ВЫСОТНАЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

ВЫСОТНАЯ ВЕТРОЗИЕРГЕТИЧЕСКЙЯ УСТАНОВКА.
Полезная модель относится к ветроэнергетике, а более конкретно к высотным ветоознергетическим установкам большой мощности (до тысячи киловатт), которые эксплдатирдются на высоте до 1000 м над землей, где скорость ветра существенно больше, чем у земли.
Известны высотные ветроэнергетические установки (ВВЗУ), содержащие аэростат, удерщиваемый на высоте с помощью кабель-троса, и установленные на поверхности аэростата ветродвигатели, электроэнергия которык передается на землю по кабелю. ( Германия, заявка N 312099, F03D 11/04 и заявка N 3729087, F03D 5/04)
Недостатками таких установок являются:
-болыая парусность, которая при сильном ветре может привести к аварии:
-низкая эффективность из-за относительно малой грузоподъемности, так как один кубометр объема аэростата может поднять на высоту не более одного килограмма груза,
Известна высотная ветроэнергетическая установка (ВВЭУ), содержащая планер, который удерживается на высоте за счет подъемной силы крыла с помощью кабель-троса (режим висения воздушного змея). На крыле планера установлейы ветродвигатели, а вырабатываемая ими электроэнергия передается на землю по кабелю (Япония, патент N 350369, F03D 9/00, 1992 г.)
Недостатками такой ВВ99 являются:
1. Малая эффективность установки (низкий коэффициент использования энергии ветра) из-за неблагоприятной интерференции ветродвигателей между собой вследствие взаимодействия вихрей, сбегающих с концов лопастей:
......., ..,|1 iiiii «III НИ Ill
---,  «
и Э/ии
2. Малая подъемная сила и большое сопротивление крыла, обтекание которого происходит с отрывом потока из-за размещения на поверхности крыла ветродвигателей;
Задача, которую решает предломенная полезная модель, заключается в повышении эффективности работы ВВЭУ;
Технические результаты при зтом достигаются следующие;
1)устраняется неблагоприятное взаимодействие ветродвигателей между собой и, как следствие, увеличивается коэффициент использования энергии ветра БВ39:
2)реализуется безотрывное обтекание крыла и в результате существенно повышается подъемная сила крыла.
Технические результаты достигаются тем, что в известной высотной ветроэнергетической установке, представляющей собой планер и содержащей фюзеляя, кркло с закрылками и ветродвигателями, хвостовое оперение, а также кабель - трос, соединяющий планер с наземным контейнером, в котором размещены .электрооборудование, кабина управления, лебедка, силовая установка, сделано следующее: внутри крыла по его размаху выполнен в виде щели продольный сквозной канал, поперек которого в один ряд расположены ветродвигатели, причем каждый из них установлен внутри кольцевого обтекат1эля; а на входе и выходе канала установлены шарнирные створки, выполненные с возмошностью открывания и закрывания канала.
С целью осуществления самостоятельного перелета высотной установки к новому месту эксплуатации/ наземный контейнер может быть оснащен приспособлением для подвески его к планеру и
подъемно-маршевыми двигателями для выполнения вертикального взлета-посадки и горизонтального полета.
На фиг Л представлена схема высотной ветроэнерегтической установки на зксплуатацйонном режиме висения по принципу Воздушного змея.
На фиг.2 показано в разрезе крыло ВВЗУ для различных режимов работы ВВЭУ.
На фиг. 3 представлена схема ВВЗУ для рещима горизонального полета.
На фиг.4 приведены зависимости коэффициента подъемной силы крыла от угла атаки для различных режимов работы ВВЭУ.
На фиг. 5 приведены зависимости коэффициента подъемной силы крыла от коэффициента сопротивления крыла для различных режимов работы ВВЗУ.
Высотная ветроэнергетическая установка (фиг.) содержит фюзеляж 1 с крылом 2 и хвостовым оперением 3. Крыло 2 имеет закрылки 4 и продольный в виде щели сквозной канал 5, в котором установлены ветродвигатели 5 с кольцевым обтекателем 7 (фиг. 2). На входе и выходе канала 5 выполнены подвижные створки 8 и 9, щарнирно закрепленные в точках 10 и 11, с возможностьш открывания и закрывания канала. Фюзеля 1 соединен кабель-тросом 12 с наземным контейнером 13, внутри которого размещаются кабина управления 14, лебедка 15, силовая установка 16 и электрооборудование 17.
