КАБЕЛЬ-ТРОС С ФУНКЦИЕЙ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ДЛЯ ВЕТРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ ВОЗДУШНОГО БАЗИРОВАНИЯ
CABLE-ROPE WITH ELECTRIC POWER TRANSFER FUNCTION FOR AIR-BASED WIND POWER PLANT

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к кабель-тросу с функцией передачи электроэнергии для ветроэлектростанции (ВЭС) воздушного базирования. Кабель-трос с функцией передачи электроэнергии служит для передачи электрической энергии от ВЭС воздушного базирования к наземной станции, а также для восприятия растягивающих нагрузок, создаваемых ВЭС воздушного базирования во время работы. Настоящее изобретение также относится к узлу кабель-троса, содержащего указанный кабель-трос с функцией передачи электроэнергии и барабан для намотки кабель-троса, а кроме того настоящее изобретение относится к энергетической установке с ВЭС воздушного базирования, наземной станцией и кабель-тросом с функцией передачи электроэнергии для соединения ВЭС воздушного базирования с наземной станцией.
Уровень техники
Для превращения энергии ветра в электрическую энергию известны и интенсивно развиваются ветроэлектростанции (ВЭС) воздушного базирования. ВЭС воздушного базирования содержат один или более электрогенераторов, установленных на летающем объекте, который обычно представляет собой конструкцию подобную самолету. Генераторы, оснащенные пропеллерами, приводятся в действие посредством ветра и особых маневров в воздухе, чтобы вырабатывать электроэнергию. Электрическую энергию передают на землю посредством кабель-тросов, которые соединяют ВЭС воздушного базирования со станцией наземного базирования. Таким образом, кабель-тросы частично служат для управления движениями ВЭС воздушного базирования, и для передачи электроэнергии от генераторов на землю. Для перевода ВЭС воздушного базирования от наземной станции в оптимальное положение в воздухе для выработки энергии, или для возвращения ВЭС воздушного базирования из воздушного положения обратно к наземной станции могут быть использованы электрические генераторы в режиме электромоторов. Таким образом, в указанных фазах - фазе начала работы и фазе возврата ВЭС воздушного базирования - электроэнергию передают с наземной станции на ВЭС воздушного базирования посредством одного или более кабель-тросов.
Из-за сильных и часто меняющихся ветров и при определенных маневрах в воздухе кабель-тросы подвергаются высоким механическим растягивающим нагрузкам с меняющейся амплитудой. В условиях высоких нагрузок кабель-тросы могут демонстрировать значительное удлинение - более 1% от их первоначальной длины. Однако, материал электрических проводников, такой как медь, присутствующий внутри кабель-троса, обладает очень узким диапазоном упругой деформации, приблизительно 0,1%. Следовательно, даже в случае относительно небольших удлинений, обычные электрические проводники будут испытывать пластическую необратимую деформацию. Затем, после уменьшения осевого натяжения кабель-троса деформированные электрические проводники имеют тенденцию к короблению и излому.
Кабель-тросы также подвергаются механическим нагрузкам, когда их наматывают на барабан на наземной станции в фазе возвращения ВЭС воздушного базирования на землю. Изгиб кабель-троса по периферической наружной поверхности барабана вызывает сжатие тех частей троса, которые обращены к центру барабана, и растяжение тех частей, которые обращены радиально наружу. В результате, механическая нагрузка, вызываемая наматыванием кабель-троса на барабан, может также приводить к пластической деформации электрических проводников, которые размещены внутри кабель-троса.
Кабель-трос для физического и электрического соединения ВЭС воздушного базирования с землей раскрыт в документе US 2012/0070122 А1. Данный кабель-трос содержит высокопрочный сердечник, вокруг которого спирально намотаны электрические проводники. Однако, данная конструкция приводит к тому, что кабель-трос получается относительно толстым и тяжелым. Как следствие, вполне вероятно, что вес и сопротивление кабель-троса воздействию ветра влияют на летные качества ВЭС воздушного базирования, и, следовательно, в первую очередь снижают общую эффективность выработки энергии. Более того, толстый кабель-трос тяжелой конструкции вызывает увеличение веса барабана троса, что приводит увеличению инерции барабана, и, следовательно, к более медленному регулированию натяжения. Другими недостатками являются увеличение затрат на транспортирование, а также более затратная и обширная по объему конструкция наземной станции. Кроме того, когда кабель-трос наматывают на барабан, проводники, лежащие снаружи от высокопрочного сердечника, в недостаточной степени защищены от сил радиального сжатия, которые приводят к пластической деформации и обрыву. Большие силы радиального сжатия, действующие между сердечником и поверхностью барабана, могут быть вызваны не только изгибом кабель-троса вокруг барабана, но также большими растягивающими силами, действующими на трос по причине сильного ветра или особых маневров в воздухе.
В документе WO 2009/049616 А2 раскрыт кабель, в котором нити из искусственного волокна в виде оплетки охватывают два взаимно изолированных слоя электрических проводников. Нить из искусственного волокна служит для защиты кабеля от растягивающих усилий и радиальных сжимающих усилий. Однако, когда кабель наматывают на барабан, все равно из-за больших радиальных сил имеет место значительная деформация поперечного сечения кабеля к овальной форме. Кроме того, большое число актов изменения осевой нагрузки при использовании ВЭС воздушного базирования приводит к существенному сокращению срока службы кабеля. В силу этого, необходимо принимать дополнительные меры против сил радиального сжатия, чтобы достигнуть достаточного усталостного ресурса.
В патентных документах US 4,116,153, US 4,975,543, US 2,759,990 и US 4,514,058 также раскрыты кабели для передачи электрической энергии, которые и являются эластичными, и способны противостоять до определенной степени растягивающим усилиям.
Сущность изобретения
Задача настоящего изобретения состоит в обеспечении кабель-троса с функцией передачи электроэнергии для ветроэлектростанции (ВЭС) воздушного базирования, который не только способен оказывать сопротивление большим растягивающим усилиям и имеет легкую конструкцию, но также хорошо защищен от внешних радиальных сил. Решение данной задачи достигается за счет кабель-троса с функцией передачи электроэнергии по пункту 1 формулы изобретения. В пункте 14 формулы изобретения охарактеризован узел кабель-троса, содержащий указанный кабель-трос с функцией передачи электроэнергии и барабан. Кроме того, в пункте 16 формулы изобретения охарактеризована энергетическая установка, содержащая ВЭС воздушного базирования, наземную станцию и указанный кабель-трос с функцией передачи электроэнергии. Другие варианты осуществления изобретения раскрыты в зависимых пунктах 2-13 и 15 формулы изобретения.
В настоящем изобретении обеспечен кабель-трос с функцией передачи электроэнергии для ветроэлектростанции (ВЭС) воздушного базирования, содержащий:
эластичный сердечник,
первый слой из одного или более электрических проводников, спирально намотанных вокруг эластичного сердечника,
электроизолирующий слой, окружающий первый слой электрических проводников,
второй слой из одного или более электрических проводников, спирально намотанных вокруг электроизолирующего слоя, и
несущий нагрузку слой, окружающий второй слой электрических проводников, для поглощения растягивающих сил, а также радиальных сжимающих сил, действующих на кабель-трос
Кабель-трос служит для соединения ВЭС воздушного базирования с землей как физически, так и электрически. Другими словами, кабель-трос предназначен для оказания сопротивления растягивающим усилиям, вызываемых ветром, который действует на ВЭС воздушного базирования, а также к передаче электрической энергии от ВЭС воздушного базирования на землю, и предпочтительно в обратном направлении.
Несущий нагрузку слой служит для поглощения растягивающих сил, действующих на кабель-трос, и, благодаря своей жесткости на растяжение, ограничивает осевое удлинение кабель-троса, вызываемое сильным ветром и особыми маневрами ВЭС воздушного базирования в воздухе. Таким образом, несущий нагрузку слой определяет максимальное осевое удлинение кабель-троса при максимальной ожидаемой растягивающей нагрузке. За счет расположения несущего нагрузку слоя в радиальном направлении как можно дальше от оси кабель-троса, в частности, радиально снаружи от электрических проводников, площадь поперечного сечения несущего нагрузку слоя оказывается максимально большой в силу большой длины его окружности. Другими словами, для достижения определенной прочности кабель-троса на разрыв, радиус кабель-троса, занимаемый несущим нагрузку слоем, может быть минимизирован посредством предлагаемой в изобретении конфигурации. Кроме того, слои электрических проводников и изоляции могут быть расположены ближе к центральной продольной оси кабель-троса, так что длина окружности указанных слоев может быть минимизирована, что дополнительно уменьшит вес кабель-троса. Таким образом, общий вес и диаметр кабель-троса могут быть оптимизированы за счет размещения несущего нагрузку слоя радиально снаружи от электрических проводников. За счет размещения электрических проводников и изолирующего слоя ближе к продольной центральной оси, действующие на них силы натяжения и сжатия в случае изгиба кабель-троса уменьшаются. Преимуществом является то, что несущий нагрузку слой представляет собой самый наружный слой кабель-троса за исключением дополнительного износостойкого слоя, который может присутствовать. Благодаря его размещению радиально снаружи от слоев электрических проводников и изолирующего слоя, несущий нагрузку слой также защищает указанные слои от внешнего радиального сжатия, например, когда кабель-трос наматывают на барабан, и когда трос подвергается осевому натяжению из-за сильных ветров.
ВЭС воздушного базирования обычно выполняют как летающий объект типа самолета с аэродинамическим профилем, на котором установлен один или более электрических генераторов. Чтобы вырабатывать электроэнергию, электрические генераторы приводятся в движение посредством пропеллеров. Напряжение, вырабатываемое генераторами, может находиться в диапазоне низких напряжений (до 1 кВ) или в нижней части диапазона средних напряжений (от 1 кВ до 52 кВ). Чтобы уменьшить вес и диаметр кабель-троса, напряжение может быть преобразовано до уровня средних напряжений (от 1 кВ до 52 кВ) или высоких напряжений (от 52 кВ до 300 кВ), особенно для передачи электрической мощности более 1 МВт. Таким образом в определенных вариантах осуществления кабель-трос может быть приспособлен к указанным напряжениям. Вместо конструкции подобной самолету, ВЭС воздушного базирования, конечно же, может быть выполнена в виде привязного аэростата, дирижабля, или любого другого летающего объекта.
