СИСТЕМА ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРА В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ ЗА СЧЕТ ПОЛЕТА ПРОФИЛЕЙ СИЛОВОГО КРЫЛА, ПРИВЯЗАННЫХ К ЗЕМЛЕ ПОСРЕДСТВОМ КАБЕЛЕЙ ФИКСИРОВАННОЙ ДЛИНЫ, БЕЗ ПАССИВНЫХ ФАЗ И С АВТОМАТИЧЕСКОЙ АДАПТАЦИЕЙ К ВЕТРОВОМУ РЕЖИМУ Российский патент 2016 года по МПК F03D5/02 F03D7/00 

Область, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к системе для преобразования энергии ветра в электрическую энергию, в которой используется знакопеременное движение блока по заданной траектории, при этом указанный блок установлен на земле и приводится в движение профилем силового крыла. Указанный профиль крыла привязан к наземному блоку посредством по меньшей мере одного кабеля и управляется автоматически посредством специальной системы управления. Кабель или кабели, которые соединяет/соединяют наземный блок с профилем крыла, имеет/имеют фиксированную длину во время нормальной эксплуатации системы. Преобразовательная система выполнена с возможностью автоматической адаптации посредством соответствующего изменения траектории наземного блока к переменам направления ветра таким образом, чтобы оптимизировать генерацию энергии. Описано движение наземного блока по двум траекториям, различным по форме, а именно по отрезку прямой и по дуге окружности, хотя указанная траектория по существу может иметь и другую форму.

Кроме того, заявляемое изобретение относится к алгоритму оптимального управления длиной кабелей для указанной системы преобразования ветровой энергии в электрическую или механическую энергию, в основе которой лежит зависимость интенсивности ветра от высоты над уровнем земли.

Кроме того, заявляемое изобретение также относится к системе, содержащей вышеупомянутую преобразовательную систему и предшествующие инновации, пригодной для использования на море, в частности, для использования энергии ветра в прибрежных зонах.

Аналогичным образом заявляемое изобретение относится к алгоритму автоматического управления полетом профиля силового крыла для указанной системы преобразования ветровой энергии в электрическую энергию, которая выполнена с возможностью учета ветрового режима для максимизации генерации энергии и одновременного предотвращения условий эксплуатации, которые могут быть потенциально вредными или опасными для целостности системы.

Наконец, заявляемое изобретение относится к системе рекуперации и распределения энергии указанной системы для преобразования энергии ветра в электрическую энергию во время фаз реверсивного движения, то есть когда наземный генераторный блок достигает конца заранее установленной траектории и начинает двигаться по той же траектории в обратном направлении.

Уровень техники

Из уровня техники, некоторых журнальных статей, как научного характера, так и популярного уровня, а также из некоторых предыдущих патентов известны способы преобразования ветровой энергии посредством устройств, выполненных с возможностью преобразования вырабатываемой ветровым источником механической энергии в другую форму энергии, как правило, электрическую, и извлекающих энергию ветровых профилей силового крыла (называемых, как правило, «воздушными змеями» или «кайтами»), соединенных с указанными устройствам посредством кабелей. Например, в патентах US 3987987, US 4076190, US 4251040, US 6254034 B1, US 6914345 В2, US 6523781 В2, US 7656053 и WO/2009/035492 описаны системы для преобразования кинетической энергии ветровых потоков в электрическую энергию посредством управления полетом профилей силового крыла, соединенных с землей посредством одного или более кабелей. Во многих подобных системах по меньшей мере один профиль крыла соединен посредством кабелей с блоком, который маневрирует, генерирует энергию, установлен на земле и циклично проходит через тяговую фазу, в которой подталкиваемый ветром профиль крыла поднимается и разматывание кабелей приводит во вращение генератор наземного блока, предназначенный для генерирования электроэнергии; и через фазу рекуперации, в которой профиль рекуперируется путем повторного сматывания кабелей, и затем маневрирует, чтобы начать другую тяговую фазу. Преимущество указанных решений заключается в невысокой стоимости наземной конструкции и относительной простоте ее возведения. Однако имеется значительный недостаток, состоящий в непрерывном сматывании и разматывании кабелей со скоростью, которая может быть высокой, и со значительными тяговыми усилиями. Следовательно, в таких решениях могут возникнуть значительные проблемы, связанные с износом кабелей, и последующие значительные расходы из-за частой замены кабелей, а также из-за простоев генератора во время указанных операций по замене.

