ПАРУСНАЯ ИМПУЛЬСНАЯ ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
SAILING PULSE WIND-DRIVEN POWER PLANT

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть использовано в целях электроснабжения объектов самого различного назначения, находящихся даже в условиях плотно застроенной местности.
Известны ветроэлектрические станции (ВЭС) самых разнообразных конструкций, рассчитанные на определенные условия работы, в которых они показали вполне удовлетворительные результаты.
В практике используются исключительно конструкции с вращающимся рабочим органом: ветроколесом, ротором, барабаном с лопатками и др., поскольку, как известно, пока не созданы модели альтернативного вида, обладающие достаточной электрической мощностью и надежностью работы в реальных условиях эксплуатации.
Традиционные крыльчатые, роторные, барабанные и им подобные ВЭС имеют, однако, ряд существенных недостатков, ограничивающих, а не редко и исключающих возможность их использования: угроза разрушения вынуждает оставлять без использования обширную "опасную зону", шумовые и визуальные эффекты создают дискомфорт для обитателей местности, движущиеся лопасти представляют помехи для миграции птиц. Конструкция ВЭС не обеспечивает оптимальный режим ее работы в расчетном диапазоне скоростей ветрового потока и не гарантирует ее целостность при экстремальных ветровых нагрузках, не говоря уже о ее неспособности работать в таких условиях.
К тому же, все эти установки очень не дешевы как в изготовлении, так и в обслуживании квалифицированным персоналом.
В отношении предлагаемого альтернативного устройства ВЭС не найдено более или менее сходных аналогов.
Задачей изобретения является максимально возможное упрощение конструкции ВЭС, резкое снижение капитальных и эксплуатационных затрат и - самое главное -обеспечение полной безопасности, высокой надежности и сомооптимизации режима работы в любых ветровых условиях.
Поставленная задача решается кардинальным изменением конструкции ВЭС, в результате чего создана парусная импульсная ветроэлектрическая установка, содержащая рабочий орган, преобразователь энергии и устройство защиты от запредельных ветровых нагрузок, в которой, согласно изобретению, рабочим органом является гибкий парус, преобразователь выполнен в виде группы объединенных в общую схему генераторов электрических импульсов с электромагнитами, якоря которых связаны с секциями паруса, с возможностью автоматического управления силой действующего на него ветрового потока путем, например, изменения угла между крыльями паруса.
Гибкий парус, каждая секция которого заключена между вертикальными стропами, передает через них усилие ветрового напора на подвижный якорь электромагнитов. Перемещение последнего изменяет во времени магнитный поток, создаваемый током в намагничивающей обмотке, что наводит ЭДС в рабочей обмотке такого генератора. Установка крыльев паруса с возможностью изменения угла между ними обеспечивает оптимальный режим работы секций паруса независимо от напора ветра во всем диапазоне от минимального до экстремального значения.
Сущность изобретения поясняется следующими иллюстрациями: на фиг.1 показан общий вид заявляемой парусной импульсной ветроэлектрической установки (ПИВЭУ); на фиг.2 - вид "А" ее крыла с подветренной стороны; на фиг.3 - горизонтальный разрез "Б-Б" крыла по его середине.
Парусная импульсная ветроэлектрическая установка содержит гибкий парус, состоящий из двух половин - крыльев 1 и разделенный на секции 2 закрепленными на нем и на реях 3 вертикальными стропами 4, причем эти секции 2 несколько шире шага крепления стропов 4 на реях 3. Крылья 1 крепятся к полноповоротной колонне 5 мачты 6 с возможностью ограниченного их взаимного поворота. Под каждым крылом 1 расположен объединенный с ним общей конструкцией преобразовательный отсек 7 с электромагнитами 8, якоря 9 которых связаны со стропами 4 и оснащены пружинами 10. Сердечники электромагнитов 8 содержат рабочие обмотки 11, соединенные через выпрямители 12 с общими шинами, связанными через кольцевой токосъемник 13 с внешней сетью ПИВЭУ, а также соединенные последовательно намагничивающие обмотки 14, подключенные к общим шинам. Внешняя сеть может иметь известные сглаживающие фильтры, инверторы, накопительные, коммутационные, защитные и измерительные устройства.
ПИВЭУ работает следующим образом.
В условиях безветрия сердечники электромагнитов 8 (даже при отсутствии тока намагничивания и фрагментов с постоянными магнитами) сохраняют незначительную намагниченность, однако ее достаточно, чтобы с возобновлением ветра, когда колеблющиеся участки паруса через стропы 4, закрепленные на реях 3, меняют зазор между якорями 9 и полюсами сердечников, изменяющийся остаточный магнитный поток начал генерировать в рабочих обмотках 11 слабые токи, которые через выпрямители 12 будут поступать на общие шины, а к ним, как показано на электрической схеме (фиг.2), подключены намагничивающие обмотки 14. Это усилит магнитный поток и последующие генерируемые импульсы тока, что, в свою очередь, увеличит ток намагничивания сердечников. Напряжение на общих шинах лавинно возрастет до такого уровня, при котором намагничивающий ток создает максимальное усилие притяжения якорей 9 к полюсам электромагнитов 8, которое еще способна преодолевать сила ветра в данное время. Таким образом, автоматически устанавливается оптимальный режим работы секций 2.
