ВЫСОТНАЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С ПОДЪЕМОМ ПАРУСА АЭРОСТАТАМИ КОНТАКТНЫМ СПОСОБОМ

Известны высотные ветроэнергетические установки, в которых турбины с вертикальной осью вращения поднимаются над землей при помощи мачт или неоднородности рельефа (гор) (см. пат. США №4165468 МКИ FO3D 11/00 опубл. 79.08.21). Недостатком таких установок является малая мощность, так как мачты приемлемой стоимости не могут иметь достаточную высоту. Неоднородности рельефа пригодные для построения предлагаемых ветроэнергетических установок встречаются редко.
Известны высотные ветроэнергетические установки, в которых турбины поднимаются над поверхностью земли при помощи аэростата (см. пат. США №4084102 МКИ FO3D 11/00 опубл. 78.04.11.) Недостатком таких устройств является малая мощность т.к. турбины большой мощности невозможно поднять при помощи аэростата приемлемых размеров
Известны высотные ветроэнергетические установки, в которых ветросиловая установка вместе с электрическим генератором поднимается над поверхностью земли при помощи аэродинамических сил (см. пат. США №4572962 МКИ FO3D 3/02 опубл. 86.02.25.). Недостатком таких устройств является малая доля времени, когда ветер имеет силу достаточную для работы таких устройств.
Известна высотная установка, содержащая два паруса, связанные друг с другом через канаты, перекинутые через барабан (шкив).
Вследствие различной ориентации парусов в пространстве, давление ветра на них различное, что и приводит установку в действие (см. авт. свид. СССР №1216416 МКИ FO3D 5/00 опубл. 86.03.07.). Недостатком таких устройств является сложность управления парусами.
Известна высотная ветроэнергетическая установка, в которой парус жесткой конструкции поднимается над поверхностью земли при помощи аэродинамических сил (см. пат. США №6523781 В2 МКИ B64C 31/06 опубл. 03.02.25.). Недостатком таких устройств является малая доля времени, когда ветер имеет силу достаточную для работы таких устройств.
Наиболее близким предлагаемому устройству по технической сущности и по количеству сходных существенных признаков является ветроэнергетическая установка по авторскому свидетельству СССР №SU 1590628 МКИ FO3D 5/00 опубл. 90.09.07., которая выбрана за прототип
Это устройство содержит (фиг 1) парус 1, канаты 2, соединенные с парусом и расположенные на барабанах 3, соединенных с электрическими машинами 4, и аэростаты 5, через которые барабаны соединены с парусом при помощи канатов 2.
Известное устройство работает следующим образом:
- канаты 2 наматываются или сматываются с барабанов 3 при движении паруса 1 под действием ветра. Когда канаты сматываются с барабанов, электрические машины 4, связанные механически с барабанами, вырабатывают электрическую энергию, которая поступает в сеть. Когда канаты наматываются на барабан, электрические машины потребляют энергию от сети;
- когда канаты сматываются с барабанов, ориентацию паруса в пространстве и траекторию его движения выбирают за счет изменения соотношений длин канатов при изменении скоростей вращения электрических машин (путем изменения силы тока в их обмотках) таким образом, чтобы происходил максимальный отбор энергии ветра;
- при возвращении паруса на прежнее место ориентацию паруса в пространстве и траекторию его движения выбираются такими за счет изменения соотношений длин канатов, чтобы энергия, затрачиваемая на преодоление аэродинамического сопротивления движению паруса, аэростатов и канатов за время возвращения паруса была минимальной;
- функции соотношений длин канатов от времени получают теоретическим путем и корректируют путем экспериментов;
- расход энергии на возвращение паруса будет значительно меньше, чем та энергия, которая получена при удалении паруса от барабанов;
- разница этих энергий направляется в сеть в виде полезного выхода энергии.
Несколько подобных установок, настроенных соответствующим образом, могут снабжать потребителя непрерывным потоком энергии. В одиночных установках для выравнивания потока энергии к потребителю могут использоваться аккумуляторы энергии.
