ВЕТРЯНОЙ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР Российский патент 2011 года по МПК F03D5/00 F03D11/04 

Изобретение касается способа, а также системы для преобразования кинетической энергии, содержащейся в горизонтальных потоках, возникающих в естественных текучих средах, находящихся над землей, в полезную механическую энергию.

Почти везде в основных встречающихся на Земле текучих средах (воздух, содержащийся в атмосфере над поверхностью Земли, пресная и солевая вода, накапливаемая в водоемах) существуют естественные горизонтальные потоки. Под горизонтальными потоками в контексте данного изобретения понимаются такие потоки, которые непременно имеют горизонтальную составляющую. Примерами подобных потоков являются ветра в различных слоях атмосферы, или морские течения, или другие течения в водоемах. Принципиально эти потоки являются накопителями больших количеств энергии, использование которой все больше желательно и уже осуществляется в различных вариантах. Примерами технических уже реализуемых вариантов использования подобных потоков являются приливные гидроэлектростанции, которые используют поток водных масс, начинающийся при приливе или заканчивающийся при отливе, чтобы вырабатывать электричество с помощью турбин и рядом с ними расположенных генераторов, или ветросиловых установок, которые посредством роторов, приводимых в движение дующим над землей ветром, превращают ветровую энергию сначала в механическую энергию и посредством присоединенных к ним генераторов - в электрическую энергию.

Освоение энергии, существующей в подобных потоках, по сравнению с производством энергии из минерального топлива или посредством использования ядерных процессов имеет преимущество в том, что оно является значительно более экологически чистым.

Из US2002/0033019 А1 известна энергетическая система, извлекающая энергию из естественных водных и воздушных потоков. Данная система выполнена в виде двигателей, совершающих возвратно-поступательное движение на большой ход в открытых потоках и использующих один или более взаимодействующих с потоком элементов, таких как, например, плавучих якорей (парашютов) для водных потоков или аэродинамических профилей для использования с ветром, привязанных к силовому барабану и используемых для получения электрической энергии или для закачки воды, например, из скважины.

С помощью изобретения поэтому должен быть предложен новый способ для освоения энергий, содержащихся в проточных текучих средах. Далее должна быть указана система, с помощью которой такой способ может быть преобразован.

Решение аспектов этой задачи, относящихся к способу согласно изобретению, осуществляется посредством способа с признаками по п.1 формулы изобретения с альтернативой посредством способа с признаками по п.3 формулы изобретения, системы, решающие аспекты, относящиеся к системе, указаны альтернативно в п.п.6 и 8 формулы изобретения. Предпочтительные дальнейшие варианты усовершенствования для способа названы в зависимых п.п.2, 4 и 5 формулы изобретения, а для системы - в п.п.7, 9 и 10. В п.п.11 и 12 формулы изобретения указаны конечные применения новой системы согласно изобретению.

Принципиальный вывод, на которые опираются способ и система, состоит в том, что возникающие над землей горизонтальные потоки на основе трения относительно неподвижной поверхности земли вблизи земли текут со скоростью, лежащей около нуля, с возрастающим расстоянием от земли скорость потока увеличивается. Этот принцип действует как для воздушных потоков, как, например, в материковых ветрах, дующих по существу в постоянном направлении через широкие области земной поверхности, так и для потоков в воде, например морских течениях.

Этот основной принцип согласно изобретению в первом аспекте используется таким образом, что движущиеся в потоках несущие корпусы, которые прикреплены к циркулирующему элементу посредством удерживающих тросов или цепей, установлены на различных высотах относительно земли. Там, где несущий корпус должен двигаться вместе с потоком, установлен соответственно длинный удерживающий трос или удерживающая цепь, таким образом, несущий корпус оказывается находящимся в лежащей высоко над землей области потока, в которой скорость потока выше, чем в близких к земле областях. Во встречном движении несущий корпус, который должен двигаться в системе против потока (должен тянуться по меньшей мере одним дополнительным несущим корпусом), посредством соответственно более короткого удерживающего троса или подобной удерживающей цепи подводится ближе к земле, где скорость потока текучей среды меньшей. Посредством разности действующих на несущие корпусы скоростей потока получается результирующая скорость потока, которая приводит в действие систему из циркулирующего элемента и несущих корпусов в направлении вращения и, таким образом, питает эту систему полезной механической энергией. Существенным условием для этого является то, что удерживающие тросы или цепи имеют явно меньший поперечный профиль приложения силы, чем несущие корпусы, расположенные на их свободных концах.

