ВЫСОТНАЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С ПОДЪЕМОМ ПАРУСА АЭРОСТАТОМ С КАНАТОМ

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 №6523781В2 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, 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.
Недостатком известного устройства является то, что аэростаты жестко связаны с канатами и через них с парусами, поэтому, когда в конце рабочего цикла установки парус приближается к барабанам, аэростаты также приближаются к ним, и аэродинамическое сопротивление аэростатов вызывает значительные потери энергии, которые снижают среднюю за цикл работы выходную мощность установки.
Целью изобретения является увеличение выходной мощности установки без увеличения размеров паруса.
Сущность изобретения заключается в том, что (В.У.) снабжена устройством сцепления аэростата с парусом которое отключается, когда парус при помощи аэростата достигнет рабочей высоты. После этого перемещение аэростата при движении паруса под действием ветра если и происходит, то на малое расстояние, поэтому аэродинамическое сопротивление аэростата не снижает заметным образом среднюю за цикл работы выходную мощность установки.
Сущность изобретения поясняется рисунками:
Фиг.1. Схематичное изображение известного устройства (вид сверху);
Фиг.2. Схематичное изображение предлагаемого устройства (вид в аксонометрии)
Фиг.3. Устройство сцепления, расположенного на парусе (вид сбоку)
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, канаты 2, соединенные с парусом и расположенные на барабанах 3, соединенных с электрическими машинами 4, и аэростатом 5.
В отличие от известного устройства в предлагаемом устройстве аэростат 5 соединен с дополнительно введенным вспомогательным канатом 6, который проходит через вновь введенное отверстие? в парусе 1 и расположен на вновь введенном вспомогательном барабане 8,присоединенном к вновь введенной вспомогательной электрической машине 9.
Между парусом 1 и барабаном 8 на канате 6 укреплен в качестве устройства сцепления каната с парусом стопор 10, например, перекладина, расположенная поперек каната 6.
Для повышения КПД вспомогательная электрическая машина 9 может быть снабжена тормозом (на рисунке не показан).
Для повышения КПД и увеличения срока службы каната 26 и паруса 1 отверстие 7 в парусе может быть снабжено роликами 11, расположенными на платформе 12, укрепленной на парусе.
Для упрощения работы установки на парусе может быть расположено устройство сцепления паруса со вспомогательным канатом (Фиг.3).
Предлагаемое устройство работает следующим образом:
- в исходном состоянии парус 1 находится на поверхности земли, электрическая машина 9 находится на тормозе, канат 6 натянут под действием подъемной силы аэростата 5;
- электрическая машина 9 снимается с тормоза;
- под действием подъемной силы аэростата 5 стопор 10 упирается снизу в парус, который поднимается вверх;
- канаты 2 и 6 сматываются с барабанов соответственно 3 и 8;
- когда парус достигнет такой высоты, на которой ветер имеет скорость достаточную для того, чтобы его давление могло компенсировать вес паруса и канатов 2, направление вращения машины 8 меняют на противоположное;
- стопор вместе с канатом 6 опускается вниз и не мешает работе паруса;
- путем изменения силы тока в обмотках электрических машин 4 приводят барабаны 3 во вращение таким образом, чтобы за счет изменения соотношения длин канатов 2 парус 1 приобрел положительный угол атаки относительно направления ветра;
- набегающий на парус ветер создает подъемную силу, в результате чего парус, скользя по канату 6, удаляется от барабанов, при этом барабаны 3 вращаются за счет сматывания с них канатов;
- электрические машины 4 при этом вырабатывают электрическую энергию, которая поступает в сеть;
- когда канаты 2 будут смотаны с барабанов 3 на максимально допустимую длину, угол атаки паруса 1 относительно направления ветра изменяется за счет изменения соотношения длин канатов 2 на противоположный по знаку; подъемная сила паруса становится отрицательной, и он опускается вниз, скользя по канату 6, при этом барабаны 3 вращаются в противоположном направлении, и канаты на них наматываются;
- расход энергии, которую при этом берут от сети будет небольшой, так как возвращению паруса вниз будет способствовать вес паруса и канатов 2, а также отрицательная подъемная сила паруса;
- опускание паруса происходит до такой высоты, на которой ветер еще имеет достаточную скорость для работы установки, после чего угол атаки паруса вновь изменяют на положительный, и цикл работы установки повторяется;
- вращение электрической машины 9 может быть остановлено либо подачей на ее обмотки тока соответствующей силы, либо при помощи специального тормоза (на рисунках не показан);
- в последнем случае КПД установки будет выше, так как ток в обмотках отсутствует.
Работу ветроэнергетической установки можно упростить, если использовать более сложное устройство сцепления паруса 1 с канатом 6, В качестве такого устройства можно использовать, например систему шкивов со стопором (Фиг.3), стпор на рисунке не показан.