ВЫСОТНАЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С УПРАВЛЕНИЕМ ПАРУСОМ КАНАТАМИ

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 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 ветросиловая часть 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 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 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 № 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 первых барабанах 3, соединенных с первыми 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 движении 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 канаты 2 наматывается на барабаны 3, 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 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 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 сеть 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 направление усилия, прикладываемого к парусу со стороны канатов, определяется только положением и ориентацией паруса в пространстве, что ограничивает возможность управления парусом, которое необходимо для работы установки. Такое ограничение снижает возможность отбора энергии ветра, то есть уменьшает мощность ветроэнергетической установки.
Целью изобретения является увеличение мощности ветроэнергетической установки.
Эта цель достигается путем введения в установку дополнительных канатов и электрических машин с барабанами, тем самым увеличивается возможность управления направлением усилий, прикладываемых к парусу, а следовательно возможность управления формой и ориентацией паруса в пространстве, то есть возможность более полного отбора энергии ветра.
Сущность изобретения поясняется рисунками:
Фиг.1 Схематическое изображение известного устройства (вид сверху).
Фиг.2 Схематическое изображение предлагаемого устройства с тремя аэростатами (вид сверху).
Фиг.3 Схематическое изображение предлагаемого устройства с одним аэростатом (вид в аксонометрии).
Фиг.4, 5 Схематическое изображение предлагаемого устройства с парусом удлиненным в направлении перпендикулярном преимущественному направлению ветра (вид сверху).
Фиг.6, 7 Схематическое изображение предлагаемого устройства с парусом удлиненным в направлении параллельным преимущественному направлению ветра (вид сверху).
Предлагаемое устройство содержит (фиг.2), как и известное устройство, парус 1, первые канаты 2, соединенные с парусом и расположенные на первых барабанах 3, соединенных с первыми электрическими машинами 4 и аэростаты 5.
В отличие от известного устройства, в предлагаемое устройство введены вторые канаты 6, вторые барабаны 7, соединенные со вторыми электрическими машинами 8, и третьи канаты 9 (фиг.3), причем вторые и третьи канаты присоединены к парусу в точках присоединения первых канатов, вторые канаты расположены на вторых барабанах, а третьи канаты присоединены к аэростатам, при этом вторые барабаны расположены на расстояниях не меньших, чем линейные размеры паруса, от первых барабанов.
Для удобства управлением ориентацией и формой паруса он может иметь форму многоугольника, например, треугольника, при этом канаты присоединены к вершинам углов многоугольника (фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6, 7).
Если имеется преимущественное направление ветра, то целесообразно сместить расположение вторых барабанов 7 на поверхности Земли в сторону противоположную преимущественному направлению ветра, при этом часть барабанов, электрических машин, канатов и аэростатов можно из установки исключить, так как они будут работать малую долю времени (фиг.4, 5, 6, 7).
Для уменьшения веса и стоимости паруса он может иметь форму удлиненную в направлении, либо перпендикулярном, либо параллельном преимущественному направлению ветра (фиг.4, 5, 6, 7).
Если расположить первые барабаны достаточно далеко от центра установки, то вместо трех аэростатов, как в прототипе, можно использовать один аэростат (фиг.3), при этом для повышения устойчивости третьи канаты 9 могут быть прикреплены к аэростату 5 в разных его точках.
Для уменьшения аэродинамического сопротивления аэростаты 5 могут иметь форму конуса с закругленным основанием (фиг.3).
Для увеличения устойчивости движения аэростатов они могут быть соединены друг с другом тонкими дополнительными канатами 10 (фиг.2).
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
В исходном состоянии длина канатов 2 и 6 минимальная. Путем изменения силы тока в обмотках электрических машин 4 и 8 приводят барабаны 3 и 7 во вращение таким образом, чтобы за счет изменения соотношения длин канатов, парус 1 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 и 8 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, угол атаки паруса 1 относительно направления ветра изменяют 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
эродинамическое сопротивление паруса, аэростатов и канатов является малым по следующим причинам:
- парус имеет нулевой угол атаки;
- аэростаты имеют удлиненную форму;
- диаметр канатов мал.
Благодаря наличию вторых канатов и барабанов, первые барабаны можно отнести далеко от центра установки без снижения управляемости паруса, поэтому появляется возможность регулирования направления усилий, прикладываемых к парусу в широких пределах. Это позволяет устанавливать оптимальный угол атаки паруса в любой точке траектории паруса, при любой высоте паруса, при любой скорости и любом направлении ветра.
В прототипе увеличить пределы регулирования угла атаки паруса, можно только приближая барабаны к центру установки, но при этом снижается устойчивость ее работы.
Для уменьшения потерь энергии, связанных с аэростатами, они могут иметь форму тела вращения с образующей соответствующей минимальному аэродинамическому сопротивлению аэростата, при заданном его объеме.
Поскольку аэростаты прикреплены к третьим 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 повторяется.
Для увеличения устойчивости движения аэростатов они могут быть соединены друг с другом тонкими дополнительными канатами 10 (фиг.2). Это исключает возможность их вращения вокруг продольной оси и запутывания при турбулентности движений воздуха.