Вместе с этим, подпружиненные крылья 1 паруса так же автоматически в зависимости от ветрового напора устанавливаются под таким углом одно к другому, когда обеспечивается оптимальный режим работы всей установки и поддерживаются механические и электрические нагрузки в допускаемых пределах.
Обе задачи - авторегулирования отбора мощности и защиты от запредельных режимов - решаются путем автоматического поддержания (в расчетном рабочем и запредельном режиме ветрового потока) неизменной силы давления ветра на парус путем изменения общей парусности крыльев 1 за счет изменения под действием меняющегося ветрового напора угла между ними, равного 2α (см. чертеж на фиг.3).
Характеристика пружины определяется зависимостью ее противодействующей силы F от величины этого угла:
0
F=F+f(PS/sinα),
0
min
max
max
где F - предварительное поджатие; Р - ветровой напор; S - общая площадь паруса. Такая зависимость обеспечивается известными в теоретической механике кинематическими схемами передачи усилия, в данном случае - от крыльев 1 паруса к общей пружине, и (или) ее конструкций. Пределы изменения угла (α≤α≤α, где α≈π/4) определяются упорами, обозначенными на выноске фиг.3 зачерченными треугольниками, а синхронность поворота крыльев (в противоположенных направлениях) обеспечивается взаимосвязанными кинематическими узлами, расположенными на поворотной колонне 5 сверху и снизу паруса. Один из них (верхний) показан на выноске фиг.3.
В установившемся режиме работы секции 2 паруса, испытывая давление набегающего воздушного потока, отклоняют стропы 4 от прямолинейного положения, чем создают многократно усиленное их воздействие на якоря 9.
Траектория горизонтального движения средней части стропа 4 показана на выноске (см фиг.3) Она определяется совокупностью приложенных сил как с линейной (продольная упругость стропов 4 и пружин 10), так и нелинейной (магнитные силы) характеристикой. Для возникновения автоколебаний есть все необходимые условия: наличие внешней силы (воздушный поток), упругость элементов системы, инерционные силы.
Математическая модель этой конкретной системы пока отсутствует, однако рассматриваемый здесь процесс сходен с давно известным в авиации явлением - флаттером. Только в данном случае срабатывание одной секции паруса вызывает срабатывание следующей, парусность которой в этот момент резко возрастает (эффект "домино"), а возврат предыдущей секции в исходное положение снижает парусность следующей, способствуя и ее возврату в исходное положение. Так что на парусе с большим числом секций создается "волновой" процесс, упорядочивающий генерацию импульсов в электрической схеме преобразователя.
В объяснение же самого процесса перемещения средней части стропа 4 по траектории, показанной на выноске (фиг.3), рассмотрим силы, действующие на каждом участке этой траектории. В момент преодоления стропом 4 под ветровым напором силы притяжения якоря 9 последний отрывается от магнитных полюсов, а средняя часть этого стропа начинает ускоренное движение по "развертке" парусной секции 2. На этом участке траектории в точке, где снижающееся усилие стропа на якорь сравняется (по модулю) с суммарной противодействующей силой пружины 10 и магнитного поля, ускоренное движение сменится на замедленное, а в зоне наибольшего отклонения данного стропа 4 от его исходного положения на него вместе с инерционной силой воздействуют те же силы пружины и магнитного поля, а также новая аэродинамическая "подъемная" сила от разности скоростей ветрового потока по обе стороны "развернутой" секции (с ее тыльной стороны ветрового потока нет). И эти последние, приложенные к стропу и совпадающие по направлению, силы возвращают его (так же по выпуклой траектории) в исходное положение настолько быстро, что секция не успевает "наполниться" ветром, после чего начинается новый цикл.
Каждый такой цикл в рабочем режиме занимает доли секунды и генерирует пару противоположных по знаку электрических импульсов, преобразуемых выпрямителем 12 в однополярный пульсирующий ток.
Для сглаживания пульсирующего тока целесообразно включить в электросхему конденсаторы, расположив их за токосъемником 13, установленным на опорной конструкции - мачте 6, либо до него - на общих шинах.
Увеличение единичной мощности ПИВЭУ можно достичь не только наращиванием площади парусов, но и числа пар их крыльев (со своими преобразователями), располагая такие модули этажами на общей поворотной колонне 5.
Итак, рассмотренные ПИВЭУ имеют следующие преимущества перед ВЭС. Они не сложны в изготовлении: при мощности в несколько кВт установки могут быть собраны в производственных условиях даже ремонтных мастерских. Они не нуждаются в высококвалифицированном обслуживании, надежны и безопасны. Все это создает возможность широкого освоения таких установок, что не только снизит нагрузку на региональные энергобалансы, но и позволит решить сложные инфраструктурные проблемы при освоении и заселении новых территорий, сохранить их экологические условия, а заодно обеспечить использование в регионах не востребованных производственных площадей и трудовых ресурсов.