Парус, имеющий форму многоугольника, для высотной ветроэнергетической установки

Парус для высотной ветроэнергетической установки, выполненный в форме многоугольника, например, треугольника, к вершинам которого присоединены канаты, для увеличения мощности ветроэнергетической установки и снижения стоимости паруса имеет края, образованные дугами, хорды которых лежат вне многоугольника, а концы дуг образуют углы многоугольника. Для повышения прочности паруса и снижения требований к прочности материала, образующего поверхность паруса, края материал паруса прикреплены к вспомогательным канатам, расположенным по краям паруса. Для снижения веса паруса и его стоимости, края паруса могут быть выполнены из более прочного материала, чем его остальная часть, которая может быть прикреплена к краям, например путем приклеивания. Края паруса могут играть роль вспомогательных канатов, но при этом остальная часть поверхности паруса должна быть выполнена из материала, имеющего большую растяжимость, чем края, чтобы не нести на себе компоненту усилия, направленную вдоль краев паруса. Механическую прочность краев паруса можно увеличить, прошив их нитями из специального материала, например, кевлара, который имеет высокую прочность и малую растяжимость. Для удобства изготовления паруса, вспомогательные канаты можно выполнить как продолжение канатов, присоединенных к парусу для подачи на него нагрузки. Канаты удобно выполнять в виде лент. Такое исполнение дает высокую прочность на разрыв и истирание, удобство укладки на барабаны, удобство сшивания канатов между собой и пришивания к ним материала паруса.

Изобретение относится к высотной ветроэнергетике и может быть использовано в высотных ветроэнергетических установках, предназначенных для преобразования энергии ветра на большой высоте (более 100 м. над поверхностью земли) в электрическую энергию.

Известны высотные ветроэнергетические установки, в которых ветросиловая часть, состоящая из параллельно расположенных парусов, вместе с электрическим генератором поднимается над поверхностью земли при помощи аэродинамических сил (см. пат. США 4572962 МКИ FО3D 3/02 опубл. 86.02.25.) Недостатком таких устройств является сложность их ветросиловой части.

Известна высотная ветроэнергетическая установка, содержащая два паруса, каждый из которых разделен на секции (см. авт. свид. СССР 1216416 МКИ FО3D 5/00, опубл.86.03.07.). Недостатком известного паруса является сложность его конструкции.

Известна высотная ветроэнергетическая установка, в которой контур поперечного сечения паруса жесткой конструкции аналогичен контуру поперечного сечения крыла самолета (см. пат. США 6523781 В2 МКИ В64С 31/06 опубл.03.02.25.). Недостатки такого паруса: высокая стоимость, большая масса, отнесенная к единице площади, сложность управления ориентацией в пространстве.

Наиболее близким к предлагаемому парусу по технической сущности и по количеству сходных существенных признаков является парус, который входит в состав высотной ветроэнергетической установки по авторскому свидетельству СССР 8111590628 МКИ F03D 5/00 опубл.90.09.07., который выбран за прототип

Работа этой установки поясняется рисунком (см. фиг.1).

Она содержит парус 1, выполненный в виде треугольника, стороны которого представляют собой отрезки прямой, 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.

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 барабаны, 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 выбирают 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 была получена при удалении паруса от барабанов.

Разница этих энергий направляется в сеть потребителя 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.

Известный парус имеет следующие недостатки:

- его края не могут быть натянуты достаточно сильно, так как усилие, прилагаемое канатами к углам паруса, передается через материал паруса к его центру, а не к его краям. В то же время, когда парус в конце рабочего цикла возвращается к барабанам, набегающий поток воздуха растягивает, в первую очередь, края паруса, а не его середину. В результате этого края паруса будут изгибаться, заворачиваться и вибрировать (явление флаттера), что увеличит аэродинамическое сопротивление паруса, а значит, потери энергии. Это уменьшает выходную мощность ветроэнергетической установки;

- кроме того, передача натяжения канатов на середину паруса через материал его краев повышает требования к прочности материала паруса, что повышает стоимость и вес паруса, усложняет его конструкцию.

Целью изобретения является увеличение мощности ветроэнергетической установки и уменьшение стоимости паруса путем изменения конструкции паруса.

Эта цель достигается путем изменения формы и конструкции паруса. Предлагаемый парус имеет форму криволинейного многоугольника, например, треугольника, при этом сторонами многоугольника являются дуги, хорды которых лежат вне многоугольника, а углы образованы концами дуг. Такая форма паруса обеспечивает достаточное его натяжение по всей площади, следовательно, малые аэродинамические потери.

Края материала паруса прикреплены к вновь введенным вспомогательным канатам, расположенным по краям паруса. Такая конструкция паруса резко снижает удельную нагрузку на материал паруса, что позволяет использовать дешевый, тонкий и легкий материал.

