RU101743U1

RU101743U1 - SEMI-RIGID SAIL HAVING A POLYGON FORM FOR ALTITUDE WIND POWER INSTALLATION

Info

Publication number: RU101743U1
Application number: RU2010124654/06U
Authority: RU
Inventors: Сергей Павлович Андреев; Евгений Федорович Новиков; Дмитрий Георгиевич Селезнев; Сергей Яковлевич Чернин; Георгий Иванович Ярковенко; Леонид Александрович Майборода
Original assignee: Региональный некоммерческий фонд поддержки и развития петербургской науки, культуры и спорта
Priority date: 2010-06-16
Filing date: 2010-06-16
Publication date: 2011-01-27

Abstract

1. Полужесткий парус, имеющий форму многоугольника, для высотной ветроэнергетической установки, содержащий поверхность из гибкого материала, например из ткани, имеющую форму многоугольника, например треугольника, с местами присоединения канатов для отбора механической энергии на вершинах углов многоугольника, отличающийся тем, что он снабжен балками, например отрезками труб, соединенными между собой концами в форме многоугольника, например треугольника, причем поверхность из гибкого материала присоединена к местам соединения балок между собой. ! 2. Парус для высотной ветроэнергетической установки по п.1, отличающийся тем, что поверхность из гибкого материала выполнена в форме криволинейного многоугольника, образованного соединенными концами дугами, хорды которых лежат вне многоугольника. ! 3. Парус для высотной ветроэнергетической установки по п.1 или 2, отличающийся тем, что внешний край криволинейного многоугольника прикреплен по его длине к вспомогательному канату. ! 4. Парус для высотной ветроэнергетической установки по п.1, отличающийся тем, что вершины углов многоугольника, образованного поверхностью из гибкого материала, соединены с вершинами углов многоугольника, образованного балками, гибкими связями, например дополнительными канатами, при этом канаты для отбора энергии присоединены к вершинам углов, образованных материалом паруса. ! 5. Парус для высотной ветроэнергетической установки по п.4, отличающийся тем, что гибкие связи выполнены эластичными, например, в виде резиновых жгутов. ! 6. Парус для высотной ветроэнергетической установки по п.5, отличающийся тем, что к параллельно гибким эластичн 1. Semi-rigid sail, having the shape of a polygon, for a high-altitude wind power installation, comprising a surface of flexible material, for example, fabric, having the shape of a polygon, for example a triangle, with points of attachment of ropes for collecting mechanical energy at the vertices of the corners of the polygon, characterized in that it is provided beams, for example pipe segments, interconnected by ends in the form of a polygon, for example a triangle, with a surface of flexible material attached to the joints of the beams waiting for myself. ! 2. Sail for high-altitude wind power installation according to claim 1, characterized in that the surface of the flexible material is made in the form of a curved polygon formed by the connected ends of the arcs whose chords lie outside the polygon. ! 3. Sail for high-altitude wind power installation according to claim 1 or 2, characterized in that the outer edge of the curved polygon is attached along its length to the auxiliary rope. ! 4. Sail for high-altitude wind power installation according to claim 1, characterized in that the vertices of the corners of the polygon formed by a surface of flexible material are connected to the vertices of the corners of the polygon formed by beams, by flexible connections, for example, additional ropes, while the ropes for energy selection are connected to the tops of the angles formed by the sail material. ! 5. Sail for high-altitude wind power installation according to claim 4, characterized in that the flexible connections are made elastic, for example, in the form of rubber bands. ! 6. Sail for high-altitude wind power installation according to claim 5, characterized in that the parallel flexible

Description

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 F03D 3/02 опубл. 86.02.25.). Недостатком таких устройств является сложность их ветросиловой части.Known high-altitude wind power installations in which the wind power part, consisting of parallel-mounted sails, together with an electric generator rises above the surface of the earth using aerodynamic forces (see US Pat. No. 4572962 MKI F03D 3/02 publ. 86.02.25.). The disadvantage of such devices is the complexity of their wind power parts.

