СТРАХОВОЧНЫЙ ФАЛ ДЛЯ ТРОПОСФЕРНОГО ВЕТРОВОГО ГЕНЕРАТОРА
SAFETY HALYARD FOR TROPOSPHERIC WIND GENERATOR

Настоящее изобретение относится к тросу для тропосферного ветрового генератора.
Новая категория тропосферных ветровых генераторов известна в технике, в настоящее время развиваемой различными поисковыми группами, которые имеют общую цель эксплуатации большого количества ветровой энергии на больших высотах при помощи змейковых аэростатов, крыльев, воздушных судов, аэростатов и дирижаблей, связанных с землей при помощи длинных тросов с большим механическим сопротивлением.
Общий принцип работы тропосферных ветровых генераторов основан на поддерживании полета аэродинамических тел, которые в состоянии преобразовывать энергию ветра на больших высотах в механическую энергию, способную выполнять работы и, впоследствии, преобразовывать механическую энергию в электрическую энергию, которую можно использовать в общем в гражданских и промышленных целях.
В своей самой простой, самой эффективной и безопасной конфигурации аэродинамическое тело может быть просто крылом с высоким аэродинамическим качеством, поддерживающим полет на высотах, которые не могут быть достигнуты аэрогенератором тока, и соединены с землей с помощью троса высокого напряжения.
В качестве альтернативы, аэродинамическое тело может быть намного более сложным, например, ветровой ротор турбины, поддерживающий полет благодаря дирижаблю, или воздушному судну, снабженному хвостовым оперением и стабилизирующими элементами.
В частности, все генераторы в этой категории снабжены по меньшей мере одним соединительным тросом, который периодически накручивают и раскручивают с помощью лебедки или системы лебедок.
Не только для генераторов, в которых используют вращение лебедки, чтобы преобразовывать механическую энергию в электрическую энергию, но также и для генераторов, в которых наматывание и разматывание троса используют только для контроля высоты и траектории полета или, еще проще, только для этапов взлета и посадки, можно найти преимущества в настоящем изобретении.
Также в военно-морских тяговых системах или электрических генерационных системах на борту судов и летательных аппаратов, основанных на змейковых аэростатах, можно найти преимущества в настоящем изобретении.
Примеры таких ветровых генераторов раскрыты в патентах Италии №№ 0001344401 и 0001344926 на имя Ippolito Massimo, которые описывают общий принцип, на котором основан тропосферный ветровой генератор, в европейском патенте № EP1672214 на имя Ippolito Massimo, который описывает конфигурацию типа карусели, в заявке на патент № PCT WO 2007/129341 на имя Kite Gen Research S.r.l., которая описывает систему управления, и в заявке на патент Италии № TO2008A000423, которая описывает инфраструктуру генератора в ее конфигурации, названной "йо-йо".
В частности, энергия, которую можно извлекать с помощью известных упомянутых выше генераторов, зависит, во-первых, от атмосферных явлений, таких как скорость ветра и направление, которые могут быть вычислены при разработке, но на которые не может оказать влияние разработчик. Однако энергия, которую можно извлекать, также зависит от правильных выборов конструкций, которыми можно управлять, таких как поверхностные и аэродинамические характеристики парусов.
Все расчеты, выполненные заявителем в отношении энергии, которую можно извлекать с помощью известных упомянутых выше генераторов, подтвердили, что среди параметров, которые остаются на усмотрение разработчика, аэродинамическое качество общей системы, состоящей из крыла и тросов, является самым важным элементом: фактически, аэродинамическое качество представлено возведенным в степень два в формулах, которые описывают и рассчитывают энергию, которую можно накапливать, в то время как поверхность паруса выглядит линейно. Эффективность паруса, представленная отношением между коэффициентом подъемной силы и коэффициентом сопротивления, в общем высокое, благодаря аэродинамическому профилю паруса, который создает низкое значение коэффициента аэродинамического сопротивления.
Для улучшения безопасности и надежности генераторов, раскрытых заявителем, было выбрано внедрение пары тросов, вместо того, чтобы использовать единственный трос, предпочтитаемый другими, такой как раскрыт, например, в заявке на патент США № 2008/0210826 Ockels и др. Фактически, пара тросов обеспечивает возможность, прежде всего, управлять траекторией ветра без необходимости установки электромеханических компонентов, и защищает способность маневрировать от сбоев, отказов, трудностей со связями возможных компонентов, установленных на змейковом аэростате, в дополнение к неуправляемому падению и потере крыла в случае поломки единственного троса.
Пара тросов дополнительно превращает маловероятное событие, представленное обрывом троса, например, из-за производственного дефекта, из потенциально опасного события в простую процедуру восстановления и обслуживания: обрыв одного из этих двух тросов фактически подразумевает мгновенное уменьшение подъемной силы крыла, со следующим уменьшением напряжения, действующего на оставшийся трос. Таким образом, всегда можно вернуть крыло на землю, быстро перематывая оставшийся трос, благодаря свойству крыла, которое может сравнивать с парашютом.
