Літальна вітроенергетична установка

Реферат: Літальна вітроенергетична установка виконана у вигляді дирижабля з циліндричним газонаповненим корпусом, звуженим на кінцях і оснащеним рулями управління польотом, гондолою для розміщення в ній людей та накопичувача енергії, виконаним у вигляді набору акумуляторів, які є одночасно баластом дирижабля. Корпус дирижабля виконаний у вигляді тороїда з утворенням у центральній частині поздовжньої крізної аеродинамічної труби, в порожнині якої розміщена вітроенергетична установка крильчастого типу, електрично зв'язана з накопичувачем енергії. Вхідний отвір аеродинамічної труби виконаний у вигляді сопла Лаваля. Вітроенергетична установка встановлена одразу за конфузором сопла Лаваля. UA 117130 U (54) ЛІТАЛЬНА ВІТРОЕНЕРГЕТИЧНА УСТАНОВКА UA 117130 U UA 117130 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до авіаційної промисловості, а саме до виробництва літальних апаратів легших за повітря, і може бути використана при виготовленні дирижаблів, оснащених силовою установкою, що працює у двох режимах як двигун для забезпечення заданого поступального рушення у польоті і як вітроенергетична установка під час стоянки. Відома система літальних апаратів легших за повітря, яка призначена для вироблення електроенергії за рахунок використання енергії вітру. Система літальних апаратів містить два аеростати з вітрилами, ширяючих в небі на безпечній відстані один від одного. Аеростати сполучені між собою міцним канатом довжиною в десятки, сотні метрів. Канат перекинутий через блок, що сидить на осі електрогенератора, а електрогенератор встановлений на вершині горба або на даху будинку. Аеростати парять, але на одному з них розкрите вітрило, а на іншому складене. Вітер надуває розкрите вітрило, несе аеростат, той тягне канат за собою, і канат обертає шків на осі електрогенератора, одночасно підтягаючи до нього другий аеростат, зі складеним вітрилом. Коли перший аеростат вибере всю довжину каната, його вітрило складається, а на другому, що виявилося поблизу електрогенератора, - розкривається. Тепер під дією вітру від блока віддаляється другий аеростат, а канат підтягає до електрогенератора перший аеростат. Таким чином, забезпечується безперервне обертання ротора генератора і вироблення електроенергії. Якщо вітер змінить напрям, вся система повернеться по вітру, як флюгер. Якщо трапиться повне безвітря, то аеростати просто будуть парити в повітрі нерухомо. Звичайно, змінюватися може і сила вітру, а отже, і частота обертання ротора електрогенератора, але компенсувати ці обурення справа лише техніки [див. статтю: Гольберг Б. Електростанція на повітряних зміях // Винахідник і раціоналізатор. - 1992. - № 9-10. - С. 14]. Одним з недоліків відомого аеростату в цій системі є те, що він не містить в своїй конструкції двигуна для примусового польоту і органів управління напрямом польоту. Отже, він не може використовуватися як автономний літальний апарат з керованим польотом, що суттєво обмежує його технічні і експлуатаційні можливості. Іншим недоліком цієї системи є те, що вітроенергетична установка встановлюється на даху будівлі або на горбі. За суттю, не літальний апарат оснащений вітряком, а вітряк забезпечений приводом електрогенератора, виконаним у вигляді двох аеростатів. Таке розділення системи надто не вигідне, якщо вийде з ладу хоча б один аеростат, то вітроенергетична установка залишається без приводу, що виключає можливість вироблення електроенергії незалежно від наявності чи відсутності вітру. А якщо ж електрогенератор вийде з ладу, то аеростати виявляться безкорисними. Ще одним недоліком відомої системи є те, що вона буквально прив'язана до певного місця розташування, тобто до місця знаходження електрогенератора. Розміщення останніх на дахах будівель, змушує парити аеростати безпосередньо над населеним пунктом, а це не завжди безпечно, по-перше і по-друге, якщо встановити багато електрогенераторів, то все небо над населеним пунктом буде закрите аеростатами, що малоприємно для мешканців, а також підвищується імовірність заплутування канатів, що також небезпечно. І останнім недоліком відомої системи енергозабезпечення є складність приводу для обертання ротора одного електрогенератора через використання двох аеростатів, що явно нерентабельно. Така система має дуже високу вартість, що неминуче відіб'ється в гіршу сторону і на собівартості електроенергії, що виробляється нею. Відома також літальна вітроенергетична установка, виконана у вигляді