Кабель-трос дополнительно содержит первый полупроводящий слой, расположенный между первым слоем электрических проводников и электроизолирующим слоем, и предпочтительно также второй полупроводящий слой, расположенный между электроизолирующим слоем и вторым слоем электрических проводников. Указанные полупроводящие слои, которые могут быть выполнены, например, из полупроводящего полиэтилена, служат для создания четко определенной, гладкой поверхности изолирующего слоя, чтобы получить однородное электрическое поле между двумя слоями электрических проводников. Таким образом, полупроводящие слои помогают решить проблемы электрической изоляции, особенно для задач со средним и высоким напряжением. Обычно для таких случаев всю изолирующую систему, содержащую полупроводящий слой на проводнике, электроизолирующий слой и полупроводящий слой на электроизолирующем слое, наносят в процессе 3-стадийной совместной экструзии близко расположенных слоев. Естественно, конструкция кабель-троса с функцией передачи электроэнергии для средних и высоких напряжений также может быть выполнена и без полупроводящих слоев. Однако, чтобы получить достаточно однородное электрическое поле в случае без полупроводящих слоев, обычно приходится обеспечивать изолирующий слой относительно большой толщины. Таким образом, применение полупроводящих слоев также помогает уменьшить общий диаметр и вес кабель-троса.
Несущий нагрузку слой содержит устойчивый к сжатию слой для противодействия силам радиального сжатия, и упрочняющий на растяжение слой. Таким образом, несущий нагрузку слой содержит два подслоя, при этом один из них специально предназначен для поглощения сил радиального сжатия, а другой специально предназначен для поглощения растягивающих сил.
Эластичный сердечник, первый и второй слои электрических проводников и несущий нагрузку слой, предпочтительно, имеют круговое поперечное сечение, и обычно постоянную форму и площадь поперечного сечения по всей длине кабель-троса. Предпочтительно, каждый из слоев имеет, по существу, цилиндрическую форму, и расположен концентрично вокруг продольной центральной оси кабель-троса. Предпочтительно, чтобы каждый из слоев в радиальном направлении кабель-троса занимал четко определенный радиальный интервал. Электрические проводники обычно реализуют посредством металлических проводов, в частности, медных или алюминиевых проводов.
Чтобы добиться высокой жесткости на растяжение, а также радиальной жесткости, несущий нагрузку слой можно армировать удлиненными элементами, например, волокнами, которые в предпочтительном варианте спирально обвивают вокруг самого наружного слоя электрических проводников, т.е. обычно второго слоя. Несущий нагрузку слой в предпочтительном варианте выполняют из материала, армированного волокнами, в частности, армированного волокнами пластического материала, такого как композит с полимерной матрицей (РМС), или термоотверждающийся полимер, армированный волокнами, например, с матрицей из эпоксидной смолы. Также, для увеличения гибкости композитного материала, армированного волокнами, может быть использована эпоксидная смола, с добавлением каучука, например, материал в виде эпоксидной матрицы, модифицированной сополимером бутадиена и акрилонитрила с концевыми карбоксильными группами (CTBN). Волокнами могут служить, например, углеродные, стеклянные или арамидные волокна, возможно с матрицей в виде эпоксидной смолы или термопластического материала, при этом волокна могут быть расположены параллельно продольной центральной оси кабель-троса, или могут быть спирально обвиты самого наружного слоя электрических проводников, т.е. обычно второго слоя электрических проводников. Наклонное расположение волокон относительно продольной центральной оси кабель-троса и в особенности спиральная обвивка способствуют радиальной жесткости несущего нагрузку слоя. Если весовые ограничения позволяют иметь больший вес, то для удлиненных элементов несущего нагрузку слоя может также быть использована, например, высокопрочная сталь в сочетании, например, с матрицей из эластомера. Конструкция несущего нагрузку слоя может быть выбрана разной в зависимости от конкретных требований применения.
Например, легкая, относительно жесткая конструкция несущего нагрузку слоя с хорошим сопротивлением радиальному сжатию, особенно подходящая для кабель-тросов небольшого диаметра, может быть выполнена так, чтобы волокна были спирально обвиты вокруг самого наружного, обычно второго слоя электрических проводников. Могут быть предусмотрены два или более слоев с однонаправленной ориентацией волокон с одним и тем же углом подъема винтовой линии, но навитых в противоположных направлениях. Для увеличения жесткости на растяжение, слои могут быть, например, выполнены в виде оплетки. Оплетка из волокон может быть двумерной и объемной. Оплетки с различными углами подъема винтовой линии волокон могут быть применены в очередных слоях для оптимизации механических свойств несущего нагрузку слоя. Когда используется наклон волокон относительно продольной центральной оси и особенно при спиральной обвивке, для обеспечения хорошей защиты от радиального сжатия углы подъема винтовой линии волокон предпочтительно должны находиться в интервале от 35° до 90°, а более предпочтительно от 45° до 75° (и/или от -35° до -90°, а более предпочтительно от -45° до -75° для слоя, навитого в противоположном направлении). Естественно, можно также применять сочетание приемов такой укладки и/или использовать несколько слоев волокон с разными углами подъема винтовой линии. Материалом матрицы может служить, например, полиэтилен (РЕ), полифениленсульфид (PPS) или полиэфирэфиркетон (PEEK); естественно, в качестве материала матрицы может быть использована эпоксидная смола. Чтобы сократить вес, предпочтительно несущий нагрузку слой выполнять неметаллическим.
Для получения несущего нагрузку слоя с более низкой изгибной жесткостью, чем та, о которой шла речь выше, что позволяет использовать барабан с меньшим диаметром, несущий нагрузку слой может также быть реализован в виде двух слоев упрочняющих элементов, расположенных по кругу и усиливающих сопротивление растяжению. Данные упрочняющие элементы в предпочтительном варианте расположены по спирали вокруг продольной оси кабель-троса с углом подъема винтовой линии в диапазоне от +/- 65° до +/- 85°. Они могут быть выполнены из композитного материала, например, полученных пултрузией углеродных волокон, или, если весовые ограничения позволяют иметь больший вес, то из высокопрочной стали. Вместо упрочняющих элементов, усиливающих сопротивление растяжению, могут быть использованы упрочняющие профили с более высоким коэффициентом заполнения, чем упрочняющие элементы. Упрочняющие профили также предпочтительно располагать вокруг продольной центральной оси кабель-троса с углом подъема винтовой линии в диапазоне от +/- 65° до +/- 85°.
При осевой деформации кабель-троса, спирально намотанные упрочняющие элементы слоев будут порождать сжимающее усилие на внутренние части кабель-троса. Поэтому может быть предусмотрен эластичный буферный слой, состоящий из мягкого материала, например, силиконового эластомера, деполимеризованного каучука или полиуретана, чтобы обеспечить однородность радиальных сжимающих сил на самом наружном слое электрических проводников. Это позволит избежать пластической деформации и опасности коробления и обрыва электрических проводов в слое электрических проводников.
Несущий нагрузку слой можно также выполнить в виде двух упрочняющих на растяжение композитных слоев. Упрочняющий на растяжение композитный слой предпочтительно, выполнен из композитного материала с однонаправленной ориентацией волокон. Волокна, предпочтительно, расположены спирально вокруг продольной оси кабель-троса с углом подъема винтовой линии в диапазоне от +/- 65° до +/- 85°. Изменение направления намотки от одного слоя к другому, т.е. волокна одного слоя наматывают по часовой стрелке, а волокна другого слоя наматывают против часовой стрелки, помогает механически сбалансировать поведение кабель-троса в отношении кручения под действием осевой нагрузки. Между двумя упрочняющими слоями может быть предусмотрен антифрикционный слой. Естественно, может быть предусмотрено множество слоев упрочняющих элементов, упрочняющих профилей или упрочняющих композитных слоев в зависимости от требований по осевой нагрузке, которые предъявляются к кабель-тросу.
Чтобы кабель-трос мог передавать достаточную электрическую мощность в случае очень крупной ВЭС воздушного базирования, требуется кабель-трос большого диаметра. Если реализовать рассмотренный выше подход, то увеличенные осевые усилия, действующие на кабель-трос, которые вызывают увеличение радиальных сжимающих сил, могут привести к ускоренной деградации электрических проводников. Чтобы оптимизировать предельный радиус изгиба в отношении требований высоких растягивающих нагрузок, в сочетании с защитой электрической системы от больших радиальных сжимающих усилий, несущий нагрузку слой может быть оснащен устойчивым к сжатию слоем в комбинации с антифрикционным слоем и упрочняющим слоем.
Устойчивый к сжатию слой может быть изготовлен из электропроводящего материала, такого как металл, чтобы передавать электрический ток в качестве части электрической системы и/или также действовать в качестве слоя защиты от молнии. Естественно, что устойчивый к сжатию слой может также быть выполнен из электрически непроводящего материала.
Устойчивый к сжатию слой может быть выполнен в виде S-образного устойчивого к сжатию каркаса с взаимным замыканием. Отдельные удлиненные элементы S-образного профиля, используемые в S-образном устойчивом к сжатию слое с взаимным замыканием, состоящем из S-образных элементов с взаимным замыканием, предпочтительно, расположены спирально вокруг продольной оси кабель-троса с углом подъема винтовой линии в интервале от 1° до 20°, а более предпочтительно - в интервале от 5° до 10°. Устойчивый к сжатию слой может быть также выполнен из: Z-образных, Т-образных, скошенных или плоских удлиненных спирально намотанных элементов. Элементы могут быть выполнены из композитного материала, например, из углеродных волокон, подвергнутых пултрузии, или, если по весовым ограничениям допустим больший вес, из высокопрочной стали. Устойчивый к сжатию слой может быть изготовлен из композитного материала с однонаправленной ориентацией волокон. В предпочтительном варианте волокна расположены спирально вокруг продольной оси кабель-троса с углом подъема винтовой линии в интервале от 1° до 20°, а более предпочтительно - в интервале от 5° до 10°. Композитный устойчивый к сжатию слой может быть изготовлен, например, из углеродных, стеклянных или арамидных волокон с матрицей из эпоксидной смолы или термопласта.
Между несущим нагрузку слоем и электрической системой предпочтительно предусмотреть обеспечивающий скольжение/антифрикционный слой. Также между несущим нагрузку слоем и износостойким слоем может быть предусмотрен обеспечивающий скольжение/антифрикционный слой. Эти обеспечивающие скольжение/антифрикционные слои дают возможность получать небольшой радиус изгиба кабель-троса, благодаря несвязанному состоянию различных слоев. Обеспечивающие скольжение/антифрикционные слои могут быть выполнены, например, из термопластичного материала, такого как нейлон 11 (РА 11) или фторполимеров, таких как политетрафторэтилен (PTFE).