Такой же принцип также принят и предпочтительно эксплуатируется в рабочих условиях во время этапа перемотки троса, который следует за этапом намотки и выработки электроэнергии: фактически, освобождая управляемым способом один из тросов и сохраняя натяжение на втором тросе, крыло естественно приводится в положение, для которого получающаяся результирующая аэродинамических сил состоит почти исключительно из сопротивления, в то время как подъем становится невыполнимым. Поддерживая крыло в этом конкретном положении, которое можно определять как маневр "скольжение на крыло", по аналогии с тем, что выполняется в кризисных ситуациях или во время боя летчиками воздушных судов, возможна быстрая перемотка управляющих тросов с минимальными затратами энергии.
Поэтому использование двух тросов подразумевает увеличение общего сопротивления по сравнению с решением с единственным тросом, но обеспечивает бесспорные преимущества в показателях безопасности и надежности.
Однако имеющиеся на рынке тросы не задуманы, и следовательно не оптимизированы, для использования тропосферным ветровым генератором и являются строго ограничивающим фактором общих аэродинамических характеристик.
D
Как известно, поведение тросов в модели можно приписать в первом приближении, поведению гладкого цилиндра с бесконечной длиной, пересеченного текущим перпендикулярном к оси цилиндра, определяя коэффициент сопротивления, обычно равный C=1,2 в зависимости от экспериментальных данных в галерее ветра, относящийся к числу Рейнольдса, обычному для многих практических применений. Этот подход, который не принимает во внимание реальную форму кабеля, шероховатость поверхности, упругость при растяжении и при кручении, подразумевает занижение, в общем, реального значения коэффициента сопротивления.
D
D
L
Например, трос со множеством жил может иметь еще больший коэффициент сопротивления, равный C=1,5, при погружении в однородную текучую среду. В случае длинных кабелей, когда инициировано явление вибрации, вызванной вихрями (VIV), коэффициент сопротивления может даже достигать значений порядка C=2,5-3, а так же могут возникать силы, перпендикулярные потоку, которому соответствует коэффициент C подъемной силы. Проблема особенно видна во многих прикладных областях, в частности, в военно-морских и морских местонахождениях, где особенно длинные тросы и кабели подвергаются действию потоков с переменной интенсивностью, например, стяжки нефтяных платформ, или кабели, которые буксируют подводные аппараты с дистанционным управлением (ROV).
Очевидно также имеется много примеров в гражданской области, где подвесные линии для передачи электроэнергии, или стяжки подвесных мостов, могут быть повреждены потенциально опасными колебаниями. Прежде всего, в этих применениях найдены решения, которые в состоянии уменьшать амплитуду колебания и делать маловероятным то, что возникают неустойчивости упругого равновесия, и требуется эффективность независимо от направления случайной текучей среды.
В других применениях прежде всего исследовано уменьшение гидродинамического сопротивления кабеля.
Среди многих предложенных способов можно вспомнить распределения шероховатости в соответствии с повторными схемами, распределение выпуклостей или углублений поверхности, винтовых обмоток, дополнения лент из ткани, более или менее жестких или гибких аэродинамических обтекателей.
Однако, когда кабель подвергают циклу повторного разматывания и наматывания на барабан лебедки, как происходит в ветровых генераторах ранее описанных типов, сложность технической проблемы увеличивается, а выбор доступных решений уменьшается.
2
Также в аэронавтике проблема является особенно важной, поскольку во времена бипланов, в Англии были сконструированы профилированные элементы конструкции, названные "провода ВВС", как замена стяжек, выполненных из стальных кабелей или полностью из красного железа. Важность такого явления можно оценить, начиная с рассмотрений определения размеров обычного тропосферного генератора. Крыло воздушного судна может создавать подъемную силу порядка 10 кН/м.
2
2
Например, полностью загруженный Боинг 747-400 на взлете имеет отношение между весом и поверхностью крыла, равное W/S=7500 Н/м. Поскольку он является воздушным судном для транспортировки пассажиров, в котором ускорение должно быть ограничено (коэффициент нагрузки n=2,5), можно заключить, что конструкция крыла выполнена по размеру, чтобы выдерживать, в условиях безопасности, удельный подъем, равный 18750 Н/м.
2
Исходное значение отношения между весом и поверхностью крыла воздушного судна без двигателя, такого как, например, планеры, дельтапланы, неустойчивые летательные аппараты и змейковые аэростаты, может составлять порядка W/S=300 Н/м.
2
2
Эти воздушные суда, несмотря на конструкцию их крыльев, весят приблизительно 50 Н/м, однако они могут выполнять маневры с высоким числом g (коэффициент нагрузки n=6 для акробатической категории), и поэтому могут развить и выдерживать конкретные значения подъема порядка 1800 Н/м.