Известно также решение, например, описанное в европейском патенте №1672214 В1, в котором наземный блок представляет собой круговую карусель, приводимую во вращение группой профилей силового крыла, при этом энергия генерируется посредством вращательного движения карусели. Указанное решение может быть также получено посредством группы наземных блоков, согласованно двигающихся по круговому рельсу, как описано, например, в статье М. Canale, L. Fagiano and M. Milanese, «High Altitude Wind Energy Generation Using Controlled Power Kites», опубликованной в IEEE Transactions on Control Systems Technology №18, стр.279-293, 2010 г. Указанное карусельное решение может эксплуатироваться как с изменяемой длиной кабелей, так и с фиксированной длиной кабелей. Карусельное решение с изменяемой длиной кабелей обеспечивает возможность получения энергии также из движения разматывания кабелей, помимо получения энергии из вращательного движения карусели. Тем не менее, указанное решение также обладает недостатком, связанным с износом кабелей, упомянутым выше в отношении конфигураций, установленных на земле, а также высокой стоимостью и значительной сложностью конструкции. Достоинство карусельного решения с фиксированной длиной кабеля заключается в ограничении износа кабелей, однако оно позволяет генерировать только ограниченное количество энергии по причине наличия так называемой «пассивной фазы», которая необходима для вытягивания профилей крыла в направлении, противоположном ветру, для обеспечения угла вращения приблизительно 70°.

Вышеизложенные соображения подтверждаются теоретическими исследованиями и численным анализом в статье М. Milanese, L. Fagiano, D. Piga, «Control as a key technology for a radical innovation in wind energy generation», которая была представлена на Американской конференции по управлению 2010 года в Балтиморе, штат Мэриленд (American Control Conference 2010, Baltimore, MD). Данная статья опубликована с соответствующими материалами, в которых четко указаны недостатки и преимущества всех решений, относящихся к генераторным системам на основе полета профилей силового крыла с генераторным блоком, установленным на земле.

Раскрытие изобретения

Задача предлагаемого изобретения состоит в устранении недостатков, присущих вышеописанным известным конфигурациям, которая выполняется путем предложения системы для преобразования энергии ветра в электрическую энергию за счет полета профиля силового крыла, привязанного к земле, в которой энергия вырабатывается посредством знакопеременного движения наземного блока вдоль заданной траектории. В указанной системе генерация энергии осуществляется с использованием кабелей фиксированной длины, что предотвращает износ кабелей. При этом у заявляемой системы отсутствуют пассивные фазы, помимо переходов при взлете и посадке профиля крыла, техническом обслуживании или вследствие отсутствия ветра, благодаря соответствующему выбору наземного блока, что позволяет увеличить выработку энергии по сравнении с существующими решениями при одинаковых характеристиках профиля силового крыла. Из уровня техники известна система под названием «Buggy», описанная в журнале «Drachen Foundation Journal», №16, осень 2004 года, и приписываемая Joe Hadzicki. Система «Buggy» обеспечивает возможность функционирования с постоянной длиной кабеля и не имеет пассивных фаз. Однако она ограничена тем, что функционирует только в оптимальных условиях при точно определенных значениях направления ветра, а поскольку указанные условия изменяются, выработка энергии снижается. Настоящее изобретение позволяет преодолеть эти ограничения, поскольку оно может адаптироваться к изменению направления ветра. Наконец, система, заявляемая в настоящем изобретении, может быть использована в прибрежных зонах. При этом большое преимущество заявляемой системы по сравнению с существующими технологиями для прибрежных зон заключается в том, что помимо возможности использования энергии ветра на больших высотах, она не требует наличия фундаментов или якорей на морском дне. Все это позволяет, по сравнению с существующими решениями, основанными на использовании традиционных башенных ветрогенераторов, значительно уменьшить расходы при преобразовании энергии ветра в прибрежных зонах и значительно увеличить количество мест, пригодных для установки.

Вышеуказанные и другие задачи и преимущества изобретения, как следует из последующего описания, достигаются посредством способа преобразования энергии ветра в электрическую энергию, который основан на полете профилей крыла, привязанных кабелями по существу фиксированной длины и адаптирующихся к направлению ветра, как определено в пункте 1 формулы изобретения и в пунктах, зависимых от указанного пункта 1, а также посредством системы, определенной в пункте 15 формулы изобретения, и в пунктах, зависимых от указанного пункта 15.