Упрочняющий на растяжение слой может быть реализован в виде двух слоев спирально расположенных упрочняющих на растяжение элементов, отделенных друг от друга обеспечивающим скольжение/антифрикционным слоем. Указанные упрочняющие элементы расположены спирально вокруг продольной оси кабель-троса с углом подъема винтовой линии в интервале от +/- 35° до +/- 65°. Элементы могут быть выполнены из композитного материала, например, из углеродных волокон, подвергнутых пултрузии, или, если весовые ограничения позволяют иметь больший вес, то из высокопрочной стали.
Изменение направления намотки от одного слоя к другому, т.е. волокна одного слоя наматывают по часовой стрелке, а волокна другого слоя наматывают против часовой стрелки, помогает механически сбалансировать поведение кабель-троса в отношении кручения под действием осевой нагрузки. Между двумя упрочняющими на растяжение слоями может быть предусмотрен обеспечивающий скольжение/антифрикционный слой. В соответствии с требованиями прочности на растяжение, предъявляемыми к кабель-тросу, могут быть предусмотрены дополнительные подслои упрочняющих на растяжение элементов.
Упрочняющий на растяжение слой может быть также предусмотрен в виде двух спиральных, упрочняющих на растяжение, композитных слоев, отделенных друг от друга обеспечивающим скольжение/антифрикционным слоем. Указанные упрочняющие на растяжение композитные слои, предпочтительно, изготовлены из композитного материала с однонаправленной ориентацией волокон. Волокна, предпочтительно, расположены спирально вокруг продольной оси кабель-троса с углом подъема винтовой линии в интервале от +/- 35° до +/- 65°. К упрочняющим на растяжение композитным слоям могут быть применены те же соображения, касающиеся ориентации по часовой стрелке и против часовой стрелки, что и к упрочняющим на растяжение элементам, чтобы получить симметрично выровненные механические характеристики кабель-троса 3. Упрочняющие на растяжение композитные слои могут быть выполнены из углеродных, стеклянных или арамидных волокон с матрицей из эпоксидной смолы или термопласта. Обеспечивающий скольжение/антифрикционный слой может быть выполнен, например, из термопластичного материала, такого как нейлон 11 (РА 11) или фторполимеров, таких как политетрафторэтилен (PTFE).
Электроизолирующий слой, расположенный радиально между двух слоев электрических проводников, предпочтительно, наносят в процессе экструзии. Подходящими материалами являются, например, полиэтилен, полипропилен или термостойкие материалы из группы фторполимеров, такие как поливинилиденфторид (PVDF), или сополимер тетрафторэтилена/гексафторпропилена (Teflon FEP). В некоторых случаях применения электроизолирующий слой может также быть выполнен в виде пленки, изготовленной, например, из PVDF или Teflon FEP.
Предпочтительно, электрические проводники первого слоя электрических проводников и/или электрические проводники второго слоя электрических проводников намотаны вокруг продольной центральной оси кабель-троса с углом подъема винтовой линии в интервале от 25° до 45°, более предпочтительно от 30° до 40°, а оптимально 35°. Если угол подъема спирали выдерживать в указанных интервалах, то механическая нагрузка, действующая на электрические проводники, изолирующий слой и эластичный сердечник будет минимальной, поскольку спирально намотанные электрические проводники и эластичный сердечник вместе с электроизолирующим слоем будут демонстрировать по существу одинаковое радиальное сокращение/расширение, когда кабель-трос подвергается осевому удлинению или изгибу.
Отдельные электрические проводники первого слоя и/или отдельные электрические проводники второго слоя могут быть в каждом случае спирально намотаны так, что они все будут ориентированы параллельно друг другу. Однако, предпочтительным является вариант, при котором первый слой электрических проводников и/или второй слой электрических проводников выполнены в виде плетеных проводов. Таким образом, в этом случае электрические проводники представляют собой регулярную оплетенную структуру.
Электрические проводники первого слоя могут быть намотаны вокруг продольной центральной оси кабель-троса в противоположном направлении по отношении к электрическим проводникам второго слоя. Первый слой электрических проводников и/или второй слой электрических проводников, каждый, может содержать несколько примыкающих друг к другу подслоев спирально намотанных проводов. Провода соседних подслоев предпочтительно наматывать в противоположных направлениях. Таким образом, углы подъема винтовой линии проводов соседних подслоев в данном случае отличаются друг от друга своими алгебраическими знаками. Благодаря намотке проводов первого и второго слоев или смежных подслоев в противоположных направлениях, механические характеристики кабель-троса могут быть механически выровнены.
Что касается продольного направления кабель-троса, то несущий нагрузку слой обычно обладает жесткостью на растяжение, которая превышает общую эффективную жесткость на растяжение эластичного сердечника, первого и второго слоя электрических проводников и электроизолирующего слоя, взятых вместе. Жесткость на растяжение удлиненного элемента, такого как кабель-трос или слой, в данном контексте определяется, как произведение модуля упругости (или модуля Юнга) материала элемента вдоль продольного направления элемента и площади поперечного сечения элемента. Таким образом, жесткость на растяжение характеризует сопротивление элемента упругой деформации, вызванной растягивающей нагрузкой. Если жесткость на растяжение несущего нагрузку слоя превышает общую жесткость на растяжение остальных слоев кабель-троса, взятых вместе, то несущий нагрузку слой определяет ограничение по максимальной деформации для других слоев. Когда кабель-трос подвергается действию растягивающей силы, или когда подвергается изгибу, например, вокруг барабана, механические нагрузки, вызываемые упругим удлинением, изгибом или кручением, в большой степени поглощаются несущим нагрузку слоем. Электрические проводники, эластичный сердечник и изолирующий слой в основном только смещаются вместе с несущим нагрузку слоем, не подвергаясь каким-либо значимым механическим нагрузкам.
Согласно некоторым вариантам осуществления, кабель-трос дополнительно содержит по меньшей мере один кабель передачи данных, который в предпочтительном варианте расположен внутри эластичного сердечника. Эластичный сердечник в этом случае представляет собой полый элемент или цилиндр. Кабелем передачи данных предпочтительно является волоконно-оптический кабель.
Согласно некоторым вариантам осуществления, между самым наружным, т.е. обычно вторым слоем электрических проводников и несущим нагрузку слоем предусмотрен влагозащитный и/или обеспечивающий скольжение слой. Указанные две функции - скольжения и защиты от влаги - при помощи некоторых материалов могут быть реализованы посредством одного слоя, который и обеспечивает скользящие свойства, и создает барьер для влаги, например, полиамид 11 (РА 11) или определенные фторполимеры, таких как политетрафторэтилен (PTFE) или поливинилиденфторид (PVDF). Для этих целей также можно предусмотреть два слоя, например, влагозащитный слой, нанесенный на самый наружный слой электрических проводников, и обеспечивающий скольжение слой, нанесенный между влагозащитным слоем и несущим нагрузку слоем. Чтобы иметь хорошее сцепление со слоем электрических проводников, влагозащитный/комбинированный, обеспечивающий скольжение и влагозащитный, слой может быть нанесен на слой электрических проводников в ходе экструзии. Как вариант или дополнительно, между самым наружным слоем металлических проводников и несущим нагрузку слоем может также быть предусмотрен адгезионный слой и/или буферный слой.
Для защиты несущего нагрузку слоя, например, от истирания или солнечных лучей может быть предусмотрен износостойкий слой, который окружает несущий нагрузку слой. Чтобы уменьшить аэродинамическое сопротивление кабель-троса, поверхность износостойкого слоя может быть покрыта небольшими сферическими впадинами размером порядка миллиметров, аналогично поверхности мяча для гольфа.
Изобретение также относится к узлу кабель-троса, содержащему кабель-трос и барабан для наматывания кабель-троса. Барабан можно использовать, например, для хранения кабель-троса, когда ВЭС воздушного базирования находится в нерабочем состоянии, или барабан может использоваться для размещения части длины кабель-троса, если при работе ВЭС воздушного базирования кабель-трос не полностью размотан. Барабан может быть частью наземной станции энергетической установки, которая дополнительно содержит ВЭС воздушного базирования и кабель-трос. Узел кабель-троса может содержать два отдельных барабана различного размера для одного и того же кабель-троса. Первый барабан может быть использован для транспортирования по дорогам, и может иметь минимальный диаметр, соответствующий предельно допустимому радиусу изгиба кабель-троса, чтобы избежать проблем транспортировки при проезде дорог с ограничениями габарита, таких как мосты или туннели. Второй барабан может быть использован для эксплуатации кабель-троса в сочетании с ВЭС воздушного базирования и наземной станцией, и может иметь больший диаметр, оптимизированный для низких усталостных нагрузок материалов кабель-троса.
Если кабель-трос обладает первым наружным радиусом, а барабан содержит периферическую поверхность для размещения кабель-троса, обладающую вторым наружным радиусом, то отношение первого наружного радиуса ко второму наружному радиусу в предпочтительном варианте составляет по меньшей мере 0,3% и не более 2%, более предпочтительно - по меньшей мере 0,5% и не более 1,5% для несущего нагрузку слоя, выполненного из двух или более композитных слоев с однонаправленной ориентацией волокон или для несущего нагрузку слоя, выполненного из двух или более плетеных композитных слоев. Для несущего нагрузку слоя, выполненного из концентрических слоев упрочняющих на растяжение элементов с круговым расположением, или упрочняющих на растяжение профилей или упрочняющих на растяжение композитных слоев, или для несущего нагрузку слоя, выполненного из устойчивого к сжатию слоя в сочетании с антифрикционным слоем и упрочняющим на растяжение слоем, отношение первого наружного радиуса кабель-троса ко второму наружному радиусу периферической поверхности барабана предпочтительно составляет по меньшей мере 0,3% и не более 5%, более предпочтительно - по меньшей мере 0,5% и не более 3%. При таком соотношении наружных радиусов кабель-троса и барабана, размер барабана получается таким, что, с одной стороны, механическая нагрузка на кабель-трос, когда его наматывают на барабан, не будет слишком высокой, а, с другой стороны, размер барабана будет минимальным.
Кроме того, изобретение также относится к энергетической установке, содержащей ВЭС воздушного базирования, наземную станцию и по меньшей мере один кабель-трос. Кабель-трос служит для соединения ВЭС воздушного базирования с наземной станцией как физически, так и электрически.