дирижабля з суцільним циліндричним корпусом, що звужується на кінцях, і оснащеним рулями управління польотом, гондолою для розміщення в неї людей і обладнанням, а також двома вітродвигунами, встановленим на пілонах на зовнішніх бічних поверхнях дирижабля симетрично відносно його подовжньої осі. Коли дирижабль зв'язаний з щоглою, він знаходиться нерухомо. При цьому вітровий потік, що набігає, обертає повітряні гвинти вітроенергетичних установок (вітродвигунів), електрогенератори яких виробляють електричний струм, який по проводах передається на землю споживачам. На дирижаблі відсутня система накопичення електроенергії [див. авторське свідоцтво СРСР № 1413371 з класу F24F 5/00, яке опубліковане 30.07.1988 року у Бюл. № 28]. Основним недоліком відомої літальної вітроенергетичної установки є те, що її вітродвигуни не можуть бути використані для забезпечення примусової тяги під час польоту. Цей недолік зумовлений наступними двома причинами. По-перше, конструктивні особливості електрогенераторів не дозволяють їх ефективно використати як електродвигуни - потрібна дуже великі витрати енергії, що не рентабельно і, по-друге, навіть якщо їх і використати як електродвигуни, то буде потрібне постійне підведення до них електричного струму, а такої можливості просто немає, оскільки у конструкції літального апарату не передбачений накопичувач електроенергії. 1 UA 117130 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Другим суттєвим недоліком відомої літальної вітроенергетичної установки є недосконалість конструкції її корпусу, а саме - виконання його суцільним. У результаті цього вітродвигуни примусово розміщують на пілонах по обидві сторони від корпусу дирижабля, який створює "повітряну тінь", тобто порушує стабільність і напрям (прямолінійність) повітряного потоку, що набігає, а отже знижує ефективність роботи вітродвигунів, оскільки на лопаті їх гвинтів надходить турбулентний вітровий потік, який, як відомо, не може утворювати високий тиск, тобто ефективно розкручувати повітряні гвинти вітродвигунів. З цієї ж причини - суцільність конструкції корпусу дирижабля - необхідно використати не менш двох вітродвигунів, розміщуючи їх симетрично відносно подовжньої осі дирижабля, щоб виключити зміщення його центра ваги у будь-якому напрямі. Наявність двох вітродвигунів, природно, ускладнює конструкцію літального апарату та відповідно знижує його надійність, що є одним з головних чинників безпеки польотів і є третім недоліком відомої літальної вітроенергетичної установки. Четвертий недолік відомої літальної вітроенергетичної установки зумовлений все тією ж причиною - суцільністю конструкції корпусу дирижабля. Саме через таку його конструкцію необхідно використати рулі напряму і висоти польоту значних розмірів через створення корпусом дирижабля все тієї ж горезвісної "повітряної ТІНІ", а це - додаткова витрата матеріалів, додаткова вага, що неминуче відіб'ється в гіршу сторону на собівартості дирижабля. Якщо ж використати рулі невеликих розмірів, то через "повітряну тінь" корпусу дирижабля вони будуть малоефективні - значно знизиться його маневреність, що створить проблеми під час керованого польоту по суворо заданому маршруту, під час польотів на малих висотах і під час здійснення посадки або зльоту. Найбільш близькою за своєю суттю та ефектом, що досягається, і яка приймається за прототип, є літальна вітроенергетична установка, яка виконана у вигляді дирижабля з циліндричним газонаповненим корпусом, звуженим на кінцях і оснащеним рулями управління польотом, гондолою для розміщення в ній людей і обладнання, яка додатково забезпечена накопичувачем енергії, виконаним у вигляді набору акумуляторів, які є одночасно баластом дирижабля, а також корпус дирижабля виконаний у вигляді тороїда з утворенням у центральній частині поздовжньої крізної аеродинамічної труби, в порожнині якої розміщена вітроенергетична установка крильчастого типу, електрично зв'язана з накопичувачем енергії, причому передня частина каркаса корпусу дирижабля, що звужується, виконана з шарнірно зчленованих стрижнів, що забезпечують зміну діаметра вхідного отвору аеродинамічної труби і крім того рулі управління польотом розташовані співвісно вихідному отвору аеродинамічної труби корпусу дирижабля [див. патент України № 58329 з класів В64В 1/06,1/24, F03D 9/02 який опублікований 15.07.2003 року у Бюл. № 7]. Основним конструктивним недоліком відомої літальної вітроенергетичної установки є складність носової частини дирижабля, яка