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

Область техники

Заявляемое изобретение относится к области возобновляемой энергетики, в частности, к парусным энергетическим установкам и может быть использовано при реализации проектов обеспечения электроэнергией малых объектов, например, при формировании поселков на северных территориях, пустынных территориях с неустойчивыми грунтами, не допускающими формирование полноценного фундамента.

Уровень техники

Ветроэнергетика является одной из самых быстро развивающихся отраслей возобновляемой энергетики. В большинстве известных 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 габариты, обусловленные низкой плотностью воздуха. Однако крупногабаритные установки могут быть расположены только в тех местах, в которых свойства грунта позволяют выдерживать их большой вес и ветровые нагрузки.

Из уровня техники известна ветровая энергетическая установка, раскрытая в патенте РФ № 2125182. Известное решение обеспечивает возможность размещения установки в тех местах, где из-за свойств грунта сооружение энергетических установок с ветроколесом невозможно, или экономически нецелесообразно, например, в районах вечной мерзлоты. Известная 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 данной ветроэнергетической установки является низкая эффективность использования энергии ветрового потока, поскольку на половине круговой траектории платформы движутся под острым углом к направлению ветра.

Из патента РФ № 2343309 известна ветроэлектростанция со сходным описанному выше компонентным составом. Входящий в ветроэлектростанцию замкнутый состав платформ с установленными на них парусами движется по круговому рельсовому пути, при этом автоматическая система управления положением парусов выставляет паруса на каждой платформе в оптимальное положение в зависимости от направления ветра и пространственного положения платформы. Вырабатываемое электрогенераторами электричество передается внешнему потребителю через токосъемник.

Недостатком данного варианта энергетической установки является низкая эффективность использования энергии ветрового потока из-за особенности конструкции - половину пути состав платформ движется против направления ветра или под острым углом к нему.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является конструкция наземной парусной установки, раскрытая в следующем источнике информации «Парусная энергетическая установка наземного базирования», Чекарев Константин Владимирович, Залиханов Алим Михайлович, МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия:

http://jeees.ru/2022/07/08/%D0%BF%D0%B0%D1%80%D1%83%D1%81%D0%BD%D0%B0%D1%8F-%D1%8D%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B5%D1%82%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F-%D1%83%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BD%D0%BE%D0%B2%D0%BA%D0%B0-%D0%BD/

Раскрытая в данном источнике установка содержит генератор ветрового потока, платформу с парусами, двигающуюся вдоль направляющего рельса с токосъемником, систему изменения положения (поворота мачт) парусов и систему управления движением платформы. Эта установка является этапом экспериментальной работы по изучению механизмов работы наземной парусной установки и отдельных ее компонентов. По итогам экспериментов сделаны выводы по принципиальной возможности дальнейшей разработки подобного типа парусной установки, а также необходимости дальнейшей работы по совершенствованию отдельных элементов, таких как парус, системы управления движением платформ и т.д. В частности, сделан вывод о сильной зависимости угла поворота паруса относительно направления ветрового потока, зависимости скорости платформы от структуры поверхности паруса и т.д.

Однако в данном решении описана только возможность поступательного перемещения платформ с парусами по прямолинейной направляющей и не раскрывается возможность поворота платформ с парусами с обеспечением их постоянного расположения перпендикулярно направлению движения ветра.

Техническая проблема, решаемая посредством заявляемого изобретения, заключается в необходимости преодоления недостатков, присущих аналогам и прототипу, за счет создания мобильной, быстро и легко развертываемой наземной парусной энергетической установки.

Краткое раскрытие сущности изобретения

Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого изобретения, заключается в повышении эффективности использования энергии ветрового потока парусной энергетической установкой в результате обеспечения возможности изменения траектории и организации движения платформ установки таким образом, чтобы система парусов максимально эффективно могла использовать для движения энергию ветрового потока.

Известно, что максимальная скорость движения парусного судна достигается при движении в направлении перпендикулярном ветровому потоку, при этом парусные платформы движутся под действием аэродинамической силы F, действующей на установленные на них паруса. Мощность W, развиваемая этой силой, равна W=F⋅V, где V - скорость платформ. Из этой формулы видно, что движение платформ с установленными на них парусами перпендикулярно направлению ветра осуществляется с максимальной эффективностью использования ветрового потока. Таким образом, заявляемая установка в процессе эксплуатации обеспечивает возможность расположения платформ с установленными на них парусами перпендикулярно направлению ветра постоянно, с учетом изменения направления ветра, что обеспечит максимальную эффективность использования энергии ветра во время всего процесса движения платформ, а не частично.

