-ние фацетами 2 упрощает систему ав" томатической адаптации при практически удовлетворительных оптико-геометрических характеристиках поверхнбсти гелиостата, работающего, например, в составе солнечной энергетической станции при значительных удалениях от приемника.Поле угловых скоростей слежения по двум осям гелиостата (две исходные переменные координаты) закономерно и однозначно определяют текущий угол поворота фацеты 2 (зависимая координата) (фиг. 3) . В частности, в качестве иллюстрации имеющейся функциональной зависимости поворота фацет 2 от скоро 50 стейслежения на графике показано поле скоростей в течение года, полученное при следующих данных: фиксирован" ной ориентации отраженного лучаот центральной фацеты 2 гелиоста та, принятой вдоль меридиана северюг; геограФической широте 41,5 .;склонении от +23,50 до -23,5,4Основой для построения графиковпринят часовой угол, общий для аэимутальной и угломестной скоростейслежения, Точки, обозначенйые кружком, соответствуют каждым 10 часоОвого угла от полудня до захода Солнца. Поле скоростей в первой половине дня расположено симметрично относительно горизонтальной оси графи"ка (ось азимутальных скоростей),Рядом с точками, обозначеннымитреугольниками, указаны текущие углы поворота фацеты 2 (зависимая координата), найденные расчетным путем.фацета 2 в данном примере расположена на расстоянии 2 м от гориэон"тальной и вертикальной осей симметрии несущей рамы 1, а гелиостат удален от приемника излучения на 50 м.В числителе приведены углы поворотафацеты 2 вокруг вертикальной оси, взнаменателе - горизонтальной, Углыповорота фацеты 2 даны в угловыхминутах,Угловая коррекция данной фацеты2, как и других фацет 2, осуществляется при условии непрерывной фокусировки (ориентации) отраженного отнее светового пучка в фокульную зонуприемника. Функциональные .характеристики аналоговых преобразователей5 воспроизводят закон текущей угловой коррекции фацет 2 в ооответствииос найденной расчетным путем математической зависимостью в виде полинома для каждой фацеты 2. Заданныйзакон фокусиройния индивидуальнодля той или иной фацеты 2 с достаточным приближением аппроксимируетсярасчетным полиномом. При этом аналоговым преобразователем реализуетсяфункциональная обработка входныхсигналов (угловых скоростей слежения)в выходную зависимую переменную(угол поворота фацеты 2) согласнорасчету, Все единичные Фацеты 2 адаптивных гелиостатов дают совмещающиеся изображения на приемнике незави"симо от положения Солнца и координатгелиостата в гелиостатном поле,Гелиостат работает следующим об"разом,Системой 1 слежения (Фиг, 1) не"прерывно задаются угловые скоростинесущей рамы 1 гелиостата в соответствии с перемещением Солнца по не"босводу, Угловые скорости азимутальной и угломестной осей гелиостатаФункционально связаны с географичес 3 10191кой широтой места установки гелиостата, заданной ориентацией его главной оптической оси на приемник излучения относительно направления северюг и угла наклона этой оси к горизонтальной плоскости, а также с ве"личиной угла склонения, определяющеймесяц и день, и с истинным солнецнымвременем. Угловые скорости двух осейгелиостата (несущей рамы 1) являются Овзаимозависимыми величинами, образующими .в течение года закономерное поле скоростей на координатной плоскости,Система 1 гелиостата с непрерывным регулированием процесса слежения может быть выполнена как автоном"ной с индивидуальным фотодатчиком 8слежения, так и непрерывно управля"емой от централизованного командно" 20го устройства, В последнем случаегелиоустановка содержит, как правило, множество гелиостатов,8 гелиостате угловые скорости несущей рамы 1 и пропорциональные им 2сигналы на выходах датчиков 6 приняты в качестве исходных переменныхкоординат, т.