СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ВЕТРА НА ЛЕТАЮЩЕЙ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКЕ Российский патент 2022 года по МПК F03D9/32 F03D3/06 B64C27/02 B64C39/02 

Высотная ветроэнергетика имеет огромный, долгосрочный потенциал, но сталкивается с разнообразными инженерными и нормативными проблемами. Исследователям еще предстоит выяснить, как безопасно подвесить ЛВУ на высоте, как держать их в воздухе в течение длительного периода времени при сильных ветрах, и как избежать взаимных помех для авиации. И хотя, предстоит разрешить множество трудностей, высотная энергия ветра может в конечном итоге стать более простым и дешевым способом извлекать энергию из ветра, нежели развитие традиционной ветроэнергетики. А в масштабах всего мира, высотная ветроэнергетика сможет обеспечить потребности всей планеты, обладая низкими затратами, используя специальные системы захвата ветра. ЛВУ будут парить на высотах, где скорость ветра намного выше, чем на уровне земли. Кинетическая энергия ветра

E_В=1/2*ρSV³ (1)

пропорциональна площади его поперечного сечения S и третьей степени его скорости V. Поэтому повышение скорости ветра на высоте 1000 м почти в 3 раза и повышает энергию ВП в 25 и более раз.

Перерасчет скорости ВП V₀ с высоты Н₀ на высоту оси ротора H₁ осуществляется по известной зависимости [1]:

Проблема заключается в выборе значений показателя k. Значения k во многих работах принимается k=0,143 (см., например, работу [1]). В нормативных документах [2] рекомендуют k=0,2. В работе [3] для различных мест США представлены значения k⁰=0,23.

1. Васъко П.Ф. Разрахунок показнитв ефективностi застосування вiтроелектричних установок за результатами строковых вимiрювань швидкостi вiтpy / Технiчна електродинамiка, №6, 2001. - с. 45-49.

2. Системы турбогенераторнi вiтрянi. Частила 1. Вимоги безпеки / ДСТУ IEC 61400-1. - К.: Держспоживстандарт Украiни, 2003.

3. Justus C.G., Mikhail A. Height Variations of Wind Speed and Wind Distributions Statistics, Geophy. Res. Letters, 3, 251-264, 1976.

В качестве аналога рассмотрим United States Patent №9,759,188B2 от 12.09.2017 г. Электрогенерирующий гироплан, устройство и методика управления.

Это гироплан (вариант его конструкции дан на FIGRE 6,18 патента), вырабатывающий электроэнергию, содержит пропеллер с множеством лопастей, прикрепленных с возможностью вращения к раме, причем указанный пропеллер выполнен с возможностью поворота вокруг оси вращения и обеспечивает подъем гироплана, причем указанный пропеллер имеет шаг, заданный траекторией относительно встречного ветра, и разворот лопастей на соответствующий угол относительно направления ветра (атаки α); трос, имеет первый конец и второй конец, причем указанный первый конец расположен рядом с землей, а второй конец проходит вверх, причем указанный трос приспособлен для закрепления на гироплане (работа всего комплекса - Электрогенерирующий гироплан - поясняется FIGRE 6,18 патента); средство управления натяжением, приспособленное для регулирования натяжения в указанном тросе, содержит: бортовой измеритель натяжения, выполненный с возможностью измерения натяжения, существующего или прикрепленного к указанному тросу; датчик скорости ветра, приспособленный для определения скорости ветра, который действует на гироплан; контроллер, выполненный с возможностью приема сигналов от упомянутого бортового измерителя натяжения и датчика скорости ветра и циклического контроля натяжения в указанном тросе, причем упомянутый контроллер дополнительно приспособлен для определения того, соответствует ли вход от упомянутого бортового измерителя натяжения конфигурации (положению) гироплана, упомянутый пропеллер с лопастями генерируют полезную энергию через трос; контролируется натяжение троса, определяется как слишком низкое, так и слишком высокое значение относительно заданного диапазона натяжения; информация о состояния троса и дополнительное приспособление обеспечивают циклическую намотку или размотку упомянутого троса вблизи его первого конца в заданном систематическом порядке, если указанное выходное состояние указывает слишком низкий или слишком высокий уровень натяжения со ссылкой на указанный заранее определенный диапазон; преобразователь, выполненный с возможностью преобразования энергии вращения от упомянутого ведущего вала, указанный трос хранится в системе хранения троса, причем указанная система хранения троса содержит: цилиндрический резервуар с открытой верхней поверхностью и закрытой цилиндрической стенкой, причем указанный резервуар выполнен с диаметром, немного большим, чем диаметр естественной намотки упомянутого троса, цилиндрическую стенку его покрывают слоем, предназначенным для уменьшения трения и накопления тепла, причем указанный слой является тефлоновым покрытием. В прототипе применена техника Autogyro, она представляет собой форму безмоторного винтокрылого гироплана, обычно имеющего один или несколько автоматических вращающихся аэродинамических лопастей. Гиродины приводят в действие пропеллер при подготовке гироплана к взлету, а затем он летает с вращающимся пропеллером.