L
3
2
2
Принимая для генератора змейкового аэростата, разработанного заявителем и описанного в вышеизложенных патентах, коэффициент подъемной силы C=1, значение плотности ρ=1,225 кг/м, поверхность крыла S=100 м, скорость полета V=40 м/с, классическая формула подъема выдает значение 98000 Н, поэтому значение около 1000 Н/м.
Принимая, например, F=100 кН как значение силы, создаваемой змейковым аэростатом, которая должна передаваться генератору через тросы, ясно, что эти последние должны быть соответственно подходящего размера.
Исследуя таблицы лучших изготовителей синтетических тросов, принимая для использования единственный трос (решение A), оптимизированный для повторяющихся циклов сгибания, и принимая коэффициент безопасности S=3, будет необходим единственный трос, диаметр которого D(a)=18 мм с предельным напряжением при растяжении 304 кН.
Принимая вместо этого использование пары тросов (решение B), из-за соображений надежности и безопасности, которые были заявлены прежде, будут необходимы два троса, имеющие диаметр D(b)=14 мм и предельное напряжение при растяжении 168,6 кН, для всего 337 кН. Фактически, суммируя очень приблизительно, но с обычным режимом работы, когда трос перемещается с нулевой скоростью относительно воздуха рядом с наземным генератором, и со скоростью, равной скорости змейкового аэростата рядом со змейковым аэростатом непосредственно, с линейным изменением скорости вдоль троса, можно оценить общее сопротивление троса.
D
Принимая аэродинамический коэффициент сопротивления C=1,2 и скорость полета, равную V=40 м/с, единственный трос с диаметром D(a)=18 мм и длиной 1000 м, полностью раскрученный, создает общее сопротивление приблизительно 7054 Н. При таких же условиях трос с диаметром D(b)=14 мм создает общее сопротивление приблизительно 5487 Н, поэтому принимая во внимание пару тросов, имеющих диаметр D(b)=14 мм, общее сопротивление составляет приблизительно 10974 Н.
Ясно, что, с точки зрения аэродинамического сопротивления, оба вышеизложенных решения A и B так или иначе были бы проблематичны, с недостатком для решения с двумя тросами (решение B), которое так или иначе достаточно обосновано увеличением безопасности и надежности.
Ввиду вышеизложенного, в уровне техники предложено несколько решений, подходящих для улучшения сопротивления усталости при циклическом нагружении тросов, подвергаемых повторяющемуся сгибанию вокруг шкивов и лебедок.
Например, заявка на патент PCT № WO 2004/035896, Knudsen R.B и Sloan F.E., раскрывает трос, смонтированный с использованием смеси нитей различной природы, в данном случае высокомодульного полиэтилена (HMPE) и жидкокристаллического полимера (LCP), в соответствии с конкретной пропорцией.
Заявка на патент PCT № WO 2005/019525, Frazer и др., раскрывает трос с сердечником без конструктивного назначения, который заполняет пустое пространство между жилами, требуемый, чтобы выдерживать нагрузки.
Точно так же заявка на патент PCT № WO 2006/086338, Bucher и др., предлагает инновацию путем введения волокна с низким коэффициентом трения в конкретные фторополимерные волокна, составляющие жилы тросы.
Подобное решение описано в заявке на патент PCT № WO 2006/101723, Nye, в которой используют нить фторопласта.
Заявка на патент PCT № WO 2006/133881, Bosman R., вместо этого раскрывает трос, в котором поперечное сечение является продолговатым, имеющим относительное удлинение между 1,2 и 4,0, а также шкив с канавкой, приспособленной к профилю троса.
Во всех случаях целью является увеличение количества рабочих циклов полезного использования троса, без чрезмерного увеличения диаметра троса и веса, в то же время поддерживая возможность выполнения визуального осмотра, который указывает на состояние износа и возможные локальные повреждения.
Было также предложено несколько решений для уменьшения гидродинамического износа тросов, которые соответственно перемещаются относительно текучей среды, почти все для применений в военно-морских и океанографических областях, поэтому с необходимыми и принятыми решениями, которые очень отличаются от решений, подходящих для тропосферного ветрового генератора.
Например, можно сделать ссылку на следующее: патент № CA 887428, Pearce и др., патент № US 3859949, Toussaint и Meyer, патент № US 4365574, Norminton, патент № US 4836122, Henderson и Wingham, патент № US 6179524, Allen и др., заявка на патент PCT № WO 2005/116459, Allen и др., заявка на патент PCT № WO 2006/134381, Pearce, патент № US 6179524, McMillan, патент № US 6223672, Allen и др., как пример покрытий, обтекателей, профилей, подходящих для подавления колебания, вызванных вихрями, и уменьшения аэродинамического сопротивления цилиндрических тел, погруженных в морскую окружающую среду.
