Высотная ветроэнергетическая установка с подъемом паруса аэростатом со шкивом и канатом
Полезная модель относится к высотной ветроэнергетике и предназначена для преобразования энергии ветра на высоте более 100 м. над поверхностью Земли в электрическую энергию. Задачей полезной модели является достижение максимальной мощности ветроэнергетической установки. Поставленная задача решается высотной ветроэнергетической установкой, содержащей парус, силовые канаты, соединенные с парусом и расположенные каждый на своем силовом барабане, соединенном с соответствующей силовой электрической машиной, и аэростат, отличающейся тем, что к аэростату присоединен шкив, на котором расположен вспомогательный канат, соединенный с парусом и расположенный также на вспомогательном барабане, соединенным со вспомогательной электрической машиной, при этом шкив соединен со вторым вспомогательным канатом, расположенным на втором вспомогательном барабане, соединенном со второй вспомогательной электрической машиной.
Полезная модель относится к высотной ветроэнергетике и предназначается для преобразования энергии ветра на большой высоте (более 100 м. над поверхностью Земли) в электрическую энергию.
Известна высотная ветроэнергетическая установка (1), в которой турбины с вертикальной осью вращения поднимаются над Землей при помощи мачт или неровностей рельефа. Недостатком таких устройств является малая мощность вследствие недостаточной высоты, связанной с дороговизной возведения мачт необходимой высоты.
Известна высотная ветроэнергетическая установка (2), в которой турбины поднимаются над поверхностью Земли при помощи аэростата. Однако турбины большой мощности невозможно поднять при помощи аэростата приемлимых размеров.
Известна высотная ветроэнергетическая установка (3), содержащая два паруса, связанных друг с другом канатами, перекинутыми через барабан (шкив). Недостатком данного технического решения является сложность управления парусами.
Прототипом предлагаемого решения является ветроэнергетическая установка (4), содержащая парус, соединенные с ним канаты, расположенные на барабанах, соединенных с электрическими машинами и аэростаты, через которые барабаны соединены также с парусом при помощи канатов. Траектория движения паруса в пространстве определяется изменением длин канатов путем изменения скорости вращения электрических машин. Недостатком этой установки является то, что когда парус в конце рабочего цикла приближается к барабанам, то аэродинамическое сопротивление аэростатов вызывает дополнительные потери энергии, что приводит к уменьшению мощности всей установки.
Задачей полезной модели является достижение максимальной мощности ветроэнергетической установки.
Поставленная задача решается высотной ветроэнергетической установкой, содержащей парус, силовые канаты, соединенные с парусом и расположенные на силовых барабанах, соединенных с силовыми электрическими машинами и аэростат, отличающийся тем, что она снабжена шкивом, первым и вторым вспомогательными канатами и первым и вторым вспомогательными барабанами, каждый из которых соединен со свей вспомогательной электрической машиной, причем шкив соединен с аэростатом, первый вспомогательный канат соединен с парусом и расположен на шкиве и на первом вспомогательном барабане, а второй вспомогательный канат присоединен к шкиву и расположен на втором вспомогательном барабане.
Вид установки в аксонометрической проекции приведен на рис.1. На рис.2 приведен вид установки с присоединением шкива и второго вспомогательного каната в разных точках аэростата. На рис.3 - установка с присоединением шкива ко второму вспомогательному канату. На рис.4 - установка с присоединением шкива к аэростату при помощи дополнительного вспомогательного каната 13 и присоединением второго вспомогательного каната к аэростату.
Для уменьшения размеров и стоимости аэростата и обеспечения работы при слабом ветре количество аэростатов может быть увеличено (рис.5) где:
1 - парус, 2 - силовые канаты, 3 - силовые барабаны, 4 - силовые электрические машины, 5 - аэростат, 6 - шкив, 7 - первый вспомогательный канат, 8 - второй вспомогательный канат, 9 - первый вспомогательный барабан, 10 - второй вспомогательный барабан, 11 - первая вспомогательная электрическая машина, 12 - вторая вспомогательная электрическая машина.
Канат 7 присоединен к парусу 1 и расположен на шкиве 6 и на барабане 9, а второй вспомогательный канат присоединен к шкиву 6 и расположен на втором вспомогательном барабане 10.
Установка работает следующим образом.