Краткое описание чертежей

Далее изобретение описано более подробно через посредство некоторых предпочтительных вариантов осуществления изобретения, которые представлены в качестве примеров, не имеющих ограничительного характера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

- на фиг.1 схематично изображена система «Buggy», как она представлена в журнале «Drachen Foundation Journal», №16, и соответствующая средняя мощность, генерируемая в зависимости от изменения направления ветра;

- на фиг.2 схематично представлен первый вариант осуществления заявляемой системы;

- на фиг.3 схематично представлен второй вариант осуществления заявляемой системы;

- на фиг.4 схематично представлен третий вариант осуществления заявляемой системы;

- на фиг.5 схематично представлен вариант осуществления заявляемой системы, пригодный для использования в прибрежных зонах;

- на фиг.6 схематично представлен алгоритм управления предлагаемой системой, с рекуперацией и повторным использованием энергии в фазах обратного движения.

Осуществление изобретения

Как показано на фиг.1, в системе типа «Buggy» наземный блок 1 совершает знакопеременное движение по траектории 2, форма которой приближена к отрезку прямой линии, при этом профиль 4 силового крыла тянет его посредством кабелей 3. Наземный блок 1 может маневрировать профилем 4 силового крыла посредством решений, известных из уровня техники, например документа № ТО2010А000258, или посредством других изобретательских идей и конструктивных решений, которые появятся в будущем. Энергия генерируется посредством системы 5 механической силовой передачи цепного или ременного типа, которая выполнена с возможностью преобразования поступательного движения наземного блока во вращательное движение соответствующих электрогенераторов. Как ясно из исследований, представленных в различных публикациях, например, в дипломной работе D. Piga, «Analisi delle prestazioni del sistema kitegen: eolico di alta quota», Turin Polytechnic, 2008 г., и в диссертации на соискание ученой степени доктора наук L. Fagiano, «Control of Tethered Airfoils for High-Altitude Wind Energy Generation», Turin Polytechnic, 2009 г., средняя мощность, генерируемая системой «Buggy» для фиксированных характеристик профиля крыла и интенсивности ветра, изменяется в зависимости от угла Θ между направлением 7 ветра W и направлением 8 траектории наземного блока, при этом на фиг.1 для примера показано два возможных режима: Θ=0° и Θ=90°. На фиг.1 представлен график упомянутой зависимости, причем мощность приведена в процентах от максимального значения, достижимого для заданных характеристик профиля крыла и ветровых условий. Необходимо отметить, что максимальная выработка энергии достигается в случае, когда направление ветра перпендикулярно направлению движения наземного блока. Заявляемая система выполнена с возможностью изменения траектории движения наземного блока таким образом, чтобы постоянно поддерживать оптимальный наклон относительно направления ветра.

