ПОДВЕСНАЯ ПАРУСНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2024 года по МПК F03D5/04 

Изобретение относится к возобновляемой энергетике, в частности, к парусным энергетическим установкам.

Ветроэнергетика является одной из самых быстро развивающихся отраслей возобновляемой энергетики. В большинстве действующих ветровых установок преобразование ветрового потока осуществляется с помощью ветроколеса с горизонтальной осью вращения и соединенного с ним электрогенератора, которые устанавливаются на вертикальной опоре. Недостатком существующих энергетических ветровых установок являются большие размеры, обусловленные низкой плотностью воздуха, что сужает область их использования. Большие установки могут сооружаться только в тех местах, в которых свойства грунта позволяют выдерживать вес установок и ветровые нагрузки.

Известен вариант ветровой энергетической установки, расширяющий область использования ветроэнергетики (патент РФ №2125182 «Ветроэнергетическая установка»). Он позволяет сооружать установки в тех местах, где из-за свойств грунта сооружение энергетических установок с ветроколесом невозможно или экономически нецелесообразно, например, в районах вечной мерзлоты. Ветроэнергетическая установка содержит платформы с установленными на них парусами. Платформы соединены в замкнутый состав, который перемещается по круговому рельсовому пути. На платформах установлены электрогенераторы, соединенные с колесами платформ. Система автоматического управления положением парусов выставляет углы поворота парусов на каждой платформе в зависимости от направления ветра и пространственного положения платформы.

Недостатком ветроэнергетической установки является низкая эффективность использования энергии ветрового потока, поскольку на половине своей траектории платформы движутся под острым углом к направлению ветра.

Известен вариант парусной ветроэнергетической установки, повышающий эффективность использования энергии ветрового потока (патент РФ 2806704 «Парусная ветроэнергетическая установка»). Установка содержит состав платформ, на каждой из которых установлена система жестких парусов. Платформы перемещаются циклически в заданном интервале перемещений. Движение платформ организовано таким образом, что в середине интервала перемещений они движутся наиболее выгодным курсом перпендикулярно направлению ветра. Для этого в состав установки вводятся расположенные на рельсовом пути ограничительные тележки, определяющие интервал перемещений относительно направления ветра. На ограничительных тележках установлены пружинные устройства изменения скорости движения платформ.

Парусная энергетическая установка работает следующим образом. С помощью датчика направления ветра и системы управления ограничительные тележки выставляются на рельсовом пути таким образом, чтобы платформы проходили середину интервала перемещений под прямым углом к направлению ветра. Находящийся на рельсовом пути состав платформ под действием аэродинамических сил воздушного потока будет перемещаться к одной из ограничительных тележек. При контакте первой платформы с ограничительной тележкой паруса приводятся системой управления в положение, необходимое для движения в обратном направлении. Одновременно с изменением положения парусов происходит взаимодействие первой платформы с установленным на ограничительной тележке пружинным устройством. При взаимодействии с платформой пружина начинает сжиматься, а скорость платформ уменьшается, при этом кинетическая энергия платформ переходит в потенциальную энергию пружины. После того, как платформы остановятся, они начинают двигаться в обратном направлении под действием силы сжатой пружины, при этом паруса уже находятся в нужном для этого движения положении. При движении платформ установленные на них электрогенераторы вырабатывают электроэнергию, которая по токосъемнику передается внешнему потребителю.

Недостатком этой конструкции парусной энергетической установки является узкий диапазон использования. Данная конструкция не может быть использована, например, в ущельях горной местности.

Задачей изобретения является расширение области использования парусных энергетических установок.

Технический результат достигается тем, что в парусную энергетическую установку, содержащую систему жестких парусов, регулятор ее перемещений с пружинным устройством и электрогенератор, вводится закрепленная на тросе направляющая, по которой перемещается прямоугольная рама на колесиках, закрепленных на верхней стороне рамы, в которую вставлена система жестких парусов, выполненных в виде пластин, закрепленных в раме так, что они могут поворачиваться вокруг вертикальной оси, проходящей через середину пластин, к верхним концам которых с одной стороны прикреплены вертикальные штырьки, на которые надета горизонтальная рейка, которая при контакте с устройством изменения положения парусов, установленным на регуляторе перемещений, изменяет угловое положение вставленных в раму пластин, при этом на концах нижней стороны рамы крепятся по два ролика, между которыми проходит горизонтальный трос, закрепленный на опорах с двух сторон, фиксирующий положение рамы снизу, а также крепится образующий петлю трос электрогенератора, который с одной стороны проходит через шкив, закрепленный на опоре, а с другой стороны через шкив, находящийся на оси электрогенератора.

