RU101106U1

RU101106U1 - ALTITUDE WIND POWER ENGINEERING WITH SAIL LIFT BY AEROSTATS CONTACT METHOD

Info

Publication number: RU101106U1
Application number: RU2010123152/06U
Authority: RU
Inventors: Сергей Павлович Андреев; Евгений Федорович Новиков; Дмитрий Георгиевич Селезнев; Сергей Яковлевич Чернин
Original assignee: Региональный некоммерческий фонд поддержки и развития Петербургской науки культуры и спорта
Priority date: 2010-06-07
Filing date: 2010-06-07
Publication date: 2011-01-10

Abstract

1. Высотная ветроэнергетическая установка, содержащая парус, канаты, соединенные с парусом, электрические машины с барабанами, на которых расположены канаты, и аэростат, отличающаяся тем, что, с целью увеличения мощности, в нее введены вспомогательные канаты и вспомогательные электрические машины с барабанами, при этом вспомогательные канаты соединены с аэростатом и лежат на барабанах вспомогательных электрических машин. ! 2. Высотная ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что аэростат выполнен в форме тороида. ! 3. Высотная ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что верхняя часть аэростата покрыта слоем защитного материала, например синтетического войлока. ! 4. Высотная ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что поверхность под аэростатом покрыта слоем защитного материала. ! 5. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что она 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. ! 6. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что она содержит несколько аэростатов, соединенных механически между собой. ! 7. Высотная ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена укрытием (забором) для защиты аэростата от сильных порывов ветра. 1. High-altitude wind power installation containing a sail, ropes connected to a sail, electric machines with drums on which the ropes are located, and an aerostat, characterized in that, in order to increase power, auxiliary ropes and auxiliary electric machines with drums are introduced into it, wherein the auxiliary ropes are connected to the balloon and lie on the drums of auxiliary electric machines. ! 2. High-altitude wind power installation according to claim 1, characterized in that the balloon is made in the form of a toroid. ! 3. High-altitude wind power installation according to claim 1, characterized in that the upper part of the aerostat is covered with a layer of protective material, for example synthetic felt. ! 4. High-altitude wind power installation according to claim 1, characterized in that the surface under the balloon is covered with a layer of protective material. ! 5. The wind power installation according to claim 1, characterized in that it is equipped with a tube (hose), a compressor with first and second nozzles and a balloon, while the tube (hose) connects the balloon to the first compressor nozzle, the second nozzle of which is connected to the cylinder. ! 6. Wind power installation according to claim 1, characterized in that it contains several balloons, mechanically connected to each other. ! 7. High-altitude wind power installation according to claim 1, characterized in that it is equipped with a shelter (fence) to protect the balloon from strong gusts of wind.

Description

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.Known high-altitude wind power installations in which turbines with a vertical axis of rotation rise above the ground using masts or heterogeneity of the relief (mountains) (see US Pat. No. 4165468 MKI FO3D 11/00 publ. 79.08.21). The disadvantage of such installations is their low power, since masts of acceptable cost cannot have a sufficient height. Terrain inhomogeneities suitable for constructing the proposed wind power plants are rare.

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 размеровKnown high-altitude wind power installations in which turbines rise above the earth’s surface using an aerostat (see US Pat. No. 4084102 MKI FO3D 11/00 publ. 78.04.11.) The disadvantage of such devices is the low power since high power turbines cannot be lifted with an acceptable balloon size

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.Known high-altitude wind power installations in which a wind power installation together with an electric generator rises above the surface of the earth with the help of aerodynamic forces (see US Pat. No. 4572962 MKI FO3D 3/02 publ. 86.02.25.). The disadvantage of such devices is a small fraction of the time when the wind has enough power to operate such devices.

Известна высотная установка, содержащая два паруса, связанные друг с другом через канаты, перекинутые через барабан (шкив).Known high-altitude installation containing two sails connected to each other through ropes thrown through a drum (pulley).

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.Due to the different orientation of the sails in space, the wind pressure on them is different, which drives the installation (see ed. Certificate of the USSR No. 1216416 MKI FO3D 5/00 publ. 86.03.07.). The disadvantage of such devices is the complexity of sail control.