складається з шарнірно зчленованих стрижнів для зміни вхідного отвору у аеродинамічну трубу. По-перше, для синхронної зміни просторової орієнтації стрижнів потрібна досить складна кінематична схема. По-друге, зміну діаметра вхідного отвору у польоті здійснити досить складно й небезпечно, для цього потрібний додатковий пілот, який повинен відстежувати зміну повітря та відповідно змінювати діаметр вхідного отвору у дирижабль. По-третє, у випадку згинання хоча б одного з стрижнів, уся система виявиться непридатною для зміни діаметру вхідного отвору. Тобто наявність змінного вхідного отвору ніяким чином не обґрунтована та неї немає сенсу. Другим аеродинамічним недоліком відомої літальної вітроенергетичної установки є низька продуктивність роботи вітроприймального крильчастого апарату, оскільки він розташований майже у центрі аеродинамічної труби. Оскільки передня частина аеродинамічної труби виконана у вигляді зрізаного конусу (дифузор), а далі йде прямолінійна циліндрична ділянка, вітровий топік, зіштовхуючись з похилими поверхнями дифузора, змінює напрям руху та стає повністю турбулентним, а отже не може ефективно впливати на лопаті вітроприймального апарату, через що продуктивність такої системи знижується. В основу корисної моделі поставлена задача підвищення продуктивності вироблення електроенергії з одночасним спрощенням конструкції дирижабля, за рахунок підвищення швидкості руху вітрового потоку, шляхом зміни конструкції вхідного отвору аеродинамічної труби та розташування вітроприймального пристрою у суворо визначеному місці. Рішення поставленої задачі досягається тим, що літальна вітроенергетична установка, яка виконана у вигляді дирижабля з циліндричним газонаповненим корпусом, звуженим на кінцях і оснащеним рулями управління польотом, гондолою для розміщення в ній людей та накопичувача енергії, виконаним у вигляді набору акумуляторів, які є одночасно баластом дирижабля, а також корпус дирижабля виконаний у вигляді тороїда з утворенням у центральній частині поздовжньої крізної аеродинамічної труби, в порожнині якої розміщена вітроенергетична 2 UA 117130 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 установка крильчастого типу, електрично зв'язана з накопичувачем енергії, згідно з пропозицією, вхідний отвір аеродинамічної труби виконаний у вигляді сопла Лаваля, а вітроенергетична установка встановлена одразу за конфузором сопла Лаваля. У соплі Лаваля завдяки специфіці його конструкції повітря у дифузорі плавно спрямовується до звуженої його ділянки, після якої швидкість повітря через поступове розширення конфузора постійно зростає, а отже з максимальною швидкістю потрапляє на вітроприймальний пристрій (крильчатку), відповідно збільшуючи продуктивність вітроенергетичної установки. При цьому максимально спрощується конструкція носової частини дирижабля через відсутність в неї системи поворотних стрижнів, а отже, підвищується надійність літального апарату, а разом з ним й безпечність польоту. У той час, коли дирижабль знаходиться на землі і утримується тросами біля місця парковки, він використовується як вітроенергетична установка. Розвертаючи дирижабль "на вітер", повітряний потік, що набігає, попадає в аеродинамічну трубу і обертає гвинт вітроенергетичної установки, електрогенератор якої виробляє електричний струм. Цей електричний струм надходить в накопичувач енергії, заряджаючи його акумулятори. Під час польоту дирижабля його вітроенергетична установка використовується вже як тяговий двигун дирижабля, який отримує електроенергію від акумуляторів. Таким чином, сукупність суттєвих ознак, отриманих завдяки внесенню принципових змін у конструкцію вхідного отвору аеродинамічної труби, що дозволило чітко визначити місцезнаходження в ній вітроенергетичної установки для максимального підвищення її продуктивності, дозволяє досягти певного технічного результату. Подальша суть запропонованого технічного рішення пояснюється ілюстративним матеріалом, на якому зображений подовжній розріз запропонованої літальної вітроенергетичної установки. Запропонована літальна вітроенергетична установка містить дирижабль, виконаний у вигляді кокона, центральна частина якого циліндрична, а кінці - звужені. Відмінною особливістю кокона є те, що корпус 1 виконаний у вигляді тороїда з центральним крізним подовжнім отвором 2, утворюючим аеродинамічну трубу в центрі кокона. Внизу під корпусом 1 закріплена гондола 3 в кабіною, салоном і багажним відділенням для розміщення в них