е, аналоговых сигналов,в функции которых с помощью ЭВИ найдены полиномы, аппроксимирующие с Зрдостаточным приближением заданныйзакон текущего поворота индивидуально для каждой группы Фацет 2 непрерывно фокусирующей отраженный пучок на приемник излучения,35Аппроксимация непрерывной функ"цией позволяет выразить, а затеми реализовать соотношение междувходными аналоговыми сигналами изависимой выходной переменной, зачф 46дающеи с достаточным приближениемзакон текущего углового поворотагруппы фацет 2.Аналоговый преобразователь 5, содержащий аналоговые блоки по числугрупп фацет 2 на раме 1 гелиостата4и выполненный на стандартных операционных усилителях и аналоговых пвремножителях, производит измерение ииндивидуальную обработку общих аналоговых сигналов, поступающих от датчиков 6. При этом в основу функционирования каждого аналогового блоказаложен свой индивидуальный полином,аппроксимирующий заданный закон фокусирования той или иной группы фа- Бцет 2,Полином общего вида с целыми показателями в виде, например квадрат 86 Ьного уравнению может быть принятдля схемного построения всех аналоговых блоков. Индивидуальная настройка аналогового блока, предназначенного для заданной ориентации гелио"стата на местности и данной группыфацет 2 на гелиостате, производит"ся с помощью установочных регулирующих устройств, позволяющих обеспечить необходимые величины коэффици"ентов при независимых переменных вполиноме, полученном расцетнь 1 м путем.Текущий автоматический поворотацет 2 осуществляется относительноих исходного положения, Исходное положение фацет 2 целесообразно выставить таким образом, чтобы в истинный полдень и при нулевом отклонении они находились в исходной рабочей позиции, В соответствии с такойпозицией выставляется также исходноеположение не показанного на схемедатчика угла Фацет 2, входящих вгруппу, осуществляющего контрольтекущего углового положения группыфацет 2 в автоматическом режиме адаптации, В качестве датчиков угла применяются, например, линейные вращающиеся трансформаторы или прецизионные линейные потенциометры, соцленяеиые с осью вращения фацет 2 церезсогласующий редуктор. Передаточноеотношение согласующего редуктора между валом к датчику угла фацет 2 и ееосью вращения должно обеспецивать полное использование угла поворота датчика, соответствующего рабочему диапазону поворота фацеты 2 в циклахслежения и адаптации,В этом случае автоматическая адаптация отражающей поверхности гелиостата осуществляется в цикле слежения более точно при сравнительнонебольшом диапазоне угловых перемещений фацет 2 от их исходного положения, От принятой исходной поверхностигелиостата зависит также вид расчетного полинома и функциональные характеристики аналоговых блоков преобразователя ,С учетом указанной установки фацет 2 и датчиков угла их поворота в исходные положения производится юстировка фацет 2, Функциональные характеристики аналоговых блоков преобразователя 5 обеспечивают в цикле слежения непрерывное Фокусирование отраженных от Фацет 2 пучков в фокальную зону приемникаизлуцественно определяются углом раскры тия плоской фацеты 2, который эави 7 1 а ния, Поэтому юстировка может быть выполнена в любое время года и дня при включенной в работу автоматике адаптации и в режиме слежения гелиостата, С этой целью дополнительно к приводам 7 поворота Фацет 2, осу" ществляющим текущую адаптацию, на Фацетах 2 предусматриваются крепежноюстировочные приспособления, с помо" ,щью которых устанавливается и фиксируется их положение в нужной сфоку" сированной позиции. При этом ориентация отраженного луча от юстируемой фацеты 2 на приемник излучения производится по визуальному наблюдению за приемником и положением Фокусируемого луча,на нем. Наблюдение за удаленным приемником производится, например, с помощью зрительной трубыПри использовании приводов 7, выполненных в виде реверсивных ша- говых микродвигателей, отрабатываются синхронные повороты группы Фацет 2 по текущим командным сигна- лам, Формируемым на выходах