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Selbsttätiger Heliostat Die Erfindung geht aus von einem selbsttätigen
Heliostaten, der einen um zwei aufeinander senkrecht stehende Achsen drehbaren Spiegel
aufweist, der durch einen oder mehrere Motoren angetrieben wird, welche durch von
den Sonnenstrahlen betätigte Schalter derart gesteuert werden, daß die Richtung
der von dem Spiegel reflektierten Strahlen im Raum unverändert bleibt.
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Bekanntlich sieht man bei Apparaten dieser Art zur Bewegung des Spiegels
um seine beiden . Achsen zwei verschiedene Antriebsarten vor, nämlich erstens eine
schnelle Bewegung, die es ermöglicht, die Sonne aufzusuchen und einzuholen, nachdem
sie auf kürzere oder längere Zeit verschwunden war, beispielsweise bei ihrem Aufgang,
und zw6hens eine langsame Bewegung, die es dem Spiegel ermöglicht, mit großer Genauigkeit
der Bahn der Sonne zu folgen. Diese beiden Bewegungen werden entweder mit Hilfe
verschiedener Motoren erzielt oder mit Hilfe zweier Getriebe mit verschiedener übersetiung,
und diese Teile tragen wesentlich dazu bei, die Rauminanspruchnahme und den Preis
des Apparates zu erhöhen. .
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Andererseits erreicht das Gewicht der beweglichen Träger des Spiegels
erhebliche Werte, wenn es sich um Apparate großer Abmessungen handelt; und es ist
daher für die schnelle Bewegung erforderlich, große Kräfte aufzuwenden.
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Die Erfindung bezweckt die Beseitigung dieser Übelstände dadurch,
daß dieselben Motoren unter Vermeidung von Getrieben verschiedenen Übersetzungsverhältnisses
sowohl die Grob- als auch,die Feineinstellbewegungen herbeiführen und den drehbaren
Gestellteilen des Spiegels eine annähernd gleichförmig beschleunigte Bewegung verleihen,
deren schnelle Bewegungsphase zur Grob- und deren langsame Anlaufphase zur Feineinstellung
dient, und daß zwecks Erzielung von gleichförmig beschleunigten Bewegungen mit verhältnismäßig
langsamen Anfangs- und' verhältnismäßig schnellen Endphasen die 'den Spiegel tragendendrehbaren
Gestellteile in bezug auf ihre Drehachsers mittiels:. vorzugsweise regelbarer Massen.
:einem Gewichtsausgleich ,aufweisen und ein große,9 Trägheitstnoment b-esitze@.
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Auch;. kann nach der Erfindung der Spiegel aitf eiiierr. wiegenartigen,.
um eine waagerechte Achse driltbir,#p und bz bezttK auf diese Achse im Gleich@eWkht
befinfli@hc#i Gestell gelagert werden, welches sich in-,einem um eine senk=
rechte
Achse drehbaren Rahmen befindet. Das wiegenartige Gestell und der senkrechte Rahmen
sind zweckmäßig finit erheblichen,,:, vorzugsweise regelbaren Massen versehen, die
zur Erhöhung des Trägheitsmoments und zürü'-Gewichtsausgleich bestimmt sind. Der
trieb des Spiegels erfolgt vorzugsweise durch zwei kleine, mit Propellern versehene
Elektromotoren, von denen der eine am wiegenartigen Gestell undder andere am senkrechten
Rahmen befestigt ist. Die beiden Achsen des Spiegels können mit kräftigen Bremsen
versehen sein, die durch Steuerschalter in dem Augenblick betätigt werden, in dem
der Spiegel in bezug auf die Sonne die richtige Lage erreicht hat. Die Gesamtapparatur
ist vorzugsweise in ein Schutzgehäuse aus Glas eingeschlossen.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch
dargestellt. Die Fig. i und 2 geben den gesamten Apparat in Ansicht wieder und unterscheiden
sich voneinander durch die um 9o° in bezug auf die senkrechte Achse des Geräts verschiedene
Lage des Spiegels.
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Die Fig. 3 bis 6 beziehen sich auf bauliche Einzelheiten der thermom@etrischen
Schalter, und die Fig. 7 zeigt ein vollständiges Schaltbild der elektrischen Verbindungen.
