ВЫСОТНАЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С ПОДЪЕМОМ ПАРУСА АЭРОСТАТАМИ

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 установок является малая мощность, так как мачты приемлемой стоимости не могут иметь достаточную высоту. Неоднородности рельефа, пригодные для построения предлагаемых ветроэнергетических установок, 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 приемлемых размеров.
Известны высотные ветроэнергетические установки, в которых ветросиловая установка 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 установка, содержащая два паруса, связанные друг с другом через канаты, перекинутые через барабан (шкив.) Вследствие различный 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 ветроэнергетическая установка, в которой парус жесткой конструкции поднимается над поверхностью земли при помощи аэродинамических сил (см. пат. 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 предлагаемому устройству по технической сущности и по количеству сходных существенных признаков является ветроэнергетическая установка по авторскому свидетельству СССР №SU1590628 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 кантов 2.
Известное устройство работает следующим образом.
Канаты 2 наматываются или сматываются с барабанов 3 при движения паруса 1 под действием ветра. Когда канаты 2 сматываются с барабанов 3, электрические машины 4, связанные механически с барабанами, вырабатывают электрическую энергию, которая поступает в сеть. Когда канат 2 наматывается на барабаны 3, 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 кантов 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 соотношения длин канатов, чтобы работа, 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 их путем экспериментов.
Расход энергии на возвращение паруса будет существенно меньше, чем энергия, которая была получена при удалении паруса от барабанов. Разница этих энергий направляется в сети потребления 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, соединенные механически последовательно с канатами, несут на себе полную механическую нагрузку канатов и должны быть рассчитаны на такую нагрузку. Это увеличивает их массу и стоимость.
Аэродинамическое сопротивление аэростатов движению паруса получается значительным, так как траектория движения аэростатов и их ориентация в пространстве жестко связаны с траекторией движения и ориентацией в пространстве канатов. Это снижает КПД ветроэнергетической установки, а, следовательно, полезный выход энергии, то есть ее мощность.
Целью изобретения является увеличение КПД ветроэнергетической установки и ее мощности без увеличения размеров паруса, а также снижение стоимости.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Как и в прототипе, установка содержит парус, канаты, соединенные с парусом, электрические машины с барабанами и аэростаты.
В отличие от прототипа аэростаты имеют удлиненную форму и соединены с парусом через дополнительно введенные канаты.
Для повышения КПД аэростаты 5 могут иметь удлиненную форму. Для повышения устойчивости работы установки аэростаты могут быть соединены друг с другом дополнительно введенными тонкими канатами.
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.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.2 представлена механическая схема предлагаемой высотной ветроэнергетической установки.
Предлагаемое устройство (фиг.2) содержит, как и известное устройство, канаты 2, связанные с парусом 1 и с барабанами 3, присоединенными к электрическим машинам 4, а также содержит аэростаты 5.
В отличие от известного устройства в предлагаемом устройстве аэростаты присоединены к парусу 1 через дополнительно введенные канаты 6.
Для улучшения аэродинамических свойств паруса дополнительные канаты 6 могут быть присоединены к парусу 1 в точках крепления канатов 2, соединяющих парус с барабанами 3. При этом появляется возможность управления углом атаки паруса путем изменения силы притяжения канатов 2 при помощи электрических машин 4.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
В исходном состоянии длина канатов 2 минимальная. Путем изменения силы тока в обмотках электрических машин 4 приводят барабаны 3 во вращение, таким образом, чтобы за счет изменения соотношения длин канатов, парус 2 приобрел положительный угол атаки относительно направления ветра. Аэростаты 5 помогают в этом электрическим машинам, поднимая соответствующие углы паруса вверх. Набегающий на парус ветер создает подъемную силу, в результате чего парус удаляется от барабанов, которые при этом вращаются за счет сматывания с них канатов. Электрические машины 4 при этом вырабатывают электрическую энергию, которая поступает в сеть.
Подъемная сила аэростатов при этом складывается с подъемной силой паруса и увеличивает вырабатываемую электрическую энергию.
Когда канаты будут смотаны с барабанов на максимально допустимую длину, ориентация паруса 1 относительно направления ветра изменяется за счет изменения соотношений длин канатов на противоположный по знаку. Подъемная сила паруса становится отрицательной, и он опускается вниз, преодолевая подъемную силу аэростатов, при этом происходит отбор энергии ветра. Когда парус достигнет минимальной высоты его угол атаки устанавливают нулевым.
Парус приближают к барабанам, наматывая на них канаты, 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, аэростатов и канатов является малым по следующим причинам:
- парус имеет нулевой угол атаки;
- аэростаты имеют удлиненную форму;
- диаметр канатов мал
Поскольку аэростаты прикреплены к дополнительным канатам только в одной точке, и длина этих канатов может быть достаточно большой, то при приближении аэростатов вместе с парусом к барабанам аэростаты будут располагаться приблизительно вдоль набегающего потока воздуха, а следовательно, их лобовое сопротивление будет небольшим.
Когда парус приблизится к барабанам на минимально допустимое расстояние, угол атаки паруса изменяют на положительный, и цикл работы установки повторяется.
Для увеличения устойчивости движения аэростатов они могут быть соединены друг с другом тонкими дополнительными канатами 7 (фиг.3). Это исключает возможность их вращения вокруг продольной оси и запутывания при турбулентности движений воздуха.
Предлагаемая установки конструктивно проста, может иметь невысокую стоимость и, следовательно, может быть широко использована в качестве альтернативного источника энергии.