Известна высотная ветроэнергетическая установка, содержащая два паруса, каждый из которых разделен на секции (см. авт. свид. СССР №1216416 МКИ F03D 5/00, опубл. 86.03.07.). Недостатком известного паруса является сложность его конструкции.Known high-altitude wind power installation containing two sails, each of which is divided into sections (see ed. Certificate of the USSR No. 1216416 MKI F03D 5/00, publ. 86.03.07.). A disadvantage of the known sail is the complexity of its design.

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.Known high-altitude wind power installation in which the contour of the cross section of the sail of a rigid structure is similar to the contour of the cross section of the wing of an aircraft (see US Pat. No. 6523781 B2 MKI B64C 31/06 publ. 03.02.25.). The disadvantages of such a sail: high cost, large mass per unit area, the difficulty of controlling orientation in space.

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 № SU 1590628 МКИ F03D 5/00 опубл. 90.09.07., который выбран за прототипThe closest to the proposed sail in technical essence and in the number of similar essential features is the sail, which is part of a high-altitude wind power installation according to the USSR copyright certificate No. SU 1590628 MKI F03D 5/00 publ. 09/09/07., Which is selected for the prototype

Работа этой установки поясняется рисунком (см. фиг., 1).The operation of this installation is illustrated in the figure (see. Fig., 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.It contains a sail 1, made in the form of a triangle, the sides of which are straight sections, ropes 2 connected to a sail and located on the drums 3 connected to electric machines 4 and balloons 5 through which the drums are connected to the sail using ropes 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.Ropes 2 are wound or wound 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 drums, 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. 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.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 takes place. 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 была получена при удалении паруса от барабанов.The energy consumption for the return of the sail will be significantly less than the energy that was obtained when the sail was removed from the drums.

Разница этих энергий направляется в сеть потребителя в виде полезного выхода энергии.The difference of these energies is sent to the consumer 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.

Известный парус имеет следующие недостатки:Famous sail has the following disadvantages:

- если его выполнить в виде многоугольника из гибкого материала, то его аэродинамические характеристики будут невысокими, так как при помощи канатов будет трудно управлять его формой, это ограничит мощность, получаемую от паруса;- if it is made in the form of a polygon from a flexible material, then its aerodynamic characteristics will be low, since it will be difficult to control its shape with the help of ropes, this will limit the power received from the sail;

- если парус выполнить в виде многоугольника из жесткого, не гибкого материала, то из-за требований механической прочности он должен будет иметь значительную толщину, следовательно, будет иметь высокую стоимость и большой вес, его трудно будет поднять на рабочую высоту, это ограничит мощность, которую можно получить от установки;- if the sail is made in the form of a polygon from a rigid, not flexible material, then due to the requirements of mechanical strength it will have to be of considerable thickness, therefore, it will have a high cost and a lot of weight, it will be difficult to raise it to its working height, this will limit the power which can be obtained from the installation;

- на материал углов известного паруса приходится большая удельная механическая нагрузка, что также ограничивает мощность, которую можно получить от установки с таким парусом.- the material of the angles of a known sail accounts for a large specific mechanical load, which also limits the power that can be obtained from an installation with such a sail.

Целью изобретения является увеличение мощности ветроэнергетической установки, в которой используется парус.The aim of the invention is to increase the power of a wind power plant that uses sail.

Эта цель достигается тем, что парус имеет полужесткую конструкцию: его внешний край имеет форму многоугольника, образованного соединенными концами вновь введенными балками, представляющими собой, например, отрезки труб, к точкам соединения которых присоединены вершины многоугольника, образованного поверхностью из гибкого материалаThis goal is achieved in that the sail has a semi-rigid structure: its outer edge has the shape of a polygon formed by the connected ends of the newly introduced beams, which are, for example, pipe segments, to the connection points of which the vertices of the polygon formed by a surface of flexible material are attached

Такая конструкция паруса обеспечивает одновременно хорошие аэродинамические характеристики, малый вес и возможность выдерживать большие рабочие нагрузки, что позволяет увеличить мощность ветроэнергетической установки.This design of the sail provides both good aerodynamic characteristics, low weight and the ability to withstand large workloads, which allows to increase the power of the wind power installation.

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

Фиг.1 Схематическое изображение ветроэнергетической установки с парусом известной конструкции (вид сверху).Figure 1 Schematic illustration of a wind power plant with a sail of known design (top view).

Фиг.2 Схематическое изображение предлагаемого паруса (вид сверху).Figure 2 Schematic illustration of the proposed sail (top view).