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Der in der Zeichnung dargestellte Heliostat weist einen Spiegel i
auf, der in einem wiegenartigen Gestelle befestigt ist, das um eine waagerechte
Achse H-H' in einem Rahmen 3 drehbar ist. Der Rahmen 3 ist um die senkrechte Achse
V-V' drehbar. Zu diesem Zweck ist er an seiner Oberseite mit einer Achse q. versehen,
die ein Auflager hat, mittels -welchem der Rahmen 3 an einem metallischen Querträger
5 aufgehängt ist. An seiner Unterseite weist der Rahmen 3 einen Achszapfen q.' mit
Auflager auf. Zur leichten Drehbarkeit dienen die Kugellager 6 und 6'. Das wiegenartige
Gestell 2 und der Rahmen 3 bestehen vorzugsweise aus miteinander verschweißten Stahlrohren.
Dies verleiht dem Ganzen eine große Festigkeit bei geringem Gewicht. Die Aufhängung
des wiegenartigen Gestells 2 in dem Rahmen 3 ist gleichfalls mit Hilfe von Wälzkörpern
durchgeführt, z. B. in :der Zeichnung nichtdargestellten Nadellagern, so daß der
Reibungswiderstand ein möglichst geringer ist. Denn Trägheitsmoment des wiegenartigen
Gestells 2 in bezug auf die waagerechte Achse H-H' ist mit Hilfe zweier Massen 7,
7' ein höherer Wert verliehen. Die Massen 7, 7' sind mit dem wiegenartigen Gestell
2_ dauernd fest verbunden. Verschiebbare Massen 8, 8', 8" ermöglichen -einen Gewichtsausgleich.
In der gleichere Weise sind erhebliche Mässen 9, 9' an den senkrechten Holmen des'
Rähmlens 3 dergestalt befestigt, daß hierdurch das Trägheitsmoment der Gesamtanordnung
in bezug auf die senkrechte Achse V-V' erhöht ist.
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Um den beweglichen Spiegel vor dem Ein-Aluß des Windes zu schützen,
befindet sich . der Heliostat im Innern eines Gehäuses i o, ,essen Seitenwände und
dessen Dach verglast sind.
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Zu dem Zweck, die Reibung der beweglichen Träger des Spiegels, d.
h. des Rahmens 3 und des wiegenartigen Gestells 2"möglichstgering zu halten, besitzen
diese für ihren Antrieb keinerlei mechanische Verbindung mit dem Äußeren. Die Antriebsmotoren
-sind an den genannten Trägern angebracht. Bei dem Ausführungsbeispiel, das in der
Zeichnung dargestellt ist, sind kleine Elektromotoren i i und 12 an ;dem Rahmen
3 bzw. an dem wiegenartigen Gestell 2 befestigt. Die genannten Motoren bewirken
eine Drehbewegung um die Achse V-V' und die Achse H-H' mit Hilfe kleiner Schraubenpropeller
13 und 14., die an den Motorachsen befestigt sind. Auch lassen sich zu dem gleichen
Zweck Elektromotoren benutzen, deren Läufer an der waagerechten Achse,ff-H' des
wiegenartigen Gestells 2 bzw. an der senkrechten Achse q.' de°s Rahmens 3 befestigt,
.etwa aufgekeilt sind, während ihre Ständer an dem Rahmen 3 bzw. an dem Lager 64
der senkrechten Achse q.' befestigt sind.
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Die Stromzuführung zu den Motoren und den Schaltern erfolgt mit Hilfe
von Leitern, die fest an dem unteren Querbalken des senkrechten Rahmens 3 angebracht
sind und in mit Quecksilber gefüllte Rinnen 16, 16' eintauchen, die sich in einer
Platte 1 7 aus Isoliermaterial befinden, welche fest am unteren Lager angebracht
ist. Der Strom wird den Rinnen 16, 16' durch geeignete ortsfeste Stromleiter
zugeführt. Die Stromzuführung zum Motor des wiegenartigen Gestells erfolgt mit Hilfe
von Metallamellen, deren Dicke einige Hundertstelmillimeter beträgt und die somit
keine Störungen verursachen.
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Auf der Achse q. des Rahmens 3 und derjenigen des wiegenartigen Gestells
2 befinden sich kräftige Bremsen 18, 19, welche durch die erwähnten Schalter gesteuert
werden und die in Tätigkeit treten, wenn der Spiegel sich in bezug auf die Sonne
in der gewünschten Lage befindet.
