ЛЕТАЮЩАЯ ТУРБИНА-АЭРОСТАТ ДЛЯ ВЕТРОВОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Полезная модель относится к области преобразования энергии потока ветра в электрическую энергию.
Из предшествующего уровня техники известна летающая ветровая турбина, входящая в состав ветровой электростанции с управляемым кайтом (публикация №1182007228738 (A1), F03D 9/00, 04.10.2007). Данная турбина включает в себя подвижный элемент, взаимодействующий с потоком ветра, имеющий аэродинамическую форму, обеспечивающую подъемную силу при обтекании элемента потоком воздуха (крыло). Подвижный элемент соединен с блоком управления посредством системы строп. Блок управления соединен с тросом, другой конец которого приводит в действие устройство, вырабатывающее электроэнергию. Описанная летающая ветровая турбина наиболее близка к заявленной, поэтому предлагается в качестве прототипа.
Недостатками прототипа является невозможность поддержания летающей ветровой турбины в рабочем положении в условиях отсутствия ветра. В штиль подвижный элемент упадет на землю. Также прототип требует сложной системы управления для осуществления запуска, подъема на рабочую высоту и посадки подвижного элемента.
Перед автором стояла задача создания летающей ветровой турбины, обеспечивающей простоту управления в режиме взлета и посадки, высокую надежность, малые расходы на изготовление. В частности, данное устройство предназначено для вращения ротора генератора ветровой электростанции.
Для решения поставленной задачи (достижения указанного технического результата) предлагается использовать летающую турбину-аэростат для ветровой электростанции, имеющую в своем составе крыло, передние и задние стропы, блоки управления, и трос для приведения в действие генератора. Крыло турбины, как у прототипа, имеет форму, обеспечивающую создание подъемной силы, действующей при обтекании его потоком воздуха.
Отличие от прототипа заключается в том, что крыло летающей турбины-аэростата выполнено в виде оболочки из гибкого воздухонепроницаемого материала, заполненной газом легче воздуха при нормальных атмосферных условиях. Это обеспечивает наличие дополнительной подъемной силы, постоянно действующей на крыло турбины в соответствии с законом Архимеда и сохранение формы крыла. Крыло летающей турбины-аэростата снабжено внутренними перегородками, при этом газ закачан внутрь оболочки под давлением выше атмосферного, а блоки управления выполнены с возможностью приема радиосигнала.
В составе летающей турбины-аэростата имеется рама, соединенная с тросом, а два блока управления размещены на раме и связаны с задними стропами. В другом варианте два блока управления связаны с задними стропами и объединены в один узел, соединенный с тросом. Возможен также вариант, при котором в состав летающей турбины-аэростата входят еще два дополнительных блока управления, размещенных на раме и связанных с передними стропами. В четвертом варианте блоки управления связаны с передними и задними стропами и объединены в один узел, соединенный с тросом.
Подъемная сила, действующая на крыло турбины при обтекании его воздушным потоком зависит от угла атаки крыла, который может изменяться за счет сокращения или увеличения длины задних строп относительно передних. Функцию управления стропами выполняют блоки управления полетом турбины. Изменение длины задних строп относительно друг друга позволяет менять курс крыла турбины.
При наличии ветра взлет крыла турбины и подъем его на рабочую высоту осуществляется благодаря действию равнодействующей сил Архимеда и подъемной силы. В условиях полного отсутствия ветра крыло поднимается на рабочую высоту благодаря действию только силы Архимеда, как аэростат. При спуске крыла блоки управления полетом приводят его в положение, обеспечивающее минимальную подъемную силу и минимальное лобовое сопротивление, после чего спуск крыла осуществляется простой смоткой главного троса.
В рабочем режиме крыло турбины совершает возвратно-поступательное движение, удерживая постоянный курс, направленный против воздушного потока, создаваемого ветром. Такая работа обеспечивает рациональное использование воздушного пространства и позволяет размещать несколько летающих турбин в непосредственной близости друг от друга.
В случае отказа турбины, вызванного неисправностью системы управления, обрывом одной или нескольких строп, крыло турбины может удерживаться в полете благодаря действию силы Архимеда и может быть возвращено на землю смоткой главного троса.
Все вышеуказанное позволяет:
1. Создать простую в управлении, надежную летающую турбину для ветровых электростанций;
2. Минимизировать затраты на создание системы управления ветровой турбиной;
3. Увеличить эффективность использования воздушного пространства для выработки электроэнергии, в том числе за счет более плотного расположения генерирующих ветровых установок.