Как показано на фиг.2, первый вариант осуществления заявляемой системы содержит наземный блок 9, выполненный с возможностью управления и маневрирования профилем 10 силового крыла, соединенным с указанным блоком посредством одного или более кабелей 11. Под воздействием тяговых усилий, прикладываемых профилем 10 крыла к кабелям 11, наземный блок вынужден двигаться вдоль системы прямолинейных рельсов 12, при этом он совершает непрерывное знакопеременное движение по длине указанных рельсов. Генерация энергии осуществляется посредством известного из уровня техники способа, изображенного на фиг.1, или посредством одной или более системы 13, установленной на наземном блоке 9, причем каждая указанная система содержит колесо, соединенное посредством системы силовой передачи с электрогенератором. Кроме того, генерация энергии может быть осуществлена посредством такой соответствующей сборки наземного блока и системы рельсов, что они образуют линейный генератор/двигатель. Сгенерированное электричество надлежащим образом распределяют и передают посредством кабелей 14 на неподвижную конструкцию, предназначенную для его подачи в сеть, и, возможно, для его аккумуляции посредством специальных устройств, известных из уровня техники, например, инерционных или водородных систем. Сборка наземного блока 9, системы рельсов 12 и систем 13 гарантирует качение колес систем 13 при любом ветровом режиме и режиме движения наземного блока 9 так, что предотвращается любое проскальзывание и соответствующие потери КПД из-за трения. Кроме того, система рельсов 12 может уравновешивать силы, действующие на наземный блок 9 от кабелей 11, за исключением силы, действующей в направлении движения, которая компенсируется противодействующей силой, приложенной генераторными системами 13, и является силой, полезной для генерации электроэнергии. Управление системами 13 осуществляют автоматически и соответствующим образом координируют с системой управления профилем 10 крыла, которое осуществляется наземным блоком 9 для оптимального регулирования скорости движения наземного блока с целью максимизации средней мощности, генерируемой во время движения. Кроме того, системы 13 могут дополнительно служить двигателями в фазах обратного движения наземного блока для того, чтобы максимально ограничить длительность указанных фаз. В частности, реализуется алгоритм рекуперации энергии во время торможения наземного блока 8 и последущего использования энергии, рекуперированной для придания ускорения блоку 9 по последующей траектории в противоположном направлении. Указанный алгоритм более полно описан в данном документе ниже со ссылкой на фиг.6. Алгоритм рекуперации энергии может быть реализован и в вышеописанном случае, когда наземный блок и система рельсов образуют линейный генератор/двигатель. Кроме того, система рельсов 12 оснащена двумя или более системами 15 подвески и движения, которые представляют собой механическую конструкцию, пригодную для того, чтобы служить опорой и удерживать систему рельсов 12, противодействовать силам, действующим от наземного блока 9 во время его движения, а также дополнительно ограничивать возникающие вибрации. Причем указанные системы снабжены колесами 16, соединенными с соответствующими двигателями, автоматически управляемыми и координируемыми для ориентирования системы рельсов 12 таким образом, что направление 17 движения наземного блока 9 всегда перпендикулярно направлению 18 ветра W, то есть угол Θ равен 90°, как показано на фиг.2. Таким образом удается получить максимальную среднюю выработку энергии в соответствии с качественной диаграммой, представленной на фиг.1. Направление 18 ветра W измеряют в реальном времени на различных высотах в диапазоне от нулевого уровня (земля) до высоты, достаточной для учета всех условий движения профиля крыла, например, на высоте 1000 м над землей. При этом указанное измерение производят, например, посредством систем лидарного или содарного типа, выполненных с возможностью измерения направления и интенсивности ветра, что является информацией, необходимой также для управления профилем 10 крыла согласно тому, как уже было описано в научной литературе, например, в статье М. Canale, L. Fagiano, and М. Milanese, «High Altitude Wind Energy Generation Using Controlled Power Kites», опубликованной в IEEE Transactions on Control Systems Technology, №18, стр.279-293. Вращение системы рельсов 12 происходит вокруг вертикальной оси 19, определяемой пересечением плоскости симметрии системы 12, перпендикулярной направлению рельсов, с плоскостью симметрии системы 12, параллельной направлению рельсов. Таким образом, задается площадь территории, которая потенциально может быть занята генераторной системой и которая может в целом иметь круговую форму с диаметром, равным L, причем L является длиной системы рельсов 12. Указанная длина выбрана на основе характеристик ветра и морфологии местности, в которой предварительно выбрано место для установки генераторной системы таким образом, чтобы максимизировать мощность, вырабатываемую на единице потенциально занимаемой поверхности, возможно также с учетом наличия других аналогичных генераторных систем, образующих так называемую «ветряную ферму». Мощность, генерируемая предлагаемой системой, как описано со ссылкой на фиг.2, не зависит от направления 18 ветра W благодаря автоматической адаптации ориентации системы рельсов 12 при изменении указанного направления, причем указанная мощность изменяется по мере изменения характеристик интенсивности ветра относительно длины кабелей 11. В частности, для данной конфигурации системы относительно диаметра кабелей и инерционных, геометрических и аэродинамических характеристик профиля крыла, и для данной характеристики увеличения скорости ветра с высотой над землей, максимальная генерируемая мощность изменяется в зависимости от длины кабелей согласно вогнутому графику, причем максимум соответствует максимальной длине кабелей. Указанное явление происходит по причине баланса между воздействием больших сил на кабели из-за более сильных ветров, перехватываемых более длинными кабелями, с последующей большей генерацией мощности, и противодействием большего аэродинамического сопротивления кабелей по мере увеличения их длины, с последующей потерей КПД, и, как следствие, с более низкой генерацией мощности. С целью автоматической адаптации не только к направлению ветра, но также к характеристикам его интенсивности и изменениям интенсивности по мере изменения высоты над землей, заявляемое изобретение снабжено автоматической системой регулирования кабелей, выполненной согласно решениям предшествующего уровня техники, например решению, раскрытому в документе № TO2010A000258, для которого предусмотрено два возможных алгоритма функционирования. В первом алгоритме измерения скорости ветра в реальном времени на различных высотах, полученные, как было ранее указано, посредством системы лидарного или содарного типа, соответствующим образом обрабатывают и используют для расчета модели увеличения ветра в зависимости от изменения высоты над землей. Затем указанную модель используют для расчета соответствующей кривой мощности в зависимости от изменения длины кабелей согласно упрощенным уравнениям, например, опубликованным в диссертации на соискание ученого звания доктора наук L. Fagiano, «Control of Tethered Airfoils for High-Altitude Wind Energy Generation», Turin Polytechnic, 2009 г., и оптимальную длину кабелей устанавливают и регулируют так, чтобы получить максимум указанной кривой. Согласно второму алгоритму длину кабелей регулируют адаптивным образом через постоянные временные интервалы, например один раз в час, используя вогнутость характеристики мощности как функцию длины кабелей, то есть изменяя длину кабелей до тех пор, пока измеренная средняя мощность электроэнергии не достигнет максимального значения.