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Der Heliostat weisst zur Steuerung der Drehbewegung um die beiden
Achsen je zwei thermometrische Schalter auf, die es ermöglichen, dieselben Antriebe
einerseits zum schnellen Aufsuchen und Einholen der Sonne und andererseits zum langsamen
Verschieben des Spiegels entsprechend der Sonnenbewegung benutzen zu können. Einer
dieser beiden Schalter wird durch die einfallenden Sonnenstrahlen betätigt und ist
derart angeordnet, daß er sogleicli beim Erscheinen der Sonne
bestrahlt
wird; er dient dazu, den Spiegel annähernd in die gewollte Lage zu bringen. Der
andere der beiden Schalter wird durch vom beweglichen Spiegel i reflektierte Sonnenstrahlen
betätigt, und zwar wird dieser Schalter nur dann bestrahlt, wenn die Stellung
-des Spiegels i annähernd eingeregelt ist. Der zuletzt genannte Schalter
bezweckt eine genaue Einstellung der Lage des Spiegels.
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Die genannten thermometrischen Schalter sind Quecksilberschalter.
Wie aus Fig.3ersichtlich ist, bestehen sie wie der Schalter 6o aus einem gebogenen
Glasrohr 2o, das mit Quecksilber .gefüllt ist und an den Enden Glasballons 2 i,
2 i' .aufweist, die eine Wasserstoffüllung besitzen. Gegebenenfalls können in ihnen
in bekannter Weise geschwärzte absorbierende Körper untergebracht sein, die dazu
dienen, die Empfindlichkeit der Schalter zu erhöhen. Das Rohr 20 weist drei Elektroden
auf. Die mittlere Elektrode 22 ist stets in Quecksilber eingetaucht, und die beiden
anderen Elektroden 23, 23' sind -symmetrisch in bezug auf die Elektrode 22 angeordnet.
Zwischen den beiden Ballons.2 i, 2 i' ist ein Spiegel24 derart angeordnet, daß neu
einer von den Ballons jeweils von den Sonnenstrahlen bestrahlt wird. Wenn der Ballon
2i bestrahlt wird, so wird der Stromkreis durch die Elektroden 22 und 23' geschlossen.
Wird andererseits der Ballon 2z' bestrahlt, so schließen die Elektroden 22 und 23
den Stromkreis. Wird der Stromkreis in dem zuerst genannten Sinne geschlossen, so
dreht sich der Motor in der einen Richtung, und wird der Stromkreis in dem zuletzt
genannten Sirene geschlossen, so findet eine Umkehrung der Drehrichtung des Motors
statt.
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Gemäß Fig. i und 2 ist der Schalter 61, der zur groben Regelung der
Bewegung um die senkrechte Achse dient, am oberen Ende der Achse 4 angebracht und
durch eine Glasglocke 26 geschützt. Um die Rauminanspruchnahme dieses Schalters
zu verkleinern, hat der Spiegel 24 (Fig. 4), .der die beiden Ballons 2 5, 2 5' voneinander
trennt, eine verhältnismäßig geringe Höhe, und die Anordnung ist durch zwei andere
Spiegel 24', 24" vervollständigt, die parallel zu dem zuerst genannteal Spiegel
24 angeordnet sind. Dieinneren Flächen der Spiegel 24', 24" sind geschwärzt. Um
die Menge der Sonnenstrahlen, die ,auf die Ballons des Schalters fällt, zu -erhöhen,
ist unter ihnen noch ein waagerechter Spiegel 27 dergestalt angeordnet, daß
auch er die Sonnenstrahlen auf den Schalter reflektiert.