Полезная модель объясняется следующими чертежами:
на Фиг.1 внешний вид летающей ветровой турбины;
на Фиг.2 разрез крыла летающей ветровой турбины;
на Фиг.3 силы, действующие на крыло летающей ветровой турбины в режиме выхода в рабочее положение (взлета);
на Фиг.4 силы, действующие на крыло турбины в активной фазе рабочего режима;
на Фиг.5 силы, действующие на крыло турбины в пассивной фазе рабочего режима.
Летающая турбина имеет в своей конструкции крыло 1, передние стропы 2, задние стропы 3, раму 4, блоки управления крылом 5 и главный трос 6. Крыло турбины 1 состоит из оболочки 10, снабженной внутренними перегородками 11 и заполненной газом, находящимся под давлением выше атмосферного. К крылу турбины крепятся передние стропы 2 и задние стропы 3. Другими своими концами задние стропы 2 жестко крепятся к раме 4. Также на раме 4 находятся два блока управления крылом 5. Эти блоки воздействуют на задние стропы 3.
Рама 4 соединена с главным тросом 6.
В другом варианте рама 4 отсутствует, а два блока управления 5 конструктивно объединены в один узел. При этом главный трос 6 крепится непосредственно к данному узлу.
В третьем варианте на раме 4 могут быть установлены четыре блока управления. Два из них воздействуют на задние стропы 3, и два на передние стропы 2. В четвертом варианте рама 4 отсутствует, а четыре блока управления, воздействующих на задние и передние стропы конструктивно объединены в один узел. При этом главный трос 6 крепится непосредственно к данному узлу.
Трос 6 намотан на вал генератора 8, приводящий во вращение генератор 7. Вал генератора 8 также взаимодействует с устройством смотки-размотки главного троса 9. Генератор 7, вал 8, устройство смотки-размотки троса 9 не являются частями летающей ветровой турбины и введены в данное описание для пояснения принципа работы летающей ветровой турбины.
Работа летающей ветровой турбины заключается в последовательной смене следующих режимов: режима выхода в рабочее положение (взлета), рабочего режима и режима посадки. Рабочий режим в свою очередь имеет активную фазу и пассивную фазу.
А
П
СОПР
В режиме взлета крыло турбины поднимается в воздух за счет действия силы Архимеда (F), и подъемной силы, создаваемой благодаря обтеканию крыла турбины воздушным потоком (F). На крыло также действует сила тяжести (mg), сила сопротивления набегающему потоку воздуха (F) и результирующая сил натяжения строп (N). Результирующая всех сил, действующих на крыло турбины (R), обеспечивает подъем крыла на требуемую высоту. При этом устройство смотки-размотки разматывает главный трос. После того как крыло турбины займет требуемую высоту, турбина переходит в активную фазу рабочего режима. При этом блоки управления турбиной 5, выбрав задние стропы 3, изменяют угол атаки (α) и переводят крыло в положение, при котором обеспечивается наибольшая сила натяжения главного троса 6. Главный трос 6, раскручивает вал генератора 8, приводя во вращение ротор генератора 7. В данной фазе происходит выработка электроэнергии генератором электростанции. Затем турбина переходит в пассивную фазу рабочего режима. При этом блоки управления 5, выдавая задние стропы, переводят крыло турбины в положение, обеспечивающее наименьшую силу натяжения главного троса 6. Устройство смотки-размотки сматывает главный трос, опуская крыло турбины до тех пор, пока оно не займет исходную высоту.
В режиме посадки крыло турбины приводится в то же положение, что и в пассивной фазе рабочего режима, но трос сматывается полностью.
Во всех режимах работы крыла его положение контролируется системой управления турбиной, находящейся на земле и входящей в состав ветровой электростанции. Данная система, подавая команды на блоки управления крылом турбины 5, обеспечивает переход турбины из одного режима в другой, а также удержание требуемого курса турбины.
Летающая ветровая турбина может быть изготовлена следующим образом:
Оболочка летающей ветровой турбины и перегородки могут быть пошиты из аэроткани или изготовлены из виниловой пленки. Полость внутри оболочки крыла заполняется гелием или водородом до давления, достаточного для сохранения формы крыла турбины во всех режимах работы. Стропы изготавливаются из высокопрочного волокна Dyneema. Рама выполняется из алюминиевых или поливинилхлоридных труб. Блоки управления строятся на базе малогабаритных электромоторов и устройств управления, принимающих радиосигналы от системы управления турбиной, находящейся на земле.
Таким образом, заявленная летающая ветровая турбина позволяет эффективно преобразовывать энергию ветрового потока в электрическую энергию.