ВЫСОТНАЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С ПОДЪЕМОМ ПАРУСА АЭРОСТАТОМ СО ШКИВОМ

Полезная модель относится к высотной ветроэнергетике и предназначено 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 (В.У.), 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 (В.У.), 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 (В.У.) 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 благодаря вновь введенным шкиву, присоединенному к аэростату и вспомогательному канату, расположенному на этом шкиве, амплитуда движения аэростата в процессе работы ветроэнергетической установки может быть намного меньше, чем амплитуда движения паруса, поэтому потери энергии на преодоление аэродинамического сопротивления аэростата могут быть сильно уменьшены, соответственно мощность ветроэнергетической установки может быть увеличена.
Сущность предложения поясняется рисунками:
Фиг.1 Схематическое изображение известного устройства (вид сверху).
Фиг.2, 3 Схематическое изображение предлагаемого устройства (2 варианта, 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 шкив 6, вспомогательный канат 7 и вспомогательный барабан 8, соединенный с электрической машиной 9, причем шкив присоединен к аэростату, а вспомогательный канат присоединен к парусу и расположен на шкиве и на вспомогательном барабане.
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 вспомогательный канат и, через него, парус, при этом электрической машиной 9 управляют таким образом, чтобы шкив не вращался;
- когда парус достигнет рабочей высоты, вращают барабаны 3 при помощи электрических машин 4 таким образом, чтобы за счет соответствующих соотношений длин канатов 2 парус 1 приобрел положительный угол атаки по отношению к направлению ветра; под действием набегающего потока воздуха парус движется по наклонной линии вверх; канаты 2 сматываются с барабанов 3, и электрические машины 4 вырабатывают энергию; за счет изменения соотношений длин канатов 2 выбирают такую траекторию движения паруса 1, при которой происходит максимальный отбор энергии ветра; электрической машиной 9 управляют таким образом, чтобы положение аэростата 5 в пространстве оставалось приблизительно постоянным, чтобы не происходило значительных потерь энергии на преодоление аэродинамического сопротивления движению аэростата;
- когда канаты 2 будут смотаны с барабанов 3 на максимально допустимую длину, ориентацию паруса 1, относительно направления ветра, изменяют за счет изменения соотношений 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 на минимально допустимое расстояние, угол атаки паруса изменяют на противоположный, и цикл работы установки повторяется.
Для улучшения аэродинамических свойств паруса вспомогательный канат может быть соединен с парусом в месте присоединения к парусу силового каната (фиг.2, 3).
Для подъема паруса на рабочую высоту можно использовать не один аэростат, а несколько (фиг.3).
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.