Кроме того, интересными примерами являются патент № US 4084065, Swenson, и более новый патент № US 5067384, Scala, в которых описывается, как сделать кабель, снабженный оплеткой, в которой ряд нитей выполнен с возможностью свободного ориентирования в потоке и уменьшения вызванных колебаний и аэродинамического сопротивления.
Из тестов генерации электроэнергии в генераторе, раскрытом в вышеупомянутых патентах, заявитель обнаружил, что нет необходимости полностью перематывать тросы в конце положительной фазы каждого рабочего цикла, отводя каждый раз змейковый аэростат ближе к земле, но что вместо этого очень желательно повторять рабочие циклы на большой высоте, между промежуточной высотой и максимальной высотой, которой можно достигать, следовательно только частично перематывая тросы прежде, чем запускать новый цикл: применяя эту стратегию, поэтому ясно, что только участок тросов с ограниченной длиной подвергают большому количеству повторяющихся циклов сгибания с большой нагрузкой в элементах механического генератора, в то время как другой участок троса разматывают или наматывают на лебедки только во время ограниченных этапов взлета и посадки.
Поэтому, задачей настоящего изобретения является решение вышеупомянутых проблем предшествующей техники, обеспечивая трос для тропосферного ветрового генератора, состоящий по меньшей мере из двух участков с различной длиной и конструкцией, оптимизированный для одной или более конкретных функций и с мягким переходом между различными участками.
Другой задачей настоящего изобретения является обеспечение троса для тропосферного ветрового генератора, состоящего по меньшей мере из двух участков, в котором участок троса, самый близкий к генератору, подвергаемый повторяющимся циклам сгибания в системе для передачи и преобразования механической энергии в электрическую энергию, сконструирован так, чтобы обеспечивать долгую усталостную прочность при циклическом нагружении.
Другой задачей настоящего изобретения является обеспечение троса для тропосферного ветрового генератора, состоящего по меньшей мере из двух участков, в котором участок троса, самый близкий к крылу или змейковому аэростату, который можно определять в качестве надземной части троса, сконструирован и профилирован так, чтобы обеспечивать низкое аэродинамическое сопротивление и минимальный вес.
Вышеизложенные и другие задачи и преимущество изобретения, как будет видно из следующего описания, достигнуты с помощью троса тропосферного ветрового генератора, как заявлено в п. 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления и нетривиальные изменения настоящего изобретения являются объектом зависимой формулы изобретения.
Настоящее изобретение будет лучше описано путем некоторых предпочтительных его вариантов осуществления, представленных в качестве неограничивающего примера, со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:
фиг.1 показывает вид в перспективе тропосферного ветрового генератора, снабженного тросом предпочтительного варианта осуществления в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.2 показывает вид в перспективе тропосферного ветрового генератора, снабженного тросом другого предпочтительного варианта осуществления в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.3 - диаграмма, которая показывает работу троса в соответствии с настоящим изобретением относительно тросов предшествующей техники;
фиг.4a - вид сбоку другого предпочтительного варианта осуществления троса в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.4b - вид в разрезе троса фиг.4a;
фиг.5 - вид сбоку другого предпочтительного варианта осуществления троса в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.6 - детализированное представление троса фиг.5; и
фиг.7 - другое детализированное представление троса фиг.5.
Со ссылкой на фиг.1 можно схематично отметить тропосферный ветровой генератор 1 в конфигурации 3 с двумя тросами в соответствии с настоящим изобретением, причем такие тросы способны достигать длин порядка десятков тысяч метров для управления и передачи механической энергии от змейкового аэростата 2 к генератору 1: в частности, трос 3 в соответствии с настоящим изобретением для тропосферного ветрового генератора 1 состоит в длину:
D1
- по меньшей мере из одного первого участка 4, оптимизированного, чтобы выдерживать повторяющиеся циклы сгибания, предпочтительно выполненного из смеси синтетических волокон с высоким модулем упругости и установленного по размеру, принимая коэффициент S1 безопасности, а именно отношение между статическим предельным напряжением при растяжении троса и максимальной нагрузкой, обеспеченной при работе, находится между 3 и 15, и имеющего диаметр D (b1), обычно находящийся между 6 мм и 72 мм, предпочтительно между 8 мм и 48 мм, и аэродинамический коэффициент C сопротивления;
- по меньшей мере одного второго участка 5, оптимизированного, чтобы выдерживать повторяющиеся циклы натяжения с большой нагрузкой, предпочтительно выполненного из смеси синтетических волокон с высоким модулем упругости и установленным по размеру, принимая коэффициент безопасности S2<S1 так, чтобы диаметр D(b2) второго участка 5 был меньше, чем диаметр D(b1) первого участка 4. Конкретно, второй участок 5 имеет круглое сечение и оптимизирован, чтобы уменьшать аэродинамическое сопротивление и/или покрыт покрытием с низким коэффициентом трения, чтобы обеспечивать возможность относительного скольжения тросов в случае взаимной запутанности.
