Висотна вітроенергетична установка

Реферат: Висотна вітроенергетична установка, що включає пристрій, призначений для його розміщення у набігаючому потоці повітря, прив'язний аеростат, утримуючий трос, електричну машину та систему управління, крім того, пристрій, призначений для його розміщення у набігаючому потоці повітря, виготовлений у вигляді, з'єднаного з прив'язним аеростатом, планера, забезпеченого гвинтом, хвостовим оперенням та крилами, встановленими шарнірно і симетрично відносно поздовжньої горизонтальної осі планера з можливістю виконання ними синхронних махальних рухів, використовуючи силу набігаючого потоку повітря, один кінець утримуючого троса з'єднаний з планером, другий - кінематично з'єднаний з електричною машиною, а установка забезпечена першим та другим з'єднувальними тросами, кожний з яких виготовлений з двох розташованих симетрично відносно утримуючого троса ділянок, один кінець кожної ділянки першого з'єднувального троса закріплений на верхній поверхні відповідного крила, другі кінці з'єднані між собою на утримуючому тросі над планером, один кінець кожної ділянки другого з'єднувального троса закріплений на нижній поверхні відповідного крила, а другі з'єднані між собою на утримуючому тросі під планером. UA 83869 U (12) UA 83869 U UA 83869 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Пропонована корисна модель належить до висотної вітроенергетики і призначена для перетворення енергії вітра на висоті, більшої за 90 метрів над поверхнею Землі у електричну енергію, а саме до конструкції висотної вітроенергетичної установки, яка може працювати у малому та середньому (для вітрогенераторів) діапазоні потужностей до десятків кіловат. На висоті від 90 до 300 метрів над поверхнею землі навіть у безвітряних регіонах існують постійні повітряні течії, які можуть бути використані для сталого отримання електричної енергії, але проблема полягає у можливості надійного утримування та управління вітроенергетичною установкою на такій висоті. Найбільш близькою до пропонованої за кількістю суттєвих ознак є висотна вітроенергетична установка, що включає пристрій, призначений для його розміщення у набігаючому потоці повітря, прив'язний аеростат, утримуючий трос, електричну машину та систему управління [Патент на винахід № 2467201 Росія, МПК F03D5/00 (2006.01), опубл. 20.11.2012]. У згаданій установці пристрій, призначений для його розміщення у набігаючому потоці повітря, виконаний у вигляді вітрил, а установка включає, окрім утримуючого (силового каната), допоміжний і додатковий канати та барабани для них, встановлені на поворотній платформі та дві електричні машини, одна з яких працює весь час у реверсному режимі. Недолік описаної конструкції полягає у наступному: - рух вітрил є по суті непередбачуваним і має складну тривимірну траєкторію, що створює значні проблеми у керуванні ними; - необхідність застосування кількох довгих і досить важких канатів, які під дією вітру та навантажень хаотично переміщуються, а тому можуть закручуватись, що спричиняє зменшення або навіть і зупинку вироблення електричної енергії, а тому згадана установка є недостатньо надійною; - складна система управління і вітрилами, і електричними машинами, щонайменше одна з яких працює у реверсному режимі, потребує праці спеціалістів високої кваліфікації, що суттєво підвищує експлуатаційні витрати і обмежує можливості щодо застосування згаданої установки для виробництва електричної енергії у важкодоступних місцях, наприклад серед лісів, пустель і таке інше. У основу пропонованої корисної моделі поставлена задача створення такої висотної вітроенергетичної установки, яка б була простіша, а її робота була б прогнозованою, а тому зручною у керуванні та обслуговуванні. Поставлена задача вирішується у пропонованій висотній вітроенергетичній установці за рахунок створення умов для автоматичного у заданих межах підйому та опускання пристрою, призначеного для його розміщення у набігаючому потоці повітря й застосування в установці лише одного утримуючого троса, який одночасно є і утримувачем згаданого пристрою, і передавачем механічної енергії від нього на електричну машину. Пропонована, як і відома висотна вітроенергетична установка, включає пристрій, призначений для його розміщення у набігаючому потоці повітря, прив'язний аеростат, утримуючий трос, електричну машину та систему управління, а, відповідно до пропонованої корисної моделі, пристрій, призначений для його розміщення у набігаючому потоці повітря, виготовлений у вигляді, з'єднаного з прив'язним аеростатом, планера, забезпеченого гвинтом, хвостовим оперенням та крилами, встановленими шарнірно і симетрично відносно поздовжньої