ПАРУС, ИМЕЮЩИЙ ФОРМУ МНОГОУГОЛЬНИКА, ДЛЯ ВЫСОТНОЙ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

Изобретение относится к высотной ветроэнергетике и может быть использовано в высотных ветроэнергетических установках, предназначенных для преобразования энергии ветра на большой высоте (более 100 м. над поверхностью земли) в электрическую энергию.
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 FО3D 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 FО3D 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 №8111590628 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:
- его края не могут быть натянуты достаточно сильно, так как усилие, прилагаемое канатами к углам паруса, передается через материал паруса к его центру, а не к его краям. В то же время, когда парус в конце рабочего цикла возвращается к барабанам, набегающий поток воздуха растягивает, в первую очередь, края паруса, а не его середину. В результате этого края паруса будут изгибаться, заворачиваться и вибрировать (явление флаттера), что увеличит аэродинамическое сопротивление паруса, а значит, потери энергии. Это уменьшает выходную мощность ветроэнергетической установки;
- кроме того, передача натяжения канатов на середину паруса через материал его краев повышает требования к прочности материала паруса, что повышает стоимость и вес паруса, усложняет его конструкцию.
Целью изобретения является увеличение мощности ветроэнергетической установки и уменьшение стоимости паруса путем изменения конструкции паруса.
Эта цель достигается путем изменения формы и конструкции паруса. Предлагаемый парус имеет форму криволинейного многоугольника, например, треугольника, при этом сторонами многоугольника являются дуги, хорды которых лежат вне многоугольника, а углы образованы концами дуг. Такая форма паруса обеспечивает достаточное его натяжение по всей площади, следовательно, малые аэродинамические потери.
Края материала паруса прикреплены к вновь введенным вспомогательным канатам, расположенным по краям паруса. Такая конструкция паруса резко снижает удельную нагрузку на материал паруса, что позволяет использовать дешевый, тонкий и легкий материал.
Сущность изобретения поясняется рисунками:
Фиг.1 Схематическое изображение ветроэнергетической установки с известным парусом (вид сверху).
Фиг.2 Схематическое изображение предлагаемого паруса со вспомогательными канатами, расположенными по длине его краев, и с присоединенными к парусу канатами, являющимися продолжением вспомогательных канатов (вид сверху).
Фиг.3 Схематическое изображение паруса, края которого выполнены из материала более прочного и с меньшей растяжимостью, чем остальная часть паруса (вид сверху).
Фиг.4 Схематичное изображение паруса, края которого прошиты материалом большей прочности и с малой растяжимостью (вид сверху).
Предлагаемый парус 1 (фиг.2), как и известный парус, выполнен в форме многоугольника, например, треугольника, к углам которого присоединены канаты 2, через которые усилие, создаваемое ветром, передается от паруса на барабаны, соединенные с электрическими машинами.
В отличие от известного паруса, края предлагаемого паруса выполнены в форме дуг выпуклостью к центру паруса, то есть хорды этих дуг находятся вне паруса. Края паруса могут быть усилены вспомогательными канатами 6.
Докажем, что в этом случае парус будет равномерно натянут по всей своей площади. Предположим, что материал паруса 8 отсутствует, а есть только вспомогательные канаты 6, образующие криволинейный треугольник. Если мы приложим к углам треугольника усилие, направленное от его центра, то канаты 6 выпрямляются и образуют треугольник, сторонами которых будут отрезки прямой. Вернем материал паруса на прежнее место. Если мы снова приложим к углам треугольника усилие, направленное от его центра, то материал паруса, испытывая натяжение, не позволит канатам выпрямиться. Величина этого натяжения, отнесенная к единице длины каната, будет обратно пропорциональна радиусу кривизны дуги, образованной канатом в данной точке прикрепления материала паруса к канату. Соответственно, давление ветра на материал паруса будет создавать натяжение, которое через вспомогательные канаты 6 будет передаваться на канаты 2, присоединенные к парусу и расположенные на барабанах электрических машин. Основную нагрузку, при этом, берут на себя вспомогательные канаты, поэтому материал паруса может быть тонким, легким и недорогим. Требования к прочности материала паруса можно еще снизить, если более прочную часть материала паруса, прикрепленного к вспомогательным канатам, выполнить в виде полосы 7, к которой прикреплена, например, приклеена остальная, менее прочная, часть материала паруса 8. Роль вспомогательных канатов могут играть края паруса 7, если их выполнить из достаточно прочного материала, к ним можно прикрепить остальную часть материала 8 паруса (пришить, приклеить, приварить), которая должна иметь достаточную растяжимость, чтобы не брать на себя компоненту усилия, направленную вдоль краев паруса (Фиг.3)
Повышенную прочность на разрыв и малую растяжимость краев паруса можно обеспечить, если прошить края паруса нитями 9 из материала высокой прочности, например, из кевлара (Фиг.4).
Канаты 2 удобно выполнять в форме лент. Такое исполнение дает высокую прочность на разрыв и истирание, удобство укладки на барабаны, удобство сшивания канатов, в частности, в том случае, если вспомогательные канаты являются продолжением канатов, присоединенных к парусу.
Работа высотной ветроэнергетической установки с парусом предлагаемой конструкции не отличается от работы установки с парусом известной конструкции за исключением того, что потери энергии, связанные с аэродинамической нестабильностью краев паруса, будут отсутствовать.