SK1382011A3 - Lanový vetemo-energetický systém - Google Patents

Abstract

Opísaný je bezstlpový vetemo-energetický systém, určený do ťažko zakladateľných podloží, na morskú hladinu, do ťažko prístupných hôr s možnosťou prenosnosti systému. Prichytený gyroplán plní funkciu vztlakového telesa a zároveň funkciu veterného kolektora. Veľmi nízka špecifická hmotnosť gyroplánu je docielená použitím stabilizovaných listov vrtúľ (2) s analógovou reguláciou uhlov nastavenia vplyvom odstredivých síl závaží (1) na oskách (13) listov. Striedavé navíjanie a odvíjanie gyroplánu s prenosom energie ťahom na zem, ako aj akumulácia energie v zotrvačníku (5) zvyšujú účinnosť premeny energie, najmä v režime protismemého pohybu s dvojnásobnou rýchlosťou a 8-násobný výkon vrtúľ je umenšený len na polovicu odberom výkonu na ťah navijaka (7). Bezstípové vyhotovenie umožňuje umiestnenie napr. nad hustým porastom, na hrebeňoch a vrcholkoch hôr, na ľadových kryhách na ich vlastný pohon, na púšťach do hybridných systémov so solárnymi komplexmi a pod.

Description

Vynález sa týka veternej energie vo vyšších vrstvách prúdenia vzduchu a najmä na ťažko zakladateľných miestach s možnosťou prenosu systému z dočasne umiestnených lokalít na iné miesta.

Doterajší stav techniky

Využívanie energie vetra vo vyšších vrstvách je len v štádiu pokusov a zameriava sa najmä na umiestnenie veterných systémov na aerostatoch rôznych tvarov, ktoré sú kotvené na zemi pomocou ťažného lana a energia je zhora prenášaná elektrickým káblom. Existujú návrhy aerodynamických systémov, v ktorých sa premieňa energia tlakového spádu pod krídlom a nad krídlom, alebo aerodynamické priečne sa pohybujúce plochy upútané lanom a využívajúce prenos kývavého alebo kruhového pohybu lana na prenos energie na zem. Aerostaty sú problémové pri ich ochrane pred nepriaznivým počasím, aerodynamické vztlakové telesá majú neúčinný prenos energie.

Podstata vynálezu

Vyššia účinnosť premeny energie a jednoduchý prenos na zem rieši vynález, ktorého podstatou je viacrotorový gyroplán, ktorý obsahuje vysokootáčkový zotrvačník s prevodom do pomala na vrtule, ktoré sú opatrené na koncoch listov stabilizátormi nábehových uhlov a koreň listov je automaticky nastavovaný do uhlov potrebných podľa režimu prúdenia vzduchu. Uhol „a“ zodpovedá optimálnemu uhlu nábehu listov vrtule pri približne nulovej rýchlosti vetra voči vrtuli pri súsmemom pohybe, uhol ,,β“ je záporný uhol nastavenia v protismemom pohybe gyroplánu voči prúdeniu vzduchu. Uhly sú nastavené pre vopred definovaný pomer vztlakov na listy približne 2:1 pre väčší vztlak pri súbežnej rýchlosti gyroplánu s okolitým vetrom. Gyroplán je spojený lanom s navijákom, zotrvačníkom navijaka a generátorom. Lano obsahuje pružinu, ktorá zastaví zotrvačník navijáka po navinutí určenej dráhy návinu a roztočí ho v protismere. Po odvinutí lana sa gyroplán zastaví, zapruží lanom preklopné upnutie lana sa otočí o 180°a lano sa navíja pri rovnakom otáčaní navijaka so zotrvačníkom. Zotrvačník na gyropláne má stále rovnaký smer otáčok. Prenáša energiu získanú navíjaním na ťah vrtúľ pri odvíjaní.

Gyroplán môže obsahovať pomocný motorček spojený napriamo so zotrvačníkom gyroplánu, ktorý uľahčuje štart a vyrovnáva výkyvy zotrvačníka gyroplánu. Pri navíjaní sa dobíja pomocná batéria, pri odvíjaní motorček vyvíja ťah spolu so zotrvačníkom pri zhodnej rýchlosti odvíjania s rýchlosťou vetra. Regulácia odberu výkonu zbaterky/do baterky môže byť reakciou na záťaž, zotrvačné sily alebo polohu ramienok odstredivých závažiek v koreni listov.