горизонтальної осі планера з можливістю виконання ними синхронних махальних рухів, використовуючи силу набігаючого потоку повітря, один кінець утримуючого троса з'єднаний з планером, другий - кінематично з'єднаний з електричною машиною, а установка забезпечена першим та другим з'єднувальними тросами, кожний з яких виготовлений з двох розташованих симетрично відносно утримуючого троса ділянок, один кінець кожної ділянки першого з'єднувального троса закріплений на верхній поверхні відповідного крила, другі кінці з'єднані між собою на утримуючому тросі над планером, один кінець кожної ділянки другого з'єднувального троса закріплений на нижній поверхні відповідного крила, а другі з'єднані між собою на утримуючому тросі під планером. На відмінність від прототипу у пропонованій установці використаний лише один утримуючий трос, що виключає його заплутування та можливість впливу його стану на виробництво електроенергії установкою. Суть пропонованої конструкції пояснюється за допомогою схематичних креслень. На фіг.1 показано загальний вигляд висотної вітроенергетичної установки. На фіг.2, 3, 4, 5, 6 - показано роботу пропонованої установки при різних положеннях крил планера. Висотна вітроенергетична установка включає пристрій, призначений для його розміщення у набігаючому потоці повітря - планер 1, з'єднаний з прив'язним аеростатом 2. Планер 1 має фюзеляж, виготовлений у вигляді каркасної конструкції, обтягнутої повітронепроникною 1 UA 83869 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 тканиною. На планері 1 встановлений повітряний гвинт 3, два однакових крила 4, що прикріплені до фюзеляжу шарнірно і симетрично відносно поздовжньої горизонтальної осі фюзеляжу з можливістю виконання ними синхронних махальних рухів, використовуючи силу набігаючого потоку повітря. На планері 1 закріплений механізм 5 автоматичної (в залежності від швидкості вітру) зміни положення крил 4 з повітряним гвинтом 3. Установка має утримуючий трос 6, один кінець якого з'єднаний з прив'язним аеростатом 2, другий - кінематично з'єднаний з електричною машиною (генератором) 7, встановленою на землі. Як такий генератор 7 може бути застосований лінійний електрогенератор або гідравлічний насос-циліндр. На землі також розміщена система управління установкою /не показано/. На утримуючому тросі 6 поблизу прив'язного аеростата 2 закріплений планер 1. Установка забезпечена першим 8 та другим 9 з'єднувальними тросами, кожний з яких виготовлений з двох розташованих симетрично відносно утримуючого троса 6 ділянок. Один кінець кожної ділянки першого з'єднувального троса 8 закріплений на верхній поверхні відповідного крила 4, другі кінці з'єднані між собою на утримуючому тросі 6 між планером 1 та прив'язним аеростатом 2. Один кінець кожної ділянки другого з'єднувального троса 9 закріплений на нижній поверхні відповідного крила 4, а другі з'єднані між собою на утримуючому тросі 6 під планером 1. Точки з'єднання 10 та 11 ділянок з'єднувального троса 9 з поверхнями крил 4 розташовані так, щоб площа планера 1, перпендикулярна до напрямку вітру при горизонтальному чи близькому до нього положенню крил 4, розподілялась так, щоб між точками 10, 11 сумарна площа ділянок крил 4 та фюзеляжу була б на 25-35 % більшою за суму площ від точок з'єднання ділянок з'єднувального троса 9 до кінців крил 4. Така умова з'єднання ділянок з'єднувального троса 9 полегшує роботу механізму 5 зміни положення крил 4, призначеного для автоматичної зміни довжини утримуючого троса 6 у визначеному діапазоні його переміщення та відповідно і положення двох рухомих крил 4 відносно напрямку потоку повітря 12. Згаданий механізм 5 перетворює обертальний рух повітряного гвинта 3 у обернено-поступальний рух планера 1. Згаданий механізм може бути забезпечений вбудованим допоміжним електрогенератором і виконавчим блоком на дистанційному чи радіокеруванні з землі для оперативної зміни параметрів оберненопоступального руху чи зупинки гвинта 3, наприклад, на час виконання профілактичних робіт. Прив'язний аеростат 2 у пропонованій установці містить оболонку, виготовлену з газопроникної тканини, її порожнина призначена для заповнення окремими кульками з несучим газом /не показано/. При цьому кількість та об'єм кульок визначений можливістю отримання оболонкою надлишкової підйомної сили для утримування планера 1 на визначеній висоті у сталому потоці повітря і здійснення його періодичних підйомів-спусків разому певному діапазоні висот. Аеростат 2 забезпечений також сітчастою ємністю, призначеною для її заповнення кульками з несучим газом і встановленою з можливістю її пересування по утримуючому тросу та транспортування з землі до завантажувального