пілотів, пасажирів, вантажів, що транспортуються. Під гондолою 3 розташований накопичувач енергії 4. В задній частині корпусу 1 встановлені рулі 5 управління польотом, які забезпечують примусову зміну напряму (горизонтальний руль) і висоти (вертикальний руль) польоту. Передня частина аеродинамічної труби виконана у вигляді сопла Лаваля 6. Всередині центрального подовжнього отвору 2 (всередині аеродинамічної труби) співвісно йому розміщена вітроенергетична установка 7 крильчатого типу, яка прикріплена до корпусу 1, наприклад за допомогою пілонів 8. Вітроенергетична установка 7 розташована одразу ж соплом Лаваля 6 та пов'язана через мультиплікатор або безпосередньо з електрогенератором 9, призначеним для перетворення механічної енергії обертання вітром крильчатки в електричну енергію. Електрогенератор 9 електрично пов'язаний з накопичувачем енергії 4, який може мати будь-яку конструкцію, наприклад виконаний у вигляді набору акумуляторів. Накопичувач енергії 4, виконаний у вигляді набору окремих акумуляторів, служить одночасно і баластом запропонованої літальної вітроенергетичної установки. У разі необхідності вони можуть бути частково скинені для зменшення загальної ваги дирижабля. Безумовно, в цьому випадку, ємність накопичувача енергії зменшується, однак, в екстрених ситуаціях цим можна нехтувати. Як електрогенератор 9 доцільно використовувати електродвигун постійного струму, який може ефективно працювати в двох режимах: і як генератор електричного струму, і як електродвигун. Каркас корпусу 1 дирижабля утворений набором кільцевих шпангоутів 10, зовнішні та внутрішні контури яких огинає еластична оболонка 11, яка і утворює (формує) кокон з центральною подовжньою аеродинамічною трубою, тобто тороїд. Рулі 5 управління польотом виконані у вигляді вертикального і горизонтального хвоста і служать для зміни напряму і висоти польоту відповідно. Рулі 5 управління польотом розташовані у задній частині корпусу 1 дирижабля, навпроти центрального подовжнього отвору 2, співвісно йому. Завдяки такому розташуванню рулів 5 управління польотом (на виході з аеродинамічної труби), повітряний потік, що проходить крізь отвір 2 і прискорений працюючою вітроенергетичною установкою 7 у режимі тягового двигуна, ефективно впливає на горизонтальні і вертикальні площини хвостів, оскільки в цьому випадку відсутній ефект "затінення" повітряного потоку, характерного для дирижаблів із суцільним корпусом. З цієї причини, розміри (площа) рулів 5 управління польотом можуть бути значно зменшені, а маневреність дирижабля при цьому зростає за рахунок впливу на хвости прямолінійного повітряного потоку, що набігає. 3 UA 117130 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Подальша суть запропонованого технічного рішення пояснюється спільно з принципом роботи літальної вітроенергетичної установки. Акумулятори накопичувача енергії 4 заздалегідь (перший раз) заряджені електричним струмом для забезпечення роботи електрогенератора 9, для якого, як вже відмічалося, використовується електродвигун постійного струму. Для забезпечення направленого переміщення дирижабля у повітряному просторі, електрогенератор 9 працює в режимі двигуна постійного струму, що забезпечує тягу для примусового переміщення дирижабля. Після завершення посадки пасажирів в гондолу 3 дирижабля або завантаження гондоли 3 необхідним вантажем, пілот включає електрогенератор 9, який для своєї роботи споживає електричний струм, заздалегідь запасений в накопичувачі енергії 4. При роботі електрогенератора 9 в режимі електродвигуна, його ротор обертається, примусово обертаючи вітроколесо (крильчатку) вітроенергетичної установки 7. Завдяки цьому, у центральному отворі 2 виникає направлений рух повітряного потоку від входу в отвір 2, до його виходу. Вітроколесо, що обертається, засмоктує повітря в отвір 2, прискорює його і виштовхує на рулі управління польотом 5. Цей штучно створений повітряний потік в отворі 2 корпусу 1 забезпечує тягу дирижабля, забезпечуючи його переміщення в повітряному просторі. За допомогою рулів 5 управляють напрямом і висотою польоту. При польоті дирижабля у потоці попутного вітру, електрогенератор 9 можна відключити від джерела енергії - накопичувача енергії 4. У цьому випадку політ здійснюється без витрати енергії. У аварійній ситуації, за необхідність, частина накопичувача енергії 4 (акумуляторів) може бути скинена з дирижабля для зниження його загальної ваги. Після посадки дирижабля, під час стоянки його використовують як наземну