Когда несущие корпусы доходят до точек поворота циркулирующего элемента (они являются теми точками, в которых в системе «меняется направление», т.е. циркулирующий элемент проходит поперек направления потока, чтобы затем снова пройти параллельно потоку во встречном направлении), длина привязных тросов или цепей должна быть соответственно подобрана, чтобы ранее идущий противоположно потоку, теперь увлекаемый в направлении потока несущий корпус был отпущен на более удаленный от земли уровень высоты, чем ранее идущий в направлении потока, а теперь противоположно тянущийся несущий корпус.

Дальнейшее улучшение коэффициента полезного действия способа согласно изобретению или системе получается, когда предусмотрены несущие корпусы с изменяемыми поперечными профилями приложения силы. Например, несущие корпусы могут иметь дополнительные поверхности по типу «парусов» или «тяговых парашютов», которые устанавливают тогда, когда несущий корпус движется с горизонтальным потоком, или несущие корпусы могут быть созданы в целом с возможностью изменения их поперечных профилей.

В альтернативном аспекте может быть в принципе использовано также только изменение поперечного профиля приложения силы, как описано выше, для перемещения циркулирующего элемента с расположенными на нем несущими корпусами на удерживающих тросах или цепях с преимущественно одинаковыми, во всяком случае остающимися одинаковыми длинами, перемещать в движении обращения и таким образом преобразовать энергию из горизонтального потока.

Наилучший коэффициент полезного действия, конечно, достигается при сочетании обоих вышеописанных мероприятий, регулировке длин удерживающих тросов (цепей) и регулировке поперечных профилей приложения силы.

Чтобы на как можно более длинном участке циркулирующего элемента содержащаяся в потоке энергия могла быть преобразована в полезную механическую энергию, предпочтительно, если циркулирующий элемент проложен так, как описано в пунктах 2 или 5 формулы изобретения. Таким образом, энергия может быть преобразована на более длинных проходящих по существу параллельно направлению горизонтального потока участках, участки пути, проходящие вдоль точки поворота, в которых энергия должна быть израсходована для поворота системы, являются соответственно короткими.

В качестве несущих корпусов принимаются во внимание все корпуса, которые в проточной текучей среде имеют положительную подъемную силу. В случае воздуха это могут быть, например, дирижабли, газовые баллоны или тому подобные. Для применения в проточной воде принимаются во внимание наполненные газом или воздухом баллоны или буи.

Способ согласно изобретению или система согласно изобретению, в частности, полученная с помощью этого способа или этой системы полезная механическая энергия, могут быть разнообразно использованы. Например, возможно использование системы согласно изобретению для транспортировки товаров или людей. Это представляется особенно возможным, если преобладающие в атмосфере ветра используются в качестве горизонтального потока. В этом случае в качестве несущих корпусов могут быть использованы, например, дирижабли, которые являются достаточно большими и подходят для захватывания грузов, так что они могут захватить контейнеры с товарами или гондолы с людьми. Этот тип использования системы согласно изобретению позволяет во всяком случае транспортировку товаров и/или людей в одном направлении, которое по существу устанавливается соответственно или противоположно преобладающему главному направлению ветра в регионе транспортировки. Например, в Северной Европе вследствие подавляюще преобладающих здесь восточных ветров была бы возможна транспортировка по существу в направлении восток-запад.

Для транспортировки на длинные дистанции может быть предпочтительно, если такая транспортная система реализуется не посредством единственной большой системы согласно изобретению, но посредством большого числа соединенных цепочкой друг с другом систем согласно изобретению. Таким образом, для конкретной технической разработки можно прибегнуть, например, к известному методу подвесной канатной дороги, в котором уже реализованы решения для передачи гондол подвесной канатной дороги из одного канатного вращающегося контура в другой. Подобным образом тогда, например, удерживающие тросы или цепи с закрепленными на них несущими корпусами могут быть переданы от одного циркуляционного элемента к другому, на которых они, как в известных системах канатной дороги, с одной системы отцепляются и к следующей прицепляются.