Краткое описание чертежей
Далее будут рассмотрены варианты осуществления настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, которые служат только целям иллюстрации, и не устанавливают ограничений. На чертежах изображено следующее:
на фиг. 1 схематически изображены ветроэлектростанция (ВЭС) воздушного базирования, наземная станцию и кабель-трос с функцией передачи электроэнергии согласно настоящему изобретению;
на фиг. 2 в аксонометрии изображен первый вариант осуществления кабель-троса с функцией передачи электроэнергии согласно настоящему изобретению;
на фиг. 3 в аксонометрии изображен второй вариант осуществления кабель-троса с функцией передачи электроэнергии согласно настоящему изобретению;
на фиг. 4 изображен вид сбоку спирально намотанного электрического проводника кабель-троса по фиг. 2 или 3;
на фиг. 5 изображен вид сбоку эластичного сердечника и множества спирально намотанных электрических проводников кабель-троса по фиг. 2 или 3;
на фиг. 6 изображен вид сбоку эластичного сердечника и множества спирально намотанных и оплетенных электрических проводников кабель-троса по фиг. 2 или 3;
radial
на фиг. 7 представлен график разности (Δρ) радиального сокращения между спиральным проводом и эластичным сердечником в зависимости от угла α подъема винтовой линии провода для осевого удлинения ε+1,5% всего кабель-троса;
на фиг. 8 в поперечном разрезе изображен третий вариант осуществления кабель-троса с функцией передачи электроэнергии согласно настоящему изобретению с различными возможными вариантами осуществления несущего нагрузку слоя, показанными на а1), b1), с1);
на фиг. 9 в осевом разрезе изображен четвертый вариант осуществления кабель-троса с функцией передачи электроэнергии согласно настоящему изобретению с различными возможными вариантами осуществления несущего нагрузку слоя, содержащего внутренний устойчивый к сжатию слой, как показано на а2), b2), с2), d2), е2), f2), g2, обеспечивающий скольжение/антифрикционный слой и различные возможные варианты наружного упрочняющего на растяжение слоя, как показано на а3), b3);
на фиг. 10 в осевом разрезе изображен пятый вариант осуществления кабель-троса с функцией передачи электроэнергии согласно настоящему изобретению с различными возможными вариантами осуществления несущего нагрузку слоя, содержащего внутренний устойчивый к сжатию слой, как показано на а4), b4), с4), d4), е4), а также наружный упрочняющий на растяжение слой, причем кабель-трос содержит электрическую систему со слоем защиты проводников и/или один или более буферных слоев;
на фиг. 11 в поперечном разрезе на а5), b5), с5) изображен кабель-трос по фиг. 10 с различными возможными вариантами осуществления слоя защиты проводников и буферного слоя;
на фиг. 12 в осевом разрезе изображен шестой вариант осуществления заявленного кабель-троса с функцией передачи электроэнергии, в котором каждый из двух слоев электрических проводников содержит два подслоя, между которыми в каждой паре предусмотрен антифрикционный слой; и
на фиг. 13 в аксонометрии изображен седьмой вариант осуществления заявленного кабель-троса с функцией передачи электроэнергии с различными возможными вариантами осуществления слоев электрических проводников, как показано на а6), b6).
Раскрытие предпочтительных вариантов осуществления
На фиг. 1 изображена энергетическая установка с ветроэлектростанцией (ВЭС) 1 воздушного базирования, соединенной с наземной станцией 2 посредством одного кабель-троса 3 с функцией передачи электроэнергии. Естественно, для соединения ВЭС 1 воздушного базирования с наземной станцией 2 можно было бы предусмотреть более одного кабель-троса 3 с функцией передачи электроэнергии.
Кабель-трос 3 с функцией передачи электроэнергии служит для связи ВЭС 1 воздушного базирования с землей как механически, так и электрически. Таким образом, необходимо, чтобы кабель-трос 3 был способен противостоять растягивающим усилиям, которые вызваны ветром, воздействующим на ВЭС 1 воздушного базирования, а также изменениями направления ВЭС 1 воздушного базирования в силу особых маневров в воздухе. Растягивающие усилия, которые подчас очень сильно изменяются за короткие промежутки времени, заставляют кабель-трос 3 растягиваться в продольном направлении, и, как следствие, сокращаться в радиальном направлении относительно его ненагруженного состояния.
На наземной станции 2 часть кабель-троса 3 намотана на барабан 15, когда ВЭС 1 воздушного базирования находится в рабочем состоянии, как на фиг. 1. Барабан 15 используется для размещения части кабель-троса 3 в начальной фазе работы ВЭС 1 воздушного базирования и в фазе возврата ВЭС 1 воздушного базирования на землю, а также во время нормальной работы ВЭС воздушного базирования, если используется не максимальная длина кабель-троса 3. Барабан 15 может также использоваться для целей транспортировки. Если маршрут перевозки от места изготовления кабель-троса 3 к месту монтажа требует меньшего диаметра барабана, то также может быть применен барабан меньшего размера, который удовлетворяет требованиям минимального радиуса изгиба кабель-троса 3.
В силу изгиба кабель-троса 3 по периферической наружной поверхности барабана 15, возникает определенное сжатие частей троса 3, обращенных к центру барабана 15, и определенное растяжение частей, обращенных радиально от барабана 15. В силу изгиба кабель-троса 3 по периферической наружной поверхности барабана 15, также возникает сжатие кабель-троса 3 в направлении радиуса барабана 15, такое, что часть кабель-троса, наматываемого на барабан 15, обычно имеет слегка овальное поперечное сечение.
ВЭС 1 воздушного базирования содержит аэродинамический профиль, к которому прикреплены один или более электрических генераторов 16. С целью получения электрической энергии каждый из электрических генераторов приводится в движение посредством пропеллера. Предпочтительно, чтобы электрические генераторы 16 можно было использовать в качестве моторов, чтобы приводить в движение пропеллеры, например, в фазе начала работы и в фазе возвращения ВЭС 1 воздушного базирования на землю. Электрическая энергия, вырабатываемая генераторами 16, при нормальном рабочем состоянии ВЭС 1 воздушного базирования, а также электрическая энергия, потребляемая генераторами 16 при их использовании в качестве моторов, передается между ВЭС 1 воздушного базирования и наземной станцией 2 и в обратном направлении посредством кабель-троса 3. Кроме того, перемещениями ВЭС 1 воздушного базирования в воздухе можно управлять посредством натяжения кабель-троса 3, которое регулируется при помощи системы привода барабана 15.
Управление эволюциями ВЭС 1 воздушного базирования в воздухе посредством, например, соответствующих действий пропеллеров или рулей направления, может быть достигнуто беспроводным способом, если на ВЭС 1 воздушного базирования и наземной станции 2 предусмотреть соответствующие устройства беспроводной передачи сигнала, или проводным соединением ВЭС 1 воздушного базирования с наземной станцией 2 и передачей сигнала по проводам. В случае проводной передачи сигнала, внутри кабель-троса 3 для этой цели могут быть предусмотрены металлические сигнальные провода или, предпочтительно, оптоволоконные кабели.
На фиг. 2 показана внутренняя конструкция первого варианта осуществления заявленного кабель-троса 3 с функцией передачи электроэнергии. Кабель-трос 3 имеет многослойную конструкцию с несколькими слоями 4-10, каждый из которых имеет круговое поперечное сечение. Каждый слой 4-10 проходит вдоль всей длины кабель-троса 3 с постоянным поперечным сечением.
2
2
2
В центре кабель-троса 3 предусмотрен эластичный сердечник 4, выполненный из упругого неметаллического материала, обычно - эластомера, такого как этиленпропиленовый каучук (EPDM), нитриловый каучук (NBR) или силиконовый эластомер. Также могут быть применены термопластичные материалы, например, полиэтилен с подходящей упругостью в диапазоне 3% или более. Эластичный сердечник 4 имеет модуль Юнга в интервале от 1 Н/мм до-100 Н/мм для эластомеров и приблизительно до 4000 Н/мм для термопластичных материалов.
Поскольку кабель-трос 3 представляет собой единственное средство соединения ВЭС 1 воздушного базирования с землей, за счет кабель-троса 3 требуется реализовать передачу электрической энергии без связи с потенциалом земли. Как следствие, кабель-трос 3 содержит по меньшей мере два слоя электрических проводников 5, 9, которые отделены друг от друга посредством электроизолирующего слоя 7. Для передачи электрической энергии от ВЭС 1 воздушного базирования к наземной станции 2 (и в обратном направлении) между двумя слоями электрических проводников 5, 9 может быть установлено электромагнитное поле.
В то время как первый слой электрических проводников в виде металлических проводов 5 намотан непосредственно вокруг эластичного сердечника 4, второй слой электрических проводников в виде металлических проводов 9 намотан вокруг электроизолирующего слоя 7. Чтобы достичь определенной эластичности системы электропередачи, образованной слоями 5, 7 и 9, каждый из металлических проводов 5, 9 намотан спиральным образом вдоль продольного направления упругого сердечника 4 или, соответственно, электроизолирующего слоя 7. Отдельные металлические провода 5 и 9, которые расположены в одном и том же слое 5 или 9 кабель-троса 3, обычно электрически не изолированы друг от друга. Металлические провода 5 и 9 предпочтительно изготовлены из меди.
Электроизолирующий слой 7, располагаемый в радиальном направлении между двумя слоями электрических проводников 5, 9, предпочтительно, наносят в процессе экструзии. Подходящими материалами являются, например, полиэтилен, полипропилен или термостойкие материалы из группы фторполимеров, такие как поливинилиденфторид (PVDF), или сополимер тетрафторэтилена/гексафторпропилена (Teflon FEP). В некоторых случаях применения, при напряжении в электрической системе лишь несколько киловольт, электроизолирующий слой 7 может также быть предусмотрен в виде обернутой пленки, изготовленной, например, из PVDF или Teflon FEP.
С обеих сторон изолирующего слоя 7 в направлении радиуса кабель-троса 3 предусмотрен полупроводящий слой 6, 8. Первый полупроводящий слой 6 расположен между первым слоем металлических проводов 5 и изолирующим слоем 7, а второй полупроводящий слой 8 расположен между изолирующим слоем 7 и вторым слоем металлических проводов 9. За счет полупроводящих слоев 6 и 8, характеризующихся минимальной шероховатостью поверхности, которые могут быть выполнены, например, из полупроводящего полиэтилена, может быть получено геометрически четко определенное однородное электрическое поле.