Сущность изобретения поясняется рисунками:

Фиг.1 Схематическое изображение ветроэнергетической установки с известным парусом (вид сверху).

Фиг.2 Схематическое изображение предлагаемого паруса со вспомогательными канатами, расположенными по длине его краев, и с присоединенными к парусу канатами, являющимися продолжением вспомогательных канатов (вид сверху).

Фиг.3 Схематическое изображение паруса, края которого выполнены из материала более прочного и с меньшей растяжимостью, чем остальная часть паруса (вид сверху).

Фиг.4 Схематичное изображение паруса, края которого прошиты материалом большей прочности и с малой растяжимостью (вид сверху).

Предлагаемый парус 1 (фиг.2), как и известный парус, выполнен в форме многоугольника, например, треугольника, к углам которого присоединены канаты 2, через которые усилие, создаваемое ветром, передается от паруса на барабаны, соединенные с электрическими машинами.

В отличие от известного паруса, края предлагаемого паруса выполнены в форме дуг выпуклостью к центру паруса, то есть хорды этих дуг находятся вне паруса. Края паруса могут быть усилены вспомогательными канатами 6.

Докажем, что в этом случае парус будет равномерно натянут по всей своей площади. Предположим, что материал паруса 8 отсутствует, а есть только вспомогательные канаты 6, образующие криволинейный треугольник. Если мы приложим к углам треугольника усилие, направленное от его центра, то канаты 6 выпрямляются и образуют треугольник, сторонами которых будут отрезки прямой. Вернем материал паруса на прежнее место. Если мы снова приложим к углам треугольника усилие, направленное от его центра, то материал паруса, испытывая натяжение, не позволит канатам выпрямиться. Величина этого натяжения, отнесенная к единице длины каната, будет обратно пропорциональна радиусу кривизны дуги, образованной канатом в данной точке прикрепления материала паруса к канату. Соответственно, давление ветра на материал паруса будет создавать натяжение, которое через вспомогательные канаты 6 будет передаваться на канаты 2, присоединенные к парусу и расположенные на барабанах электрических машин. Основную нагрузку, при этом, берут на себя вспомогательные канаты, поэтому материал паруса может быть тонким, легким и недорогим. Требования к прочности материала паруса можно еще снизить, если более прочную часть материала паруса, прикрепленного к вспомогательным канатам, выполнить в виде полосы 7, к которой прикреплена, например, приклеена остальная, менее прочная, часть материала паруса 8. Роль вспомогательных канатов могут играть края паруса 7, если их выполнить из достаточно прочного материала, к ним можно прикрепить остальную часть материала 8 паруса (пришить, приклеить, приварить), которая должна иметь достаточную растяжимость, чтобы не брать на себя компоненту усилия, направленную вдоль краев паруса (Фиг.3)

Повышенную прочность на разрыв и малую растяжимость краев паруса можно обеспечить, если прошить края паруса нитями 9 из материала высокой прочности, например, из кевлара (Фиг.4).

Канаты 2 удобно выполнять в форме лент. Такое исполнение дает высокую прочность на разрыв и истирание, удобство укладки на барабаны, удобство сшивания канатов, в частности, в том случае, если вспомогательные канаты являются продолжением канатов, присоединенных к парусу.

Работа высотной ветроэнергетической установки с парусом предлагаемой конструкции не отличается от работы установки с парусом известной конструкции за исключением того, что потери энергии, связанные с аэродинамической нестабильностью краев паруса, будут отсутствовать.

1. Парус, имеющий форму многоугольника, например треугольника, для высотной ветроэнергетической установки, к вершинам углов которого присоединены канаты, отличающийся тем, что края паруса образуют криволинейный многоугольник, например треугольник, при этом сторонами многоугольника являются дуги, хорды которых лежат вне многоугольника, углы которого образованы концами дуг.

2. Парус для высотной ветроэнергетической установки по п.1, отличающийся тем, что края материала паруса прикреплены к вновь введенным вспомогательным канатам, расположенным по длине краев паруса.

3. Парус для высотной ветроэнергетической установки по п.1 или 2, отличающийся тем, что края паруса выполнены из более прочного материала, чем остальная часть его поверхности.

4. Парус для ветроэнергетической установки по п.1, отличающийся тем, что края паруса выполнены из материала более прочного и с меньшей растяжимостью, чем остальная часть его поверхности.

5. Парус для высотной ветроэнергетической установки по п.1, отличающийся тем, что края паруса прошиты материалом высокой прочности и имеющим малую растяжимость, например кевларом.

6. Парус для высотной ветроэнергетической установки по п.1 или 2, отличающийся тем, что вспомогательные канаты являются продолжением канатов, присоединенных к парусу.

7. Парус для высотной ветроэнергетической установки по п.1 или 2, отличающийся тем, что канаты имеют форму лент.