повітряну вітроелектростанцію для підзарядки акумуляторів накопичувача енергії 4 електричним струмом (накопичення енергії для майбутніх польотів) і для електропостачання аеродрому. Щоб природний повітряний потік, який має місце у вітряну погоду, попадав у центральний отвір 2 і корпус 1 дирижабля, його необхідно розвернути носовою частиною назустріч вітру. Такий розворот корпусу 1 дирижабля відбувається самостійно природним чином, завдяки тому, що корпус 1 кріпиться до місця парковки за допомогою троса, прикріпленого до носової частини дирижабля. При такому кріпленні корпусу 1, останній, чинячи опір повітряному потоку, завжди буде сам встановлюватися "по вітру" без додаткової допомоги. Прискорений соплом Лаваля 6 повітряний потік, потрапляючи у центральний отвір 2 корпусу 1, приводить у обертання вітроколесо вітроенергетичної установки 7. Оскільки вітроколесо кінематично пов'язано з валом електрогенератора 9, то ротор останнього, обертаючись, буде виробляти електричний струм. Електричний струм, що виробляється, передається до накопичувача енергії 4, заряджаючи його акумулятори. Після повної зарядки акумуляторів, електричний струм, що виробляється, електрогенератором 9 надходить в енергосистему аеродрому для забезпечення електричним струмом його об'єктів. Відомо, що при збільшенні відстані від поверхні землі, швидкість вітру зростає. Тому для підвищення ефективності роботи вітроенергетичної установки 7, корпус 1 дирижабля доцільно розташовувати під час стояння не на землі, а в атмосфері. Для цього довжину троса збільшують до необхідних розмірів, при цьому корпус 1 дирижабля підіймається вгору і парить в повітряному потоку. Вироблення електроенергії вітроенергетичною установкою 7 відбувається так само, як і при парковці дирижабля на землі, тільки з більшою ефективністю завдяки збільшенню потужності вітрового потоку у верхніх шарах атмосфери. Таким чином, запропонована літальна вітроенергетична установка може експлуатуватися в двох режимах: безпосередньо як транспортний засіб і як наземна або ширяюча вітростанція для вироблення електроенергії, при цьому використовуючи для різних режимів експлуатації, одну й ту ж саму вітроенергетичну установку. Суттєва відмінність заявленого об'єкта від раніше відомих, полягає в тому, що передня частина аеродинамічної труби виконана у вигляді сопла Лаваля, безпосередньо за яким розташована вітроенергетична установка. Вказані відмінності, у сукупності, дозволяють отримати потужний вітровий потік, який у зоні, коли цей потік досягає максимальної швидкості, спрямувати на крильчатку вітроенергетичної установки, максимально підвищуючи її продуктивність. А заміна рухомого вхідного отвору на сопло Лаваля, дозволяють спростити конструкцію дирижабля без погіршення його характеристик та підвищити розганяння повітряного потоку. Жодна літальна вітроенергетична установка не може мати вказані властивості, оскільки вони не містять у своєму складі всіх суттєвих ознак, притаманних заявленому технічному рішенню. До технічних переваг запропонованого технічного рішення, у порівнянні з прототипом, можна віднести наступне: 4 UA 117130 U 5 10 15 20 можливість прискорення повітряного потоку у аеродинамічній трубі за рахунок використання вхідного отвору у вигляді сопла Лаваля; підвищення продуктивності вітроенергетичної установки за рахунок впливу на неї прискореним повітряним потоком; максимальне спрощення конструкція носової частини дирижабля через відсутність в неї системи поворотних стрижнів; підвищення надійності літального апарату, а разом з ним, й безпечність польоту внаслідок спрощення конструкції. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Літальна вітроенергетична установка, яка виконана у вигляді дирижабля з циліндричним газонаповненим корпусом, звуженим на кінцях і оснащеним рулями управління польотом, гондолою для розміщення в ній людей та накопичувача енергії, виконаним у вигляді набору акумуляторів, які є одночасно баластом дирижабля, а також корпус дирижабля виконаний у вигляді тороїда з утворенням у центральній частині поздовжньої крізної аеродинамічної труби, в порожнині якої розміщена вітроенергетична установка крильчастого типу, електрично зв'язана з накопичувачем енергії, яка відрізняється тим, що вхідний отвір аеродинамічної труби виконаний у вигляді сопла Лаваля, а вітроенергетична установка встановлена одразу за конфузором сопла Лаваля. Комп’ютерна верстка О. Гергіль Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ– 42, 01601 5