RU101745U1

RU101745U1 - ALTITUDE WIND POWER PLANT WITH ROPE MANAGEMENT

Info

Publication number: RU101745U1
Application number: RU2010124981/06U
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: 2010-06-17
Filing date: 2010-06-17
Publication date: 2011-01-27

Abstract

1. Высотная ветроэнергетическая установка, содержащая парус, первые канаты, соединенные с парусом и расположенные на первых барабанах, соединенных с первыми электрическими машинами, и аэростаты, отличающаяся тем, что в нее введены вторые канаты, вторые барабаны, соединенные со вторыми электрическими машинами и третьи канаты, причем вторые и третьи канаты присоединены к парусу в точках присоединения первых канатов, вторые канаты расположены на вторых барабанах, а третьи канаты присоединены к аэростатам, при этом вторые барабаны расположены на расстояниях не меньше, чем линейные размеры паруса от первых барабанов. ! 2. Высотная ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что парус имеет форму многоугольника, например треугольника, причем канаты присоединены к вершинам углов многоугольника. ! 3. Высотная ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что вторые барабаны расположены вблизи центра проекции паруса на поверхность Земли. ! 4. Высотная ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что аэростаты имеют форму конуса с закругленным основанием. ! 5. Высотная ветроэнергетическая установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что парус имеет форму, удлиненную в направлении, перпендикулярном преимущественному направлению ветра. ! 6. Высотная ветроэнергетическая установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что парус имеет форму, вытянутую в направлении, параллельном преимущественному направлению ветра. ! 7. Высотная ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что аэростаты имеют форму тела вращения с образующей, соответствующей минимальному аэродинамическому сопротивлению аэр� 1. High-altitude wind power installation containing a sail, the first ropes connected to a sail and located on the first drums connected to the first electric machines, and balloons, characterized in that it introduced the second ropes, second drums connected to the second electric machines and third ropes, the second and third ropes attached to the sail at the points of attachment of the first ropes, the second ropes are located on the second drums, and the third ropes are attached to the balloons, while the second drums are located s at a distance not less than the linear dimensions of the sails of the first drum. ! 2. High-altitude wind power installation according to claim 1, characterized in that the sail has the shape of a polygon, such as a triangle, with the ropes attached to the vertices of the corners of the polygon. ! 3. High-altitude wind power installation according to claim 1, characterized in that the second drums are located near the center of the projection of the sail on the Earth's surface. ! 4. High-altitude wind power installation according to claim 1, characterized in that the balloons are in the form of a cone with a rounded base. ! 5. High-altitude wind power installation according to claim 1 or 2, characterized in that the sail has a shape elongated in a direction perpendicular to the preferred direction of the wind. ! 6. High-altitude wind power plant according to claim 1 or 2, characterized in that the sail has a shape elongated in a direction parallel to the preferred direction of the wind. ! 7. The high-altitude wind power installation according to claim 1, characterized in that the balloons have the shape of a body of revolution with a generatrix corresponding to the minimum aerodynamic drag of the aer

Description

Известны высотные ветроэнергетические установки, в которых турбины с вертикальной осью вращения поднимаются над землей при помощи мачт или неоднородностей рельефа (гор) (см. пат. США №4165468 МКИ F03D 11/00 опубл. 79.08.21.). Недостатком таких установок является малая мощность, так как мачты приемлимой 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 heterogeneities of the relief (mountains) (see US Pat. No. 4165468 MKI F03D 11/00 publ. 79.08.21.). The disadvantage of such installations is 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 F03D 11/00 опубл. 78.04.11.). Недостатком таких устройств является малая мощность, так как турбины большой мощности невозможно поднять при помощи аэростата приемлимых размеров.Known high-altitude wind power installations in which turbines rise above the earth’s surface using an aerostat (see US Pat. No. 4084102 MKI F03D 11/00 publ. 78.04.11.). The disadvantage of such devices is their low power, since high-power turbines cannot be raised with an acceptable size balloon.