Конкретно первый и второй участки, соответственно 3 и 4, заканчиваются на своих собственных концах и взаимно соединены с одним или более соединительными элементами, выполненными из металлического или композиционного материала, или соединены с помощью пайки или, предпочтительно, выполнения мягкого перехода между различными участками 3, 4 во время того же процесса конструирования или выполнения непрерывного и постепенного изменения.
Предпочтительно, такие синтетические волокна являются волокнами ВМПЭ (высокомодульного полиэтилена). Фактически, основной особенностью тросов, изготовленных с волокнами ВМПЭ, например, с использованием волокна торговых марок Dyneema и Spectra, является большая способность сопротивлению к простым циклам натяжения, выполненным в высоком процентом отношении от предельного напряжения при растяжении.
Предпочтительно, каждый трос 3 в соответствии с настоящим изобретением соединяют со змейковым аэростатом 2 посредством по меньшей мере одной пары уздечек 7, передней уздечки и задней уздечки, соответственно выполненных из материалов, имеющих различные модули упругости, которые поэтому, имеют различное удлинение при одинаковой нагрузке, обеспечивая возможность менять угол равновесия змейкового аэростата 2 в зависимости от нагрузки, действующей на змейковый аэростат 2 непосредственно.
Экспериментируя, заявитель фактически обнаружил, что неподвижное регулирование длины четырех уздечек 7, соответственно двух передних уздечек и двух задних уздечек, определяет, нерегулируемым способом, углом равновесия змейкового аэростата 2 относительно воздуха, представляющий ограничение для простого взлета змейкового аэростата или для энергии, которую можно обеспечивать во время работы.
Во время этапа взлета, когда нагрузки, действующие на змейковый аэростат 2, являются маленькими, уздечки 7, вместо этого выполненные в соответствии с настоящим изобретением, имеют такую длину, чтобы обеспечивать для змейкового аэростата отношение, подходящее для взлета, например, значение угла равновесия α=α1.
Во время этапов полета, когда нагрузки, действующие на змейковый аэростат 2 вместо этого очень большие, можно выполнять пару уздечек 7, например, две передние уздечки, соответственно переднюю правую уздечку и переднюю левую уздечку, чтобы их подвергать удлинению при нагрузке, которая больше, чем удлинение задних уздечек, соответственно задней правой уздечки и задней левой уздечки, дающих змейковому аэростату отношение большего натяжения относительно отношения взлета, с углом равновесия α=α2>α1.
Подобное рассуждение может следовать, если требуется отношение змейкового аэростата 2, которое является отношением меньшего натяжения во время этапа полета относительно отношения взлета, выполняя удлинение задних уздечек при нагрузке большим, чем передних уздечек.
Удлинение, относящееся к уздечкам, можно вычислять при конструировании, чтобы управлять расположением желаемого отношения полета в зависимости от нагрузки змейкового аэростата и поэтому, за счет отношений, имеющихся между нагрузкой и скоростью полета, в зависимости от скорости полета.
Предполагая, что участок 5 троса, который можно определить как "надземный", подвергают только циклам натяжения и который вместо этого не подвергают повторяющимся циклам сгибания на шкивах и лебедках, его можно конструировать, чтобы использовать оптимальные характеристики суммарного сопротивления движению волокон, таких как ВМПЭ, уменьшая коэффициент безопасности до значений, близких к единице.
Концентрируя внимание на случае, в котором используют два троса, уменьшенный коэффициент безопасности, равный S2=1,5, можно принять только для надземного участка 5 и, следовательно, уменьшенный диаметр, равный D(b2)=9 мм, соответствующий предельному напряжению при растяжении, равному 77,8 кН, общему для 155,6 кН.
Принятие уменьшенного коэффициента безопасности обеспечивает возможность уменьшать диаметр второго участка 5 надземной части троса 3 в соответствии с настоящим изобретением, не уменьшая длину и надежность троса в целом.
Отношение между коэффициентом безопасности второго надземного участка 5 троса 3 и коэффициентом безопасности первого участка 4 троса 3, подвергаемого повторяющимся циклам сгибания, можно очевидно определять и оптимизировать при конструировании так, чтобы наработка до усталостного разрушения обоих участков троса, подвергаемых различным напряжениям, совпала.
Обращаясь снова к численным значениям предыдущего примера, следует отметить, что первым большим преимуществом, связанным с выбором троса 3 настоящего изобретения, является возможность использования двух тросов 3, имеющих диаметр второго участка 5, равный D(b2)=9 мм вместо единственного традиционного троса, имеющего постоянный диаметр, равный D(a)=18 мм, без какой-либо аэродинамической проблемы, но с большим преимуществом в показателях надежности и безопасности.