Высотная ветрознергетическая установка работает следующим образом. При наличии достаточно сильного ветра U  10 м/с под действием подъемной аэродинамической силы при обтекании воздушным потоком (ветром) крыла 2 в конфигурации II (створки 8 и Э закрыты, закрылки 4 выпущены, см. фиг. 2) планер поднимается с
земли (Н-0) на заданную высоту Нрасч. 0,3 - 1,0 км. на которой удерживается с помощью кабель-троса 12. После завершения подъема входные и выходные створки 8 и 9 открываются (конфигурация I, фиг. 2) и проходящий через канал 5 воздушный поток приводит в действие ветродвигатели 6. Такие ветродвигатели-моддли имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными ветродвигателями. Они сравнительно небольшого размера, имеют низкий дровань шума и вибраций, а благодаря наличию нарумнык кольцевых обтекателей, обеспечивают высокий коэффициент использования энергии ветра. Применение пакета таких ветродвигателей в высотной ветроэнергетической установке повышает эффективности использования ветра всей установки С см.свидетельство на полезную модель Н 12195 от 31.05.99). Электроэнергия от ветродвигателей б по кабелю 12 передается на землю в наземный контейнер 13, Спуск планера на землю осуществляется с помощью лебедки 15, приводимой в действие силовой установкой 16,
Рассмотренная установка после соответствующей доработки может быть трансформирована в сам1элет вертикального взлета и посадки, сохраняя при этом свое основное назначение ветроэнергетической установки. Для этого наземный контейнер должен быть оснащен подъемно-маршевыми двигателями и приспособлением для подвешиванимя контейнера к планеру (фиг. 3). В результате планер трансформируется в летательный аппарат, который может совершать с помощью двигателей вертикальный взлет, горизонтальный полет с убранными закрылками и створками (конфигурация крыла III. фиг. 2), а такше вертикальную посадку в новом месте своего основного применения в качестве ВВЭН. Таким образом, предлагаемая высотная ветроэнергетическая установка приобретает дополнительное ценное качество - мобильность.
Обоснование техническик результатов.
. Предлагаемая ветроэнергетическая установка обеспечивает по сравнению с прототипом более высокие значения коэффициента использования энергии ветра. так как применяемые в ней ветродвигатели установлены внутри кольцевик обтекателей, которые исключают неблагоприятное взаимодействие вихрей, сбегающих с концов лопастей. По поедварительным оценкам прирост мощности составит около 15%.
2, Предлагаемая установка обеспечивает требуемые характеристики на основных решимах работы. В качестве доказательства ниме приведен расчет при следующих исходных данных и допущениях:
1)на земле при  скорость ветра  м/с;
2)на эксплуатационной для ВВЭУ высоте Нрасч. скорость ветра  м/с:
3)скорость горизонтального полета  м/с:
4)эксплуатационная высота Нрасч. и высота полета Нпне превышают тысячи метров, поэтому изменением плотности воздухапо высоте можно пренебречь.
5)Вес контейнера GK примерно равен весу планера &пл., тоесть
Gn  бол + GK - .
Так как подъемная сила крыла У - Су у рУ $кр ($кр. - площадь
крыла) равна весу летательного аппарата, то для режимов старта, висения и горизонтального полета (см. Фиг. 2 конфигурация крыла И, 1 и III, а соответствующие индексы  н и п) имеем:
YO  Ун  -|- Уп
или Суо  4 Сун  8 Суп (1 :
Полученное соотношение показывает, что в условиях старта
1
необходимо обеспечить в 4 раза болыее значение коэффициента Су, а в полете в 2 раза меньшее значение коэффициента Су, чем на режиме эксплуатации (висения).
На фиг. 4 приведены экспериментальные значения коэффициента подъемной силы Су в зависимости от угла атаки крыла сХ для трех конфигураций крыла, соответствцющих трем режимам работы установки.
Видно, что выполнение соотнесения (1) может быть обеспечено соответствующим заданием углов атаки для рассматриваемык режимов работы ветроустановки и конфигураций крыла. Зти режимы показаны на приведенных зависимостях Фиг.4 светлыми точками и соответствуют значениям ,б; ,4 и ,2. На Фиг. 5 для рассматриваемых конфигураций крыла приведены зависимости
коэффициента подъемной силы Су от коэффициента сопротивления Сх
у .-/1 (X - сила сопротивления). Здесь ме для сравнения
pV  пунктиром нанесена зависимость для прототипа. Светлые точки
соответствуют режимам работы полезной модели. Видно, что значение коэффициента сопротивления для горизонтального полета Схп - 0,14 на порядок меньше, чем на режимах подъема и висения ВВЭН. Таким образом в горизонтальном полете обеспечивается достаточно высокое аэродинамическое качество крыла К  Су/Сх 5 10.
Автор: Хаскин Л.Я