Отметим недостатки аналога:

1. Передача энергии от взмывающего вверх гироплана с оптимальным углом атаки лопастей (рабочий этап) передается с троса на разматывающую катушку, вал которой связан через муфту с валом электрической машины (на этом этапе работающей в генераторном режиме). При резких порывах ветра, его резком изменении направления из-за парусного эффекта самого троса вероятны аварийные ситуации и снижение эффективности передачи энергии на землю (искажается контроль натяжения каната).

2. В связи с периодическим возвратом гироплана на нижний уровень траектории (подготовительный этап) и процессом намотки троса на катушку с переходом электрической машины в двигательный режим, снижается эффективность работы всего комплекса - Электрогенерирующий гироплан-работающего в циклическом режиме, как и аналог. Это усложняет передачу энергии в потребительскую сеть.

В качестве прототипа рассмотрим СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ВЕТРА НА ЛЕТАЮЩЕЙ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКЕ по патенту RU №2697075. В этом способе в состав летающей ветроэнергетической установки (ЛВУ) включен пропеллер с множеством лопастей и возможностью их вращения, этот пропеллер обеспечивает подъем ЛВУ и имеет устройство разворота его лопастей на угол атаки относительно направления ветра, причем в состав ЛВУ входит собственно ветроустановка с вертикальным валом типа Дарье. При подлете ЛВУ к рабочей точке, пространственные координаты которой задают предварительно в узел стабилизации с контроллером, за счет энергии ветра через вращающийся вертикальный вал, включенную коммутационную муфту и ускоряющий редуктор собственно ветроустановка вращает нижний конец вала электрической машины, работающей в генераторном режиме и передающей электроэнергию через кабель связи, регулятор тока заряда, разряда на аккумулятор стартового стола. Второй конец вала электрической машины подключен к валу пропеллера через шарнирное соединение валов. Угловое положение валов обеспечивается с помощью флюгера, узла стабилизации с контроллером, гироскопа и ряда датчиков, причем в состав узла стабилизации с контроллером входит мотор-гайка и винт, соединяющий мотор-гайку с подшипником на валу пропеллера. Над собственно ветроустановкой располагают опорный диск аэродинамической формы с регулируемым углом атаки относительно направления ветра, жестко связанный с вертикальным валом, при этом узел стабилизации с контроллером обеспечивает стационарное положение рабочей точки летающей ветроэнергетической установки в рабочем режиме при минимальном расстоянии до стартового стола и положение вертикального вала с углом атаки крыла, осуществляет выбор оборотов вертикального вала и электрической машины, управляет регулятором тока заряда, разряда, т.е. током нагрузки электрической машины в генераторном режиме.

Отметим недостатки прототипа:

1. Аэродинамический диск не может обеспечить оптимальной формы во всех сечениях параллельных направлению ветра и, следовательно, оптимальной подъемной силы по сравнению с классическим крылом такой же площади.

2. Узел стабилизации с контроллером, гироскопом и рядом датчиков обеспечивает неопределенное положение вертикального вала относительно земли в плоскости перпендикулярной направлению ветра-нет устройств, позволяющих регулировать положение вертикального вала ЛВУ в плоскости перпендикулярной ветру. Это усложняет эксплуатацию ЛВУ, особенно посадку на стартовый стол.

Цель изобретения

Повышение энергоэффективности и надежности при эксплуатации летающей ветроэнергетической установки (ЛВУ), обеспечение положения в пространстве ее вертикального вала в плоскости перпендикулярной направлению ветра и перпендикулярного поверхности земли (или близко к этому положению при наклоне вертикального вала на угол атаки α несущего аэродинамического крыла). В состав ЛВУ входит собственно ветроустановка с вертикальным валом типа Дарье. ЛВУ изображена на Фиг. 1.