Regulácia uhlov nastavenia „a“ pri ťahu vrtúľ a odvíjaní a uhlu ,,β“ pri navíjaní môže byť analógová mechanickým systémom závažiek na ramienkach uchytených na osky listov, kde ramienka smerujú v smere otáčok dozadu a nad úroveň rotácie osiek so sklonom väčším než 45° od roviny otáčania, čím sa docieli potrebné zníženie polomerov odstredivej sily zRl na R2 progresívne a vztlaková sila klesá o potrebnú hodnotu o 30% až 50%. Navíjanie spotrebuje asi 30 50% energie, zvyšok udelí do zotrvačníka na gyropláne. Z dôvodu, že v protismere je rýchlosť vetra dva krát vyššia, výkon vrtúľ stúpa osem krát, výkon do navijáka asi 3-krát (znížený o spotrebu výkonu na ťah). Vrtule využívajú väčší prierez kinetickej energie prúdiaceho vzduchu. Pri súbežnom ťahu je výkon jednotkový. V priemere systém zužitkuje asi 2x väčší prierez vzduchu a špecifický výkon systému bude vyšší než v základnom priereze 2x.

Veľmi nízka hmotnosť systému je daná potrebou len malého motorka/generátora s malým priemerom početných vrtúľ, stabilizáciou uhla nastavenia listov aj na vonkajších okrajoch stabilizátorom, takže listy znášajú len ťahové zaťaženie.

Generátor elektrickej energie na zemi v spojení s navijakom na pevno môže byť mnohopólový a robustný alebo je spojený voľnobežkou do jedného smeru otáčania a môže byť sprevodovaný a obsahovať vlastný zotrvačník.

Štart gyroplánu sa uskutočňuje pomocnými motorkami a za prípadného vratného pohonu navijáka. Po nadobudnutí potrebnej výšky nastáva zafixovanie dorazovej pružiny a tým definovanie amplitúdy výkyvov systému v smere vetra. Po úplnom odvinutí lana sa automaticky započne kmitanie gyroplánu jeho zotrvačným navinutím v dľžke podľa hmotnosti systému.

Prehľad obrázkov

Obr. 1 znázorňuje bočný pohľad na systém dvojrotorového gyroplánu s navijákom.

Obr. IA je detail listových profilov a odstredivých závažiek X na polomeroch rotácie Ri a R₂.

Obr.l B je pohľad zhora na jednu vrtuľu so stabilizátormi 9, oskami listov 13 a odstredivými záväzkami 1.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Malá veterná elektráreň pre lokalitu s hustým lesným porastom a nízkym priemerom rýchlosti vetra. Výkon asi 1 kW jednosmerného prúdu pre batérie pre nominálnu rýchlosť vetra 5m/s vyžaduje v klasickom prevedení priemer rotora asi 6m a výšku stľpu nad 30m. Zakladanie a kotvenie takéhoto stľpu je neadekvátne potrebnému a získanému výkonu.

Lanový vetemo-energetický systém s dľžkou lanka 6 asi 80 m nevyžaduje klasický stĺp, obsahuje naviják 7 so základovou doskou a košom na prírodné závažie. Stredový priemer gyroplánu 6m o štyroch vrtuliach 2 priemeru 3m štartuje z pomocnej kľudovej konštrukcie na podnet vlastnej malej meteorologickej stanice. Pružina 8 má voľne priechodnú servo-svorku. Svorka sa programovo zaistí 10m pred odvinutím celej dĺžky lana 6. Následne sa naviják odvinie úplne a preklopením preklopného upnutia 12 lanka 6 sa začne navíjanie zotrvačnou energiou zotrvačníka navijaka 11. Na vrtuliach sa automaticky prestavia uhly nastavenia z a asi 3° na β asi -18° tým, že primáme stúpne uhol nábehu a odstredivá sila závažiek klesne úmerne k polomeru rotácie R2. Pomocný motorček 4 generuje prúd a dobíja baterku v jeho blízkosti. Po 10m navíjania energia zotrvačníka navijáka 11 zoslabne, pružina 8 narazí na doraz a celý cyklus sa permanentne opakuje. Protismemým pohybom s dvojnásobnou relatívnou rýchlosťou sa získal 8-násobný príkon 2 vetra zmenšený o zotrvačný výkon navijáka na cca 3-násobok jednotkového výkonu plôch. Súsledným pohybom 5m/s a plných otáčkach vrtúľ s 3° uhlom nábehu vzniká jednotkový výkon. Priemerný výkon cyklu využitím násobného prierezu vzduchu je teda dvojnásobný než na jednotku prierezu a bude 2 kW. Zvýšený prierez zachytávaného vetra vzniká z dôvodu pohybu gyroplánu a to jednak v smere lana 6 a tiež vo vertikálnom smere na lane 6, ktorý vzniká rôznorodou vztlakovou silou pri navíjam a odvíjam a je tiež podporovaný zmenou uhla nastavenia gyroplánu γ voči lanu 6 servom 14, ktoré spína súčasne so spínaním motorka 4. Možný je tiež priečny pohyb od smerového stabilizátora, ktorý je tiež ovládaný servom 14. Gyroplán systému operuje s pozdľžnou amplitúdou 10m a to 10 až 20m nad stromami v rozsahu veternosti od 5 do 15 m/s. Mimo týchto podmienok sa vysiela impulz na pristátie gyroplánu na pomocnej konštrukcii nad navijákom 7.