Фиг.3 Схематическое изображение ажурной балки (вид в аксонометрии).Figure 3 Schematic illustration of an openwork beam (perspective view).

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.

Предлагаемый парус (Фиг.2), содержит, как и известное устройство, поверхность 1 из гибкого материала, например, из ткани, имеющую форму многоугольника, например, треугольника с местами 6 присоединения канатов для отбора механической энергии на вершинах углов многоугольника.The proposed sail (Figure 2), contains, like the known device, the surface 1 of a flexible material, for example, fabric, having the shape of a polygon, for example, a triangle with places 6 connecting ropes for the selection of mechanical energy at the vertices of the corners of the polygon.

В отличие от известного устройства предлагаемый парус содержит элементы жесткости; балки 7, например, отрезки труб, соединенные между собой концами в форме многоугольника, например, треугольника, причем поверхность из гибкого материала присоединена к местам соединения балок между собой.Unlike the known device, the proposed sail contains stiffeners; beams 7, for example, pipe segments interconnected by ends in the form of a polygon, for example, a triangle, and a surface of flexible material attached to the joints of the beams between them.

Для улучшения аэродинамических характеристик паруса путем обеспечения равномерного натяжения поверхности из гибкого материала внешний край этой поверхности выполнен в форме криволинейного многоугольника, образованного дугами, соединенными последовательно концами, причем хорды дуг лежат вне площади, многоугольника.To improve the aerodynamic characteristics of the sail by ensuring uniform surface tension from a flexible material, the outer edge of this surface is made in the form of a curved polygon formed by arcs connected in series by the ends, and the chords of the arcs lie outside the area of the polygon.

Для того, чтобы уменьшить механическую нагрузку на гибкий материал поверхности паруса и за счет этого снизить вес и стоимость паруса, край криволинейного многоугольника можно прикрепить по его длине к вспомогательному канату 8, через который усилие, прикладываемое ветром к поверхности паруса, будет передаваться на углы многоугольника и далее на канаты 2, предназначенные для отбора энергии.In order to reduce the mechanical load on the flexible material of the surface of the sail and thereby reduce the weight and cost of the sail, the edge of the curved polygon can be attached along its length to the auxiliary rope 8, through which the force exerted by the wind to the surface of the sail will be transmitted to the corners of the polygon and on to the ropes 2 for energy extraction.

Поскольку балки соединены с поверхностью из гибкого материала только в точках соединения балок между собой, изгиб материала не вызывает изгиба балок, а лишь увеличивает для них усилие сжатия в направлении продольной оси.Since the beams are connected to the surface of flexible material only at the points of connection of the beams with each other, the bending of the material does not cause the beams to bend, but only increases the compression force for them in the direction of the longitudinal axis.

Для того, чтобы уменьшить нагрузку на балки и за счет этого уменьшить их вес и стоимость, вершины углов многоугольника, образованного поверхностью 1 из гибкого материала, можно соединить с вершинами углов многоугольника, образованного балками, гибкими связями 9, например, дополнительными канатами, при этом канаты 2, для отбора энергии, нужно присоединить к вершинам углов 6, образованных материалом паруса, а не балками. Регулируя длину дополнительных канатов, можно регулировать усилие, прикладываемое к балкам. Гибкие связи можно выполнить в виде эластичных элементов. Например, резиновых жгутов. В этом случае растяжение резиновых жгутов, при изгибе паруса под давлением ветра, уменьшит нагрузку на балки по сравнению с той, которая была бы, если бы вместо резиновых жгутов были канаты. Слишком большое растяжение резиновых жгутов может неблагоприятно отразиться на работе паруса, поэтому параллельно жгутам можно присоединить обычные канаты 10 достаточной длины.In order to reduce the load on the beams and thereby reduce their weight and cost, the vertices of the corners of the polygon formed by the surface 1 of flexible material can be connected to the vertices of the corners of the polygon formed by the beams, flexible ties 9, for example, additional ropes, while ropes 2, for energy selection, you need to attach to the tops of the corners 6 formed by the material of the sail, and not beams. By adjusting the length of the additional ropes, the force exerted on the beams can be adjusted. Flexible connections can be made in the form of elastic elements. For example, rubber harnesses. In this case, the stretching of the rubber harnesses, when the sail bends under the pressure of the wind, will reduce the load on the beams compared to what would be if instead of rubber harnesses there were ropes. Too much stretching of the rubber bands can adversely affect the operation of the sail, therefore, in parallel with the bundles, ordinary ropes 10 of sufficient length can be attached.