Известны высотные ветроэнергетические установки, в которых ветросиловая часть 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 малая доля времени, когда ветер имеет силу достаточную для работы таких устройств.Known high-altitude wind power installations in which the wind power part together with an electric generator rises above the surface of the earth with the help of aerodynamic forces (see US Pat. No. 4572962 MKI F03D 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). Вследствие различной ориентации парусов в пространстве давление ветра на них различное, что и приводит установку в действие (см. авт. свид. СССР №1216416 МКИ F03D 5/00. опубл.86.03.07.). Недостатком таких устройств является сложность управления парусами.Known high-altitude installation containing two sails connected to each other through ropes thrown through a drum (pulley). 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 F03D 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 В64С 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 construction 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 a force sufficient for the operation of such devices.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности и по количеству сходных существенных признаков является ветроэнергетическая установка по авторскому свидетельству СССР № SU 1590628 МКИ F03D 5/00 опубл. 90.09.07., которая выбрана за прототип.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 author's certificate No. SU 1590628 MKI F03D 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 первых барабанах 3, соединенных с первыми 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 the first drums 3 connected to the first 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 2 сматываются с барабанов 3, электрические машины 4, связанные механически с барабанами, вырабатывают электрическую энергию, которая поступает в сеть. Когда канаты 2 наматывается на барабаны 3, 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 2 are wound from the drums 3, the electric machines 4, mechanically coupled to the drums, generate electrical energy that enters the network. When the ropes 2 are wound on drums 3, the 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 соотношения длин канатов, чтобы работа, 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.- 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 ratio of rope lengths so that the work spent on overcoming the aerodynamic resistance to the movement of the sail, balloons and ropes during the return of the sail is minimal. 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 существенно меньше, чем энергия, которая была получена при удалении паруса от барабанов. Разница этих энергий направляется в сеть потребления в виде полезного выхода энергии.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. The difference of these energies is sent to the consumption 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 направление усилия, прикладываемого к парусу со стороны канатов, определяется только положением и ориентацией паруса в пространстве, что ограничивает возможность управления парусом, которое необходимо для работы установки. Такое ограничение снижает возможность отбора энергии ветра, то есть уменьшает мощность ветроэнергетической установки.A disadvantage of the known device is that the direction of the force applied to the sail from the side of the ropes is determined only by the position and orientation of the sail in space, which limits the ability to control the sail, which is necessary for the operation of the installation. Such a restriction reduces the possibility of taking wind energy, that is, reduces the power of the wind power installation.

Целью изобретения является увеличение мощности ветроэнергетической установки.The aim of the invention is to increase the power of a wind power installation.

Эта цель достигается путем введения в установку дополнительных канатов и электрических машин с барабанами, тем самым увеличивается возможность управления направлением усилий, прикладываемых к парусу, а следовательно возможность управления формой и ориентацией паруса в пространстве, то есть возможность более полного отбора энергии ветра.This goal is achieved by introducing additional ropes and electric machines with drums into the installation, thereby increasing the ability to control the direction of the forces applied to the sail, and therefore the ability to control the shape and orientation of the sail in space, that is, the possibility of more complete selection of wind energy.

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

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

Фиг.2 Схематическое изображение предлагаемого устройства с тремя аэростатами (вид сверху).Figure 2 Schematic illustration of the proposed device with three balloons (top view).

Фиг.3 Схематическое изображение предлагаемого устройства с одним аэростатом (вид в аксонометрии).Figure 3 Schematic illustration of the proposed device with one balloon (view in perspective).

Фиг.4, 5 Схематическое изображение предлагаемого устройства с парусом удлиненным в направлении перпендикулярном преимущественному направлению ветра (вид сверху).4, 5 Schematic illustration of the proposed device with a sail elongated in a direction perpendicular to the preferred direction of the wind (top view).

Фиг.6, 7 Схематическое изображение предлагаемого устройства с парусом удлиненным в направлении параллельным преимущественному направлению ветра (вид сверху).6, 7 Schematic illustration of the proposed device with a sail elongated in a direction parallel to the preferred direction of the wind (top view).

Предлагаемое устройство содержит (фиг.2), как и известное устройство, парус 1, первые канаты 2, соединенные с парусом и расположенные на первых барабанах 3, соединенных с первыми электрическими машинами 4 и аэростаты 5.The proposed device contains (figure 2), as well as the known device, sail 1, the first ropes 2 connected to the sail and located on the first drums 3 connected to the first electric machines 4 and balloons 5.

В отличие от известного устройства, в предлагаемое устройство введены вторые канаты 6, вторые барабаны 7, соединенные со вторыми электрическими машинами 8, и третьи канаты 9 (фиг.3), причем вторые и третьи канаты присоединены к парусу в точках присоединения первых канатов, вторые канаты расположены на вторых барабанах, а третьи канаты присоединены к аэростатам, при этом вторые барабаны расположены на расстояниях не меньших, чем линейные размеры паруса, от первых барабанов.In contrast to the known device, second ropes 6, second drums 7 connected to second electric machines 8, and third ropes 9 (FIG. 3) are introduced into the device of the invention, the second and third ropes attached to the sail at the points of attachment of the first ropes, the second the ropes are located on the second drums, and the third ropes are attached to balloons, while the second drums are located at distances not less than the linear dimensions of the sail from the first drums.