Дополнительная возможность применения системы согласно изобретению или такого способа состоит в том, чтобы получать электрическую энергию. Для этого обусловленная непрерывным обращением циркулирующего элемента механическая энергия должна быть отведена, например, посредством соответствующих соединений зубчатых колес, чтобы с помощью этой энергии известным способом привести в действие генераторы и преобразовать механическую энергию в электрическую. При этом, в принципе, возможно, что полученная посредством обращения циркуляционного элемента механическая энергия только тогда преобразуется в электрическую, когда она потребляется. В периоды недостаточного потребления электрической энергии (например, ночами) это предпочтительно с точки зрения энергетического баланса, механическая энергия преобразуется в другой тип механической энергии, тогда при этом происходят незначительные потери. Например, посредством обращения циркулирующего элемента полученная механическая энергия может быть использована, чтобы перекачивать воду или другую жидкость в высоко расположенный резервуар, причем полученная таким образом потенциальная энергия в периоды высокого потребления снова может быть превращена в электрическую энергию известным способом посредством обеспечения спуска закаченной на высокий уровень воды через турбины и приведения в движение соответствующих генераторов.

Дальнейшие преимущества и признаки изобретения следуют из последующего описания примеров выполнения на основе приложенных чертежей. На чертежах изображено:

Фиг.1 - схематичная диаграмма, которая показывает соотношение скорости ветра в зависимости от высоты над землей;

Фиг.2 - система согласно изобретению в схематичном изображении;

Фиг.3 - система согласно изобретению в схематичном изображении при использовании для транспортировки товаров;

Фиг.4 - в схематичном изображении возможное расширение несущего корпуса вокруг увеличивающего поперечный профиль ведущего паруса; и

Фиг.5 - схематично дополнительная возможность для динамического изменения поперечного профиля приложения силы несущего корпуса.

На чертежах схематично показан возможный пример осуществления способа согласно изобретению или системы согласно изобретению с отдельными подвариантами.

На фиг.1 прежде всего на примере ветра схематично изображено, как скорость ветра увеличивается в зависимости от расстояния от земли, следовательно, от высоты. Здесь в качестве примера несущих корпусов изображены дирижабли на различных уровнях высоты, чтобы пояснить, что они испытывают различные скорости ветра.

Явствующий из чертежа на фиг.1 принцип используется в изобретении для превращения содержащейся в ветре (воздушном потоке) кинетической энергии в полезную механическую энергию. Система согласно изобретению для этого превращения энергии схематично изображена на фиг.2. Система содержит в качестве существенной составной части направленный по замкнутому контуру циркулирующий элемент 1. Этот циркулирующий элемент может быть, например, циркулирующим замкнутым тросом или подобной цепью. Циркулирующий элемент 1 проходит, как изображено на чертеже, существенно более длинными участками 2 и 3 параллельно или противоположно (навстречу) направлению ветра, которое на чертеже обозначено стрелкой. Существенно более короткие участки 4 и 5 циркулирующего элемента проходят поперек направления ветра и образуют точки поворота.

В по существу противолежащих друг к другу позициях на циркулирующем элементе 1 закреплены удерживающие тросы 6 и 7, на свободных концах каждого из которых прикреплен несущий корпус в виде дирижабля 8. Длины удерживающих тросов 6, 7 и тем самым расстояние дирижабля 8 до циркулирующего элемента 1 являются регулируемыми. Циркулирующий элемент 1 установлен предпочтительно непосредственно на земле, так что длина удерживающего троса 6 или 7 определяет расстояние дирижабля 8 до земли.

Удерживающие тросы 6, 7 связаны с приспособлениями, расположенными на циркулирующем элементе 1, которые дают возможность изменения длин удерживающих тросов 6, 7. Подобные приспособления могут, например, быть лебедками или тому подобным.

