ВЫСОТНАЯ ПАРУСНАЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА СО ВСПОМОГАТЕЛЬНЫМ КАНАТОМ И АЭРОСТАТОМ
HIGH-ALTITUDE SAIL WIND-DRIVEN POWER PLANT WITH AUXILIARY CABLE AND AEROSTAT

Изобретение относится к высотной ветроэнергетике и предназначается для преобразования энергии ветра на высоте более 20 м над поверхностью Земли в электрическую энергию.
Известна высотная ветроэнергетическая установка [1], в которой турбины с вертикальной осью вращения поднимаются над Землей при помощи мачт или неровностей рельефа. Недостатком таких устройств является их малая мощность вследствие недостаточной высоты, связанной с дороговизной возведения мачт необходимой высоты.
Известна высотная ветроэнергетическая установка [2], в которой турбины поднимаются над поверхностью Земли при помощи аэростата. Однако турбины большой мощности невозможно поднять при помощи аэростата приемлемых размеров.
Известна высотная ветроэнергетическая установка [3], содержащая два паруса, связанные друг с другом канатами, перекинутыми через барабан (шкив). Недостатком данного технического решения является сложность управления парусами.
Прототипом предлагаемого технического решения является ветроэнергетическая установка [4], содержащая парус, соединенные с ним канаты, расположенные на барабанах, соединенных с электрическими машинами, и аэростаты, через которые барабаны соединены также с парусом при помощи канатов. Траектория движения паруса в пространстве определяется изменением длин канатов путем изменения скорости вращения электрических машин.
Эта установка имеет следующие недостатки:
- сложность, выраженная в большом количестве барабанов, электрических машин и аэростатов;
- установка имеет ось симметрии, проходящую через парус, поэтому при наличии вихревых движений воздуха она может, при большой длине канатов, закручиваться вокруг этой оси, что вызовет нарушение работы паруса на большой высоте;
- большая площадь земли, занимаемая барабанами с электрическими машинами;
- необходимость дополнительных расходов по обеспечению энергетической и информационной связи между электрическими машинами.
Задачей изобретения является упрощение ветроэнергетической установки, обеспечение устойчивости движения паруса на большой высоте и уменьшение занимаемой установкой площади.
Поставленная задача решается высотной ветроэнергетической установкой, содержащей парус, силовые канаты, соединенные с парусом, аэростат и барабаны, каждый из которых соединен со своей электрической машиной, отличающейся тем, что аэростат соединен через вспомогательный канат с парусом и с силовым канатом, расположенным на первом барабане, причем остальные силовые канаты соединены с дополнительным канатом, расположенным на втором барабане.
Вид установки в аксонометрической проекции приведен на фиг.1, где: 1 - парус, 2 и 3 - силовые канаты, 4 и 5 - первый и второй барабаны, 6 - электрические машины, 7 - аэростат, 8 - вспомогательный канат, 9 - дополнительный канат.
Для обеспечения возможности работы при любом направлении ветра барабаны могут быть размещены на поворотной платформе 10, которая может поворачиваться на 360 градусов на оси в подшипнике. Стрелка на фиг.1 обозначает направление ветра.
Аэростат 7 присоединен через вспомогательный канат 8 к парусу 1 и к силовому канату 3, остальные силовые канаты 2 соединены с парусом и с дополнительным канатом 9.
Установка работает следующим образом
Электрические машины 6 снимаются с тормоза, и под действием подъемной силы аэростат 7 поднимается вверх, увлекая за собой парус и канаты 3 и 9, которые сматываются с барабанов 4 и 5. Управляют вращением барабанов 4 и 5 таким образом, чтобы за счет соответствующего отношения длин канатов 3 и 9 парус 1 приобрел положительный угол атаки по отношению к направлению ветра, соответствующий максимальной мощности установки. Под действием набегающего потока воздуха парус движется по наклонной линии вверх, канаты сматываются с барабанов, и электрические машины вырабатывают электрическую энергию.
Периодически изменяя в небольших пределах отношение длин канатов 3 и 9, можно придать движению паруса колебательную составляющую в вертикальном направлении, при этом увеличится сметаемая парусом площадь, а следовательно, выходная мощность установки.
Когда канаты будут смотаны с барабанов на максимально допустимую длину, натяжение одного из канатов, например, каната 3 уменьшают, уменьшая силу тока в обмотках соединенной с барабаном 4 электрической машины, при этом парус разворачивается по ветру, и его угол атаки становится близким к нулевому.
Электрические машины 6 вращают барабаны 4 и 5 в противоположном направлении, наматывая на них канаты, и парус приближается к барабанам, при этом расходуется энергия, которую берут из сети или от другого источника. Эта энергия будет существенно меньше той, которая была получена при удалении паруса от барабанов, благодаря нулевому углу атаки, малому диаметру канатов и обтекаемой форме аэростата.
Поворотная платформа 10 разворачивается по ветру либо под действием натяжения канатов 3 и 9, либо благодаря двигателю (на рисунке не показан), работающему по сигналу, получаемому от датчика направления ветра (на рисунке не показан).
В системе аэростат-парус центр тяжести находится внизу, поэтому она устойчива к вихревым движениям воздуха. Площадь земли, занимаемой поворотной платформой, очень мала, что сильно упрощает проблему размещения установки на местности.
Предлагаемая установка проста, технологична, при массовом выпуске будет иметь небольшую стоимость, поэтому может широко использоваться в качестве источника энергии с мощностью от 0,1 кВт до 1000 кВт.
Использованная литература
1. Патент США №4165468, 1979 г.
2. Патент США №4084102, 1978 г.
3. А.С. СССР №1216416, 1986 г.
4. А.С. СССР №1590628, 1990 г.