На фиг.3 изображена генераторная система, выполненная согласно второму возможному варианту осуществления настоящего изобретения. Принцип функционирования аналогичен описанному выше со ссылкой на фиг.2. Однако во втором варианте осуществления изобретения наземный блок 20 снабжен системой 21, образованной механическим каркасом и группой колес, соединенных с электрогенераторами. Система 21 может уравновешивать боковые и вертикальные силы, действующие на наземный блок от кабелей, а также может посредством системы автоматического поворота колес направлять движение наземного блока таким образом, чтобы сохранять перпендикулярность направления 22 относительно направления 23 ветра W, тем самым максимизируя генерируемую мощность. Длина L траектории 24, по которой следует наземный блок, определяет максимальную площадь, занимаемую системой на земле. В данном случае указанная площадь равна окружности диаметром L, центр которой соответствует центральной точке траектории 24. Система реализует алгоритм оптимального регулирования длины кабелей, аналогичный вышеописанному. Аналогичным образом, соответствующим предыдущему варианту осуществления, сгенерированную энергию передают по кабелям 26 в неподвижную конструкцию, предназначенную для подачи энергии в сеть или для ее аккумуляции. Преимущество второго варианта осуществления состоит в упрощении конструкции за счет большей сложности наземного блока, который должен противодействовать боковым усилиям от кабелей 26, соединяющих профиль 27 силового крыла с наземным блоком 20.

Как показано на фиг.4, третий возможный вариант осуществления заявляемой системы содержит систему 28 с зафиксированными рельсами, круговую траекторию с радиусом R, по которой профиль 29 крыла посредством кабелей 30 тянет наземный блок 31, выполненный аналогично наземному блоку первого варианта осуществления, показанному на фиг.2, но с необходимыми модификациями, которые обеспечивают возможность движения по круговой траектории. Аналогично первому варианту осуществления, описанному выше со ссылкой на фиг.2, система рельсов 28 выполнена с возможностью удержания наземного блока и уравновешивания сил, действующих во всех направлениях, за исключением направления, тангенциального относительно самих рельсов. Генерирование энергии осуществляется за счет того, что наземный блок описывает знакопеременным и непрерывным образом траекторию 32, форма которой приближена к форме дуги окружности. В этом варианте осуществления, так же как и в варианте осуществления с фиг.2, генерация энергии может осуществляться посредством такой соответствующей сборки наземного блока и системы рельсов, что они образуют линейный генератор/двигатель. Сгенерированное электричество надлежащим образом распределяют и передают посредством, например, кабелей 33 на неподвижную конструкцию, предназначенную для подачи электричества в сеть, и, возможно, для его аккумуляции посредством специальных устройств, известных из уровня техники и уже упомянутых выше. Траектория 32 имеет угловую амплитуду, равную 2ΔΘ, и изменяется автоматически, посредством вращения вокруг вертикальной оси 34 так, что она постоянно сохраняет симметричность относительно направления 35 ветра W, как показано на фиг.4. По мере увеличения угла ΔΘ изменяется генерируемая средняя мощность, как показано на диаграмме с фиг.4. Следовательно, радиус R и амплитуду ΔΘ траектории выбирают таким образом, чтобы достичь наилучшего соотношения между площадью занимаемой поверхности, ограниченной окружностью радиусом 2R, линейной длиной траектории наземного блока, равной 2ΔΘR, и генерируемой средней мощностью. Кроме того, в данном третьем варианте осуществления предусмотрена возможность автоматической адаптации длины кабеля к интенсивности ветра, как описано выше. Преимущество третьего варианта осуществления состоит в упрощении конструкции по сравнению с первым вариантом осуществления, приведенным на фиг.2, с учетом того, что система рельсов 28 зафиксирована на земле, а также в упрощении конструкции наземного блока по сравнению со вторым вариантом осуществления, приведенным на фиг.3, благодаря наличию рельсов 28, которые уравновешивают боковые силы, действующие на наземный блок 31 от кабелей. Эти преимущества достигаются за счет уменьшения генерируемой средней мощности, а также за счет определенного повышения непостоянства мощности, генерируемой на криволинейной траектории.

