СОСТАВНОЙ ПАРУС ДЛЯ ВЫСОТНОЙ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
COMPOSITE SAIL FOR HIGH-ALTITUDE WIND-DRIVEN POWER PLANT

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 [1]. Недостатком таких устройств является сложность их ветросиловой части.
Известна высотная ветроэнергетическая установка, содержащая два паруса, каждый из которых разделен на секции [2]. 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 [3]. Недостатки такого паруса: высокая стоимость, большая масса, отнесенная к единице площади, сложность управления ориентацией в пространстве.
За прототип выбран парус треугольной формы, который входит в состав высотной ветроэнергетической установки [4].
Она содержит парус, выполненный в виде треугольника, стороны которого представляют собой отрезки прямой, силовые канаты, соединенные с парусом и расположенные на барабанах, соединенных с электрическими машинами, и аэростаты, через которые барабаны соединены с парусом при помощи канатов.
Канаты наматываются или сматываются с барабанов при движении паруса под действием ветра. Когда канаты сматываются с барабанов, электрические машины, 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 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.
Известный парус имеет следующие недостатки:
- если высота полета паруса во много раз превышает его линейные размеры, то управление его ориентацией и траекторией движения путем изменения длин канатов будет неустойчивым, так как небольшие, в процентном отношении, случайные изменения длин канатов, например, из-за турбулентных движений воздуха, будут существенным образом влиять на угол атаки паруса;
- при большом отношении высоты к размерам паруса возможно закручивание канатов в результате вихревых движений воздуха, при этом управление траекторией движения паруса становится невозможным;
- если парус имеет большие размеры, то возникают трудности при разборке и сборке установки, при сворачивании паруса, его изготовлении, упаковке, перевозке и ремонте;
- в каждом случае применения оптимальные размеры и форма парусов будут различными, это повышает себестоимость их производства вследствие недостаточного количества парусов каждого размера для производства с низкой себестоимостью.
Техническим результатом изобретения является обеспечение устойчивого управления ориентацией и траекторией движения паруса путем изменения соотношений длин силовых канатов, предотвращение закручивания канатов, упрощение сборки и разборки паруса, его упаковки, перевозки, ремонта и изготовления, снижение себестоимости его производства.
Технический результат достигается тем, что парус ветроэнергетической установки выполнен составным, то есть он состоит из частичных парусов, соединенных между собой вновь введенными соединительными канатами. Такая конструкция паруса имеет следующие преимущества перед известной:
- за счет увеличения длины соединительных канатов можно увеличить линейные размеры паруса в целом при сохранении площади его поверхности равной сумме площадей частичных парусов. При этом увеличивается отношение линейных размеров паруса к высоте его полета, что повышает устойчивость управления парусом и снижает опасность закручивания силовых канатов. Если скорость движения паруса имеет составляющую, перпендикулярную направлению ветра, то происходит отбор энергии от всей массы воздуха, проходящей через парус, поэтому при увеличении линейных размеров паруса можно увеличить мощность ветроэнергетической установки без увеличения площади поверхности паруса;
- появляется возможность сборки паруса любых размеров и любой формы из стандартных элементов: частичных парусов и соединительных канатов, при этом упрощается сборка и разборка паруса, а следовательно, ветроэнергетической установки в целом, снижается себестоимость производства парусов, упрощается изготовление, упаковка, перевозка и ремонт парусов, особенно больших размеров.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором дано схематичное изображение одной из возможных конфигураций предлагаемого паруса.
Составной парус содержит (фиг.1) частичные паруса 1, соединенные между собой соединительными канатами 2, и частичный парус 3, соединенный с парусами 1 соединительными канатами 4. К местам присоединения 5 парусов 1 и к местам присоединения 7 канатов 2 и 4 могут быть присоединены аэростаты (не показаны) для подъема составного паруса и канатов на рабочую высоту. Возможность присоединения аэростатов к канатам 2 и 4, а также паруса 3, который может вызвать провисание составного паруса при отсутствии ветра, в результате чего силовые канаты 6 сблизятся, составной парус сложится и его трудно будет расправить.
При ремонте составного паруса, при профилактических работах, а также при развертывании и свертывании ветроэнергетической установки на местности требуется возможность быстрого и удобного присоединения и отсоединения соединительных канатов и частичных парусов. Для этого соединительные канаты и частичные паруса могут быть снабжены специальными устройствами, например, карабинами и кольцами (не показаны).
Предлагаемый парус работает следующим образом.
Под действием набегающего на составной парус воздуха и усилий, прикладываемых к силовым канатам, частичные паруса 1 приобретают такие углы атаки, что к канатам 2 и 4 прикладываются усилия, растягивающие составной парус. Благодаря наличию центрального частичного паруса 3 углы атаки парусов 1 и 3 будут приблизительно такие же, как если бы паруса были частями сплошного паруса с линейными размерами составного паруса, поэтому составной парус будет работать так же, как и парус, являющийся прототипом, следовательно. Работа ветроэнергетической установки с предлагаемым парусом не будет отличаться от изложенной на стр.1 описания работы ветроэнергетической установки с парусом, являющимся прототипом, за исключением того, что при разделении сплошного паруса на частичные возрастает мощность установки из-за возрастания массы движущего воздуха, с которой составной парус вступает в контакт, если парус имеет составляющую скорости, направленную перпендикулярно направлению ветра.
Применение предлагаемого паруса особенно эффективно при использовании энергии так называемых струйных воздушных течений, пролегающих на высотах от 8 до 15 километров над поверхностью Земли, имеющих удельную мощность более 10 кВТ на 1 кв.м поперечного сечения.
Использованная литература
1. Патент США №4572962, 1986 г.
2. А.С. СССР №1216416, 1986 г.
3. Патент США №6523781, 2003 г.
4. А.С. СССР №1590628, 1990 г.