ПАРУСНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С ЭСТАКАДОЙ С МАЧТАМИ Российский патент 2025 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.

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 за счет организации циклического движения платформ в интервале перемещений, на котором платформы движутся наиболее эффективном курсом перпендикулярно направлению ветра (патент РФ №2806704 «Парусная ветроэнергетическая установка»). Для этого в состав установки вводятся расположенные на рельсовом пути ограничительные тележки, определяющие интервал перемещений относительно направления ветра. На ограничительных тележках установлены пружинные устройства, уменьшающие время изменения скорости платформ при изменении направления их движения, что повышает мощность энергетической установки.

Недостатком этой конструкции парусной энергетической установки является низкая эффективность использования энергии ветрового потока, обусловленная большой массой платформ на которых устанавливается система жестких парусов-платформ, а также сложность устройства автоматического изменения положения парусов, для работы которой требуется электроэнергия.

Известна парусная энергетическая установка, в которой эффективность повышается за счет уменьшения массы системы жестких парусов и организации автоматического управления ее движения без затрат электроэнергии (патент РФ 2817457 «Подвесная парусная энергетическая установка»). Установка может быть расположена, например, в ущелье горной местности. Она содержит систему жестких парусов, которая может перемещаться по подвешенной на тросе горизонтальной направляющей, на которой расположены регуляторы ее перемещений, включающие пружинное устройство и устройство автоматического изменения углового положения системы жестких парусов. Трос закреплен на стенках ущелья. Система жестких парусов выполнена в виде рамы с набором жестких пластин, которые могут поворачиваться вокруг вертикальной оси на фиксированный угол 90°. Рама перемещается по горизонтальной направляющей на колесиках, прикрепленных к ее верхней стороне. К верхним концам вставленных в раму пластин с одной стороны прикреплены вертикальные штырьки, на которые надета горизонтальная рейка, которая при контакте с регулятором перемещений, изменяет угловое положение пластин. Для фиксации рамы в вертикальной плоскости на концах нижней стороны рамы крепятся по два ролика, между которыми проходи г горизонтальный трос, закрепленный на сторонах ущелья с двух сторон. Для организации выработки электроэнергии снизу к раме крепится образующий петлю трос, который с одной стороны проходит через шкив, закрепленный на одной стороне ущелья, а с другой стороны через шкив, находящийся на оси электрогенератора, закрепленного на другой стороне ущелья.

Подвесная парусная энергетическая установка работает следующим образом. Под действием аэродинамических сил система жестких парусов перемещается циклически между установленными на направляющей регуляторами ее перемещений. При приближении рамы к регулятору перемещений закрепленная на пластинах рейка приходит в контакт с устройством изменения углового положения системы жестких парусов, в результате вставленные в раму полосы повернутся на фиксированный угол. В этот момент рама приходит в контакт с пружинным устройством, в результате происходит быстрое изменение направления движения рамы, после чего рама начинает двигаться к другому регулятору положения.

При перемещении рама тянет прикрепленный к ней трос, который вращает закрепленный на оси электрогенератора шкив, вырабатывая электроэнергию.

Недостатком данной конструкции парусной энергетической установки является узкая область ее использования, поскольку на равнинных местностях нет опоры для крепления подвесной направляющей.

Задачей изобретения является расширение области использования парусной энергетической установки с системой жестких парусов малой массы на районы, в которых отсутствуют естественные опоры для создания горизонтальных подвесных направляющих.

Технический результат достигается тем, что в парусную установку, содержащую систему жестких парусов, выполненную в виде рамы с набором жестких пластин, вводится эстакада с мачтами, установленными на ее концах, которые могут перемещаться по кольцевому рельсовому пути на колесных опорах с помощью электромотора, работающего по сигналам блока управления, содержащего датчик направления скорости. Система жестких парусов перемещается на колесиках по направляющей, проложенной вдоль эстакады, и фиксируется в вертикальной плоскости с помощью троса, закрепленного на концах мачт, и роликов, установленных на верхней стороне рамы. Для автоматизации процесса перемещения системы жестких парусов на концах мачт крепятся регуляторы ее перемещений, включающие пружинное устройство и устройство изменения углового положения системы жестких парусов. Для организации выработки электроэнергии к нижним концам рамы с двух сторон крепится образующий петлю трос, который с одной стороны проходит через шкив, закрепленный на одной мачте, а с другой стороны через шкив, расположенный на оси электрогенератора, закрепленного на другой мачте. Вырабатываемая электрогенератором электроэнергия передается потребителю через кабель, уложенный вдоль эстакады, и круговые контакты на центральной опоре, расположенной в середине эстакады.

С помощью колесных опор эстакада, при любом направлении ветра, устанавливается перпендикулярно направлению ветра для того чтобы система жестких парусов могла перемещаться наиболее энергетически эффективным курсом.