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.Known high-altitude wind power installation in which a sail of rigid structure rises above the surface of the earth with the help of aerodynamic forces (see US Pat. No. 6523781 B2 MKI B64C 31/06 publ. 03.02.25.). The disadvantage of such devices is a small fraction of the time when the wind has enough power to operate such devices.

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 прототипThe closest to the proposed device in technical essence and in the number of similar essential features is a wind power installation according to the USSR copyright certificate No. SU 1590628 MKI FO3D 5/00 publ. 09/09/07., Which is selected for the prototype

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.This device contains (FIG. 1) sail 1, ropes 2 connected to the sail and located on drums 3 connected to electric machines 4, and balloons 5 through which the drums are connected to the sail using ropes 2.

Известное устройство работает следующим образом:A known device operates as follows:

- 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;- ropes 2 are wound or reeled from drums 3 when the sail 1 moves under the influence of wind. When the ropes are wound from the drums, the electric machines 4, connected mechanically to the drums, generate electrical energy that enters the network. When the ropes are wound on a drum, electric machines consume energy from the network;

- 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;- when the ropes are unwound from the drums, the orientation of the sail in space and the trajectory of its movement are selected by changing the ratios of the lengths of the ropes when changing the rotation speeds of electric machines (by changing the current strength in their windings) so that the maximum selection of wind energy occurs;

- 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;- when the sail returns to its former place, the orientation of the sail in space and the trajectory of its movement are chosen such by changing the ratios of the rope lengths so that the energy spent on overcoming the aerodynamic resistance to the movement of the sail, balloons and ropes during the return of the sail is minimal;

- функции соотношений длин канатов от времени получают теоретическим путем и корректируют путем экспериментов;- the functions of the ratios of the lengths of the ropes from time are obtained theoretically and corrected by experiments;

- расход энергии на возвращение паруса будет значительно меньше, чем та энергия, которая получена при удалении паруса от барабанов;- the energy consumption for the return of the sail will be significantly less than the energy that is received when the sail is removed from the drums;

- разница этих энергий направляется в сеть в виде полезного выхода энергии.- the difference of these energies is sent to the network in the form of a useful energy output.

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.Several similar installations, configured appropriately, can supply the consumer with a continuous flow of energy. In single installations, energy storage devices can be used to equalize the energy flow to the consumer.

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.A disadvantage of the known device is that the balloons are rigidly connected to the rope and through them with the sail, so when at the end of the installation cycle the sail approaches the drums, the balloons also approach them, and the aerodynamic drag of the balloons causes significant energy losses, which reduce the average per cycle works the output power of the installation.

Целью изобретения является увеличение выходной мощности установки.The aim of the invention is to increase the output power of the installation.

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.The essence of the invention lies in the fact that the mechanical contact of the aerostat with the sail takes place only when the sail is raised to its working height. When the sail reaches the required height with a balloon, the balloon is pulled down, and then the sail is maintained at the required height only due to the lifting force of the sail created by the wind, and the balloon does not further affect the operation of the sail.

Сущность изобретения поясняется рисунками:The invention is illustrated by drawings:

Фиг 1. Схематическое изображение известного устройства (вид сверху);Fig 1. Schematic illustration of a known device (top view);

Фиг 2. Схематическое изображение предлагаемого устройства (вид сверху);Fig 2. Schematic illustration of the proposed device (top view);

Фиг.3. Схематическое изображение предлагаемого устройства (вид сбоку);Figure 3. Schematic illustration of the proposed device (side view);

Фиг.4 и Фиг.5. Схематическое изображение процесса подъема паруса на рабочую высоту;Figure 4 and Figure 5. Schematic representation of the process of raising the sail to the working height;

Фиг.6. Схематическое изображение предлагаемого устройства с несколькими аэростатами.6. Schematic illustration of the proposed device with several balloons.

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.In the known technical solutions, features similar to the distinguishing features of the claimed technical solution are not found. As a result, we can assume that the proposed technical solution has significant differences.