Как видно на чертеже, дирижабль 8, летящий в направлении ветра, закреплен на удерживающем тросе 7, который установлен на большую длину, чем удерживающий трос 6, который несет дирижабль 8, летящий противоположно направлению ветра. Сравнение с фиг.1 позволяет выяснить, что посредством этой установки закрепленный на удерживающем тросе 7 дирижабль 8 испытывает большую скорость ветра, чем дирижабль 8, закрепленный на более коротком удерживающем тросе 6. Таким образом, на дирижабль 8, который закреплен на более длинном удерживающем тросе 7, действует большая сила, чем на дирижабль 8, закрепленный на более коротком удерживающем тросе 6. За счет этого вся система, включая циркулирующий элемент 1, приводится в движение в направлении вращения по часовой стрелке, и таким образом механическая энергия преобразуется из энергии потока ветра.

При достижении дирижаблями 8 точек 4 и 5 поворота циркулирующего элемента 1 в точке 4 поворота удерживающий трос 6 удлиняется, а в точке поворота 5 удерживающий трос 7 укорачивается. Посредством кинетической энергии, накопленной в циркулирующем элементе 1 посредством его движения, дирижабли 8 протягиваются через точку 4 или 5 поворота, и вышеописанным способом снова можно получить движущую силу циркулирующего элемента 1.

На фиг.3 схематично изображен вариант системы согласно изобретению, при котором на дирижабль, летящий за счет ветра на большей высоте, дополнительно установлен на более длинном удерживающем тросе 7 тяговый парашют 9 для увеличения подставленного ветру поперечного профиля приложения силы и вместе с тем увеличения использования энергии, содержащейся в воздушном потоке. Тяговый парашют 9 убирается в точке 5 поворота, а в точке 4 поворота у прибывающего туда дирижабля 8 снова устанавливается. Кроме того, на этом чертеже направление вращения циркулирующего элемента 1 дополнительно обозначено стрелками. Также на этом чертеже показано возможное использование системы согласно изобретению, а именно использование для транспортировки полезных грузов 10. Эти полезные грузы могут, например, быть контейнерами с товарами, но также гондолами с людьми или объединением транспортных средств для товаров и людей.

На фиг. 4 и 5 схематично показаны дополнительные возможности изменения поперечного профиля приложения силы у несущих корпусов, например, в виде дирижабля 8. Одна возможность изображена на фиг. 4 и касается использования колпакообразного воздушного паруса 11, расположенного на переднем в направлении движения конце дирижабля 8. Он предпочтительно выполнен таким образом, что в случае попутного ветра он выставляется посредством наступающего ветра и тогда за счет воронкообразной или грибообразной геометрии ветру подставляет явно увеличенный поперечный профиль приложения силы. При встречном ветре воздушный парус автоматически прилегает, так что дирижабль подставляет ветру в целом меньший поперечный профиль приложения силы.

Дополнительная возможность изменения поперечного профиля приложения силы схематично показана на фиг.5. Посредством изменения протяженности дирижабля 8 при соответствующей конструкции одновременно может быть достигнуто изменение поперечного профиля. Если дирижабль 8 вытягивается в длину, то уменьшается поперечный профиль и вместе с ним поперечный профиль приложения силы, если он сплющивается в его продольном направлении, то устанавливается поперечный профиль приложения силы типа воздушного шара, так что он может быть охвачен воздействующим воздушным потоком.

Показанная здесь схематично система согласно изобретению или таким образом из потока (здесь воздушного потока) преобразованная механическая энергия может, как, например, изображено на фиг.3, быть использована для транспортировки товаров, равным образом возможно также как один аспект изобретения эту энергию дальше преобразовать в электрическую энергию посредством того, что с помощью механической энергии приводят в действие, например, генераторы или тому подобные. Например, таким образом могут быть построены ветросиловые установки, которые отличаются от известных тем, что стационарно вблизи земли простроенные ветряные колеса не зависят от преобладающей вблизи земли скорости ветра. Типичные высоты полета для системы согласно изобретению в атмосферном воздухе могут быть вплоть до высот в области от 2000 до 3000 метров, так что, например, на более длинном удерживающем тросе 7 закрепленный дирижабль или другой несущий корпус находится на этой высоте, а закрепленный на укороченном удерживающем тросе 6 движущийся против ветра несущий корпус - на высоте около тысячи метров. На таких высотах преобладает почти постоянно пригодная скорость ветра, так что подобные электростанции надежно могут работать почти непрерывно.