Как показано на фиг.5, применение заявляемой системы в прибрежной зоне может быть реализовано за счет наличия плавучего средства 36, которое профиль 37 крыла тянет посредством кабелей 38 и которое имеет функции, аналогичные функциям наземного блока 20, выполненного в соответствии со вторым вариантом осуществления, приведенным на фиг.3. Генерацию энергии осуществляют посредством соответствующих турбин 39, установленных под корпусом плавучего средства 36 и противостоящих движению самого плавучего средства. Специально предусмотренное автоматическое управление турбинами 39 и наличие стабилизирующих элементов 40, возможно гидродинамических и активных в соответствии с решениями, известными из предшествующего уровня техники, ограничивают бортовую качку и ветровой дрейф и гарантируют направленность плавучего средства при его знакопеременном движении по траектории 41. При этом направление 42 траектории регулируется автоматически таким образом, что оно всегда перпендикулярно направлению 43 ветра W, что тем самым позволяет максимизировать генерируемую мощность. Электрическую энергию надлежащим образом распределяют и передают посредством кабелей 44 на неподвижную конструкцию, предназначенную для подачи электроэнергии в сеть, и, возможно, для ее аккумуляции посредством специальных устройств, известных из уровня техники, например, инерционных или водородных систем. Длину L траектории 41 выбирают таким образом, чтобы максимизировать среднюю мощность, генерируемую с единицы занимаемой поверхности моря. Занимаемое пространство определено окружностью радиуса L, центр которой совпадает с центральной точкой траектории 41. Кроме того, данный вариант осуществления для применения в прибрежной зоне снабжен системой автоматического регулирования длины кабелей, которая была описана выше.