2
2
2
2
Для поглощения растягивающих усилий, действующих на кабель-трос 3 при работе ВЭС 1 воздушного базирования предусмотрен несущий нагрузку слой 10. Чтобы достигнуть высокой жесткости на растяжение, а также радиальной жесткости, несущий нагрузку слой 10 может содержать удлиненные элементы, такие как нити, спирально навитые вокруг самого верхнего слоя 9 электрических проводников. Несущий нагрузку слой 10 окружает второй слой 9 металлических проводов, и таким образом представляет собой радиально самый наружный слой кабель-троса 3. Несущий нагрузку слой 10 предохраняет внутренние слои 5, 6, 7, 8, 9 от осевых и неосевых нагрузок, и ограничивает максимальное механическое напряжение, которому подвергаются указанные слои. В зависимости от конкретной выбранной конструкции несущего нагрузку слоя 10, несущий нагрузку слой обладает модулем Юнга в осевом направлении кабель-троса 3 в интервале от 20000 Н/мм до 200000 Н/мм, а предпочтительно - в интервале от 60000 Н/мм до 160000 Н/мм. Предпочтительно, несущий нагрузку слой 10 выполнен из материала, армированного волокном, в частности, из пластмассового материала, армированного волокном, такого как композит с полимерной матрицей (РМС) или термоотверждающийся полимер, армированный волокном, например, композит на основе эпоксидной матрицы. Для увеличения гибкости волоконного композитного материала также может быть использована эпоксидная смола с добавлением каучука, например, материал в виде эпоксидной матрицы, модифицированной сополимером бутадиена и акрилонитрила с концевыми карбоксильными группами (CTBN). Волокнами могут, например, служить углеродные волокна, стеклянные волокна или арамидные волокна; материалом матрицы может служить эпоксидная смола или термопластичная смола, при этом волокна могут быть расположены параллельно продольной центральной оси кабель-троса 3, или могут быть спирально обвиты вокруг самого наружного слоя электрических проводников, который в данном случае представлен вторым слоем 9 электрических проводников. Наклонное расположение волокон относительно продольной центральной оси кабель-троса 3 и в особенности спиральная навивка способствуют радиальной жесткости несущего нагрузку слоя 10. Если весовые ограничения позволяют иметь больший вес, то для удлиненных элементов несущего нагрузку слоя 10 может также быть использована, например, высокопрочная сталь.
Также может быть предусмотрен слой защиты от износа между слоем 9 металлических проводов и несущим нагрузку слоем 10, особенно, когда несущий нагрузку слой 10 выполнен из металлического материала, такого как сталь. Вместе с тем для уменьшения веса для несущего нагрузку слоя предпочтительно использование неметаллического материала.
Конструкция несущего нагрузку слоя может быть выбрана разной в зависимости от конкретных требований применения. Например, легкая, относительно жесткая конструкция несущего нагрузку слоя 10 с хорошим сопротивлением радиальному сжатию, особенно подходящая для кабель-тросов небольшого диаметра, может быть выполнена так, чтобы волокна были спирально обвиты вокруг самого наружного слоя 9 электрических проводников. Могут быть предусмотрены два или более слоев с однонаправленной ориентацией волокон с одним и тем же углом подъема винтовой линии, но навитых в противоположных направлениях. Для увеличения жесткости на растяжение, слои могут быть, например, выполнены в виде оплетки. Оплетка из волокон может быть двумерной и объемной. Оплетки с различными углами подъема винтовой линии волокон могут быть применены в очередных слоях для оптимизации механических свойств несущего нагрузку слоя 10. Когда используется наклон волокон относительно продольной центральной оси и особенно при спиральной навивке, для обеспечения хорошей защиты от радиального сжатия углы подъема винтовой линии волокон предпочтительно должны находиться в интервале от +/-35° до +/-90°, а более предпочтительно - от +/-45° до +/-75°. Естественно, можно также применять сочетание приемов такой укладки и/или использовать несколько слоев волокон с разными углами подъема винтовой линии. Материалом матрицы может служить, например, полиэтилен (РЕ), полифениленсульфид (PPS) или полиэфирэфиркетон (PEEK); естественно, в качестве материала матрицы может быть использована эпоксидная смола. Чтобы сократить вес, предпочтительно несущий нагрузку слой 10 выполнять неметаллическим.
Дополнительные возможные варианты осуществления несущего нагрузку слоя 10 изображены на фиг 8-11.
Фиг. 3 изображает второй вариант осуществления кабель-троса с функцией передачи электроэнергии для ВЭС 1 воздушного базирования согласно настоящему изобретению. Везде на всех фиг. 1-13 элементам с идентичными или подобными функциями присвоены одинаковые позиционные номера.
Наряду с другими особенностями, вариант осуществления представленный на фиг. 3, отличается от конструкции фиг. 2 тем, что содержит волоконно-оптический кабель 11. Волоконно-оптический кабель 11 проходит внутри эластичного сердечника 4 по всей длине кабель-троса 3, и служит для обмена данными между наземной станцией 2 и ВЭС 1 воздушного базирования. Например, посредством волоконно-оптического кабеля 11 можно передавать управляющие сигналы для управления эволюциями ВЭС 1 воздушного базирования в воздухе, или сигналы состояния или сигналы датчиков. Использование ВЭС 1 воздушного базирования в качестве станции для передачи электромагнитных радиосигналов для гражданского или военного применения также может быть реализовано при помощи волоконно-оптического кабеля 11 и подходящих приемных и передающих антенн, расположенных на ВЭС 1 воздушного базирования. В зависимости от ситуации местных ветров система может быть реализована, как полностью или частично автономная. Волоконно-оптический кабель 11 расположен в центре эластичного сердечника 4, который в данном случае имеет конструкцию полого цилиндра, и таким образом кабель 11 совмещен с продольной центральной осью кабель-троса 3.
В варианте осуществления, изображенном на фиг. 3, для металлических проводов 5 и металлических проводов 9 предусмотрены два соседних подслоя. Указанные два подслоя металлических проводов 5 и 9 могут в любом случае отличаться, например, направлением, в котором намотаны соответствующие металлические провода вокруг продольной центральной оси кабель-троса 3. Например, металлические провода 5 первого внутреннего подслоя могут быть намотаны вокруг упругого сердечника 4 по часовой стрелке, а металлические провода 9 второго соседнего наружного подслоя могут быть намотаны в противоположном направлении против часовой стрелки, чтобы симметрично уравнять механические характеристики кабель-троса 3. В общем, для слоев металлических проводов 5 и 9 могут быть предусмотрены еще дополнительные подслои.
Внутри эластичного сердечника 4 могут быть предусмотрены эластичные или неэластичные пряди 12 волокон, ориентированные вдоль продольного направления кабель-троса 3. Если указанные пряди неэластичные, то их предусматривают только для производственных целей, и предполагается, что они порвутся при первом использовании кабель-троса 3.
В варианте осуществления, изображенном на фиг. 3, между вторым наружным слоем металлических проводов 9 и несущим нагрузку слоем 10 предусмотрен обеспечивающий скольжение слой 13. Обеспечивающий скольжение слой 13 служит для обеспечения возможности низкофрикционного скольжения между несущим нагрузку слоем 10 и наружным слоем металлических проводов 9. В данном варианте осуществления обеспечивающий скольжение слой 13 выполняет функцию влагозащиты, чтобы воспрепятствовать проникновению влаги к слоям металлических проводов 5 и 9, и особенно - к электрическому изолирующему слою 7, у которого из-за влаги может ухудшиться способность электрической изоляции. Естественно, обеспечивающий скольжение слой 13 мог бы также быть и проницаемым для влаги, при этом мог бы быть предусмотрен дополнительный влагозащитный слой, расположенный между обеспечивающим скольжение слоем 13 и наружным слоем металлических проводов 9. Если не требуется низкофрикционного скольжения несущего нагрузку слоя 10 по слою металлических проводов 9, то слой 13 мог бы также быть влагозащитным без функции обеспечения скольжения.
В варианте осуществления, представленном на фиг. 3, в качестве самого наружного слоя на наружной стороне несущего нагрузку слоя 10 нанесен износостойкий слой 14, чтобы предохранить несущий нагрузку слой 10, например, от механического трения при наматывании на барабан 15 или от влаги, солнечных лучей или определенных кислот, которые присутствуют в воздухе. Чтобы уменьшить сопротивлению ветру кабель-троса 36 износостойкий слой 14 можно выполнить с поверхностью, покрытой небольшими сферическими впадинами с размерами в миллиметровом диапазоне, наподобие поверхности мяча для гольфа. Износостойкий слой 14 может дополнительно содержать оплетку, например, из высокопрочных прядей, выполненных, например, из арамида, с углом подъема винтовой линии в интервале от +/-40° до +/-60°, чтобы усилить износостойкий слой 14, и предотвратить сползание износостойкого слоя 14, когда он будет локально нарушен.
Фиг. 4 иллюстрирует, как металлические провода 5 первого слоя электрических проводников спирально навиты вокруг эластичного сердечника 4 в вариантах осуществления по фиг. 2 и 3. Металлические провода 9 второго слоя электрических проводников могут быть соответственно навиты вокруг изолирующего слоя 7. Металлические провода 5 (или 9) образуют спираль с углом α подъема винтовой линии. В вариантах осуществления, показанных на фиг. 2 и 3, угол α подъема винтовой линии металлических проводов 5 и 9 предпочтительно должен находиться в области от 25° до 45°, в частности - от 30° до 40°. Использование такого угла α подъема винтовой линии для металлических проводов 5 и 9 приводит, по существу, к одинаковому радиальному сжатию металлических проводов 5 и 9, а также в эластичном сердечнике 4 и изолирующем слое 7 при осевом удлинении или сжатии, которые вызваны высокими нагрузками растяжения или операциями сматывания кабель-троса 3.
Предпочтительно, как показано на фиг. 5, в первом слое металлических проводов 5 и во втором слое металлических проводов 9 при намотке использовано множество плотно уложенных металлических проводов.
Согласно особо предпочтительному варианту осуществления изобретения, как первый слой электрических проводников 5, так и второй слой электрических проводников 9 выполнены в виде электрических проводов, оплетенных друг с другом. Как показано на фиг. 6, все металлические провода 5 (или 9) первого слоя электрических проводников 5 (и, соответственно, второго слоя электрических проводников 9) спирально намотаны вокруг эластичного сердечника 4 с одинаковым углом α подъема винтовой линии, т.е. с углом в интервале от 25° до 45° (от -25° до -45°), в частности, от 30° до 40° (от -30° до -40°).