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9 Gemäß Fig. 2 und 7 ist,der mit zwei Ballons 28,28' versehene
Schalter 65, der zur Grobregelung der Bewegung um clie waagerechte Achse dient,
starr an dem. Rahmen 3 angebracht, der -den Spiegel i trägt. Der zum Schalter 28
gehörende Spiegel 29 ist an denn Rahmen 3 um eine waagerechte Achse drehbar gelagert,
und zwar ist er mit dem Spiegel i dergestalt verbunden, daß er sich zweimal schneller
als der letztere dreht. Die genannte Verbindung ist so durchgeführt, daß der Spiegel29
sich in senkrechter Lage befindet, wenn der Hauptspiegel i eine waagerechte Stellung
einnimmt. In diesem Falle sind die vom Spiegel i reflektierten Strahlen immer senkrecht
gerichtet, und zwar nach aufwärts. Die Drehachse des Spiegels 29 wird auf der einen
Seite durch eine Schneidenlagerung 3o gebildet; auf der anderen Seite weist sie
eine Scheibe 3 i auf, die :durch einen endlosen Seilzug 32 mit der Scheibe 33 verbunden
ist, welche auf dem Drehzapfen des Spiegels i sitzt und einen doppelt sogroßen Durchmesser
wie der der Scheibe 3 r besitzt. Demnach dient der Seilzug 32 sowohl zur Aufhängung
als auch zur Drehung des Spiegels 29. Der Spiegel 29 wird an seinen beiden Seiten
durch schräge Spiegel 34, 34' sowie durch einen schrägen unteren Spiegel
35 vervollständigt, welche die Beleuchtung der Ballons 28, 28' des Schalters
65 verstärken.
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Gemäß den Fig. i und 2 befinden sich die in Fig. 5 und 6 dargestellten
zur Steuerung der genauen Regelbewegung der beiden An= triebe dienenden Schalter
62, 63 oberhalb des Hauptspiegels i, und sie sind rechtwipklig zueinander angeordnet.
Falls der Hauptspiegel i das Licht senkrecht nach unten reflektieren soll, werden
die Schalter 62, 63 unter ihm angeordnet. Sie werden durch einen Teil des reflektierten
und von dem Hohlspiegel 5 i aufgefangenen Strahlenbündels betätigt. Der Spiegel
5 i erzeugt ein kleines Bild .der Sonne auf den elliptischen Spiegeln 38, 39, 38',
3,9' (Fig.5). Die zuletzt genannten Spiegel reflektieren die Sonnenstrahlen auf
die entsprechenden Ballons 36, 37, 36', 37' der Schalter. Die Schalter und die elliptischen
Spiegel werden durch :einen Arm 5o getragen, der fest mit dem Rahmen 3 verbunden
ist. Wie sich aus Fig.6 ergibt, weisen die Schalter zur genauen Regelung Heizfäden
4o, 4o' auf, die innerhalb der Ballons 37, 37' bzw. 36, 36' .angeordnet sind. Die
genannten Heizfäden liegen mit den Stromkreisen, die von den Schaltern gesteuert
werden, in Reihe, und sie dienen zur Kompensation der Kapillarität des Quecksilbers,
die in dem Augenblick, in dem die Schalter wirksam werden, ein plötzliches Ansteigen
der Quecksilbersäule umeinige Millimeter bewirkt, wobei der Anstieg der Quecksnbersäule
nur langsam zurückgeht, wenn der Schalter nicht mehr bestrahlt ist. Der Heizfaden
40 verursacht eine Erhöhung des Druckes in dem Ballon 37 des Schalters, so daß der
Anstieg der Quecksilbersäule durch
den erhöhten Druck vermindert
wird und die Quecksilbersäule im Bereich der Elektrode 23 oder 23', d. h. in der
Nachbarschaft der Unterbrechungsstelle, verbleibt, daß jedoch, sobald die Bestrahlung
des Schalters aufhört, die Quecksilbersäule schnell unter der Wirkung des Druckes
zurückgeht und den Kontakt unterbricht.
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Wie sich aus Fig.7 ergibt, wird der zum Betrieb der Motoren i i und
12 dienende Strom durch zwei Leiter 40, 40' geführt. Zwischen den Leiter 40, der
unmittelbar zu den beiden Motoren i i, 12 führt, und den Leiter 40' sind die beiden
thermümetrischen Schalter 6i, 63 bzw. 65, 62 jedes Motors parallel geschaltet. Die
beiden Ballons der .beiden Schalter eines jeden Motors, die dem gleichen Drehsinn
der Motoren entsprechen, sind parallel zwischen die Leiter 4i, 41' und 42, 42' geschaltet.