1 - кабель связи, 2 - вертикальный вал, 3 - крепежные гайки собственно ветроустановки, 4 - опорный стакан, 5 - опорный подшипник, 6 - несущее аэродинамическое крыло, 7 - ось крыла собственно ветроустановки, 8 - крыло собственно ветроустановки, 9 - закрылок крыла собственно ветроустановки, 10 - кабельное кольцо, 11 - коммутационная муфта, 12 - нижний опорный диск жестко закрепляется на вертикальном валу под собственно ветроустановкой, 13 - флюгер, 14 - ускоряющий редуктор, 15 – электромашина, 16 - шарнир валов, 17 - вспомогательный шарнир, 18 - подшипник на валу - 23 пропеллера - 22, 19 - винт, жестко закрепленный к обойме подшипника - 18, 20 - мотор-гайка с узлом управления и стабилизации (УУИС) ЛВУ, 21 - устройство разворота лопастей пропеллера - 22 также по командам УУИС. 24 - левый и правый закрылки несущего аэродинамического крыла - 6, 25 - несущая скоба, 26 - жесткий крепеж флюгера к несущей скобе, 27 - сервоприводы закрылков несущего аэродинамического крыла,28 - подшипник несущего аэродинамического крыла, 29 - фиксатор этого крыла, жестко связывающий его с несущей скобой - 25. Корпус электрической машины также жестко прикреплен к несущей скобе - 25. Собственно ветроустановка находится между нижним опорным диском - 12 и несущим аэродинамическим крылом - 6. Такая конструкция препятствует срыву ветра с верхних и нижних кромок крыльев собственно ветроустановки, повышая ее эффективность. ЛВУ работает в двух режимах: рабочем и установочном.

1. Рабочий режим. Способ преобразования кинетической энергии ветра на ЛВУ заключается в том, что в состав ЛВУ включен пропеллер - 22 с множеством лопастей и возможностью их вращения. Он имеет устройство разворота лопастей - 21 на угол атаки относительно направления ветра. В рабочем режиме ЛВУ вращающийся вертикальный вал - 2 собственно ветроустановки за счет энергии ветра, через включенную коммутационную муфту - 11 и ускоряющий редуктор - 14 вращает нижний конец вала электрической машины - 15, работающей в генераторном режиме. Она непрерывно передает электроэнергию через кабель связи - 1, регулятор тока заряда, разряда - 31 на энергоемкий аккумулятор - 32 стартового стола по Фиг. 5 (вид сверху, где 36 - катушка кабеля связи - 1, 30 - муфта, 33 - реверсивный электродвигатель перемотки катушки, 31 - регулятор тока заряда, разряда, 32 - энергоемкий аккумулятор, 34 - инвертор,35 - опорные полки для несущего крыла - 6, П.С. - промышленная сеть) и далее через инвертор - 34 в промышленную сеть. При этом верхний конец вала электрической машины подсоединяют к валу - 23 пропеллера - 22 через шарнирное соединение валов - 16. УУИС с мотор-гайкой - 20,гироскопом, группой датчиков (датчиков скорости и направления ветра, датчиков тока и оборотов электрической машины), флюгером - 13, пропеллером - 22, устройством разворота лопастей - 21, аэродинамическим крылом - 6 с закрылками - 24 с сервоприводами - 27 поддерживает положение вертикального вала - 2 в плоскости перпендикулярной направлению ветра и перпендикулярно земной поверхности (с небольшим отклонением при регулировании угла атаки аэродинамического крыла - 6) по Фиг. 1, 2, 4. Аэродинамическое крыло-6 закрепляют на вертикальном валу - 2 подшипником-28 и фиксатором-29. При этом нижний опорный диска -12 входит в состав непосредственно конструкции ветроустановки типа Дарье и препятствует срыву воздушных потоков с нижних кромок крыльев (7, 8) собственно ветроустановки ЛВУ. С помощью шарнира валов-16 по ФИГ. 3. УУИС устанавливает угловое положение вала пропеллера - 23 относительно вертикального вала - 2 по Фиг. 4, обеспечивая стационарное положение ЛВУ в заданной рабочей точке пространства при некотором угле атаки α несущего аэродинамического крыла-6 относительно направления ветра. УУИС также управляет через регулятор тока заряда, разряда-31 током нагрузки и скоростью вращения электрической машины-15. Основную часть энергии ветра канализирует собственно ветроустановка типа Дарье (3, 7, 8, 12) через электрическую мапшну-15 и передает по кабелю связи-1 и регулятор тока заряда, разряда-31 в аккумулятор-32. Второй конец ее вала подсоединен к валу-23 пропеллера-22 через шарнирное соединение валов-16. Это позволяет обеспечивать необходимое угловое положение валов -2,23 и вала-2 примерно перпендикулярно к поверхности земли с помощью флюгера-13, УУИС, гироскопа, группы датчиков, закрылков-24 несущего аэродинамического крыла-6 и устройства разворота лопастей-21. При штиле или малой скорости ветра с учетом метеосводок принимают решение, удерживать ЛВУ в рабочей точке за счет энергии, получаемой от аккумулятора или опускать ЛВУ на стартовый стол.

