ВЫСОТНАЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С ПОДЪЕМОМ ПАРУСА АЭРОСТАТОМ С КАНАТАМИ

Полезная модель относится к высотной ветроэнергетике и предназначена для преобразования энергии ветра на большой высоте (более 100 м. над поверхностью Земли) в электрическую энергию.
Известны высотные ветроэнергетические установки, в которых турбины с вертикальной осью вращения поднимаются над Землей при помощи мачт или неоднородностей рельефа (гор) (см. пат. США №4165468 МКИ F03D 11/00 опубл. 79.08.21.)
Недостатком таких устройств является малая мощность, так как мачты приемлимой стоимости не могут иметь достаточную высоту. Неоднородности рельефа, пригодные для построения предлагаемых ветроэнергетических установок, встречаются редко.
Известны высотные ветроэнергетические установки, в которых турбины поднимаются над поверхностью земли при помощи аэростата (см. пат. США №4084102 МКИ F03D 11/00 опубл. 78.04.11).
Недостатком таких устройств является малая мощность, так как турбины большой мощности невозможно поднять при помощи аэростата приемлимых размеров.
Известны высотные ветроэнергетические установки, в которых ветроэнергетическая установка (далее В.У.) вместе с электрическим генератором поднимается над поверхностью земли при помощи аэродинамических сил (см. пат. США №4572962 МКИ F03D 3/02 опубл. 86.02.25.)
Недостатком таких устройств является малая доля времени, когда ветер имеет силу, достаточную для работы таких устройств.
Известна высотная ветроэнергетическая установка, содержащая два паруса, связанные друг с другом через канаты, перекинутые через барабан (шкив). Вследствие различной ориентации парусов в пространстве, давление ветра на них различное, что и приводит установку в действие (см. авт. свид. СССР №1216416 МКИ F03D 5/00 опубл. 86.03.07.). Недостатком таких устройств является сложность управления парусами.
Известна высотная ветроэнергетическая установка, в которой парус жесткой конструкции поднимается над поверхностью земли при помощи аэродинамических сил (см. па. США №6523781 В2 МКИ В64С 31/06 опубл. 03.02.25.).Недостатком таких устройств является малая доля времени, когда ветер имеет силу достаточную для работы таких устройств.
Наиболее близким к прилагаемому устройству по технической сущности и по количеству сходных существенных признаков является ветроэнергетическая установка по авторскому свидетельству СССР № SU 1590628 МКИ F03D 5/00 опубл. 90.09.07., которая выбрана за прототип.
Это устройство содержит (фиг.1) парус - 1, канаты - 2, соединенные с парусом и расположенные на барабанах - 3, соединенных с электрическими машинами - 4, и аэростаты - 5, через которые барабаны соединены с парусом, при помощи канатов - 2.
Известное устройство работает следующим образом:
- канаты - 2 наматываются или сматываются с барабанов - 3 при продвижении паруса - 1 под воздействием ветра. Когда канаты сматываются с барабанов, электрические машины - 4, связанные механически с барабанами, вырабатывают электрическую энергию, которая поступает в сеть. Когда канаты наматываются на барабаны, электрические машины потребляют энергию от сети.
- когда канаты сматываются с барабанов, ориентация паруса в пространстве и траектория его движения выбираются за счет изменения соотношений длин канатов при изменении скоростей вращения электрических машин (путем изменения силы тока в их обмотках) таким образом, чтобы происходил максимальный отбор энергии ветра.
При возвращении паруса на прежнее место ориентация паруса в пространстве и траектория его движения выбираются такими за счет изменения соотношений длин канатов, чтобы энергия, затрачиваемая на преодоление аэродинамического сопротивления движению паруса, аэростатов и канатов за время возвращения паруса была максимальной. Функции соотношений длин канатов от времени получают теоретическим путем и корректируют их путем экспериментов.
Расход энергии на возвращение паруса будет значительно меньше, чем та энергия, которая была получена при удалении паруса от барабанов. Разница этих энергий направляется в сеть потребителя в виде полезного выхода энергии.
Несколько подобных установок, настроенных соответствующим образом, могут снабжать потребителя непрерывным потоком энергии. В одиночных установках для выравнивания потока энергии к потребителю могут использоваться аккумуляторы энергии.
Недостатком известной ветроэнергетической установки является то, что когда в процессе ее работы парус в конце рабочего цикла приближается к барабанам, то аэродинамическое сопротивление аэростатов вызывает дополнительные потери энергии, что приводит к уменьшению мощности ветроэнергетической установки.
Целью предложения является увеличение мощности ветроэнергетической установки без увеличения размеров паруса.
Эта цель достигается тем, что аэростат имеет сильную механическую связь с парусом только в процессе подъема паруса на рабочую высоту, после чего эта связь резко уменьшается, и аэродинамические характеристики аэростата не влияют существенным образом на входную мощность установки.
Сущность предложения поясняется рисунками:
Фиг.1 Схематическое изображение известного устройства (вид сверху).