Конструкция подвесной парусной энергетической установки поясняется схемами, представленными на Фиг. 1-4. На Фиг. 1 показан общий вид установки, которая может быть расположена, например, в ущелье горной местности. В установку введена закрепленная на тросе 1 горизонтальная направляющая 2, по которой перемещается прямоугольная рама 3 на колесиках 4, закрепленных на ее верхней стороне. В раму 3 вставлена система жестких парусов в виде пластин 5. Положение низа рамы 3 в плоскости, перпендикулярной направляющей 2, фиксируется с помощью двух роликов 6, закрепленных на концах нижней стороны рамы 3, между которыми проходит горизонтальный трос 7, закрепленный на опорах с двух сторон. К концам нижней стороны рамы 3 также крепится образующий петлю трос 8, вращающий электрогенератор. Трос 8 с одной стороны проходит через шкив 9, закрепленный на опоре, а с другой стороны через шкив 10, установленный на оси электрогенератора. На направляющей 2 с двух сторон установлены регуляторы перемещений системы жестких парусов 11, которые определяют величину интервала перемещений рамы 3, изменение ее скорости, а также изменение углового положения пластин 5 системы жестких парусов, схема которой представлена на Фиг. 2. В раму 3, выполненную из прямоугольного профиля, вставлены жесткие паруса в виде платин 5, закрепленных в раме 3 так, что они могут поворачиваться вокруг вертикальной оси, проходящей через их середину. Количество пластин, вставленных в раму 3, определяется проектной мощностью установки. К верху каждой пластины с одной стороны прикреплены вертикальные штырьки 12, на которые надета горизонтальная рейка 13. При перемещении рейки 13 вперед и назад меняется угловое положение пластин 5.

При сооружении подвесной парусной энергетической установки в горном ущелье направляющую 2 располагают таким образом, что рама 3 с системой жестких парусов всегда перемещается перпендикулярно ветровому потоку. Для эффективного использования его энергии в систему жестких парусов вводятся фиксаторы углового положения пластин таким образом, чтобы угол их поворота по отношению к направлению ветра всегда составлял 45°. Это делается с помощью шкивов 14, прикрепленных к крайним пластинам 5 и к раме 3, путем подбора их длины.

На Фиг. 3 а) представлена схема конструкции устройства перемещения рамы 3 по направляющей 2 с помощью колесиков 4. Самой простой конструкцией такого устройства является конструкция, которая применяется на подвесных канатных дорогах для перемещений кабин с людьми и грузовых вагончиков. На Фиг. 3 б) приведена схема фиксации рамы 3 снизу в плоскости, перпендикулярной направляющей 2, которая осуществляется с помощью роликов 6 и расположенного между ними горизонтального троса 7. Длина роликов 6 определяется величиной провиса каната 7 на расстоянии перемещения рамы 3.

Конструкция регулятора перемещений системы жестких парусов 11 представлена на Фиг. 4 а). Он выполнен в виде опорной пластины, положение которой на направляющей 2 фиксируется с помощью скоб 15, к которым сверху крепится гайка с болтом 16, как это показано на Фиг. 4 б). На каждом регуляторе перемещений 11 установлено пружинное устройство 17, схема которого представлена на Фиг. 4 в). Пружинное устройство 17 включает стержень 18 с фланцем 19 на его конце. На стержень 18 надета пружина 20, а сам стержень 18 вставлен во втулку 21, закрепленную на регуляторе перемещений 11.

Для изменения углового положения пластин 5 при изменении направления движения рамы 3 на регуляторе перемещений 11 установлено устройство, выполненное в виде упора, включающего полосу 22 и закрепленную на ее конце вертикальную полоску 23. Ее длина определяется размером пластин 5 и их угловым положением при движении рамы 3. Полоса упора 22 крепится на горизонтальной плоскости 24, прикрепленной к опорной плоскости регулятора перемещений 11.

Подвесная парусная энергетическая установка работает следующим образом. Перед началом работы установки регуляторы перемещений 11 фиксируются с помощью болтов 16 на направляющей 2 таким образом, чтобы рамка перемещалась по направляющей 2, не касаясь шкива 9 и шкива 10. При пуске установки раму 3 располагают у одного из регуляторов перемещений 11. Под действием аэродинамических сил, рама 3 с системой жестких парусов перемещается в сторону регулятора перемещений 11, расположенного на другом конце направляющей 2. При перемещении рамы 3 она тянет прикрепленный к ней трос 8 электрогенератора, который вращает закрепленный на его оси шкив, вырабатывая электроэнергию. При приближении рамы 3 к регулятору перемещений 11, закрепленная на пластинах 5 рейка 13 приходит в контакт с полоской 23, закрепленной на полосе упора 22, в результате чего рейка 13 будет перемещаться назад относительно движения рамы 3, при этом все пластины 5, соединенные рейкой 13, начинают поворачиваться. Когда угловое положение пластин 5 относительно плоскости рамы 3 превысит угол 90°, под действием аэродинамических сил воздушного потока пластины резко повернутся на фиксированный угол 45° по отношению к направлению ветрового потока. В этот момент рама 3 приходит в контакт с фланцем19 пружинного устройства 17, в результате чего пружина 20 начинает сжиматься, скорость рамы 3 уменьшается, а кинетическая энергия рамы с системой жестких парусов преобразуется в потенциальную энергию сжатой пружины 20. После остановки рамы 3 пружина 20 начинает разжиматься, и рама 3 начинает двигаться в обратном направлении, при этом пластины 5 жестких парусов уже повернуты на нужный угол по отношению к направлению ветра.