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.The proposed device contains (figure 2), as well as the known device, sail 1, ropes 2 connected to the sail and located on the drums 3 connected to electric machines 4, and the balloon 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.In contrast to the known device in the proposed device, the balloon 5 is connected to additionally introduced auxiliary ropes 6 located on the drums 7 connected to additionally introduced electric machines 8.

Для уменьшения парусности аэростат может быть выполнен в форме тороида.To reduce windage, the balloon can be made in the form of a toroid.

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.To reduce the risk of damage to the balloon during its contact with the sail and the surface of the earth, the upper part of the balloon and the surface under the balloon can be covered with a layer of protective material, such as synthetic felt.

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.To save gas filling the balloon, reduce fire hazard and protect the balloon from strong winds, the installation can be equipped with a tube (hose), a compressor with the first and second nozzles and a cylinder, while the tube (hose) connects the aerostat to the first compressor nozzle, the second nozzle of which is connected to balloon.

Для упрощения технологии производства и доставки аэростата на место монтажа установки она может содержать несколько аэростатов, соединенных механически между собой.To simplify the technology of production and delivery of the balloon to the installation site, it may contain several balloons that are mechanically interconnected.

Для защиты аэростата от сильных ветров установка может содержать специальное укрытие для аэростата (забор).To protect the balloon from strong winds, the installation may contain a special shelter for the balloon (fence).

Предлагаемое устройство работает следующим образом:The proposed device operates as follows:

- в исходном состоянии аэростат 5 находится на поверхности земли;- in the initial state, the balloon 5 is on the surface of the earth;

- парус 1 расположен на аэростате;- sail 1 is located on a balloon;

- включают компрессор 9 (фиг.3) и аэростат 1 наполняется легким газом, например, гелием, поступающим из баллона 10;- include a compressor 9 (figure 3) and the balloon 1 is filled with light gas, for example, helium coming from a cylinder 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;- the volume of the balloon increases and the sail rises above the ground, as electric machines 4 and 8, although they are braked, still rotate and allow ropes 2 and 6 to roll off drums 3 and 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);- when the volume of the balloon 5 reaches the desired value, the compressor 9 stops working, the braking of electric machines 4 and 8 decreases sharply, and the balloon quickly rises, raising the sail (figure 4);

- под воздействием силы ветра движение аэростата и паруса отклоняется от вертикального и становится наклонным (фиг.4);- under the influence of wind force, the movement of the balloon and sail deviates from the vertical and becomes inclined (figure 4);

- когда парус достигнет рабочей высоты, направление движения электрических машин 8 быстро меняется на противоположное и канаты 6 наматываются на барабаны 7;- when the sail reaches the working height, the direction of movement of the electric machines 8 quickly changes to the opposite and the ropes 6 are wound on drums 7;

- аэростат отделяется от паруса и быстро движется вниз;- the balloon is separated from the sail and quickly moves down;

- достигнув земли, он останавливается, натяжение канатов 6 фиксирует его положение на поверхности земли;- reaching the ground, he stops, the tension of the ropes 6 fixes its position on the surface of the earth;

- парус 1 остается над поверхностью земли, т.к. его вес и вес канатов 2 скомпенсированы подъемной силой паруса 1, создаваемой ветром.- sail 1 remains above the ground, because its weight and the weight of the ropes 2 are compensated by the lifting force of the sail 1 created by the wind.

Далее работа предлагаемой установки не отличается от работы прототипа.Further, the work of the proposed installation does not differ from the work of the prototype.

Угол атаки паруса 1 относительно направления ветра устанавливают положительным.The angle of attack of the sail 1 relative to the direction of the wind is set to positive.

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.Under the influence of wind, the sail 1 moves away from the drums 3, and rises up, the ropes 2 are wound from them, and the electric machines 4, mechanically connected with the drums 3, generate electrical energy that enters the network. When the ropes 2 will be wound from the drums 3 to the maximum permissible length, the orientation of the sail 1 relative to the wind direction is changed by changing the ratio of the lengths of the ropes 2 to the opposite sign. The lifting force of the sail becomes negative, and it goes down under the influence of the wind and the gravity of the sail and ropes. When the sail reaches the minimum permissible height, its angle of attack is set to zero.