Фиг.2 Схематическое изображение предлагаемого устройства (2 вид в аксонометрии).
Фиг.3 Схематическое изображение предлагаемой ветроэнергетической установки с присоединением вспомогательных канатов к разным точкам аэростата (вид в аксонометрии).
Фиг.4 Схематическое изображение предлагаемой ветроэнергетической установки с присоединением первого вспомогательного каната ко второму канату (вид в аксонометрии).
Фиг.5 Схематическое изображение предлагаемой ветроэнергетической установки с использованием нескольких аэростатов, вспомогательных канатов и вспомогательных барабанов, присоединенных к вспомогательным электрическим машинам (вид в аксонометрии).
В известных технических решениях признаков, сходных с отличительными признаками заявленного технического решения, не обнаружено. Вследствие этого можно считать, что предлагаемое техническое решение обладает существенными отличиями.
Предлагаемое устройство содержит (фиг.2), как и известное устройство, парус 1, силовые канаты 2, соединенные с парусом и расположенные на силовых барабанах 3, соединенных с силовыми электрическими машинами 4, и аэростат 5.
В отличие от известного устройства, предлагаемая ветроэнергетическая установка содержит первый вспомогательный канат 6, соединяющий аэростат 5 с парусом 1 и второй вспомогательный канат 7, присоединенный к аэростату и расположенный на вспомогательном барабане 8, соединенном со вспомогательной электрической машиной 9.
Предлагаемая ветроэнергетическая установка работает следующим образом:
- в исходном состоянии парус находится на земле, аэростат вблизи земли, вспомогательная электрическая машина 9 заторможена;
- электрическую машину 9 снимают с тормоза;
- под действием подъемной силы аэростат поднимается вверх, увлекая за собой вспомогательные канаты 6 и 7;
- когда аэростат достигнет некоторой высоты, канат 6 натягивается, после чего происходит подъем паруса 1;
- канаты 2 при этом сматываются с барабанов 3;
- когда парус достигнет рабочей высоты, подают ток на электрическую машину 9. и под ее действием второй вспомогательный канат 7 наматывается на барабан 8; аэростат 5 быстро движется вниз, первый вспомогательный канат 6 провисает и не мешает движению паруса 1;
- вращая барабаны 3 при помощи электрических машин 4, устанавливает такое соотношение длин канатов 2, при котором парус 1 приобретает положительный угол атаки по отношению к направлению ветра; под давлением набегающего потока воздуха парус движется по наклонной линии вверх; канаты 2 сматываются с барабанов 3, и электрические машины 4 вырабатывают энергию; за счет изменения длин канатов 2 выбирают такую, траекторию движения паруса 1, при которой происходит максимальный отбор энергии ветра;
- когда канаты 2 будут смотаны с барабанов 3 на максимально допустимую длину, ориентацию паруса 1, относительно направления ветра, изменяют за счет изменения соотношения длин канатов 2 таким образом, чтобы знак угла атаки паруса изменился на противоположный; подъемная сила паруса становится отрицательной, и он опускается вниз под действием силы ветра и тяжести паруса и канатов;
- когда парус достигнет минимально допустимой высоты, его угол атаки устанавливают нулевым; электрические машины 4 вращают барабаны 3, наматывая на них канаты, и парус приближается к барабанам, при этом расходуется энергия, которую берут из сети или от аккумуляторов; эта энергия будет существенно меньше той, которая была получена при удалении паруса от барабанов, так как аэродинамическое сопротивление паруса и канатов является малым по следующим причинам:
- угол атаки паруса близок к нулю;
- диаметр канатов мал;
- движение паруса к барабанам проходит на малой высоте, где скорость ветра меньше, чем на большей высоте;
- когда парус приблизится к барабанам 3 на минимально допустимое расстояние, угол атаки паруса изменяют на положительный, и цикл работы установки повторяется.
Для улучшения аэродинамических свойств паруса в процессе подъема его на рабочую высоту первый вспомогательный канат может быть соединен с парусом в месте присоединения силового каната (фиг.3, 4, 5).
Для управлением ориентацией аэростата в пространстве и, следовательно, для управлением его аэродинамической подъемной силой первый и второй вспомогательные канаты могут быть присоединены к аэростату в разных его точках (фиг.3).
Для упрощения конструкции аэростата первый вспомогательный канат может быть соединен не с аэростатом, а со вторым вспомогательным канатом (фиг.4).
Для подъема паруса на рабочую высоту можно использовать не один аэростат, а несколько (фиг.5). В этом случае размеры аэростатов могут быть уменьшены, что снижает их стоимость и упрощает их обслуживание. Кроме того, наличие нескольких аэростатов позволяет управлять ориентацией паруса в пространстве даже в тех случаях, когда скорость ветра мала и, следовательно, получать электрическую энергию при слабом ветре, но при этом в процессе работы ветроэнергетической установки должны постоянно участвовать вспомогательные электрические машины 9.