Перечень ссылочных позиций

1. Циркулирующий элемент

2. Участок

3. Участок

4. Точка поворота

5. Точка поворота

6. Удерживающий трос

7. Удерживающий трос

8. Дирижабль

9. Тяговый парашют

10. Полезный груз

11. Парус

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для преобразования энергии, содержащейся в горизонтальных потоках естественных текучих сред, в полезную механическую или электрическую энергию. В способе преобразования энергии по одному варианту предусмотрен по меньшей мере один направленный по замкнутому контуру, расположенный горизонтально над землей циркулирующий элемент, на котором по меньшей мере в двух противолежащих друг к другу позициях прикреплены регулируемые по длине удерживающие тросы и/или цепи с расположенными на их свободных концах несущими корпусами, имеющими поперечный профиль приложения силы потока, причем: а) удерживающий трос или цепь, установленные на участке, направленном в направлении горизонтального потока, устанавливают с большей длиной, чем удерживающий трос или цепь, установленные на участке, направленном противоположно направлению горизонтального потока; б) длины тросов в области точек поворота циркулирующего элемента, в которых ход циркулирующего элемента относительно потока поворачивается в обратном направлении, подобраны таким образом, что они снова удовлетворяют требованию, указанному под а). В другом варианте раскрыт способ преобразования энергии, при котором предусмотрен по меньшей мере один направленный по замкнутому контуру, расположенный горизонтально над землей циркулирующий элемент, на котором по меньшей мере в двух противолежащих друг к другу позициях прикреплены удерживающие тросы и/или цепи с расположенными на их свободных концах несущими корпусами, имеющими поперечный профиль приложения силы потока, причем поперечный профиль приложения силы несущего корпуса изменяют таким образом, что поперечный профиль приложения силы несущего корпуса, движущегося в направлении горизонтального потока, больше, чем поперечный профиль приложения силы несущего корпуса, движущегося в противоположном направлении. Использование способа обеспечит эффективное преобразование кинетической энергии воздушных потоков в механическую или электрическую энергию. 5 н. и 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ преобразования кинетической энергии, содержащейся в горизонтальных потоках, возникающих в естественных текучих средах, находящихся над землей, в полезную механическую энергию, причем предусмотрен по меньшей мере один направленный по замкнутому контуру, расположенный по существу горизонтально над землей, циркулирующий элемент (1), на котором по меньшей мере в двух по существу противолежащих друг к другу позициях прикреплены регулируемые по длине удерживающие тросы (6, 7) и/или цепи с расположенными на их свободных концах соответственно несущими корпусами (8), имеющими поперечный профиль приложения силы потока, причем
a) удерживающий трос (7), установленный на участке (2) циркулирующего элемента (1), направленном, если смотреть в направлении обращения циркулирующего элемента (1), в направлении горизонтального потока, и/или подобную удерживающую цепь устанавливают с большей длиной, чем подобный удерживающий трос (6) и/или подобная удерживающая цепь, установленный/-ая на участке (3) циркулирующего элемента (1), направленном, если смотреть в направлении обращения циркулирующего элемента (1), противоположно направлению горизонтального потока, и причем
b) длины удерживающих тросов (6, 7) в области точек (4, 5) поворота циркулирующего элемента (1), в которых, если смотреть в направлении обращения циркулирующего элемента (1), ход циркулирующего элемента (1) относительно горизонтального потока поворачивается в обратном направлении, регулируют таким образом, что они снова удовлетворяют требованию, указанному под а).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что соответствующий поперечный профиль приложения силы несущего корпуса (8) изменяют таким образом, что поперечный профиль приложения силы несущего корпуса (8), движущегося в направлении горизонтального потока, больше, чем поперечный профиль приложения силы несущего корпуса (8), движущегося в противоположном направлении.