Временной интервал изменения скорости рамы 3 с вставленной в нее системой жестких парусов определяется их совокупной массой и жесткостью пружины. Подбором значений этих параметров можно найти оптимальное время изменения скорости рамы 3 при изменении направления ее движения.

Для оценки возможности реализации предложенной конструкции подвесной парусной энергетической установки был создан ее макет и проведены на нем экспериментальные исследования. В макете установки в качестве направляющей использовался пластиковый короб с сечением 25×16 мм, длиной 2 метра. Короб крепился на стойках высотой 55 см.

По коробу двигалась рама на колесиках диаметром 20 мм. В прямоугольную рамку размером 34×26,5 см были вставлены пластины из пенополистирола, толщиной 3 мм, размером 26×7,5 см в количестве 6 штук. На концах направляющей крепились регуляторы перемещений рамки, на каждом из которых были установлены пружинное устройство и устройство изменения углового положения вставленных в рамку пластин. Для фиксации рамы к ее нижней стороне крепились ролики высотой 20 мм, а между стойками натягивалась горизонтальная леска, толщиной 0,6 мм. К рамке крепилась образующая петлю нить, проходящая через шкив, закрепленный на одной стойке, и через шкив на оси электрогенератора, закрепленного на другой стойке. Для имитации ветра был создан генератор ветрового потока, выполненный их двух, расположенных друг над другом, рядов вентиляторов в количестве 25 штук. В качестве индикатора возможности выработки установкой электроэнергии использовались светодиоды, подключенные к электрогенератору. В процессе проведения экспериментов интервал перемещений рамки менялся с помощью регуляторов положения рамки. Перемещение рамки фиксировалось с помощью видеокамеры, по полученным записям определялась скорость перемещения рамки. Проведенные эксперименты показали работоспособность предложенной конструкции. Все элементы установки работали нормально. При движении рамки электрогенератор вырабатывал электроэнергию, необходимую для работы светодиодов. Эксперименты с изменением интервала перемещений рамки показали, что установка работает даже на интервале перемещений, равном двум длинам рамки.

Изобретение относится к возобновляемой энергетике, в частности к парусным энергетическим установкам. Технический результат, заключающийся в расширении области использования парусных энергетических установок, достигается тем, что в установку, содержащую систему жестких парусов, регулятор ее перемещений и электрогенератор, вводится закрепленная на тросе направляющая, по которой перемещается прямоугольная рама на колесиках, закрепленных на верхней стороне рамы, в которую вставлена система жестких парусов, выполненных в виде пластин, закрепленных в раме так, что они могут поворачиваться вокруг вертикальной оси, проходящей через середину пластин, к верхним концам которых с одной стороны прикреплены штырьки, на которые надета рейка, которая при контакте с устройством изменения положения парусов, установленным на регуляторе перемещений, изменяет угловое положение вставленных в раму пластин, при этом к концам нижней стороны рамы крепится образующий петлю трос электрогенератора, который с одной стороны проходит через шкив, закрепленный на опоре, а с другой стороны через шкив, находящийся на оси электрогенератора. 4 ил.

Парусная энергетическая установка, содержащая систему жестких парусов, регулятор ее перемещений с пружинным устройством и электрогенератор, отличающаяся тем, что в установке вводится закрепленная на тросе горизонтальная направляющая, по которой перемещается прямоугольная рама на колесиках, установленных на верхней стороне рамы, в которую вставлена система жестких парусов, выполненных в виде пластин, закрепленных в раме так, что они могут поворачиваться вокруг вертикальной оси, проходящей через середину пластин, к верхним концам которых с одной стороны прикреплены вертикальные штырьки, на которые надета горизонтальная рейка, которая при контакте с устройством изменения положения парусов, установленным на регуляторе перемещений, изменяет угловое положение пластин, при этом на концах нижней стороны рамы крепятся по два ролика, между которыми проходит горизонтальный трос, закрепленный на опорах с двух сторон, фиксирующий положение рамки снизу, а также крепится образующий петлю трос электрогенератора, который с одной стороны проходит через шкив, закрепленный на опоре, а с другой стороны через шкив, закрепленный на оси электрогенератора.