Металлические провода 5 и 9 спирально намотаны вокруг продольной центральной оси кабель-троса, чтобы предотвратить пластическую деформацию очень жесткого материала проводников, такого как медь. Вместе с тем установлено, что угол подъема винтовой линии спиралей, образованных металлическими проводами 5 и 9, является крайне важным, чтобы избежать повреждения кабель-троса 3 при высоких растягивающих нагрузках или, например, при изгибе вокруг барабана 15. Поэтому, для оптимизации угла α подъема винтовой линии в случае металлического провода 5, который спирально наматывают вокруг эластичного сердечника 4 (ситуация, показанная на фиг. 4), ниже представлены следующие расчеты.
1
Относительное изменение ε длины эластичного сердечника 4 приводит к радиальному сокращению. Вычисление коэффициента ρ радиального сокращения эластичного сердечника 4 производится по формуле:
2
Относительное изменение ε длины спирали приводит к радиальному сокращению металлического провода 5, которое зависит от угла α подъема. Коэффициент ρ радиального сокращения спирали может быть вычислен по формуле:
Поведение спирали, образованной металлическим проводом 5, по отношению к эластичному сердечнику 4 при осевой нагрузке можно разбить на следующие случаи:
1
2
I. ρ<ρ: Спираль, образованная проводом 5 отходит от эластичного сердечника 4.
1
2
II. ρ=ρ: Спираль, образованная проводом 5 перемещается синхронно с эластичным сердечником 4.
1
2
III. ρ>ρ: Спираль, образованная проводом 5 вжимается в эластичный сердечник 4.
В случае I, слои, которые в радиальном направлении расположены снаружи металлического провода 5, ограничивают отрыв спирали от эластичного сердечника 4. Поэтому металлические провода 5 подвергаются сжимающему усилию и с высокой вероятностью будет происходить их коробление, что в конечном счете приведет к потере способности кабель-троса 3 передавать электрическую энергию.
В случае III, если эластичный сердечник в первом приближении моделируется, как несжимаемый, то невозможно, чтобы спираль из металлических проводов 5 внедрились в поверхность эластичного сердечника 4. В результате металлические провода 5 будут испытывать удлинение в сочетании с пластической деформацией. Удлиненные металлические провода 5 будут коробиться, когда они будут вынуждены вернуться в нейтральное положение, при котором осевое натяжение отсутствует (ε=0),.
В случае II равное радиальное сокращение приводит к минимальному механическому напряжению металлических проводов 5 и эластичного сердечника 4.
Оптимальный угол α подъема винтовой линии, при которой реализуется случай II, можно вычислить следующим образом:
Графическая иллюстрация данного уравнения для нахождения оптимального угла подъема α приведена на фиг. 7 для ситуации осевого удлинения ε=1,5%.
Данное вычисление оптимального угла α подъема винтовой линии приводит к следующей формуле:
1
2
1
2
opt
1
2
Таким образом, для осевого удлинения ε +1,5% всего кабель-троса 3 получается оптимальный угол α подъема спирали, образованной металлическим проводом 5, равный 34,96°. В случае наматывания кабель-троса 3 на барабан 15, части кабель-троса 3, обращенные к центру барабана 15, испытывают сжатие. Для сжатия с коэффициентом ε -1,5%, например, металлических проводов 5 получается оптимальный угол α подъема спирали равный 35,57°. Если применить среднее значение (α+α)/2=α равное 35,265° и округленное до 35,3° для обоих случаев нагрузки (удлинения и сжатия), то разность точных значений α+α приблизительно 0,3° будет лежать в пределах допуска на изготовление. Следует отметить, что вышеприведенные расчеты также применимы и к спирали, образованной металлическими проводами 9, намотанными вокруг изолирующего слоя 7.
Эксперименты показали, что кабель-трос 3 для ВЭС 1 воздушного базирования следует выбирать так, чтобы удлинение ε в его продольном направлении было менее 5%, а предпочтительно - менее 3% для максимальной ожидаемой растягивающей нагрузки. Определенная эластичность необходима, чтобы лучше противостоять растягивающим усилиям, действующим на кабель-трос 3. Однако, если удлинение кабель-троса 3 составляет более 3% или даже более 5%, то существует риск повреждения изолирующего слоя 7. Эксперименты с типичным изолирующим материалом полиэтиленом показали, что способность к электрической изоляции начинает снижаться из-за ухудшения свойств изолирующего материала при повторяющейся деформации величиной более 5%. Для электрических проводников для диапазона возможных удлинений ε кабель-троса 3 можно соблюдать теоретический оптимальный угол α подъема винтовой линии спирали 35,3° при вариации только +/- 0,3°. Для практической реализации спирально намотанных металлических проводов 5 и 9, часть, которая среди прочих подлежит оптимизации - это проводимость в осевом направлении с учетом заданной деформации и частоты цикла усталостного нагружения. Как следствие этого, оптимальный угол подъема винтовой линии спирали имеет более широкий диапазон вариации. Так металлические провода 5 и 9 предпочтительно наматывать вокруг продольной осевой линии кабель-троса 3 с углом подъема 25°-45°, более предпочтительно 30°-40°, а оптимально с углом приблизительно 35°.
Фиг. 8 изображает поперечное сечение кабель-троса 3, и иллюстрирует различные возможные конструкции несущего нагрузку слоя 10 в комбинации с эластичным буферным слоем 17 для компенсации радиальных сжимающих сил, действующих в направлении возможной конструкции электрической передающей системы 4, 5, 6, 7, 8, 9, и вызванных радиальным сокращением несущего нагрузку слоя 10 под действием растягивающей нагрузки.
Несущий нагрузку слой 10 может быть реализован, как показано на фрагменте а1) в виде двух слоев упрочняющих на растяжение элементов 18, 19. Данные упрочняющие на растяжение элементы расположены по спирали вокруг продольной оси кабель-троса 3 с углом подъема винтовой линии в диапазоне от +/-65° до +/-85°. Они могут быть изготовлены из композитного материала, например, углеродных волокон, подвергнутых пултрузии, или, если весовые ограничения позволяют иметь больший вес, то из высокопрочной стали. Указанные два слоя упрочняющих на растяжение элементов 18, 19 можно в любом случае характеризовать, например, направлением, в котором соответствующие упрочняющие элементы навиты вокруг продольной центральной оси кабель-троса 3. Например, упрочняющие на растяжение элементы 18 первого внутреннего подслоя могут быть обвиты по часовой стрелке вокруг эластичного буферного слоя 17, а упрочняющие на растяжение элементы 19 соседнего второго наружного подслоя могут быть навиты в противоположном направлении - против часовой стрелки, чтобы симметрично выровнять механические характеристики кабель-троса 3. В соответствии с требованиями к прочности на растяжение кабель-троса 3 могут быть предусмотрены дополнительные подслои упрочняющих на растяжение элементов.
При осевой деформации кабель-троса 3, спирально навитые упрочняющие на растяжение элементы 18, 19 будут вызывать сжимающее усилие на внутренних частях кабель-троса 3. Поэтому может быть наложен эластичный буферный слой 17, состоящий из мягкого материала, например, силиконового эластомера, деполимеризованного каучука или полиуретана, чтобы обеспечить однородность радиальных сжимающих сил на самом наружном слое 9 электрических проводников. Это позволит избежать пластической деформации и опасности коробления и обрыва электрических проводов в слое электрических проводников 9.
Несущий нагрузку слой 10 можно также выполнить, как показано на b1), в виде двух слоев расположенных по кругу упрочняющих на растяжение профилей 20, 21. К расположению упрочняющих на растяжение профилей 20, 21 могут быть применены те же соображения, что и к упрочняющим на растяжение элементам 18, 19. Данные упрочняющие на растяжение профили могут быть выполнены из композитного материала, например, из углеродных волокон, подвергнутых пултрузии, или если весовые ограничения допускают больший вес, то из высокопрочной стали.
Несущий нагрузку слой 10 можно также выполнить, как показано на с1), в виде двух упрочняющих на растяжение композитных слоев 22, 23. Упрочняющие на растяжение композитные слои 22, 23 изготовлены из композитного материала с однонаправленной ориентацией волокон. Указанные волокна расположены спирально вокруг продольной оси кабель-троса 3 с углом подъема винтовой линии в диапазоне от +/-65° до +/-85°. К расположению волокон упрочняющих композитных слоев (по часовой стрелке и против часовой стрелки) могут быть применены те же соображения, что и к упрочняющим на растяжение элементам 18, 19 с целью получения симметрично выровненных механических характеристик кабель-троса 3. Упрочняющие на растяжение композитные слои 22, 23, могут быть выполнены, например, из углеродных, стеклянных или арамидных волокон с матрицей из эпоксидной смолы или термопласта. Упрочняющие на растяжение композитные слои 22, 23, могут быть разделены дополнительным обеспечивающим скольжение/антифрикционным слоем, чтобы получить меньший радиус изгиба всего кабель-троса при намотке на барабан 15.
Чтобы реализовать возможность передачи достаточной электрической мощности в случае очень большой ВЭС 1 воздушного базирования, требуется кабель-трос 3 большого диаметра. Если реализовать подход, соответствующий фиг. 8, то увеличенные осевые усилия, действующие на кабель-трос 3, которые вызывают увеличение радиальных сжимающих сил, могут привести к ускоренной деградации электрических проводников.
На фиг. 9 изображен другой вариант осуществления кабель-троса 3 с функцией передачи электроэнергии согласно настоящему изобретению, в котором предельный радиус изгиба оптимизирован к требованиям высоких растягивающих нагрузок путем добавления устойчивого к сжатию слоя 25 с дополнительными обеспечивающими скольжение/антифрикционными слоями 24, 26, 28, 37, 40; и, следовательно, данный кабель-трос отличается усиленной защитой электрической системы 4, 5, 6, 7, 8, 9.
Несущий нагрузку слой 10 разделен на устойчивый к сжатию слой, обеспечивающий скольжение/антифрикционный слой 26 и упрочняющий на растяжение слой 27. Между несущим нагрузку слоем 10 и электрической системой 4, 5, 6, 7, 8, 9, предпочтительно, выполнен обеспечивающий скольжение/антифрикционный слой 24. Также, между несущим нагрузку слоем 10 и износостойким слоем 14 может быть выполнен обеспечивающий скольжение/антифрикционный слой 28. Указанные обеспечивающие скольжение/антифрикционные слои 24, 26, 28 способствуют достижению малого радиуса изгиба кабель-троса 3, благодаря тому, что разные слои не связаны друг с другом. Антифрикционные слои 24, 26, 28 могут состоять из термопластичного материала, такого как нейлон 11 (РА 11) или фторполимеров, таких как политетрафторэтилен (PTFE).
