ПОЛУЖЕСТКИЙ ПАРУС, ИМЕЮЩИЙ ФОРМУ МНОГОУГОЛЬНИКА, ДЛЯ ВЫСОТНОЙ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

Известны высотные ветроэнергетические установки, в которых ветросиловая часть, состоящая из параллельно расположенных парусов, 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 сложность их ветросиловой части.
Известна высотная ветроэнергетическая установка, содержащая два паруса, каждый из которых разделен на секции (см. авт. свид. СССР №1216416 МКИ F03D 5/00, опубл. 86.03.07.). Недостатком известного паруса является сложность его конструкции.
Известна высотная ветроэнергетическая установка, в которой контур поперечного сечения паруса жесткой конструкции аналогичен контуру поперечного сечения крыла самолета (см. пат. США №6523781 В2 МКИ В64С 31/06 опубл.03.02.25.). Недостатки такого паруса: высокая стоимость, большая масса, отнесенная к единице площади, сложность управления ориентацией в пространстве.
Наиболее близким к предлагаемому парусу по технической сущности и по количеству сходных существенных признаков является парус, который входит в состав высотной ветроэнергетической установки по авторскому свидетельству СССР № SU 1590628 МКИ F03D 5/00 опубл. 90.09.07., который выбран за прототип
Работа этой установки поясняется рисунком (см. фиг., 1).
Она содержит парус 1, выполненный в виде треугольника, стороны которого представляют собой отрезки прямой, 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.
Канаты 2 наматываются или сматываются с барабанов 3 при движении паруса 1 под действием 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, ориентацию паруса в пространстве и траекторию его движения выбирают 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 ориентацию паруса в пространстве и траекторию его движения выбирают такими за счет изменения соотношений длин канатов, чтобы энергия, затрачиваемая на преодоление аэродинамического сопротивления движению паруса, аэростатов и канатов за время возвращения паруса была минимальной.
Функции соотношений длин канатов от времени получают теоретическим путем и корректируют 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.
Известный парус имеет следующие недостатки:
- если его выполнить в виде многоугольника из гибкого материала, то его аэродинамические характеристики будут невысокими, так как при помощи канатов будет трудно управлять его формой, это ограничит мощность, получаемую от паруса;
- если парус выполнить в виде многоугольника из жесткого, не гибкого материала, то из-за требований механической прочности он должен будет иметь значительную толщину, следовательно, будет иметь высокую стоимость и большой вес, его трудно будет поднять на рабочую высоту, это ограничит мощность, которую можно получить от установки;
- на материал углов известного паруса приходится большая удельная механическая нагрузка, что также ограничивает мощность, которую можно получить от установки с таким парусом.
Целью изобретения является увеличение мощности ветроэнергетической установки, в которой используется парус.
Эта цель достигается тем, что парус имеет полужесткую конструкцию: его внешний край имеет форму многоугольника, образованного соединенными концами вновь введенными балками, представляющими собой, например, отрезки труб, к точкам соединения которых присоединены вершины многоугольника, образованного поверхностью из гибкого материала
Такая конструкция паруса обеспечивает одновременно хорошие аэродинамические характеристики, малый вес и возможность выдерживать большие рабочие нагрузки, что позволяет увеличить мощность ветроэнергетической установки.
Сущность изобретения поясняется рисунками:
Фиг.1 Схематическое изображение ветроэнергетической установки с парусом известной конструкции (вид сверху).
Фиг.2 Схематическое изображение предлагаемого паруса (вид сверху).
Фиг.3 Схематическое изображение ажурной балки (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.
Предлагаемый парус (Фиг.2), содержит, как и известное устройство, поверхность 1 из гибкого материала, например, из ткани, имеющую форму многоугольника, например, треугольника с местами 6 присоединения канатов для отбора механической энергии на вершинах углов многоугольника.
В отличие от известного устройства предлагаемый парус содержит элементы жесткости; балки 7, например, отрезки труб, соединенные между собой концами в форме многоугольника, например, треугольника, причем поверхность из гибкого материала присоединена к местам соединения балок между собой.
Для улучшения аэродинамических характеристик паруса путем обеспечения равномерного натяжения поверхности из гибкого материала внешний край этой поверхности выполнен в форме криволинейного многоугольника, образованного дугами, соединенными последовательно концами, причем хорды дуг лежат вне площади, многоугольника.
Для того, чтобы уменьшить механическую нагрузку на гибкий материал поверхности паруса и за счет этого снизить вес и стоимость паруса, край криволинейного многоугольника можно прикрепить по его длине к вспомогательному канату 8, через который усилие, прикладываемое ветром к поверхности паруса, будет передаваться на углы многоугольника и далее на канаты 2, предназначенные для отбора энергии.
Поскольку балки соединены с поверхностью из гибкого материала только в точках соединения балок между собой, изгиб материала не вызывает изгиба балок, а лишь увеличивает для них усилие сжатия в направлении продольной оси.
Для того, чтобы уменьшить нагрузку на балки и за счет этого уменьшить их вес и стоимость, вершины углов многоугольника, образованного поверхностью 1 из гибкого материала, можно соединить с вершинами углов многоугольника, образованного балками, гибкими связями 9, например, дополнительными канатами, при этом канаты 2, для отбора энергии, нужно присоединить к вершинам углов 6, образованных материалом паруса, а не балками. Регулируя длину дополнительных канатов, можно регулировать усилие, прикладываемое к балкам. Гибкие связи можно выполнить в виде эластичных элементов. Например, резиновых жгутов. В этом случае растяжение резиновых жгутов, при изгибе паруса под давлением ветра, уменьшит нагрузку на балки по сравнению с той, которая была бы, если бы вместо резиновых жгутов были канаты. Слишком большое растяжение резиновых жгутов может неблагоприятно отразиться на работе паруса, поэтому параллельно жгутам можно присоединить обычные канаты 10 достаточной длины.
Для подъема паруса на достаточную высоту он может иметь отверстие 11, снабженное роликами 12, через которое пропускают канат, к верхнему концу которого присоединен аэростат (этот канат и аэростат на рисунках не показаны).
Для уменьшения веса балок без снижения механической прочности они могут иметь ажурную конструкцию (Фиг.3), например, в виде трех, скрепленных концами, тонких трубок 13, между которыми установлены в плоскостях перпендикулярных осям балок треугольники 14, например, из отрезков тонких трубок.
Наличие у предлагаемого паруса элементов жесткости позволяет отказаться от управления его формой, и это дает возможность разместить барабаны с электрическими машинами ветроэнергетической установки на малой площади, что упрощает ее обслуживание и уменьшает стоимость (снижается стоимость земли, на которой она расположена). Расширяются возможности использования ветроэнергетической установки: она может быть размещена на вершинах гор, крышах зданий, на малых островах водоемов и т.д.
Работа высотной ветроэнергетической установки с парусом предлагаемой конструкции не отличается от работы установки с парусом известной конструкции, за исключением увеличения мощности за счет улучшения аэродинамических характеристик паруса.