На фиг.6 схематично представлен алгоритм управления, пригодный для всех вариантов осуществления, предложенных в данном изобретении. В частности, на фиг.6 показаны проекции в плоскости, перпендикулярной направлению ветра, наземного блока 45 и профиля 46 крыла в различных положениях на траектории, которые обозначены как положения 47, 48 и 49. Указанные положения изображены дважды, зеркально, в соответствии с тем, как наземный блок 46 проходит их при движении в обоих направлениях по его траектории. Алгоритм управления содержит три этапа, обозначенные соответствующими отрезками L₁ и L₂ на фиг.6, которые совместно образуют проекцию траектории наземного блока 45 на плоскость, перпендикулярную направлению ветра. Без какого-либо ограничения общности, длина указанной проекции обозначена буквой L на фиг.6. В первом и втором вариантах осуществления заявляемого изобретения, приведенных соответственно на фиг.2 и фиг.3, указанная длина совпадает с длиной траектории наземного блока 45, в то время как в третьем варианте осуществления изобретения, приведенном на фиг.4, эффективная длина траектории наземного блока превышает L, а точнее равна LΔΘ /sin(ΔΘ). Как видно из фиг.6, длина L может быть представлена как L=L₁+L₂, причем длина L₁, как правило, намного больше длины L₂. Первый этап алгоритма управления называется «этап ускорения» и начинается с момента, когда наземный блок 45 начинает движение из неподвижного состояния на одном из концов траектории L (положение 47 на фиг.6) и ускоряется в направлении другого конца, до момента, когда наземный блок 45 достиг определенного значения v скорости, называемой «скоростью установившегося режима» (положение 48 на фиг.6). В начале этапа ускорения профилем 46 крыла маневрируют таким образом, чтобы максимально наклонить его в направлении ускорения для обеспечения значительного тягового усилия при низкой скорости наземного блока 45. Во время этапа ускорения указанный наклон крыла 46 постепенно уменьшается, в то время как собственная скорость наземного блока 45 увеличивается для поддержания высокой эффективной скорости ветра на профиле 46 силового крыла. Управление двигателями/генераторами, установленными на наземном блоке 45, осуществляют автоматически так, чтобы скорость v была достигнута после прохождения длины L₂ траектории, как показано на фиг.6, и чтобы повторно использовать энергию, рекуперированную на «этапе торможения», описанном далее. После этапа ускорения начинается «этап установившегося режима», во время которого профиль 46 силового крыла тянет наземный блок 45 с постоянной скоростью v, регулируемой специально предусмотренной системой автоматического управления генераторами, применяемой на наземном блоке 45. Во время этапа установившегося режима профилем крыла управляют так, чтобы он совершал быстрые смещения вверх и вниз для максимизации эффективной скорости и, соответственно, генерируемой мощности. После прохождения длины L₁ наконец начинается этап торможения, когда наземный блок 45 установлен в положении, обозначенном 49 на фиг.6, и генераторы, установленные на наземном устройстве, используют совместно с тормозной системой для остановки движения наземного блока на интервале L₂, рекуперируя максимально возможное количество энергии. Одновременно крылом 46 управляют так, чтобы оно заняло положение, подходящее для последующего этапа ускорения, то есть положение со значительным наклоном по траектории в направлении, противоположном движению наземного блока во время этапа торможения. Кроме того, система управления предназначена для ограничения движения профиля крыла интервалом между минимальной высотой Н и максимальной высотой Н+ΔН от земли, а также для управления движением профиля крыла с целью предотвращения превышения критического значения тягового усилия, воздействующего на кабели, для сохранения целостности системы. Значения L, L₁, L₂, Н и ΔН устанавливают таким образом, чтобы максимизировать среднюю генерируемую мощность и одновременно минимизировать занимаемое воздушное пространство. Все описанные функции могут быть получены, например, посредством управляющих алгоритмов нелинейного упреждающего типа, путем надлежащего выбора граничных условий и критерия оптимальности, таким образом, который в целом аналогичен описанному для преобразовательных систем, отличных от заявляемых и представленных в статье М. Canale, L. Fagiano, M. Milanese, «High Altitude Wind Energy Generation Using Controlled Power Kites», опубликованной в IEEE Transactions on Control Systems Technology, №18, стр.279-293, 2010 г.

Изобретение относится к области ветроэнергетики. Способ и система для преобразования энергии ветра в электрическую или механическую энергию за счет полета по меньшей мере одного профиля (10) силового крыла, привязанного посредством по меньшей мере одного или более кабелей (11) к наземному блоку (9), передвигаемому указанным профилем силового крыла вдоль траектории знакопеременного смещения (12) для возбуждения генератора (12), причем указанная траектория знакопеременного смещения выполнена с возможностью такого ориентирования, которое обеспечивает ее самоустановку в направлении (17), по существу ортогональном направлению ветра (W). Причем на протяжении фаз полета профиля (10) силового крыла в режиме генерации энергии длина кабеля (11) остается постоянной. Изобретение направлено на достижение максимальной выработки энергии. 2 н. и 29 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ преобразования энергии ветра в электрическую или механическую энергию за счет полета по меньшей мере одного профиля силового крыла, привязанного посредством по меньшей мере одного кабеля к наземному блоку, передвигаемому указанным профилем силового крыла вдоль траектории знакопеременного смещения для возбуждения генераторных средств, отличающийся тем, что указанная траектория знакопеременного смещения выполнена с возможностью такого ориентирования, которое обеспечивает ее самоустановку в направлении, по существу ортогональном направлению ветра.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на протяжении фаз полета профиля силового крыла в режиме генерации энергии длина указанного по меньшей мере одного кабеля остается постоянной.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что значение постоянной длины указанного по меньшей мере одного кабеля определено на основе измерения интенсивности ветра и его градиента относительно высоты профиля силового крыла над землей.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что содержит адаптивное определение значения постоянной длины указанного по меньшей мере одного кабеля как функцию мощности, вырабатываемой указанными генераторными средствами.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанная траектория знакопеременного смещения является прямолинейной и ориентирована относительно вертикальной оси, проходящей через центр указанной траектории.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанная траектория знакопеременного смещения является криволинейной.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что указанная криволинейная траектория смещения представляет собой дугу окружности, переменную по углу относительно вертикальной оси, проходящей через ее центр вращения.