Фактически, принимая трос, состоящий из первого участка 4, подвергаемого повторяющимся циклам сгибания, имеющего диаметр D (b1)=14 мм и длину 500 м, и второй участок 5, имеющий диаметр D (b2)=9 мм и длину 500 м, общее сопротивление троса, вычисленное для змейкового аэростата 2 со скоростью V=40 м/с и линейным изменением скорости между 0 и 40 м/с, уменьшается только до 3772 Н, поэтому в случае двух тросов общее сопротивление равно 7544 Н.
Преимущество решения, предложенного в качестве примера, состоит в уменьшении общего сопротивления приблизительно до 31% относительно вышеупомянутого решения А благодаря тросам, принадлежащим предшествующему уровню техники.
Это происходит, поскольку самый большой вклад в общее аэродинамическое сопротивление происходит от второго участка 5 троса 3, который движется более быстро относительно воздуха, поэтому от части, самой близкой к крылу 2.
Вместо этого достаточно приемлемо выбирать большие диаметры, которые гарантируют долгую наработку до усталостного разрушения для первого участка 4 троса 3, который перемещается более медленно, поэтому рядом с генератором 1.
Второе большое преимущество, связанное со стратегией, обеспечивающей повторение рабочих циклов на больших высотах, состоит в возможности улучшения аэродинамических характеристик надземной части троса с решениями, которые предотвращали бы полное и повторное наматывание троса. Фактически, во время этапов взлета и посадки змейкового аэростата, можно обеспечивать процессы, которые предусматривают уменьшенные скорости вращения лебедки и натяжения троса, автоматизированные системы для направления тросов, системы соединения и разъединения для аэродинамических тел.
Во время этапа генерации система управления вместо этого должна быть в состоянии иметь доступными все механические потенциальные возможности генератора касательно максимального натяжения троса и скорости вращения; поэтому способность маневрирования участка троса, подвергнутого повторному сгибанию механических элементов, становится основной.
Первое усовершенствование, оказывающее большое влияние на характеристики тропосферного ветрового генератора 1, можно получать, выбирая, только для второго участка 5 надземной части троса 3 с уменьшенным диаметром, подходящие решения, подобные решениям, успешно используемым в других областях, но приспособленные к требованиям к функционированию генератора для уменьшения аэродинамического коэффициента сопротивления.
D
D
Например, можно покрывать только второй участок 5 троса 3 очень гладкой оболочкой или покрытием, выполненным из пластмассового материала, чтобы уменьшать поверхностную шероховатость и принимать C со значениями, близкими к значениям гладкого цилиндра (C=1,2).
Также можно покрывать только второй участок 5 троса 3 оболочкой или покрытием, выполненным из пластмассового материала, снабженного распределением углублений и выпуклостей, чтобы предупреждать турбулентный переход предельного уровня и уменьшать аэродинамический коэффициент сопротивления.
Дополнительное решение состоит в покрытии только второго участка 5 троса 3 оболочкой, снабженной на своей поверхности по меньшей мере одним винтовым профилем с подходящим шагом, чтобы уменьшать действие отделения вихрей спутной струи, предотвращать возникновение колебаний, вызванных вихрями, и уменьшать аэродинамический коэффициент сопротивления.
Дополнительное решение состоит в покрытии только второго участка 5 троса 3 предохранительной оплеткой, снабженной нитями, которые способны свободно ориентироваться вдоль линий потока, чтобы предупреждать турбулентный переход пограничного слоя и уменьшать аэродинамический коэффициент сопротивления.
Дополнительное решение состоит в наматывании только вокруг второго участка 5 троса 3 лент из ткани или из пластмассового материала, которые способны свободно ориентироваться вдоль линий потока, чтобы предупреждать турбулентный переход пограничного слоя и уменьшать аэродинамический коэффициент сопротивления.
Наконец дополнительное решение состоит в обеспечении только надземной части троса с оболочкой, выполненной из пластмассового материала, который аэродинамически профилирован.
Совсем новое решение вместо этого состоит в изготовлении только второго участка 5 троса 3, обычно округлого, чтобы задать ему удлиненный участок, с отношением между более длинной осью и более короткой осью, расположенным между 1,5 и 5. Это технически возможно, хотя получающийся участок еще не имеет желаемых аэродинамических характеристик. Усовершенствование аэродинамических характеристик можно получать, наматывая трос 3, изготовленный с удлиненным участком с оплеткой, и заполняя углубления имеющим малую плотность материалом для получения эллиптического участка. В качестве альтернативы, можно экструдировать вдоль троса 3, изготовленного с удлиненным участком, оболочку, выполненную из пластмассового материала и гибкую для получения эллиптического участка. Однако дополнительное большое усовершенствование в соответствии с этим решением состоит в использовании, вместо единственного троса 3, двух или более тросов с различными диаметрами, которые размещены взаимно параллельно так, чтобы сумма участков сопротивления единственных тросов 3 была равна участку сопротивления, выполненному, чтобы выдерживать механические напряжения, предусмотренные при конструировании. Соответственно заполняя углубления между тросами 3 с различными диаметрами имеющим малую плотность материалом, можно задать крыловидный профиль участку, в котором трос 3 с большим диаметром займет область с максимальной толщиной (фиг.4b). Составной трос 8, профилированный таким образом, как показано, например, на фиг. 4a, 4b и 5, можно покрывать плетеной защитной оплеткой, подходящей, чтобы принимать участие в общем механическом сопротивлении.