2. Установочный режим. В установочном режиме вертикальный подъем и возвращение на стартовый стол ЛВУ по Фиг. 5 осуществляют пропеллером-22, причем вертикальное положение кабеля связи-1 при подъеме и спуске обеспечивают флюгером-16, закрылками-24 аэродинамического крыла-6, гироскопом, группой датчиков, УУИС -20, который задает угловое положение вала-23 пропеллера-22, его лопастей, а также их скорость вращения.

Вращение осуществляет электрическая машина-15 в режиме двигателя, получающая электроэнергию от энергоемкого аккумулятора-32 на стартовом столе через регулятор тока заряда, разряда-31 и кабель связи-1. При этом вертикальный вал-2 собственно ветроустановки отключают от электрической машины 15 с помощью коммутационной муфты-11, а крылья собственно ветроустановки - 8 переводят в режим флюгерования.

3. На стартовом столе по Фиг. 5. имеется кабельная катушка - 36 для смотки, размотки кабеля связи-1 для ЛВУ. Вал катушки связан со вспомогательным реверсивным электродвигателем - 33, которым управляет узел контроля и минимизации натяжения кабеля связи на базе контроллера в зоне выхода его из катушки - 36, причем кабель связи через регулятор заряда, разряда тока - 31 подключен к энергоемкому аккумулятору - 32, а выход последнего через инвертор -34 связан с внешней промышленной сетью П.С. Перед пуском ЛВУ ее несущее аэродинамическое крыло - 6 лежит на опорных полках - 35, собственно ветроустановка располагается ниже, а выше крыла - 6 находится флюгер - 13, муфта - 11, редуктор-14, электрическая машина - 15, УУИС - 20, пропеллер - 22 и т.д. По результатам метеосводок выбирается высота, координаты рабочей точки ЛВУ, которые задаются в УУИС. После этого включается пропеллер-22, который обеспечивает вертикальный подъем за счет наклонения навстречу ветру с помощью шарнира -16 в плоскости перпендикулярной направлению ветра и положение вертикального вала-2 почти перпендикулярно поверхности земли (возможно отклонение на угол атаки α аэродинамического крыла - 6, задаваемый УУИС). Скорость оборотов и угол атаки лопастей пропеллера - 22 также задается УУИС - 20, устройством разворота лопастей - 21 и группой датчиков. Вращение вала пропеллера - 23 при подъеме ЛВУ осуществляется от электрической машины - 15, получающей питание через кабель связи-1 и регулятор тока заряда, разряда - 31 от аккумулятора - 32. При выходе ЛВУ в заданную рабочую точку начинается рабочий режим, включают связь между собственно ветроустановкой и электрической машиной (коммутационная муфта - 11,ускоряющий редуктор - 14). Электрическая машина - 15 переводится из режима двигателя в режим генератора, причем часть энергии ветра в рабочем режиме расходуется пропеллером - 22, наклоненным против ветра и удерживающим кабель связи и ЛВУ примерно в вертикальном положении (См. Фиг. 1).

Для эффективного внедрения предлагаемого «Способа» необходима ЛВУ значительной мощности (5-15 мегаватт) в связи со сложностью систем управления и их согласования, а также значительных веса, габаритов ее отдельных узлов и требований к прочности отдельных деталей (валов, крыльев, закрылков, флюгера и т.п. при силовых ветровых нагрузках.