Конструкция парусной энергетической установки с поворотной эстакадой с мачтами поясняется схемами, представленными на Фиг. 1 - 4. На Фиг. 1 а) показан общий вид установки. Она содержит эстакаду 1, вдоль которой проходит горизонтальная направляющая 2, выполненная из Т-образного профиля, по которой перемещается на колесиках система жестких парусов 3. На концах эстакады 1 установлены мачты 4, укрепленные тросами 5. К верхним концам мачт 2 крепится горизонтальный трос 6 и регуляторы перемещений 7 системы жестких парусов 3. В середине эстакады 1 находится центральная опора 8 с круговыми контактами, а концы эстакады расположены на колесных опорах 9, которые могут перемещаясь по круговому рельсовому пути 10, установленному на сваях 11. На Фиг. 1 б) показана схема конца эстакады 1 с колесной опорой 9. Колесные опоры 9 перемещаются по круговому рельсовому пути 10 на колесах, которые вращаются электромотором 12 по сигналам блока управления положением эстакады 1, включающего датчик направления ветра (на схеме не показаны). С помощью сигналов блока управления при любом направлении ветра эстакада 1 устанавливается перпендикулярно ветровому потоку.

На Фиг. 2 а) показана схема системы жестких парусов 3, включающая раму 13, выполненную из прямоугольного профиля, в которую вставлены жесткие паруса в виде пластин 14. закрепленных в раме 13 так, что они могут поворачиваться вокруг вертикальной оси, проходящей через их середину. Количество пластин, вставленных в раму 13, определяется проектной мощностью установки. К верху каждой пластины с одной стороны прикреплены вертикальные штырьки 15, на которые надета горизонтальная рейка 16. При перемещении рейки 16 вперед и назад меняется угловое положение пластин 14. При любом направлении ветра система жестких парусов 3 движется 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 17, прикрепленных к крайним пластинам 14 и к раме 13, путем подбора их длины. Для перемещения системы жестких парусов 3 по горизонтальной направляющей 2 к нижней стороне рамы 13 крепятся колесики 18, а фиксация системы жестких парусов 3 в вертикальной плоскости осуществляется с помощью роликов 19 и расположенного между ними горизонтального троса 6. На Фиг. 2 б) показана схема крепления роликов 19 к раме 13.

Конструкция регулятора перемещений 7 системы жестких парусов 3 представлена на Фиг. 3а). Он выполнен в виде пластины 20, положение которой фиксируется на мачте 4 с помощью скоб 21. На каждом регуляторе перемещений 7 установлено пружинное устройство 22, схема которого представлена на Фиг. 3б). Пружинное устройство 22 включает стержень 23 с фланцем 24 на его конце. На стержень 23 надета пружина 25, а сам стержень 23 вставлен в втулку 26, закрепленную на регуляторе перемещений 7.

Для изменения углового положения пластин 14 при изменении направления движения системы жестких парусов 3 на регуляторе перемещений 7 установлено устройство изменения углового положения жестких парусов 27, включающее полосу упора 28 и закрепленную на ее конце вертикальную полоску 29. Ее длина определяется размером пластин 14 и их угловым положением. Полоса упора 28 крепится на горизонтальной плоскости устройства 27, прикрепленной к пластине 20.

Выработка установкой электрической энергии поясняется схемой, представленной на Фиг. 4. К нижним углам рамы 13 с двух сторон крепится образующий петлю трос 30, который с одной стороны проходит через шкив 31, закрепленный у нижнего конца одной из мачт, а с дугой стороны через шкив 32, надетый на ось электрогенератора, закрепленного у нижнего конца другой мачты. Трос 30 установлен таким образом, чтобы он не мешал движению системы жестких парусов по горизонтальной направляющей 2.

Вырабатываемая электрогенератором электроэнергия подается потребителю через кабель 33 электрогенератора пропущенный вдоль эстакады 1, и через круговые контакты 34 центральной опоры 8.