Недостатком известного устройства является то, что аэростаты жестко связаны с канатом и через них с парусом, поэтому когда в конце рабочего цикла установки парус приближается к барабанам, аэростаты также приближаются к ним, и аэродинамическое сопротивление аэростатов вызывает значительные потери энергии, которые снижают среднюю за цикл работы выходную мощность установки.
Целью изобретения является увеличение выходной мощности установки.
Сущность изобретения заключается в том, что механический контакт аэростата с парусом имеет место только при подъеме паруса на рабочую высоту. Когда парус достигает при помощи аэростата требуемой высоты, аэростат убирают вниз, и далее парус поддерживается на требуемой высоте только за счет подъемной силы паруса, создаваемой ветром, и аэростат далее не влияет па работу паруса.
Сущность изобретения поясняется рисунками:
Фиг 1. Схематическое изображение известного устройства (вид сверху);
Фиг 2. Схематическое изображение предлагаемого устройства (вид сверху);
Фиг.3. Схематическое изображение предлагаемого устройства (вид сбоку);
Фиг.4 и Фиг.5. Схематическое изображение процесса подъема паруса на рабочую высоту;
Фиг.6. Схематическое изображение предлагаемого устройства с несколькими аэростатами.
В известных технических решениях признаков, сходных с отличительными признаками заявленного технического решения, не обнаружено. Вследствие этого можно считать, что предлагаемое техническое решение обладает существенными отличиями.
Предлагаемое устройство содержит (фиг.2), как и известное устройство, парус 1, канаты 2, соединенные с парусом и расположенные на барабанах 3, соединенных с электрическими машинами 4, и аэростат 5.
В отличие от известного устройства в предлагаемом устройстве аэростат 5 соединен с дополнительно введенными вспомогательными канатами 6, расположенными на барабанах 7, соединенных с дополнительно введенными электрическими машинами 8.
Для уменьшения парусности аэростат может быть выполнен в форме тороида.
Для уменьшения опасности повреждения аэростата при его контактах с парусом и поверхностью земли верхняя часть аэростата и поверхность под аэростатом могут быть покрыты слоем защитного материала, например синтетического войлока.
Для экономии наполняющего аэростат газа, уменьшения пожароопасности и защиты аэростата от сильных ветров установка может быть снабжена трубкой (шлангом), компрессором с первым и вторым патрубками и баллоном, при этом трубка (шланг) соединяет аэростат с первым патрубком компрессора, второй патрубок которого соединен с баллоном.
Для упрощения технологии производства и доставки аэростата на место монтажа установки она может содержать несколько аэростатов, соединенных механически между собой.
Для защиты аэростата от сильных ветров установка может содержать специальное укрытие для аэростата (забор).
Предлагаемое устройство работает следующим образом:
- в исходном состоянии аэростат 5 находится на поверхности земли;
- парус 1 расположен на аэростате;
- включают компрессор 9 (фиг.3) и аэростат 1 наполняется легким газом, например, гелием, поступающим из баллона 10;
- объем аэростата увеличивается и парус приподнимается над землей, так как электрические машины 4 и 8 хоть и приторможены, но все-таки вращаются и позволяют канатам 2 и 6 сматываться с барабанов 3 и 7;
- когда объем аэростата 5 достигает требуемой величины, компрессор 9 прекращает работу, торможение электрических машин 4 и 8 резко уменьшается, и аэростат быстро поднимается вверх, поднимая парус (фиг.4);
- под воздействием силы ветра движение аэростата и паруса отклоняется от вертикального и становится наклонным (фиг.4);
- когда парус достигнет рабочей высоты, направление движения электрических машин 8 быстро меняется на противоположное и канаты 6 наматываются на барабаны 7;
- аэростат отделяется от паруса и быстро движется вниз;
- достигнув земли, он останавливается, натяжение канатов 6 фиксирует его положение на поверхности земли;
- парус 1 остается над поверхностью земли, т.к. его вес и вес канатов 2 скомпенсированы подъемной силой паруса 1, создаваемой ветром.