Для удобства управлением ориентацией и формой паруса он может иметь форму многоугольника, например, треугольника, при этом канаты присоединены к вершинам углов многоугольника (фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6, 7).For convenience, control the orientation and shape of the sail, it can be in the form of a polygon, for example, a triangle, while the ropes are attached to the vertices of the corners of the polygon (Fig. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7).

Если имеется преимущественное направление ветра, то целесообразно сместить расположение вторых барабанов 7 на поверхности Земли в сторону противоположную преимущественному направлению ветра, при этом часть барабанов, электрических машин, канатов и аэростатов можно из установки исключить, так как они будут работать малую долю времени (фиг.4, 5, 6, 7).If there is a predominant wind direction, it is advisable to shift the location of the second drums 7 on the Earth's surface to the side opposite to the preferential wind direction, while some of the drums, electric machines, ropes and balloons can be excluded from the installation, since they will work a small fraction of the time (Fig. 4, 5, 6, 7).

Для уменьшения веса и стоимости паруса он может иметь форму удлиненную в направлении, либо перпендикулярном, либо параллельном преимущественному направлению ветра (фиг.4, 5, 6, 7).To reduce the weight and cost of the sail, it can be elongated in the direction either perpendicular or parallel to the preferred direction of the wind (Fig. 4, 5, 6, 7).

Если расположить первые барабаны достаточно далеко от центра установки, то вместо трех аэростатов, как в прототипе, можно использовать один аэростат (фиг.3), при этом для повышения устойчивости третьи канаты 9 могут быть прикреплены к аэростату 5 в разных его точках.If you place the first drums far enough from the center of the installation, then instead of three balloons, as in the prototype, you can use one balloon (figure 3), while to increase the stability of the third ropes 9 can be attached to the balloon 5 at different points.

Для уменьшения аэродинамического сопротивления аэростаты 5 могут иметь форму конуса с закругленным основанием (фиг.3).To reduce aerodynamic drag, balloons 5 may be in the form of a cone with a rounded base (figure 3).

Для увеличения устойчивости движения аэростатов они могут быть соединены друг с другом тонкими дополнительными канатами 10 (фиг.2).To increase the stability of the movement of balloons, they can be connected to each other with thin additional ropes 10 (figure 2).

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

В исходном состоянии длина канатов 2 и 6 минимальная. Путем изменения силы тока в обмотках электрических машин 4 и 8 приводят барабаны 3 и 7 во вращение таким образом, чтобы за счет изменения соотношения длин канатов, парус 1 приобрел положительный угол атаки относительно направления ветра. Аэростаты 5 помогают в этом электрическим машинам, поднимая соответствующие углы паруса вверх. Набегающий на парус ветер создает подъемную силу, в результате чего парус удаляется от барабанов, которые при этом вращаются за счет сматывания с них канатов. Электрические машины 4 и 8 при этом вырабатывают электрическую энергию, которая поступает в сеть.In the initial state, the length of the ropes 2 and 6 is minimal. By changing the current strength in the windings of electric machines 4 and 8, the drums 3 and 7 are driven in rotation so that due to a change in the ratio of rope lengths, sail 1 acquires a positive angle of attack relative to the direction of the wind. Balloons 5 help in this electric machines, lifting the corresponding sail angles up. The wind on the sail creates lift, as a result of which the sail moves away from the drums, which at the same time rotate due to the winding of ropes from them. Electric machines 4 and 8 at the same time generate electrical energy, which enters the network.

Подъемная сила аэростатов при этом складывается с подъемной силой паруса и увеличивает вырабатываемую электрическую энергию.The lift force of the balloons is added to the lift of the sail and increases the generated electric energy.

Когда канаты будут смотаны с барабанов на максимально допустимую длину, угол атаки паруса 1 относительно направления ветра изменяют за счет изменения соотношений длин канатов на противоположный по знаку. Подъемная сила паруса становится отрицательной и, он опускается вниз, преодолевая подъемную силу аэростатов, при этом происходит отбор энергии ветра. Когда парус достигнет минимальной высоты, его угол атаки устанавливают нулевым.When the ropes are wound from the drums to the maximum permissible length, the angle of attack of the sail 1 relative to the wind direction is changed by changing the ratios of the lengths of the ropes to the opposite in sign. The lifting force of the sail becomes negative and, it goes down, overcoming the lifting force of balloons, while the selection of wind energy occurs. When the sail reaches a minimum height, its angle of attack is set to zero.