В качестве альтернативы, составной трос 8, профилированный таким образом, можно покрывать эластичной оболочкой, выполненной из пластмассового материала, чтобы уменьшать его поверхностную шероховатость до минимума.
В качестве альтернативы, трос может быть выполнен плетением, чтобы получать аэродинамический участок.
В качестве альтернативы, трос может быть выполнен плетением в соответствии с традиционным методологиями, затем гибридизирован в пластмассовый или резиновый материал и деформирован под давлением для получения аэродинамического участка.
Возможную защитную оплетку, выполненную из ткани, или возможную оболочку, выполненную из пластмассового материала, можно прерывать равномерно (так, как показано, например, на фиг.5), оставляя единственный трос или набор составных тросов, составляющих общий трос, свободным для сгибания, чтобы увеличивать гибкость надземной части троса и облегчать перемотку на барабаны лебедки.
Кроме того, принимая во внимание различные скорости полета, к которым различные области надземной части профилированного троса перемещаются относительно воздуха, выбранный профиль крыла может иметь отличающуюся геометрию, и поэтому аэродинамические характеристики в различных областях надземной части троса.
Однако профилирование троса в соответствии с формами, которые отличаются от круглого сечения, подразумевает возникновение явлений неустойчивости, подобных тем, которые происходят для крыльев воздушных судов. Фактически, мы знаем, что эллиптические профили и симметричные профили крыльев непостоянны, а именно, положительное изменение угла установки крыла создает аэродинамический момент, который стремится дополнительно увеличивать угол установки крыла, пока профиль не станет ориентирован ортогонально потоку. Этот режим может очевидно вызывать разделение спутной струи, увеличение сопротивления и аэроупругой неустойчивости троса в целом.
D3
D3
D1
По этой причине, обращаясь к конкретной ссылке на фиг. 2, 4a, 4b, 5, 6 и 7, другой предпочтительный вариант осуществления троса 3 в соответствии с настоящим изобретением может содержать второй участок 5, снабженный реальным хвостовым оперением, подобным оперению, используемому воздушными судами, которые в состоянии уравновешивать аэродинамический момент, создаваемый изменениями угла установки на тросе и гарантировать устойчивую работу. Поэтому, обращаясь, в частности, к фиг.2, можно отметить, что другой предпочтительный вариант осуществления троса 3, соответствующего настоящему изобретению для тропосферного ветрового генератора 1, дополнительно состоит в длину по меньшей мере из одного третьего участка 6, причем такой третий участок 6 снабжен профилированным участком 9 таким образом, что его собственное поперечное сечение имеет аэродинамический коэффициент C сопротивления, предпочтительно находящийся между 1,2 и 0,05, еще более предпочтительно между 0,6 и 0,05 так, что C<C; кроме того, такой третий участок 6 можно снабдить стабилизирующим хвостовым оперением 10 в таком количестве и размещенным на таком взаимном расстоянии, чтобы гарантировать общую стабильность троса.
Обращаясь теперь к фиг. 5 и 6, отметим, что хвостовое оперение 10 предпочтительно связывают с третьим участком 6 троса 3 по меньшей мере посредством одного шарнира 12 и одного штифта 13, который обеспечивает возможность поворота хвостового оперения 10 вокруг ортогональной оси к оси троса 3, гарантируя упорядоченную перемотку третьего участка 6 троса 3, включая хвостовое оперение 10 на собирающем барабане троса 3 во время процесса приземления. Предпочтительно, шарнир 12 связан с профилированным участком 9 по меньшей мере посредством одной полоски 11. Как показано на фиг.7, хвостовое оперение 10 может поворачиваться вокруг оси шарнира 12, чтобы быть повторно согнутым к тросу 3.
Количество и взаимное расположение хвостового оперения 10 будут очевидно зависеть от аэродинамических характеристик троса 3 и максимальной скорости троса 3 относительно воздуха, выбирая решение, которое гарантирует стабильность троса 3 во всех рабочих режимах и минимальное дополнительное аэродинамическое сопротивление благодаря хвостовому оперению 10.
Наконец хвостовое оперение 10 можно соединять с надземной частью троса, или можно прикреплять к кабелю автоматически зажимного типа механизмом после запуска генератора и медленного раскручивания надземной части троса; точно так же его можно отсоединять, перематывая надземную часть кабеля и останавливая генератор.