Изобретение относится к высотной ветроэнергетике. В состав летающей ветроэнергетической установки (ЛВУ) включен пропеллер с множеством лопастей и возможностью их вращения, он обеспечивает в установочном режиме подъем летающей ветроэнергетической установки и имеет устройство разворота лопастей на угол атаки относительно направления ветра. ЛВУ имеет ветроустановку с вертикальным валом типа Дарье. При подлете ЛВУ к рабочей точке, пространственные координаты которой задают предварительно в узел управления и стабилизации с контроллером, включается рабочий режим управления ЛВУ и за счет энергии ветра вращают вертикальный вал ветроустановки, включают коммутационную муфту и ускоряющий редуктор, вращают нижний конец вала электрической машины, работающей в генераторном режиме и передающей электроэнергию через кабель связи, регулятор тока заряда, разряда на аккумулятор стартового стола. Второй конец вала электрической машины подсоединяют к валу пропеллера через шарнирное соединение валов, причем угловое положение валов обеспечивается с помощью флюгера, узла управления и стабилизации с контроллером, гироскопа, комплекта датчиков. В состав узла стабилизации с контроллером входит мотор-гайка и винт, соединяющий мотор-гайку с подшипником на валу пропеллера. Над ветроустановкой устанавливают несущее аэродинамическое крыло с закрылками, управляемыми сервоприводами. Его закрепляют на вертикальном валу с помощью подшипника и фиксатора, жестко связывающего несущее аэродинамическое крыло с несущей скобой. Положение несущего аэродинамического крыла вместе с вертикальным валом изменяют, регулируя его угол атаки относительно направления ветра пропеллером и узлом управления и стабилизации с контроллером, обеспечивая необходимую подъемную силу и заданное положение рабочей точки летающей ветроэнергетической установки в рабочем режиме при минимальном расстоянии до стартового стола. При этом задают положение вертикального вала с углом атаки крыла близкое к вертикальному относительно поверхности земли. УУИС также управляет через регулятор тока заряда, разряда током нагрузки и скоростью вращения электрической машины. При подъеме и возвращению на стартовый стол ЛВУ УУИС задает угловое положение вала пропеллера и его скорость вращения. Вращение осуществляет электрическая машина в режиме двигателя, получающая электроэнергию от энергоемкого аккумулятора на стартовом столе через регулятор тока заряда, разряда и кабель связи. При этом вертикальный вал собственно ветроустановки отключают от электрической машины с помощью коммутационной муфты, а крылья собственно ветроустановки переводят в режиме флюгерования. Базируется ЛВУ на стартовом столе, где предусмотрена катушка для смотки, размотки кабеля связи с ЛВУ. Вал катушки связан со вспомогательным реверсивным двигателем, управляемым узлом контроля натяжения кабеля связи на базе контроллера в зоне выхода его из катушки. Причем кабель связи через регулятор заряда, разряда тока подключен к энергоемкому аккумулятору, а выход последнего через инвертор связан с внешней промышленной сетью. Техническим результатом является повышение энергоэффективности и надежности при эксплуатации ЛВУ, обеспечение положения в пространстве ее вертикального вала в плоскости перпендикулярной направлению ветра и перпендикулярного поверхности земли. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ преобразования кинетической энергии ветра на летающей ветроэнергетической установке, в состав которой включен пропеллер с множеством лопастей и возможностью их вращения, он обеспечивает в установочном режиме подъем летающей ветроэнергетической установки и имеет устройство разворота лопастей на угол атаки относительно направления ветра, причем летающая ветроэнергетическая установка имеет собственно ветроустановку с вертикальным валом типа Дарье, при подлете к рабочей точке, пространственные координаты которой задают предварительно в узел управления и стабилизации с контроллером, включается рабочий режим управления и за счет энергии ветра через вращающийся вертикальный вал собственно ветроустановки включают коммутационную муфту и ускоряющий редуктор, вращают нижний конец вала электрической машины, работающей в генераторном режиме и передающей электроэнергию через кабель связи, регулятор тока заряда, разряда на аккумулятор стартового стола, а второй конец вала электрической машины подсоединяют к валу пропеллера через шарнирное соединение валов, причем угловое положение валов обеспечивается с помощью флюгера, узла управления и стабилизации с контроллером, гироскопа, комплекта датчиков, а в состав узла стабилизации с контроллером входит мотор-гайка и винт, соединяющий мотор-гайку с подшипником на валу пропеллера, отличающийся тем, что над собственно ветроустановкой устанавливают несущее аэродинамическое крыло с закрылками, управляемыми сервоприводами, это крыло закрепляют на вертикальном валу с помощью подшипника и фиксатора, жестко связывающего несущее аэродинамическое крыло с несущей скобой, а положение несущего аэродинамического крыла вместе с вертикальным валом изменяют, регулируя его угол атаки относительно направления ветра пропеллером, его устройством разворота лопастей и узлом управления и стабилизации с контроллером, обеспечивая необходимую подъемную силу и заданное положение рабочей точки летающей ветроэнергетической установки в рабочем режиме при минимальном расстоянии до стартового стола, а положение вертикального вала с углом атаки крыла близкое к вертикальному относительно поверхности земли.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в установочном режиме, при подъеме и возвращении на стартовый стол летающей ветроустановки узел управления и стабилизации задает угловое положение вала пропеллера, его устройством разворота положение его лопастей и его скорость вращения, причем вращение осуществляет электрическая машина в режиме двигателя, получая электроэнергию от энергоемкого аккумулятора на стартовом столе через регулятор тока заряда, разряда и кабель связи, в этом режиме вертикальный вал собственно ветроустановки отключают от электрической машины с помощью коммутационной муфты, а крылья ее переводят в режиме флюгерования.