Парус приближают к барабанам, наматывая на них канаты, 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 какThe sail is brought closer to the drums, winding ropes on them, 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

эродинамическое сопротивление паруса, аэростатов и канатов является малым по следующим причинам:the aerodynamic resistance of the sail, balloons and ropes is small for the following reasons:

- парус имеет нулевой угол атаки;- the sail has a zero angle of attack;

- аэростаты имеют удлиненную форму;- balloons are elongated;

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

Благодаря наличию вторых канатов и барабанов, первые барабаны можно отнести далеко от центра установки без снижения управляемости паруса, поэтому появляется возможность регулирования направления усилий, прикладываемых к парусу в широких пределах. Это позволяет устанавливать оптимальный угол атаки паруса в любой точке траектории паруса, при любой высоте паруса, при любой скорости и любом направлении ветра.Due to the presence of second ropes and drums, the first drums can be carried far from the center of the installation without reducing the controllability of the sail, so it becomes possible to control the direction of the forces applied to the sail over a wide range. This allows you to set the optimum angle of attack of the sail at any point on the sail path, at any height of the sail, at any speed and any direction of the wind.

В прототипе увеличить пределы регулирования угла атаки паруса, можно только приближая барабаны к центру установки, но при этом снижается устойчивость ее работы.In the prototype, the limits of regulation of the angle of attack of the sail can be increased, only by bringing the drums closer to the center of the installation, but the stability of its operation is reduced.

Для уменьшения потерь энергии, связанных с аэростатами, они могут иметь форму тела вращения с образующей соответствующей минимальному аэродинамическому сопротивлению аэростата, при заданном его объеме.To reduce the energy losses associated with balloons, they can take the form of a body of revolution with a generatrix corresponding to the minimum aerodynamic drag of the balloon, for a given volume.

Поскольку аэростаты прикреплены к третьим канатам только в одной точке и длина этих канатов может быть достаточно большой, то при приближении аэростатов вместе с парусом к барабанам, аэростаты будут располагаться приблизительно вдоль набегающего потока воздуха, а, следовательно, их лобовое сопротивление будет небольшим.Since the balloons are attached to the third ropes at only one point and the length of these ropes can be quite large, when the balloons and the sail approach the drums, the balloons will be located approximately along the incoming air flow, and therefore their drag will be small.

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 work cycle is repeated.

Для увеличения устойчивости движения аэростатов они могут быть соединены друг с другом тонкими дополнительными канатами 10 (фиг.2). Это исключает возможность их вращения вокруг продольной оси и запутывания при турбулентности движений воздуха.To increase the stability of the movement of balloons, they can be connected to each other with thin additional ropes 10 (figure 2). This eliminates the possibility of their rotation around the longitudinal axis and entanglement during turbulence of air movements.

Claims

1. High-altitude wind power installation containing a sail, the first ropes connected to a sail and located on the first drums connected to the first electric machines, and balloons, characterized in that it introduced the second ropes, second drums connected to the second electric machines and third ropes, the second and third ropes attached to the sail at the points of attachment of the first ropes, the second ropes are located on the second drums, and the third ropes are attached to the balloons, while the second drums are located s at a distance not less than the linear dimensions of the sails of the first drum.

2. High-altitude wind power installation according to claim 1, characterized in that the sail has the shape of a polygon, such as a triangle, with the ropes attached to the vertices of the corners of the polygon.

3. High-altitude wind power installation according to claim 1, characterized in that the second drums are located near the center of the projection of the sail on the Earth's surface.

4. High-altitude wind power installation according to claim 1, characterized in that the balloons are in the form of a cone with a rounded base.

5. High-altitude wind power installation according to claim 1 or 2, characterized in that the sail has a shape elongated in a direction perpendicular to the preferred direction of the wind.

6. High-altitude wind power plant according to claim 1 or 2, characterized in that the sail has a shape elongated in a direction parallel to the preferred direction of the wind.

7. High-altitude wind power installation according to claim 1, characterized in that the aerostats have the shape of a body of revolution with a generatrix corresponding to the minimum aerodynamic resistance of the aerostat for a given volume.