Парусная энергетическая установка с поворотной эстакадой с мачтами работает следующим образом. При пуске установки включается блок управления положением эстакады, который с помощью датчика направления ветра, формирует сигналы на моторы 12 колесных опор 9 для движения по круговому радиальному пути 9. В результате перемещений колесных опор 9 эстакада 1 поворачивается и устанавливается перпендикулярно направлению ветра. После этого систему жестких парусов 3 располагают у одного из регуляторов перемещений 7. Под действием аэродинамических сил, система жестких парусов 3 перемещается в сторону другого регулятора перемещений 7. Когда система жестких парусов 3 оказывается у регулятора перемещений 7. закрепленная на пластинах 14 рейка 16 приходит в контакт с полоской 29, закрепленной на полосе упора 28, в результате чего рейка 16 будет перемещаться назад относительно движения системы жестких парусов 3, в результате чего все пластины 14, соединенные рейкой 16, повернутся на угол 90°. В этот момент рама 13 приходит в контакт с фланцем 24 пружинного устройства 22, в результате чего пружина 25 начинает сжиматься, скорость системы жестких парусов 3 уменьшается, при этом кинетическая энергия системы жестких парусов 3 преобразуется в потенциальную энергию сжатой пружины 25. После остановки системы жестких парусов 3 пружина 25 начинает разжиматься, и система жестких парусов 3 начинает двигаться в обратном направлении. Временной интервал изменения скорости системы жестких парусов 3 определяется их совокупной массой и жесткостью пружины. Подбором значений этих параметров можно найти оптимальное время изменения скорости системы жестких парусов 3 при изменении направления ее движения. При перемещении система жестких парусов 3 тянет прикрепленный к раме 13 трос 30, который вращает закрепленный на оси электрогенератора шкив 32, вырабатывая электроэнергию.

При изменении направления ветра в процессе работы установки эстакада 1 всегда будет разворачивать перпендикулярно направлению ветра, поэтому система жестких парусов будет всегда двигаться наиболее энергетически выгодным курсом.

Для оценки возможности реализации предложенной конструкции парусной энергетической установки с подвижной эстакадой с мачтами был создан ее макет и проведены на нем экспериментальные исследования. В макете установки в качестве направляющей использовался закрепленный на стойках пластиковый короб, по которому двигалась система жестких парусов, выполненная в виде прямоугольной рамки на колесиках. В рамку были вставлены пластины из пенополистирола в количестве 6 штук. На концах стоек крепились регуляторы перемещений системы жестких парусов, на каждом из которых были установлены пружинное устройство и устройство изменения углового положения вставленных в рамку пластин. Для фиксации рамки в вертикальной плоскости к ее верхней стороне крепились ролики, а между стойками натягивалась горизонтальная леска, к нижней стороне рамки крепилась образующая петлю нить, проходящая через шкив, закрепленный на одной стойке, и 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. Проведенные эксперименты показали работоспособность предложенной конструкции. Все элементы установки работали нормально. При движении системы жестких парусов электрогенератор вырабатывал электроэнергию, необходимую для работы светодиодов.

Изобретение относится к возобновляемой энергетике, в частности к парусным энергетическим установкам. В устройстве опоры выполнены в виде двух мачт, установленных на концах эстакады, которые могут перемещаться по расположенному на сваях кольцевому рельсовому пути на колесных опорах с помощью электромоторов, работающих по сигналам блока управления, содержащего датчик направления ветра, а горизонтальный трос и регуляторы перемещений крепятся к верхним концам мачт, горизонтальная направляющая расположена вдоль эстакады, по которому на колесиках перемещается рама, при этом к ее нижним углам с двух сторон крепится образующий петлю трос электрогенератора, который с одной стороны проходит через шкив, закрепленный на одной мачте, а с другой стороны через шкив, расположенный на оси электрогенератора, закрепленного на другой мачты, при этом кабель электрогенератора проходит вдоль эстакады и присоединен к круговым контактам центральной опоры, расположенной на середине эстакады. Техническим результатом является расширение области использования парусной энергетической установки с системой жестких парусов малой массы на районы, в которых отсутствуют естественные опоры для создания горизонтальных подвесных направляющих. 4 ил.

Парусная энергетическая установка, содержащая систему жестких парусов, которая может перемещаться по горизонтальной направляющей, и регуляторы ее перемещений, включающие пружинное устройство и устройство автоматического изменения углового положения системы жестких парусов, выполненной в виде прямоугольной рамы, в которую вставлены пластины, закрепленные 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 регулятором перемещений, изменяет угловое положение пластин, при этом на углах рамы на одной горизонтальной стороне крепятся колесики, а на другой стороне крепятся по два ролика, между которыми проходит горизонтальный трос, закрепленный на опорах с двух сторон, отличающаяся тем, что опоры выполнены в виде двух мачт, установленных на концах эстакады, которые могут перемещаться по расположенному на сваях кольцевому рельсовому пути на колесных опорах с помощью электромоторов, работающих по сигналам блока управления, содержащего датчик направления ветра, а горизонтальный трос и регуляторы перемещений крепятся к верхним концам мачт, горизонтальная направляющая расположена вдоль эстакады, по которому на колесиках перемещается рама, при этом к ее нижним углам с двух сторон крепится образующий петлю трос электрогенератора, который с одной стороны проходит через шкив, закрепленный на одной мачте, а с другой стороны через шкив, расположенный на оси электрогенератора, закрепленного на другой мачты, при этом кабель электрогенератора проходит вдоль эстакады и присоединен к круговым контактам центральной опоры, расположенной на середине эстакады.