An jeden dieser Leiter sind .elektromagnetische Relais 43, 43', 44 44' angeschlossen,
deren Anker Abzweigungen 45, 45' und 46,46' des Leiters 40' steuern. Die Motoren
drehen sich in dem einen oder dem anderen Drehsinn, je nachdem, ob das eine
oder das andere ihrer Relais erregt ist. Die in Reihe mit den die Motoren steuernden
Relais geschalteten Elektromagnete 47, 48 steuern die Bremsen der beiden Antriebe
des Geräts dergestalt, daß durch das Inwirkungtreten eines beliebigen der vier Schalter-
die Erregung eines der Elektromagneten bewirkt wird und mithin die Freigabe der
betreffenden Bremse.
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Schließlich ist aus verschiedenen Gründen, und zwar in erster Linie,
um des Morgens oder nach einer lang dauernden Wolke die Wiedereinstellung .des Geräts
zu erleichtern, ein thermemetrischer Unterbrecher 49 (Fig. 7) mit Heizfäden vorgesehen.
Der thermometrische Unterbrecher 49 dient dazu, die zur Grobregelung dienenden Schalter
außer Betrieb zu setzen, sobald das Bild der Sonne sich auf einem der vier elliptischen
Spiegel 38, 38'' 39, 39' der Feinschalter 63, 62 befindet. Zu diesem Zweck geht
der Strom, der zu den mittleren Elektroden der zur genauen Regelung dienenden Schalter
62, 63 fließt, durch den Heizfaden hindurch, der sich in einem Ballon des thermometrischen
Unterbrechers 49 befindet. Dieser Unterbrecher oder Schalter weist drei Elektroden
52, 52' und 52" auf, d: h. er ist mit zwei Unterbrechungsstellen versehen, von denen
jeweils eine den Strom des einen bzw. des anderen Grobregelschalters 61 bzw. 65
unterbricht. Der Stromkreis der zuletzt genannten Schalter wird wieder geschlossen,
wenn die zur Feinregelung dienenden Schalter 62, 63 während einer gewissen Zeit
nicht in Wirkung getreten sind, weil der thermometrische Unterbrecher 49 ohne nennenswerte
Zeitverzögerung die Stromkreise öffnet, aber sie mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung
schließt, was auf die langsame Abkühlung seines mit dem Heizfaden versehenen Ballons
zurückzuführen ist.
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Die Arbeitsweise der Vorrichtung ist kurz folgende: Sofort nach Erscheinen
der Sonne wird einer der Ballons 25, 25' des Schalters 61 für die grobe Einstellung
der Bewegung um die lotrechte Achse bestrahlt, so daß der elektrische Stromkreis
durch den einen oder den anderen der durch den Schalter 61 gesteuerten Leiter 41
bzw. 4i' geschlossen wird. Der Elektromagnet 47 löst die Bremse, während eines der
Relais 43, 43' betätigt wird und den Stromkreis des Motors i i schließt, wodurch
sich der Motor in der entsprechenden Richtung dreht. Sobald die grobe Einstellung
des Spiegels i stattgefunden hat, wirkt sich -das Bild der Sonne eines der elliptischen
Spiegel 39,39' der Ballons 37, 37' des Schalters 62 für die Feineinstellung
aus. Gleichzeitig wird der Stromkreis des Grobschalters 61 durch den thermometrischen
Unterbrecher 49 geöffnet. Der Stromkreis des Relais 43 bzw. 43' wird jedoch durch
den Feinschalter 62 so lange geschlossen gehalten, bis der Spiegel i ganz genau
in die gewünschte Lage in bezug auf die Sonne gebracht worden ist, worauf der Schalter
62 den Stromkreis unterbricht und somit durch das Abfallen des Relais 43 bzw. 43'
den Motor stillsetzt. Gleichzeitig wird durch das Rückhehren des Elektromagneten47
in die Ruhelage die Bremse angelegt.
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Die Drehung um die waagerechte Achse erfolgt in genau derselben Weise.
Das - Erscheinen der Sonne bewirkt zunächst die Betätigung des Grobschalters 65,
der durch das Relais 44 bzw. 44' den Motor 12 in Gang setzt und gleichzeitig durch
den Elektromagneten 48 die Bremse löst. Daraufhin wird der Grobschalter 65 mittels
des Unterbrechers 49 durch den Feinschalter 63 ersetzt, welcher die Einstellung
vollendet.