3. Способ преобразования кинетической энергии, содержащейся в горизонтальных потоках, возникающих в естественных текучих средах, находящихся над землей, в полезную механическую энергию, при котором предусмотрен по меньшей мере один направленный по замкнутому контуру, расположенный по существу горизонтально над землей, циркулирующий элемент (1), на котором по меньшей мере в двух по существу противолежащих друг к другу позициях прикреплены удерживающие тросы (6, 7) и/или цепи с расположенными на их свободных концах соответственно несущими корпусами (8), имеющими поперечный профиль приложения силы потока, причем соответствующий поперечный профиль приложения силы несущего корпуса (8) изменяют таким образом, что поперечный профиль приложения силы несущего корпуса (8), движущегося в направлении горизонтального потока, больше, чем поперечный профиль приложения силы несущего корпуса (8), движущегося в противоположном направлении.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что удерживающие тросы (6, 7) и/или цепи являются регулируемыми по длине, причем
а) удерживающий трос (7), установленный на участке (2) циркулирующего элемента (1), направленном, если смотреть в направлении вращения циркулирующего элемента (1), в направлении горизонтального потока, и/или подобную удерживающую цепь устанавливают с большей длиной, чем подобный удерживающий трос (6) и/или подобная удерживающая цепь, закрепленный/-ая на участке (3) циркулирующего элемента (1), направленном, если смотреть в направлении вращения циркулирующего элемента (1), противоположно направлению горизонтального потока, и причем
b) длины удерживающих тросов (6, 7) в области точек (4, 5) поворота циркулирующего элемента (1), в которых, если смотреть в направлении обращения циркулирующего элемента (1), ход циркулирующего элемента (1) относительно горизонтального потока поворачивается в обратном направлении, регулируют таким образом, что они снова удовлетворяют требованию, указанному под а).

5. Способ по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что циркулирующий элемент (1) проложен таким образом, что его участки (2, 3), проходящие в направлении горизонтального потока и противоположно ему, существенно длиннее, чем участки, направленные поперек горизонтального потока.

6. Система для осуществления способа по п.1, содержащая по меньшей мере один направленный по замкнутому контуру, расположенный по существу горизонтально над землей циркулирующий элемент (1), по меньшей мере два (две) расположенных(-е) в по существу противолежащих позициях с возможностью изменения их длин удерживающих(-е) троса (6, 7) и/или цепи, на свободных концах которых расположено по одному несущему корпусу (8) с поперечным профилем приложения силы горизонтального потока, и приспособление для регулирования длин удерживающих тросов (6, 7) и/или цепей.

7. Система по п.6, отличающаяся тем, что несущие корпуса (8) выполнены с возможностью изменения их поперечных профилей приложения силы.

8. Система для осуществления способа по п.3, содержащая по меньшей мере один направленный по замкнутому контуру, расположенный по существу горизонтально над землей, циркулирующий элемент (1), по меньшей мере два (две) расположенных(-е) в по существу противолежащих позициях с возможностью изменения их длин удерживающих(-е) троса (6, 7) и/или цепи, на свободных концах которых расположено по одному несущему корпусу (8) с поперечным профилем приложения силы горизонтального потока, причем несущие корпусы (8) выполнены с возможностью изменения их поперечных профилей приложения силы.

9. Система по п.8, отличающаяся тем, что удерживающие тросы (6, 7) или цепи являются регулируемыми по длине, причем предусмотрено приспособление для регулирования длин удерживающих тросов (6, 7) и/или цепей.

10. Система по одному из пп.6-9, отличающаяся тем, что циркулирующий элемент (1) направлен вытянутым по длине, причем более длинные участки (2, 3) циркулирующего элемента выровнены по существу параллельно направлению горизонтального потока, в то время как участки, лежащие в точках (4, 5) поворота и проходящие поперек направления горизонтального потока, выполнены короткими.

11. Система по одному из пп.6-9, отличающаяся тем, что она выполнена для транспортировки товаров и/или людей.

12. Система по одному из пп.6-9, отличающаяся тем, что она выполнена для преобразования механической энергии, получаемой посредством движения циркулирующего элемента, в электрическую энергию.

13. Применение системы по одному из пп.6-9 в качестве транспортной системы для транспортировки товаров и/или людей.