Устойчивый к сжатию слой 25 может быть выполнен, как показано на фиг. а2), в виде S-образного устойчивого к сжатию слоя 29 с взаимным замыканием, который также называют каркасом. Отдельные удлиненные элементы S-образного профиля, используемые в S-образном устойчивом к сжатию слое 29 с взаимным замыканием, расположены спирально вокруг продольной оси кабель-троса с углом подъема винтовой линии в интервале от 1° до 20°, а более предпочтительно - в интервале от 5° до 10°. В зависимости от угла подъема винтовой линии S-образного устойчивого к сжатию слоя 29 с взаимным замыканием и ширины его S-образного профиля, устойчивый к сжатию слой 25 может содержать более одного спирального S-образного профиля, принадлежащего S-образному устойчивому к сжатию слою 29 с взаимным замыканием. Они элементы могут быть выполнены из композитного материала, например, из углеродных волокон, подвергнутых пултрузии, или, если весовые ограничения допускают больший вес, то из высокопрочной стали.
Другой вариант осуществления устойчивого к сжатию слоя 25 показан на фиг. b2) в виде z-образного устойчивого к сжатию слоя 30 с взаимным замыканием, который также называют опоясывающим слоем. К расположению z-образного устойчивого к сжатию слоя 30 с взаимным замыканием могут быть применены те же соображения, что и к S-образному устойчивому к сжатию слою 29 с взаимным замыканием. Указанный z-образный устойчивый к сжатию слой 30 с взаимным замыканием может состоять из композитного материала, например, из углеродных волокон, подвергнутых пултрузии, или, если весовые ограничения допускают больший вес, то из высокопрочной стали.
Дополнительные варианты осуществления устойчивого к сжатию слоя 25 изображены на фиг. с2): z-образный устойчивый к сжатию слой 31; на фиг. d2): Т-образный устойчивый к сжатию слой 32; на фиг. е2): скошенный устойчивый к сжатию слой 33; и на фиг. f2): плоский устойчивый к сжатию слой 34. В отличие от устойчивых к сжатию слоев 29 и 30 данные слои не являются взаимно-замкнутыми, но отличаются более простым профилем сечения, более удобным для изготовления. Для вариантов 31, 32, 33, 34 устойчивого к сжатию слоя 25 могут быть использованы те же соображения, касающиеся расположения, что и для S-образного устойчивого к сжатию слоя 29 с взаимным замыканием. Варианты 31, 32, 33, 34 устойчивого к сжатию слоя 25 могут быть выполнены из композитного материала, например, из углеродных волокон, подвергнутых пултрузии, или, если весовые ограничения позволяют иметь больший вес, то из высокопрочной стали.
Еще один возможный вариант осуществления устойчивого к сжатию слоя 25 представлен на фиг. g2): устойчивый к сжатию слой 35, выполненный из композитного материала с однонаправленной ориентацией волокон. Волокна расположены спирально вокруг продольной оси кабель-троса 3 с углом подъема винтовой линии в интервале от 1° до 20°, а более предпочтительно - в интервале от 5° до 10°. Композитный устойчивый к сжатию слой 35 может быть выполнен, например, из углеродных, стеклянных или арамидных волокон с матрицей из эпоксидной смолы или термопласта.
Упрочняющий на растяжение слой 27 может быть выполнен, как показано на фиг. а3) в виде двух слоев спирально расположенных упрочняющих на растяжение элементов 36, 38, отделенных друг от друга обеспечивающим скольжение/антифрикционным слоем 37. Эти упрочняющие на растяжение элементы 36, 38 расположены спирально вокруг продольной оси кабель-троса 3 с углом подъема винтовой линии в интервале от +/- 35° до +/- 65°. Они могут быть изготовлены из композитного материала, например, из углеродных волокон, подвергнутых пултрузии, или, если весовые ограничения допускают больший вес, то из высокопрочной стали. Указанные два слоя упрочняющих на растяжение элементов 36, 38 можно в любом случае характеризовать, например, направлением, в котором соответствующие упрочняющие на растяжение элементы обвиты вокруг продольной центральной оси кабель-троса 3. Например, упрочняющие на растяжение элементы 36 первого внутреннего подслоя могут быть обвиты по часовой стрелке вокруг антифрикционного слоя 26, а упрочняющие на растяжение элементы 38 соседнего второго наружного подслоя могут быть обвиты вокруг антифрикционного слоя 37 в противоположном направлении - против часовой стрелки, чтобы симметрично выровнять механические характеристики кабель-троса 3. В соответствии с требованиями к прочности на растяжение кабель-троса 3, могут быть предусмотрены дополнительные подслои упрочняющих на растяжение элементов. Обеспечивающий скольжение/антифрикционный слой 37 может быть изготовлен, например, из термопластичного материала, такого как нейлон 11 (РА 11) или фторполимеров, таких как политетрафторэтилен (PTFE).
Упрочняющий на растяжение слой 27 может быть также выполнен, как показано на фиг. b3) в виде двух упрочняющих на растяжение композитных слоев 39, 41, отделенных друг от друга обеспечивающим скольжение/антифрикционным слоем 40. Упрочняющие на растяжение композитные слои 39, 41 изготовлены из композитного материала с однонаправленной ориентацией волокон. Волокна расположены спирально вокруг продольной оси кабель-троса 3 с углом подъема винтовой линии в интервале от +/-35° до +/-65°. К расположению волокон упрочняющих на растяжение композитных слоев 39, 41 (по часовой стрелке и против часовой стрелки) могут быть применены те же соображения, что и к упрочняющим на растяжение элементам 36, 38 с целью получения симметрично выровненных механических характеристик кабель-троса 3. Упрочняющие на растяжение композитные слои 39, 41 могут, например, быть выполнены из углеродных, стеклянных или арамидных волокон с матрицей из эпоксидной смолы или термопласта. Обеспечивающий скольжение/антифрикционный слой 40 может быть выполнен, например, из термопластичного материала, такого как нейлон 11 (РА 11) или фторполимеров, таких как политетрафторэтилен (PTFE).
Согласно еще одному варианту осуществления, упрочняющий на растяжение слой 27 может быть выполнен посредством нити из искусственного волокна. Нить из искусственного волокна может быть изготовлена, например, из арамида, дайнимы (dyneema), вектрана (vectran) или зайлона (zylon), и обычно использована в виде спиральной оплетки. Нить из искусственного волокна может испытывать необратимое растяжение, например, когда она наложена на устойчивый к сжатию слой 25.
На фиг. 10 и 11 изображены другие возможные варианты осуществления кабель-троса 3 с функцией передачи электроэнергии согласно настоящему изобретению. В данных вариантах, которые естественно могут сочетаться с вариантами, представленными на фиг. 1-9, электрическая система кабель-троса 3 содержит слой 44 защиты проводников и/или один или более буферных слоев 45, 46. Несущий нагрузку слой 10 содержит внутренний устойчивый к сжатию слой 25, наружный упрочняющий на растяжение слой 27 и обеспечивающий скольжение/антифрикционный слой 26, расположенный между устойчивым к сжатию слоем 25 и упрочняющим на растяжение слоем 27.
Устойчивый к сжатию слой 25 может быть выполнен, например, в виде, как показано на фиг. а4), посредством устойчивых к сжатию элементов 42 кольцевой формы. Устойчивые к сжатию элементы 42 кольцевой формы расположены вокруг внутренних слоев 4-9 и слоев 44, 46, если таковые предусмотрены. Устойчивые к сжатию элементы 42 кольцевой формы в предпочтительном варианте выполнены из керамики, металла или материала, армированного волокнами. Если они выполнены из материала, армированного волокнами, то матрицей может служить, например, термореактивный или термопластичный материал.
В варианте, представленном на фиг. b4), каждый из кольцевых устойчивых к сжатию элементов 42 содержит покрытие 47. Покрытие 47, которое, предпочтительно, полностью закрывает поверхность кольцевого устойчивого к сжатию элемента 42, может быть выполнено, например, из металла, чтобы улучшить защиту кабель-троса 3 от молнии. С другой стороны, покрытие 47 может быть выполнено из сугубо износостойкого материала, чтобы увеличить срок службы кабель-троса 3.
В варианте, представленном на фрагменте с4), между каждыми двумя соседними кольцевыми устойчивыми к сжатию элементами 42 расположены кольцевые осевые буферные элементы 43. Кольцевые осевые буферные элементы 43, которые могут быть выполнены, например, из полиуретана или силиконового эластомера, служат для уменьшения локальной нагрузки, действующей на кольцевые устойчивые к сжатию элементы 42. Локальная нагрузка, действующая на кольцевые устойчивые к сжатию элементы 42, может в частности возникать при изгибе кабель-троса 3 на барабане, таком как барабан 15 на фиг. 1. Кольцевые устойчивые к сжатию элементы 42 в данном варианте осуществления могут содержать покрытие 47 или могут не содержать указанного покрытия. Если в кабель-тросе 3 присутствует металлическое покрытие 47 для защиты троса от молнии и электростатических зарядов, то кольцевые осевые буферные элементы 43 могут также быть выполнены из электропроводящего материала, например, проводящего эластомера.
Устойчивый к сжатию слой 25 может также быть реализован в том виде, как представлено на фиг. d4), посредством ступенчатых кольцевых устойчивых к сжатию элементов 54. Ступенчатые кольцевые устойчивые к сжатию элементы 54 расположены вокруг внутренних слоев 4-9 и слоев 44-46, если таковые предусмотрены. Ступенчатые кольцевые устойчивые к сжатию элементы 54 предпочтительно выполнены из керамики, металла или материала, армированного волокнами. Если они выполнены из материала, армированного волокнами, то матрицей может служить, например, термореактивный или термопластичный материал. Если элементы 54 выполнены из электрически непроводящего материала, то может быть нанесено металлическое покрытие. Если элементы 54 выполнены из металлического материала, то может быть использована, например, высокопрочная сталь или титановый сплав. Также могут быть использованы высокопрочные металлические сплавы с высокой проводимостью, такие как бериллиево-медный сплав, чтобы иметь дополнительный электропроводящий слой для защиты от молнии, или чтобы передавать часть тока, который течет через электрические проводники 9, или соответственно через самый наружный слой электрических проводников.