Далее работа предлагаемой установки не отличается от работы прототипа.
Угол атаки паруса 1 относительно направления ветра устанавливают положительным.
Под действием ветра парус 1 удаляется от барабанов 3, и поднимается вверх, канаты 2 с них сматываются, и электрические машины 4, связанные механически с барабанами 3, вырабатывают электрическую энергию, которая поступает в сеть. Когда канаты 2 будут смотаны с барабанов 3 на максимально допустимую длину, ориентацию паруса 1 относительно направления ветра изменяют за счет изменения соотношения длин канатов 2 на противоположную по знаку. Подъемная сила паруса становится отрицательной, и он опускается вниз под действием силы ветра и тяжести паруса и канатов. Когда парус достигнет минимально допустимой высоты, его угол атаки устанавливают нулевым.
Электрические машины 4 вращают барабаны 3, наматывая на них канаты 2, и парус приближается к барабанам, при этом расходуется энергия, которую берут из сети или от аккумуляторов. Эта энергия будет существенно меньше той, которая была получена при удалении паруса от барабанов, так как аэродинамическое сопротивление паруса и канатов является малым по следующим причинам:
- угол атаки паруса равен нулю;
- диаметр канатов мал;
- приближение паруса к барабанам происходит на малой высоте, где сила ветра меньше, чем на большей высоте.
Когда парус приблизится к барабанам на минимально допустимое расстояние, угол атаки паруса изменяют на положительный, и цикл работы повторяется.
Для того, чтобы давление аэростата на парус распределялось по поверхности аэростата и паруса равномерно и, чтобы давление ветра на аэростат при нахождении аэростата на земле было минимальным, аэростат должен иметь достаточно большое отношение диаметра к высоте. С этой целью аэростат может быть выполнен в форме тороида.
При соприкосновении аэростата с парусом, либо с землей, оболочка аэростата будет испытывать значительные механические нагрузки, которые могут вызвать ее повреждение. Во избежание этого верхняя часть оболочки аэростата может быть покрыта (фиг.3) слоем защитного материала 11, например, синтетическим войлоком. Для защиты нижней части оболочки аэростата можно покрыть защитным материалом 12 ту часть поверхности земли, с которой может соприкасаться аэростат.
Для наполнения оболочки аэростата удобнее всего использовать гелий, так как он не горит. В то же время он довольно дорогой, а кроме того трудно изготовить оболочку аэростата совершенно непроницаемую для гелия, поэтому со временем аэростат гелий теряет. Поэтому после подъема паруса на рабочую высоту, иногда бывает целесообразно откачать гелий из аэростата, а когда потребуется снова поднимать парус, снова накачать гелий в аэростат. Для этого нужно снабдить аэростат насосной установкой, состоящей (фиг.3) из компрессора 9, трубки 13 (шланга), присоединенной к аэростату и через первый патрубок 14 к компрессору, а также баллона 10, подключенного к компрессору через второй патрубок 15.
Когда гелий поступает из баллона через компрессор в аэростат, компрессор работает как пневматический двигатель и отдает через электрическую машину 15 энергию в сеть. Когда компрессор перекачивает гелий из аэростата в баллон электрическая машина 15 берет энергию из сети. Размеры и вес баллона ничем не ограничены, поэтому утечка гелия из него может быть достаточно малой.
Аэростат 5 может состоять из нескольких соединенных вместе аэростатов меньшего размера (фиг.6), которые могут представлять собой достаточно дешевые и удобные для перевозки изделия массового производства.
Место расположения аэростата может быть защищено от сильного ветра экраном 17 (забором), возможно, складной конструкции (фиг.3).
Для контроля давление газа в аэростате он может быть снабжен датчиками давления 18.