Для подъема паруса на достаточную высоту он может иметь отверстие 11, снабженное роликами 12, через которое пропускают канат, к верхнему концу которого присоединен аэростат (этот канат и аэростат на рисунках не показаны).To raise the sail to a sufficient height, it can have an opening 11 provided with rollers 12, through which a rope is passed, an aerostat is attached to its upper end (this rope and aerostat are not shown in the figures).

Для уменьшения веса балок без снижения механической прочности они могут иметь ажурную конструкцию (Фиг.3), например, в виде трех, скрепленных концами, тонких трубок 13, между которыми установлены в плоскостях перпендикулярных осям балок треугольники 14, например, из отрезков тонких трубок.To reduce the weight of the beams without reducing the mechanical strength, they can have an openwork design (Figure 3), for example, in the form of three thin-connected tubes 13 fastened by the ends, between which triangles 14 are installed in the planes perpendicular to the axes of the beams, for example, from segments of thin tubes.

Наличие у предлагаемого паруса элементов жесткости позволяет отказаться от управления его формой, и это дает возможность разместить барабаны с электрическими машинами ветроэнергетической установки на малой площади, что упрощает ее обслуживание и уменьшает стоимость (снижается стоимость земли, на которой она расположена). Расширяются возможности использования ветроэнергетической установки: она может быть размещена на вершинах гор, крышах зданий, на малых островах водоемов и т.д.The presence of stiffening elements in the proposed sail makes it possible to refuse to control its shape, and this makes it possible to place drums with electric machines of a wind power installation in a small area, which simplifies its maintenance and reduces the cost (the cost of the land on which it is located decreases). The possibilities of using a wind power installation are expanding: it can be placed on tops of mountains, roofs of buildings, on small islands of water bodies, etc.

Работа высотной ветроэнергетической установки с парусом предлагаемой конструкции не отличается от работы установки с парусом известной конструкции, за исключением увеличения мощности за счет улучшения аэродинамических характеристик паруса.The operation of a high-altitude wind power installation with a sail of the proposed design does not differ from the operation of a installation with a sail of known design, with the exception of an increase in power due to improved aerodynamic characteristics of the sail.

Claims

1. Semi-rigid sail, having the shape of a polygon, for a high-altitude wind power installation, comprising a surface of flexible material, for example, fabric, having the shape of a polygon, for example a triangle, with points of attachment of ropes for collecting mechanical energy at the vertices of the corners of the polygon, characterized in that it is provided beams, for example pipe segments, interconnected by ends in the form of a polygon, for example a triangle, with a surface of flexible material attached to the joints of the beams waiting for myself.

2. Sail for high-altitude wind power installation according to claim 1, characterized in that the surface of the flexible material is made in the form of a curved polygon formed by the connected ends of the arcs whose chords lie outside the polygon.

3. Sail for high-altitude wind power installation according to claim 1 or 2, characterized in that the outer edge of the curved polygon is attached along its length to the auxiliary rope.

4. Sail for high-altitude wind power installation according to claim 1, characterized in that the vertices of the corners of the polygon formed by a surface of flexible material are connected to the vertices of the corners of the polygon formed by beams, by flexible connections, for example, additional ropes, while the ropes for energy selection are connected to the tops of the angles formed by the sail material.

5. Sail for high-altitude wind power installation according to claim 4, characterized in that the flexible connections are made elastic, for example, in the form of rubber bands.

6. Sail for high-altitude wind power installation according to claim 5, characterized in that ropes are attached to parallel flexible elastic ties, limiting the maximum tension of the ties.

7. Sail for high-altitude wind power installation according to claim 1, characterized in that the surface of the flexible material has an opening equipped with rollers.

8. A sail for a high-altitude wind power installation according to claim 1, characterized in that the beams are made openwork, for example, in the form of three thin tubes fastened by the ends, between which triangles are installed in planes perpendicular to the axes of the beams.