В варианте осуществления, представленном на фиг. е4), между каждых двух соседних ступенчатых кольцевых устойчивых к сжатию элементов 54 расположены ступенчатые кольцевые осевые буферные/контактные элементы 55. Ступенчатые кольцевые осевые буферные/контактные элементы 55, которые могут быть выполнены, например, из полиуретана или силиконового эластомера, служат для уменьшения локальной нагрузки, действующей на ступенчатые кольцевые устойчивые к сжатию элементы 54, подобно кольцевому осевому буферному элементу 43 из варианта, представленного на фиг. с4). Если предусмотрено, что устойчивый к сжатию слой 25 должен быть проводящим, то ступенчатые кольцевые осевые буферные/контактные элементы 55 могут быть выполнены из электропроводящего материала типа бериллиево-медного сплава или материала подобного полупроводящим термопластам или эластомерам, чтобы обеспечить электрический контакт между соседними электропроводящими ступенчатыми кольцевыми устойчивыми к сжатию элементами 54.
Слой 44 защиты проводников служит для защиты электрической системы, т.е. металлических проводов электрических проводников 5 и 9, а также изолирующего слоя 7 и полупроводящих слоев 6 и 9, от проникновения влаги, от сжатия, трения и/или износа. Слой 44 защиты проводников может быть выполнен просто в виде пустого пространства между соседними слоями, или может быть предусмотрен специальный материал.
Как показано в варианте, представленном на фиг. а5), слой 44 защиты проводников может присутствовать без буферных слоев 45, 46. В этом случае слой 44 защиты проводников может быть приспособлен к созданию высокого статического трения, чтобы препятствовать скольжению между слоем 44 защиты проводников и устойчивым к сжатию слоем 25. Между слоем 44 защиты проводников и устойчивым к сжатию слоем 25 может быть предусмотрен кольцевой зазор, так чтобы слой 44 защиты проводников держался свободно по отношению к устойчивому к сжатию слою 25, когда кабель-трос 3 находится в ненагруженном состоянии. Обеспечение такого зазора может быть важным, например, для нанесения устойчивого к сжатию слоя 25 на слои 4-9 и 44 во время изготовления кабель-троса 3, особенно, если слой защиты проводников 44 является несжимаемым.
В варианте осуществления, представленном на фиг. b5), между слоем 44 защиты проводников и устойчивым к сжатию слоем 25 предусмотрен одиночный буферный слой 45. Буферный слой 45, который заполняет пространство между слоем 44 защиты проводников и устойчивым к сжатию слоем 25, может быть выполнен из вспененного эластомера или термопластического материала с высокой эластичностью. Буферный слой 45 также может быть предварительно сжат при изготовлении кабель-троса 3, чтобы заполнять пространство между слоем 44 защиты проводников и устойчивым к сжатию слоем 25, когда кабель-трос 3 будет находиться под натяжением, и, как следствие, будет сжат в радиальном направлении. Дополнительно, или как вариант, буферный слой 45 может быть приспособлен к созданию высокого статического трения, чтобы препятствовать относительному скольжению между слоем 44 защиты проводников и устойчивым к сжатию слоем 25, особенно на верхнем конце кабель-троса 3, и, следовательно, препятствовать локальной осевой нагрузке на электрическую систему.
В варианте осуществления, представленном на фиг. с5), предусмотрен одиночный буферный слой 46, который содержит удерживающую поверхность. Удерживающая поверхность, которая направлена радиально наружу к устойчивому к сжатию слою 25, реализована посредством аксиальных гребней, выступающих по всему продольному направлению кабель-троса 3 в продольном направлении. Благодаря своей удерживающей поверхности, буферный слой 46 упруго центрирует электрическую систему 5-9 вместе со слоем 44 защиты проводников относительно устойчивого к сжатию слоя 25. Чтобы компенсировать уменьшение диаметра электрической системы при осевом растяжении, может быть предварительно создано соответствующее напряжение буферного слоя 46. Из-за того, что между гребнями удерживающей поверхности в круговом направлении обеспечены пустые промежутки, эластичный материал буферного слоя 46 имеет возможность расширяться и сокращаться. В данном случае пустые промежутки между гребнями в сечении имеют форму полукруга, но естественно, что также возможны и другие формы этих пустых промежутков. Буферный слой 46 может быть выполнен из эластомера, силиконового эластомера или высокоэластичной резины.
На фиг. 12 изображен другой вариант осуществления кабель-троса 3 с функцией передачи электроэнергии согласно настоящему изобретению. Для упрощения на фиг. 12 показаны только внутренние слои кабель-троса 3, вплоть до слоя электрических проводников 9. Присутствует по меньшей мере и еще один слой в виде несущего нагрузку слоя 10. Могут быть предусмотрены и другие слои, такие как буферный слой 45 или 46, слой 44 защиты проводников, влагозащитный слой 13, износостойкий слой 14 и/или антифрикционные слои 26, 28.
В варианте осуществления, соответствующем фиг. 12, каждый из слоев электрических проводников 5, 9 содержит два подслоя металлических проводов. Между этими двумя подслоями в каждом случае предусмотрен обеспечивающий скольжение/антифрикционный слой 48, 49, чтобы уменьшить износ и истирание между металлическими проводами соседних подслоев, и увеличить срок службы кабель-троса 3 в свете большого числа циклов усталостного нагружения. Обеспечивающий скольжение/антифрикционный слой 48, 49 может быть выполнен, например, из политетрафторэтилена (PTFE), нейлона, термопластичного материала или майлара (mylar).
На фиг. 13 изображен вариант осуществления кабель-троса 3 с функцией передачи электроэнергии согласно настоящему изобретению, в котором предусмотрены дополнительные возможности обеспечения и расположения электрических проводников 5 и 9. Как и в предыдущих вариантах осуществления, слои электрических проводников 5 и 9 расположены между эластичным сердечником 4 и полупроводящим слоем 6, а также соответственно между полупроводящим слоем 8 и несущим нагрузку слоем 10.
Согласно фиг. а6), каждый из электрических проводников 5 и 9 может содержать металлические провода 50, которые спирально намотаны вокруг одного, или, как показано на фиг. а6), нескольких эластичных сердечников 51 с углом β подъема винтовой линии от 15° до 60°. Эластичные сердечники 51 сами спирально обвиты вокруг центрального эластичного сердечника 4 с углом γ подъема винтовой линии от 30° до 60°. При расположении металлических проводов 50 электрических проводников 5 и 9 так, как показано на фрагменте а6), нагрузка, действующая на металлические провода 50 может быть снижена, чтобы получить увеличенный срок службы кабель-троса 3.
На фиг. b6) изображен вариант осуществления, в котором каждый из слоев электрических проводников 5 и 9 содержит металлические провода 52, которые спирально намотаны вокруг продольной оси кабель-троса 3 с углом α подъема винтовой линии, и на которые нанесено антифрикционное/изолирующее покрытие 53. Покрытие может быть нанесено на один, несколько или все металлические провода 52 каждого слоя электрических проводников 5 и 9. Антифрикционные свойства покрытия 53 способствуют увеличению срока службы электрических проводников 5 и 9, которые обычно подвергаются повторяющемуся трению. Электроизолирующие свойства, которые могут иметь место альтернативно или дополнительно к антифрикционным свойствам, способствуют обнаружению обрыва провода, и помогают определять окончание срока службы кабель-троса 3. Обрыв провода может быть обнаружен путем измерения электрического сопротивления одного из изолированных проводов 52. Когда происходит обрыв одного из проводов 52, электрическое сопротивление одного из проводов значительно увеличивается. В случае, когда провода одного слоя электрических проводников 5 и 9 не изолированы друг от друга, проводимость, которая существует между проводами, сильно затрудняет обнаружение изменения сопротивления проводов. Вместе с тем, в таких случаях высокие растягивающие нагрузки, действующие на кабель-трос 3, легко могут приводить к частичному или полному прерыванию электрической цепи в одном из слоев электрических проводников 5, 9 вдоль продольного направления кабель-троса 3. В этом случае в электрически ослабленной части может развиться электрическая дуга или резкое и значительное повышение температуры, и вывести из строя кабель-трос 3. Материалом антифрикционного/изолирующего покрытия 53 может служить, например, политетрафторэтилен (PTFE), термопластичный материал, фторированный этилен-пропилен (тефлон FEP), майлар (mylar) или лак.
Разумеется, настоящее изобретение не ограничено представленными выше вариантами осуществления, и возможны многочисленные их модификации. Например, возможно, чтобы кабель-трос 3 содержал дополнительные слои, которые не были упомянуты в настоящем документе. Волоконно-оптический кабель 11 или любые другие кабели для обмена данными могли бы быть, например, размещены в дополнительном слое, специально предназначенном для обмена данными, а не внутри эластичного сердечника 4. Волоконно-оптические кабели могут также быть расположены спирально с оптимальным углом подъема винтовой линии от 25° до 45°, а более предпочтительно с углом подъема в интервале 30° до 40°. Было бы также возможно иметь дополнительные электропроводящие слои с металлическими проводами. Например, третий проводящий слой с металлическими проводами мог бы быть предусмотрен, чтобы дать возможность передавать через кабель-трос трехфазное электропитание по схеме «треугольника», или даже третий и четвертый проводящие слои из металлических проводов для передачи через кабель-трос трехфазного электропитания по схеме «звезды». Самый наружный в радиальном направлении проводящий слой можно было бы приспособить для защиты от молнии. Естественно также рассматривать возможность иметь дополнительно к первому и второму проводящим слоям металлических проводов 5 и 9 отдельный проводящий слой, специально адаптированный к защите от молнии, который в данном случае было бы предпочтительно расположить снаружи от первого и второго проводящих слоев, и изолировать от указанных слоев термостойкого термопластического материала, такого как тефлон (teflon). Однако, в силу весовых ограничений предпочтительны варианты осуществления, показанные на фиг. 2 и 3, в которых кабель-трос 3 содержит только те слои, которые изображены на фигурах, без каких-либо дополнительных слоев. Наземная станция 2, как вариант, могла бы содержать устройство, поглощающее растягивающие силы, действующие на кабель-трос 3, перед намоткой троса на барабан 15, чтобы сила натяжения, создаваемая ВЭС 1 воздушного базирования, не действовала на барабан 15. Кроме того, между вторым слоем металлических проводов 9 и обеспечивающим скольжение слоем 13 мог бы быть предусмотрен дополнительный буферный слой, чтобы дать возможность возникновения различным деформациям радиального сжатия несущего нагрузку слоя 10 и второго слоя металлических проводов 9 без повреждения кабель-троса 3. Этот буферный слой может, например, содержать вспененный материал, такой как пористая резина, изготовленная, например, из неопренового, бутилового, нитрилового каучука или из силиконового каучука.
НОМЕРА ПОЗИЦИЙ