Наконец, если хвостовое оперение 10 соединено с надземной частью троса, оно должны быть способно наматываться на собирающие лебедки целиком с тросом во время ограниченных этапов взлета и посадки.
Было обнаружено, что, присоединяя хвостовое оперение к шарниру 12 рядом с выпускным краем аэродинамического профилированного участка 9, хвостовое оперение 10 можно изгибать рядом с барабанами лебедки и надлежащим образом выполнять на собирающем барабане.
Ясно, что хвостовое оперение 10 можно легче наматывать на последний, более внешний слой троса, намотанный на собирающий барабан.
Чтобы гарантировать правильную ориентацию хвостового оперения 10 во время этапов полета, было найдено, что пружина, например, пружина кручения, размещенная рядом с шарниром 12 и имеющая достаточную жесткость, чтобы поддерживать на месте хвостовое оперение 10 несмотря на действие аэродинамических сил, может эффективно решить эту техническую проблему.
Как уже было доказано, новшества, созданные настоящим изобретением, можно с пользой использовать в любом тропосферном или высотном ветровом генераторе.
Однако конкретно, если решение 3 с двумя тросами 3 используют для передачи механической энергии на землю, как в случае генератора, описанного в вышеизложенных патентах заявителя, необходимо принять во внимание и гарантировать вероятность того, что тросы могут запутываться во время этапов полета и генерации. Экспериментируя опытный образец такого генератора, поведение крыльев и системы управления были в значительной степени проверены, когда тросы взаимно переплетены.
Было продемонстрировано, что система может регулярно работать также со многими взаимными обмотками тросов, поскольку управление крыла связано с различной длиной тросов и с различными значениями натяжения тросов.
Однако тросы с круглым сечением выполнены свободными для скольжения один относительно другого, даже когда они переплетены, и кроме того количество взаимных обмоток не уменьшает эффективность системы управления полетом.
Также ясно, что свобода взаимного скольжения тросов будет ограничена профилированным участком и ослаблена или даже предотвращена присутствием хвостового оперения.
Экспериментируя, было также проверено, что переплетение кабелей происходит, начиная с расстояния между центрами летающей части троса и, после увеличения витков, продолжается вдоль направления полета крыла и вдоль направления земли генератора.
Поэтому было обнаружено, что надземную часть троса, в предпочтительном варианте осуществления, можно в свою очередь разделить на два участка, для трех участков в целом.
Поэтому с помощью перемещения вдоль полностью раскрученного троса, начиная от генератора вдоль направления крыла, в этом случае, имеется первый участок, подвергаемый повторяющимся циклам сгибания, второй участок, снабженный круглым сечением и способный допускать взаимные переплетения троса, и третий участок, который аэродинамически профилирован и снабжен хвостовым оперением.
Конкретно, участок надземной части троса, снабженной круглым сечением, можно покрывать оплеткой, оболочкой или покрытием поверхности с низким поверхностным трением, чтобы облегчать взаимное скольжение тросов рядом с областями, где могут быть созданы взаимные обмотки.
Оболочку или покрытие можно также предпочтительно снабжать поверхностными углублениями, чтобы предупреждать турбулентный переход и уменьшать аэродинамический коэффициент сопротивления.
D
D
D
Возвращаясь к предыдущему числовому примеру, можно создать трос 3 в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, в котором трос состоит из первого участка 4, имеющего диаметр D(b1)=14 мм, длину 500 м, C=1,2, второго участка 5, имеющего диаметр D(b2)=9 мм, длину 300 м, и C=1,2, третьего участка 6, имеющего диаметр D(b3)=9 мм, длину 200 м и уменьшенный аэродинамический коэффициент C=0,5 сопротивления, который имеет общее сопротивление, равное 2768 Н.
Наконец, трос для тропосферного ветрового генератора настоящего изобретения состоит по меньшей мере из двух участков с различной длиной и конструктивными характеристиками. Участок троса, самый близкий к генератору, подвергаемый повторяющимся циклам сгибания в системе для передачи и преобразования механической энергии в электрическую энергию, сконструирован, чтобы гарантировать долгую циклическую наработку до усталостного разрушения.
Участок троса, самый близкий к крылу или змейковому аэростату, который можно определять как надземная часть троса, сконструирован и профилирован, чтобы обеспечивать низкое аэродинамическое сопротивление и минимальный вес.
Проход между соседними участками троса выполнен, чтобы гарантировать мягкий переход.
Дополнительное преимущество, полученное от троса 3 в соответствии с настоящим изобретением, состоит в том, что, в случае неисправности одного из тросов, часть троса мягко скользит вместо того, чтобы падать на землю, и поэтому у системы автоматического управления имеется достаточно времени, чтобы быстро перемотать поврежденный трос прежде, чем он достигнет земли.