Заявленный технический результат достигается тем, что парусная энергетическая установка, содержащая, по меньшей мере, две платформы, каждая из которых снабжена комплектом парусов, установленных на платформе под заданным углом, соединенные с блоком управления, и электрогенератор, подключенный к токосъемному рельсу, согласно техническому решению, снабжена кольцевой направляющей, выполненной с возможностью монтажа на сваях, эстакадой, в центральной части закрепленной к неподвижной опоре с возможностью поворота вокруг нее, а с торцов снабженной опорными колесными узлами, обеспечивающими установку и перемещение эстакады по кольцевой направляющей, при этом платформы установлены на эстакаде с возможностью свободного перемещения по ней под действием ветрового потока. Блок управления снабжен датчиком направления ветра. Опорные колесные узлы эстакады соединены с электромоторами, электрически сопряженными с блоком управления. Эстакада снабжена рельсами для размещения и перемещения платформ. Токосъемный рельс подключен к расположенным на неподвижной опоре поворотным контактам.

Краткое описание чертежей

Конструкция парусной энергетической установки, а также принцип ее действия поясняются следующими схематичными изображениями, где:

На фиг. 1 изображена общая схема энергетической установки.

На фиг. 2 приведена схема расположения эстакады на кольцевом пути.

На фиг. 3 представлена схема расположения платформы парусной установки на эстакаде.

Позициями на чертежах обозначены:

эстакада,

кольцевая направляющая,

неподвижная опора эстакады,

опорный колесный узел,

сваи,

электромотор,

блок управления положением эстакады,

платформа,

рельсы,

электрогенератор,

токосъемный рельс,

поворотные контакты,

внешний кабель,

паруса,

датчик направления ветра.

Осуществление изобретения

Основные элементы парусной энергетической установки (платформа, рельсовые направляющие) могут быть выполнены из металла, преимущественно, стальных профилей различного сечения. Часть элементов, например, на платформах (мачты, паруса, колеса) могут быть выполнены из синтетических и композитных материалов.

Заявляемая установка включает эстакаду 1, предназначенную для свободного, под действием воздушных потоков, перемещения по ней платформы 8 (или системы из нескольких соединенных платформ). На поверхности эстакады размещены рельсы 9, по которым могут передвигаться платформы 8. В центральной части эстакада укреплена на неподвижной опоре 3 с возможностью поворота вокруг нее. С торцов эстакада снабжена опорными колесными узлами 4. Под эстакадой размещена кольцевая направляющая 2, установленная на сваях 5. Колеса опорных колесных узлов установлены в направляющей 2 и свободно по ней перемещаются, в результате чего достигается поворот эстакады вокруг неподвижной центральной опоры. При больших размерах эстакады возможно использование дополнительной внутренней кольцевой направляющей (концентрично расположенной) с дополнительными опорами с колесами.

На опорных колесных узлах 4 размещены соединенные с колесами электромоторы 6, электрически соединенные с блоком управления положением эстакады 7, содержащим датчик направления ветра 15.

На эстакаде установлена платформа (или несколько последовательно соединенных платформ), снабженная парусами на мачтах. Платформы установлены в рельсах с возможностью свободного по ним перемещения. Платформа представляет собой прямоугольную металлическую конструкцию 8 с колесами, электрогенератором и установленными сверху парусами 14. Количество и размеры парусов зависят от величины платформы, ветрового режима территории размещения установки и т.д., и могут изменены при необходимости. Паруса могут быть изготовлены из пленок, тканных синтетических полотен, металлизированных пленок и других материалов, используемых для изготовления парусов водных плавсредств.

Под действием аэродинамических сил воздушного потока на паруса, платформы 8 перемещаются по расположенным на эстакаде рельсам 9. Паруса могут находиться в положении +/- 45° к направлению движения платформ. Положение парусов меняется при приближении к крайним точкам эстакады при помощи электромотора, установленного на платформе (на фиг. не показан). Расположенный на платформе электрогенератор 10 имеет электрический контакт с токосъемным рельсом 11.

Токосъемный рельс 11 подключен к расположенным на центральной опоре 3 поворотным контактам 12. Для передачи вырабатываемого электрогенераторами электричества внешнему потребителю поворотные контакты 12 соединены с кабелем 13, проходящим через центральную опору 3.

При установке парусной энергетической установки на месте эксплуатации необходимо обеспечить строгую горизонтальность кольцевого пути 2, что в данном случае достигается с помощью применения свай 5.

Парусная энергетическая установка работает следующим образом.

Установку быстро и легко монтируют на месте эксплуатации в следующей последовательности: устанавливают неподвижную центральную опору, вокруг которой монтируют сваи, на которых формируют кольцевой путь для перемещения эстакады. Кольцевая направляющая расположена в горизонтальной плоскости. В направляющую устанавливают колесные узлы эстакады, центральную часть которой устанавливают на неподвижную опору с возможностью вращения и проверяют возможность свободного перемещения эстакады в конструкции. Платформы с предустановленными парусами устанавливают на рельсы эстакады в крайнее положение. Подключают электрическую часть устройства и фиксируют показания датчика направления ветра.