Электрические машины 11 и 12 снимаются с тормоза. Под действием подъемной силы аэростат 5 поднимается вверх, увлекая за собой вспомогательные канаты 7 и 8, которые сматываются, соответственно, с барабанов 9 и 10. При достижении аэростатом рабочей высоты электрическую машину 12 ставят на тормоз, а электрическая машина 11 начинает работать под действием подаваемого на нее напряжения в противоположном направлении, при этом вспомогательный канат 7 наматывается на барабан 9 и парус 1 поднимается вверх. При достижении парусом рабочей высоты напряжение, подаваемое на электрическую машину 11, уменьшают до величины, чтобы барабан 9 лишь слегка натягивал канат 7, предотвращая его провисание.
Далее вращают барабаны 3 при помощи электрических машин 4 таким образом, чтобы за счет соответствующих соотношений длин канатов 2 парус 1 приобрел положительный угол атаки по отношению к направлению ветра. Под действием набегающего потока воздуха парус движется по наклонной линии вверх, канаты 2 сматываются с барабанов 3, и электрические машины 4 вырабатывают энергию. За счет изменения длин канатов 2 выбирают такую траекторию движения паруса, при которой сметаемая парусом площадь является максимальной, при этом мощность установки максимальна.
Когда канаты 2 будут смотаны с барабанов 3 на максимально допустимую длину, ориентацию паруса относительно ветра изменяют за счет изменения длин канатов 2 таким образом, чтобы знак угла атаки паруса изменился на противоположный, подъемная сила паруса при этом становится отрицательной, и он опускается вниз.
При достижении парусом минимально допустимой высоты его угол атаки устанавливают нулевым, электрические машины 4 вращают барабаны 3, наматывая на них канаты, и парус приближается к барабанам, при этом расходуется энергия, которую берут из сети или аккумуляторов. Эта энергия будет существенно меньше той, которая была получена при удалении паруса от барабанов благодаря нулевому углу атаки, малому диаметру канатов и небольшой высоте, где скорость ветра меньше.
Когда парус приблизится к барабанам на минимальное расстояние, угол атаки паруса изменяют на противоположный, и цикл работы установки повторяется.
Для повышения аэродинамических свойств паруса канат 7 может быть соединен с парусом в месте присоединения к парусу каната 2 (Рис.1).
Для увеличения подъемной силы аэростата шкив и канат 8 могут быть присоединены к парусу в разных его точках (Рис.2).
Для упрощения конструкции аэростата шкив может быть установлен на канате 8, присоединенном к аэростату (Рис.3).
Для увеличения расстояния между канатами 7 и 8, во избежание их механического контакта, шкив может быть присоединен к аэростату через дополнительный вспомогательный канат 13, причем канат 8 присоединен непосредственно к аэростату (Рис.4).
Для уменьшения размеров и стоимости аэростата и обеспечения работы установки при слабом ветре количество аэростатов может быть увеличено (Рис.5).
Применение предлагаемой модели позволяет увеличить мощность установки не увеличивая размер ее паруса, а также легко управлять установкой, достигая ее необходимой мощности.
Использованная литература.
1. Патент США 
4165458,1979 г.
2. Патент США 4084102, 1978 г.
3. А.С. СССР 1216416, 1985 г.
4. А.С. СССР 1590628, 1990 г.
1. Высотная ветроэнергетическая установка с подъемом паруса аэростатом со шкивом и канатом, содержащая парус, силовые канаты, соединенные с парусом и расположенные каждый на своем силовом барабане, соединенном с соответствующей силовой электрической машиной, и аэростат, отличающаяся тем, что она снабжена шкивом, первым и вторым вспомогательными канатами и первым и вторым вспомогательными барабанами, каждый из которых соединен со своей вспомогательной электрической машиной, причем шкив соединен с аэростатом, первый вспомогательный канат соединен с парусом и расположен на шкиве и на первом вспомогательном барабане, а второй вспомогательный канат присоединен к шкиву и расположен на втором вспомогательном барабане.
2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что первый вспомогательный канат соединен с парусом в месте присоединения к парусу силового каната.
3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что шкив и второй вспомогательный канат присоединены к аэростату в разных его точках.
4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что шкив присоединен к аэростату при помощи дополнительного каната.
5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что в нее введены аэростаты, шкивы, вспомогательные канаты и вспомогательные барабаны, соединенные со вспомогательными машинами в количестве, соответствующем числу силовых канатов.