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:Electric machines 4 rotate the drums 3, winding ropes 2 on them, and the sail approaches the drums, while the energy is consumed, which is taken from the network or from the batteries. This energy will be significantly less than that obtained when the sail was removed from the drums, since the aerodynamic drag of the sail and ropes is small for the following reasons:

- угол атаки паруса равен нулю;- the angle of attack of the sail is zero;

- диаметр канатов мал;- the diameter of the ropes is small;

- приближение паруса к барабанам происходит на малой высоте, где сила ветра меньше, чем на большей высоте.- the sail approaches the drums at a low altitude, where the wind force is less than at a higher altitude.

Когда парус приблизится к барабанам на минимально допустимое расстояние, угол атаки паруса изменяют на положительный, и цикл работы повторяется.When the sail approaches the drums at the minimum allowable distance, the angle of attack of the sail is changed to positive, and the cycle of work is repeated.

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.In order for the aerostat pressure on the sail to be distributed evenly over the surface of the aerostat and the sail, and so that the wind pressure on the aerostat when the aerostat is on the ground is minimal, the aerostat must have a sufficiently large diameter to height ratio. To this end, the balloon can be made in the form of a toroid.

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.When the balloon comes in contact with a sail or with the ground, the balloon shell will experience significant mechanical stresses that can cause damage to it. In order to avoid this, the upper part of the balloon shell can be covered (Fig. 3) with a layer of protective material 11, for example, synthetic felt. To protect the lower part of the balloon shell, it is possible to cover with protective material 12 that part of the earth's surface with which the balloon may come into contact.

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.It is most convenient to use helium to fill the shell of a balloon, since it does not burn. At the same time, it is quite expensive, and in addition, it is difficult to make a balloon shell completely impermeable to helium, so with time the helium balloon loses. Therefore, after raising the sail to its working height, it is sometimes advisable to pump helium out of the balloon, and when you need to raise the sail again, pump helium into the balloon again. For this, it is necessary to equip the aerostat with a pumping unit consisting (of figure 3) of a compressor 9, a tube 13 (hose) connected to the aerostat and through the first nozzle 14 to the compressor, as well as a balloon 10 connected to the compressor through the second nozzle 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.When helium enters from the balloon through the compressor to the aerostat, the compressor acts as a pneumatic engine and transfers energy through the electric machine 15 to the network. When the compressor pumps helium from a balloon into a balloon, an electric machine 15 takes energy from the network. The size and weight of the container are not limited by anything, so the leakage of helium from it can be quite small.

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.The balloon 5 may consist of several smaller balloons connected together (FIG. 6), which can be mass-produced products that are reasonably cheap and convenient for transportation.

Место расположения аэростата может быть защищено от сильного ветра экраном 17 (забором), возможно, складной конструкции (фиг.3).The location of the balloon can be protected from strong wind by a screen 17 (fence), possibly a folding structure (figure 3).

Для контроля давление газа в аэростате он может быть снабжен датчиками давления 18.To monitor the gas pressure in the balloon, it can be equipped with pressure sensors 18.

Claims

1. High-altitude wind power installation containing a sail, ropes connected to a sail, electric machines with drums on which the ropes are located, and an aerostat, characterized in that, in order to increase power, auxiliary ropes and auxiliary electric machines with drums are introduced into it, wherein the auxiliary ropes are connected to the balloon and lie on the drums of auxiliary electric machines.

2. High-altitude wind power installation according to claim 1, characterized in that the balloon is made in the form of a toroid.

3. High-altitude wind power installation according to claim 1, characterized in that the upper part of the aerostat is covered with a layer of protective material, for example synthetic felt.

4. High-altitude wind power installation according to claim 1, characterized in that the surface under the balloon is covered with a layer of protective material.

5. The wind power installation according to claim 1, characterized in that it is equipped with a tube (hose), a compressor with first and second nozzles and a balloon, while the tube (hose) connects the balloon to the first compressor nozzle, the second nozzle of which is connected to the cylinder.

6. Wind power installation according to claim 1, characterized in that it contains several balloons, mechanically connected to each other.

7. High-altitude wind power installation according to claim 1, characterized in that it is equipped with a shelter (fence) to protect the balloon from strong gusts of wind.