блоков аналогового преобразователя 5, Текущий командный сигнал Формируется в виде числа импульсов, соответствующего повороту Фацет 2 в заданное положение и заданному общему числу шагов микродвигателя. Число командных импульсов в каждый момент вре" мени представляет алгебраическую разность между текущим командным сиг налом и Фактическим интегральным числом шагов, отработанных микродви" гателем, начиная от исходного отъюстированного положения группы Фацет 2, Шаговый микродвигатель присоеди- . нен к понижающему редуктору, пере" дающему угловой поворот фацет 2, Передаточное число редуктора при" нято по условию обеспечения требуемой точности единичного углового поворота Фацет 2, приходящегося на один шаг микродвигателя, Понижающий редуктор имеет промежуточный выходной валик присоединяемый к датчику угла поворота фацеты 2, т,е, понижающий редуктор может использоваться одновременно и как согласующий редуктор к датчику угла.Сигнал с выхода датчика угла подается на преобразователь (не показан), выдарций сигнал, например, в виде числа импульсов, пропорционального углу поворота фацет 2 или числу шагов, отработанных микродвигателем от исходного положения фа 19186 8 цет 2, Выход преобразователя датчика угла подключен к устройству; выполняющему алгебраическое сравнениечисла. командных импульсов на выходеаналогового преобразователяочислом импульсов, вырабатываемых преобразователем датчика угла. Для солнечных энергетических установок, в составе которых основным элементом концентрирующей системы может использоваться адаптивный гелиостат, фокальное пятно на поверхности приемника Формируется многократным наложением световых пучков от плоских зеркальных фанет 2 на. одну и ту же приемную поверхность.Геометрические размеры пятна сущесит от удаленности гелиостата от приемни,а и видимого углового размера диска Солнца, от размеров Фацеты 2. Увеличение плоскости и стабильности, солнечной радиации на при% емной поверхности энергоустановкидостигается благодаря непрерывнойавтоматической адаптации зеркальныхфацет 2 в цикле слежения множествагелиостатов, обеспечивая повышезв ние температуры процесса трансформа"ции солнецной радиации в тепло рабочего тела и повышение КПД установкиПрименение фацет 2 вЬгнутой формы позволяет сократить размеры .отраженного пучка на объекте облученияв пределе до габаритов световогоотверстия фацеты 2. Гелиостатс ада"птивной поверхностью, образуемойнизкопрофильными вогнутыми фацетами 2, обеспечивает повышение плот. -ности сконцентрированной радиациина приемнике, Кроме того, количество вогнутых фацет 2 по сравнениюс плоскими может быть уменьшено втех случаях, когда солнечная установка предусматривается на заданнуюплотность сконцентрированного излучения.Использование сигналов, вырабатываемых датчиками 6 угловых скоростеинесущей рамы 1 гелиостата, в качестве аналоговых сигналов позволяетавтоматизировать процесс адаптациифацет 2 в жесткой функциональнойзависимости от текущих скоростейслежения гелиостата, Постоянство прочих параметров, зависящих, например,от ориентации гелиостата на местности,г ВНИИПИ Заказ 3675/30 Тираж 783 Подписное иал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 9 10191 направления его оптической оси на приемник и пр, позволяет единожды ввести эти параметры в аналоговый преобразователь 5 как установочные индивидуальные:.для каждого гелиостата,В ходе поворота рамы 1 гелиостата как в течение дневного цикла слежения так и в течение года поле скоростей слежения по двум осям гелио. стата закономерно и однозначно опре 186 . 10деляет текущий угол поворота каждойгруппы фацет 2. Автоматическая адап"тация зеркальной поверхности гелиостата к изменяющемуся положению Солнца на небосводе обеспечивает непрерывную фокусировку отраженного пучка от каждой фацввы в фокальную камеру приемника при высокой степениконцентрации излучения и его ста"бильности,