Podobnú činnosť prevádzkuje prevedenie systému určeného ako prenosné zariadenie v horách alebo iných expedičných oblastiach, kde stačí kotvenie v snehu a pri využívaní silných prúdení vzduchu stačí malé zariadenie ako prijateľný výkonový zdroj. Väčšie alebo prenosné zariadenia v dostatočnom počte môžu vytvoriť park pre rôzne technologické účely, ako napr. vrty, napájanie ťažných plavidiel pre presun ľadovcov, na povrchu ktorých sa park môže inštalovať, alebo ostrovná prevádzka parku na výrobu vodíka, ktorú možno premiestňovať, najmä ak je na vode umiestnená na stabilizačných a presuvných plavidlách.

Iná kategória sú horské systémy, ľahko inštalovateľné na hrebeňoch a vrcholkoch hôr s extrémnou intenzitou vetra. Takto umiestnený systém môže jednotlivo zásobovať energiou horské chaty a inštalované do parkov môžu vytvárať významné energetické zdroje v hornatých a ostrovných krajinách.

V púštnych oblastiach, kde sa ľahko inštalujú, môžu vytvárať hybridné a doplňujúce sa systémy so solárnymi komplexami pri spoločnom využití výstupných zariadení na spracovanie jednosmerných vstupov.

Claims (8)

1. Lanový vetemo-energetícký systém, ktorý k premene a zachytávaniu veternej energie využíva vztlakové telesá zavesené na ťažnom lane špecificky gyroplány s rotačnými krídlami, ser vyznačujdZv tým, že aspoň jeden gyroplán obsahuje zotrvačník (5) spojený s pásovým prevodom (3) svrtulkami (2), ktoré majú stabilizátory (9) svojich natáčacích listov a automatickú reguláciu uhlov nastavenia a a β v závislosti na rýchlostí prúdenia vzduchu, pričom gyroplán je spojený lanom (6) s pružinou (8) snavijákom (7), ktorý obsahuje doraz (10) pružiny (8), zotrvačník navijaka (11) a preklopné upnutie (12) lana (6) na jeho ukončení.

2. Lanový vetemo-energetický systém podľa bodu 1 Sa, vyznačuj^/tým, že obsahuje analógový ovládač uhlov nastavenia a a β pre režim odvíjania a navíjania, ktorý pozostáva zo závažiek (1) na šikmých ramienkach na oskách (13) listov, kde ramienka smerujú dozadu v smere otáčok a nad ich úroveň rotácie osiek (13) s uhlom väčším než 45°od roviny otáčania.

3. Lanový vetemo-energetický systém podľa bodu 1 vyznačujevfým, že zotrvačník (5) je priamo spojený s vysokootáčkovým motorkom (4) v režime odvíjania, ktorý je napájaný článkami batérie umiestnenej na gyropláne a ktorý je súčasne generátorom (4) v režime napájanie-dobíjanie baterky v režime protismerného navíjania gyroplánu.

tió&k. ä:

4. Lanový vetemo-energetický systém podľa bodu 1 vyznaČuja^-tým, že aspoň jeden gyroplán na lane (6) obsahuje servo (14) pre zmenu uhla nastavenia γ gyroplánu voči lanu (6) a smerový stabilizátor, ktorý môže byť tiež napojený na servo (14) <JÁ’ hl

5. Lanový vetemo-energetický systém podľa bodu 1 vyznačuj^Tým, že listy vrtúľ obsahujú stabilizátor (9) na svojom radiálne vonkajšom konci.

Á* **2

6. Lanový vetemo-energetický systém podľa bod» 1 s^vyznačujlptym, že generátor elektrickej energie v spojení snavijákom má pevnú spojku hriadeľov a je pólo vo dimenzovaný na nižšie vratné otáčky

7. Lanový vetemo-energetický systém podľa bodu 1 Sá, vyznačuj^ tým, že generátor elektrickej energie je spojený s navíjákom voľnobežkou na záber v smere odvíjania lana (6) z navijáka (7) a obsahuje svoj vlastný zotrvačník

8. Lanový vetemo-energetický systém podľa bodu 1 ^acvyznačiq^Tým, že na lane (6) sú prichytené gyroplány pozdĺž lán (6) vo väčšom počte , čomu je uspôsobený tvar ich dosadacích nôh so šikmým rozovretím, pričom lano (6) má otvárací úchyt na body závesov, alebo horná multiplochá časť má samostatné navíjačky pre zvinutie prepojovacej dĺžky lana (6) medzi každými dvomi gyroplánmi, alebo lanko (6) má v kľudovom stave tvar špirály medzi každým z početných gyroplánov