порту оболонки додаткових кульок або кульок та корисного вантажу і наступного вивантажування сітчастої ємності у порожнині оболонки /не показано/. Система управління установкою включає персональний комп'ютер з відповідним програмним статком та датчики руху троса і значення підйомної сили, встановлені на ділянці утримуючого троса 6, датчики параметрів руху крил 4 планера 1, електричні прилади, за допомогою яких контролюють параметри електричного струму, виробленого електричною машиною 7 /не показано/. Виходи згаданих датчиків та електричні прилади з'єднані з відповідними входами персонального комп'ютера, а його виходи підключені до виконуючих пристроїв, що забезпечують роботу електричної машини 7, контролюють та коригують значення підйомної сили прив'язного аеростата 2 та обернено-поступальний рух утримуючого троса 6. Пропонована висотна вітроенергетична установка працює так. Планер 1, що перебуває у стані польоту і утримується у повітрі, завдяки його з'єднанню з прив'язним аеростатом 2, розміщують у потоці повітря на висоті приблизно 95 метрів над поверхнею землі і фіксують його положення за допомогою визначеної довжини утримуючого троса 6. Обертаючись під дією вітра, повітряний гвинт 3 планера приводить у дію механізм 5 автоматичної (в залежності від швидкості вітра) зміни положення крил 4 планера 1, що створює можливість періодичної зміни довжини утримуючого троса 6 у певному діапазоні - між точкою закріплення планера 1 і точкою з'єднання ділянок троса 9, а відповідно і двох рухомих крил 4 відносно напрямку повітряного потоку 12. Так, при зменшенні довжини ділянки утримуючого троса 6 між точкою закріплення на ньому планера 1 і точкою з'єднання ділянок троса 9 (послаблюється сила натягування ділянок троса 9) сила повітряного потоку вигинає крила 4 вверх (паралельно рухові потоку повітря 12), зменшуючи при цьому значення лобового опору і підйомну силу. При цьому сумарне натягання троса 6 зменшується. При збільшенні ж ділянки утримуючого тросу 6 між точкою закріплення на ньому планера 1 і точкою з'єднання ділянок 2 UA 83869 U 5 10 троса 9 зростає сила натягування останніх і сила повітряного потоку починає діяти на фюзеляж планера 1 і ділянки крил 4 між точками 10 та 11, розвертаючи крила 4 до низу перпендикулярно до напрямку повітряного потоку 12, збільшуючи при цьому значення лобового опору і підйомної сили. При цьому сила сумарного натягання троса 6 збільшується. Таким чином відбувається періодична зміна натягання троса 6. Чим більша швидкість потоку повітря 12, тим швидше обертається гвинт 3 і частіше відбувається періодична зміна натяганняпослаблення згаданої ділянки троса 6. Призначення ділянок першого з'єднувального троса 8 аналогічне призначенню ділянок другого з'єднувального троса 9. Таким чином, у пропонованій висотній вітроенергетичній установці створені умови для автоматичного у заданих межах підйому та опускання планера 1 і, як наслідок, періодичного поступального руху троса 6 і передавання цього руху на електричну машину 7 для сталого виробництва електричної енергії, яка не потребує постійної праці спеціалістів високої кваліфікації, а її роботою, зважаючи на високу надійність і простоту можна керувати на досить великій відстані від пропонованої установки. 15 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 25 30 Висотна вітроенергетична установка, що включає пристрій, призначений для його розміщення у набігаючому потоці повітря, прив'язний аеростат, утримуючий трос, електричну машину та систему управління, яка відрізняється тим, що пристрій, призначений для його розміщення у набігаючому потоці повітря, виготовлений у вигляді, з'єднаного з прив'язним аеростатом, планера, забезпеченого гвинтом, хвостовим оперенням та крилами, встановленими шарнірно і симетрично відносно поздовжньої горизонтальної осі планера з можливістю виконання ними синхронних махальних рухів, використовуючи силу набігаючого потоку повітря, один кінець утримуючого троса з'єднаний з планером, другий - кінематично з'єднаний з електричною машиною, а установка забезпечена першим та другим з'єднувальними тросами, кожний з яких виготовлений з двох розташованих симетрично відносно утримуючого троса ділянок, один кінець кожної ділянки першого з'єднувального троса закріплений на верхній поверхні відповідного крила, другі кінці з'єднані між собою на утримуючому тросі над планером, один кінець кожної ділянки другого з'єднувального троса закріплений на нижній поверхні відповідного крила, а другі з'єднані між собою на утримуючому тросі під планером. 3 UA 83869 U 4 UA 83869 U 5 UA 83869 U Комп’ютерна верстка С. Чулій Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6