Блок управления положением эстакады 7 регистрирует показания датчика направления ветра 15 и направляет сигнал на электромоторы 6 на опорах с колесами 4 для разворота эстакады с установленными на ней платформами так, чтобы она была ориентирована перпендикулярно направлению ветра. При этом колеса опорных узлов перемещаются в кольцевой направляющей, обеспечивая поворот. Блок управления и электромоторы питаются от аккумуляторов, заряжающихся от электрогенераторов 10, расположенных на платформах. Расположенные на эстакаде 1 платформы 8, под действием аэродинамических сил ветрового потока на установленные на платформах паруса, перемещаются к одному из концов эстакады 1 по рельсам. При движении платформ 8 установленные на них электрогенераторы 10 вырабатывают электричество, которое через токосъемный рельс 11, поворотные контакты 12 и кабель 13 передается внешнему потребителю. При приближении к концу эстакады, по сигналу блока управления 7, положение парусов изменяется на 90°и платформы начинают двигаться в противоположном направлении к другому концу эстакады. При такой организации движений платформ 8 они будут перемещаться по эстакаде 1 циклично энергетически выгодным курсом перпендикулярно к направлению ветра. Датчик направления ветра при изменении направления ветра, направляет сигнал в блок управления, который, в свою очередь, направляет сигнал на электромоторы, обеспечивающий поворот эстакады в положение перпендикулярно направлению ветра по кольцевой направляющей. Таким образом, при постоянной регистрации направления ветра блок управления обеспечивает поворот эстакады в наиболее эффективное, с точки зрения использования ветрового потока, положение.

Пример конкретного выполнения

Для подтверждения концепции исследования и разработки отдельных узлов устройства, были построены различные варианты моделей установки в лабораторных условиях. Эстакады, платформы и другие элементы конструкции монтировались из пластиковых (полиэтиленовых) профилей. Длина эстакады составляла 200 см. Для парусов применялась различные пластиковые пленки, наклеенные на мачты. Средние размеры платформ на которых устанавливались паруса - 20-30 см. Линейный размер платформ определялся количеством установленных на ней парусов. Были опробованы платформы с системами парусов от 2 до 6 мачт. Были испытаны паруса разных форм и размеров для определения оптимальных параметров. Наиболее оптимальным являлась система с 3 и 4 парусами на одной платформе. Размеры парусов составляли по высоте 24 см, по ширине внизу 16 см и вверху 10 см. Паруса выполнены из металлизированной пленки, которая крепилась к мачте и нижней рее, и были усилены 3-мя ребрами. Для изменения положения парусов применялись небольшие электромоторы на постоянном токе, питающиеся от аккумуляторов разного типа. Были испытаны эстакады с одной и двумя соединенными между собой платформами. Полученные результаты показали одинаково высокую эффективность одинарных и соединенных между собой платформ.

В результате проведенной серии экспериментов установлен коэффициент эффективности преобразования энергии ветрового потока заявленной наземной ветроэнергетической установки, равный 0,43, что является высоким показателем эффективности данного типа энергетических установок.

Изобретение относится к области возобновляемой энергетики, в частности к парусным энергетическим установкам, и может быть автономного электроснабжения на северных территориях, пустынных территориях с неустойчивыми грунтами, не допускающими формирование полноценного фундамента. Парусная энергетическая установка содержит одну или несколько соединенных вместе платформ, каждая из которых снабжена комплектом парусов, установленных на платформе под заданным углом, соединенных с блоком управления, и электрогенератор, подключенный к токосъемному рельсу. Установка снабжена кольцевой направляющей, выполненной с возможностью монтажа на сваях, эстакадой, в центральной части закрепленной к неподвижной опоре с возможностью поворота вокруг нее, а с торцов снабженной опорными колесными узлами, обеспечивающими установку и перемещение эстакады по кольцевой направляющей. Платформы установлены на эстакаде с возможностью свободного перемещения по ней под действием ветрового потока. Паруса на платформах установлены в положении ±45° к направлению движения платформ с возможностью изменения их угла разворота к направлению движения платформ по сигналу блока управления при приближении к концам эстакады. Блок управления снабжен датчиком направления ветра. Технический результат заключается в повышении эффективности использования энергии ветрового потока парусной энергетической установкой в результате обеспечения возможности изменения траектории движения платформ установки. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Парусная энергетическая установка, содержащая одну или несколько соединенных вместе платформ, каждая из которых снабжена комплектом парусов, установленных на платформе под заданным углом, соединенных с блоком управления, и электрогенератор, подключенный к токосъемному рельсу, отличающаяся тем, что установка снабжена кольцевой направляющей, выполненной с возможностью монтажа на сваях, эстакадой, в центральной части закрепленной к неподвижной опоре с возможностью поворота вокруг нее, а с торцов снабженной опорными колесными узлами, обеспечивающими установку и перемещение эстакады по кольцевой направляющей, при этом платформы установлены на эстакаде с возможностью свободного перемещения по ней под действием ветрового потока, паруса на платформах установлены в положении ±45° к направлению движения платформ с возможностью изменения их угла разворота к направлению движения платформ по сигналу блока управления при приближении к концам эстакады, а блок управления снабжен датчиком направления ветра.

2. Парусная энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что опорные колесные узлы эстакады соединены с электромоторами, электрически сопряженными с блоком управления.

3. Парусная энергетическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что эстакада снабжена рельсами для перемещения платформ.

4. Парусная энергетическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что токосъемный рельс подключен к расположенным на неподвижной опоре поворотным контактам.