8. Способ по п.1, в котором указанная траектория знакопеременного смещения расположена на земле и отличается тем, что ее ориентация относительно земли получена посредством контакта качения.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанный наземный блок проходит по указанной траектории знакопеременного смещения с контактом без проскальзывания.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что указанный контакт обеспечен посредством элементов качения, установленных на указанном наземном блоке и функционально связанных с указанными генераторными средствами.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что содержит управляемый поворот указанных элементов качения.

12. Способ по п.10, отличающийся тем, что содержит осуществление торможения указанных элементов качения для реверсирования движения наземного блока относительно указанной траектории знакопеременного смещения и рекуперацию энергии торможения для ускорения наземного блока после реверсирования движения.

13. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанная траектория знакопеременного смещения расположена на плаву на поверхности жидкости.

14. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанная траектория знакопеременного смещения образует вместе с наземным блоком линейный двигатель/генератор.

15. Система для преобразования энергии ветра в электрическую или механическую энергию за счет полета по меньшей мере одного профиля силового крыла, привязанного посредством по меньшей мере одного кабеля к наземному блоку, передвигаемому указанным профилем силового крыла по траектории знакопеременного смещения для возбуждения генераторных средств, отличающаяся тем, что указанная система содержит средства для ориентирования указанной траектории знакопеременного смещения в направлении, по существу ортогональном направлению ветра.

16. Система по п.15, отличающаяся тем, что дополнительно содержит средства для измерения интенсивности ветра и его градиента относительно высоты профиля силового крыла над землей и средства сохранения, на протяжении фаз полета профиля силового крыла в режиме генерации энергии, указанного по меньшей мере одного кабеля на постоянной длине, выбранной как функция измеренных интенсивности и градиента.

17. Система по п.15, отличающаяся тем, что содержит средства для измерения мощности, вырабатываемой указанными генераторными средствами, и средства для сохранения, на протяжении фаз функционального полета профиля силового крыла, указанного по меньшей мере одного кабеля на постоянной длине, выбранной как функция измеренной мощности.

18. Система по п.15, отличающаяся тем, что указанная траектория знакопеременного смещения задана направляющими рельсами, а также тем, что указанный наземный блок снабжен элементами качения, находящимися в зацеплении с указанными направляющими рельсами.

19. Система по п.18, отличающаяся тем, что указанные элементы качения наземного блока функционально связаны с указанными генераторными средствами.

20. Система по п.18, отличающаяся тем, что указанные направляющие рельсы являются прямолинейными.

21. Система по п.20, отличающаяся тем, что указанные прямолинейные направляющие рельсы выполнены с возможностью ориентирования вокруг вертикальной оси, проходящей через их центр.

22. Система по п.21, отличающаяся тем, что указанные направляющие рельсы снабжены элементами для качения по земле.

23. Систем по п.15, отличающаяся тем, что указанный наземный блок снабжен элементами качения по земле, выполненными с возможностью поворота для задания указанной траектории знакопеременного смещения.

24. Система по п.23, отличающаяся тем, что указанные элементы качения наземного блока функционально связаны с указанными генераторными средствами.

25. Система по п.18, отличающаяся тем, что указанные направляющие рельсы являются круговыми, и указанная траектория знакопеременного смещения представляет собой переменный по углу сектор указанных круговых направляющих рельсов.

26. Система по п.18, отличающаяся тем, что с указанными элементами качения функционально связаны средства торможения для реверсирования движения наземного блока относительно указанной траектории знакопеременного смещения и средства для рекуперации энергии торможения для ускорения указанного наземного блока после реверсирования движения.

27. Система по п.15, отличающаяся тем, что указанная траектория знакопеременного смещения задана направляющими рельсами, а также тем, что указанные рельсы и указанный наземный блок образуют линейный генератор/двигатель, выполненный с возможностью генерирования энергии.

28. Система по п.27, отличающаяся тем, что указанный линейный генератор/двигатель выполнен с возможностью преобразования движения указанного наземного блока в электрическую энергию, а также с возможностью осуществления торможения указанного наземного блока и рекуперации энергии торможения для придания ускорению указанному наземного блоку после реверсирования движения.

29. Система по п.15, отличающаяся тем, что указанный блок содержит корпус, плавающий на поверхности жидкости.

30. Система по п.29, отличающаяся тем, что указанные генераторные средства плавучего корпуса содержат подводные турбины, которые могут быть приведены в движение для задания направления указанного знакопеременного смещения.

31. Система по п.15, отличающаяся тем, что указанная траектория знакопеременного смещения является криволинейной.