RU2721014C1 - Method of wind and energy air flows energy conversion at medium altitudes in troposphere and device for its implementation - Google Patents
Method of wind and energy air flows energy conversion at medium altitudes in troposphere and device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2721014C1 RU2721014C1 RU2019135976A RU2019135976A RU2721014C1 RU 2721014 C1 RU2721014 C1 RU 2721014C1 RU 2019135976 A RU2019135976 A RU 2019135976A RU 2019135976 A RU2019135976 A RU 2019135976A RU 2721014 C1 RU2721014 C1 RU 2721014C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- glider
- gliders
- wind
- cable
- ground platform
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03D—WIND MOTORS
- F03D5/00—Other wind motors
- F03D5/02—Other wind motors the wind-engaging parts being attached to endless chains or the like
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03D—WIND MOTORS
- F03D5/00—Other wind motors
- F03D5/06—Other wind motors the wind-engaging parts swinging to-and-fro and not rotating
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/70—Wind energy
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Wind Motors (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области возобновляемых источников энергии и предназначено для использования в ветроэнергетике.The invention relates to the field of renewable energy and is intended for use in wind energy.
В настоящее время в ветроэнергетике доминируют ветротурбины с горизонтальной осью вращения. Несмотря на то, что для усовершенствования этих турбин были затрачены весьма значительные средства, они имеют ряд принципиальных недостатков, которые не могут быть устранены, так как они присущи аэромеханической схеме этих ветротурбин.Currently, wind turbines with a horizontal axis of rotation dominate in wind energy. Despite the fact that very significant funds were spent to improve these turbines, they have a number of fundamental shortcomings that cannot be eliminated, since they are inherent in the aeromechanical scheme of these wind turbines.
Известно, что участок лопасти вблизи комля (около 20% длины лопасти) не вносит сколько-нибудь существенный вклад в преобразование энергии ветра. Ветротурбины требуют установки на достаточно высоких колоннах, причем тяжёлые электрогенераторы и редукторы располагаются на верхнем конце колонны, что вызывает необходимость увеличения изгибной жесткости (следовательно, и веса) колонны. Сила аэродинамического сопротивления ротора ветротурбины создаёт значительный изгибающий момент, для восприятия которого требуется строительство многотонного фундамента. Ветротурбины с вертикальной осью вращения могут быть эффективны только при достаточно большой скорости вращения. Вследствие этого их использование ограничено установками малой мощности. It is known that the blade section near the butt (about 20% of the blade length) does not make any significant contribution to the conversion of wind energy. Wind turbines require installation on sufficiently high columns, and heavy electric generators and gearboxes are located on the upper end of the column, which necessitates an increase in the bending stiffness (and therefore weight) of the column. The aerodynamic drag of the wind turbine rotor creates a significant bending moment, the perception of which requires the construction of a multi-ton foundation. Wind turbines with a vertical axis of rotation can be effective only at a sufficiently high speed of rotation. As a result, their use is limited to low power installations.
Известны способы преобразования энергии ветровых и энергетических потоков воздуха (Cristina Archer and Ken. Caldiera. Global Assesment for High Altitude Wind Power // Energies 2009, 2, 307-319; DOI: 10.3390/en20200307), в которых осуществляют операции управления движением и аэродинамической подъёмной силой крыльевой системы путём регулирования натяжения тросов, соединяющих систему с наземной платформой, что обеспечивает только функционирование системы. Недостатком данных способов преобразования энергии ветровых потоков является малая эффективность преобразования энергии, поскольку в них отсутствуют операции, направленные на максимизацию преобразования энергии ветровых потоков, а также операции по адаптации системы к данной скорости ветра. Known methods for converting the energy of wind and energy flows of air (Cristina Archer and Ken. Caldiera. Global Assesment for High Altitude Wind Power // Energies 2009, 2 , 307-319; DOI: 10.3390 / en20200307), in which operations control the movement and aerodynamic the lifting force of the wing system by adjusting the tension of the cables connecting the system to the ground platform, which ensures only the functioning of the system. The disadvantage of these methods of converting the energy of wind flows is the low efficiency of energy conversion, since there are no operations aimed at maximizing the conversion of energy of wind flows, as well as operations to adapt the system to a given wind speed.
Также известно, что скорость ветра на средних и больших высотах значительно выше, чем в приземном пограничном слое (Cristina Archer and Ken. Caldiera. Global Assesment for High Altitude Wind Power // Energies 2009, 2, 307-319; DOI: 10.3390/en20200307; Tony Burton (et all). Wind Energy Handbook. – Wiley and Sons, 2001. DOI: 10.1002/0470846062). Для преобразования энергии ветровых потоков на высотах были разработаны и предложены аэростаты, несущие ветротурбины с электрическими генераторами и передающие энергию на землю по кабелю (Tony Burton (et all). Wind Energy Handbook. – Wiley and Sons, 2001. DOI:10.1002/0470846062; Bryan Roberts (et all). Harnessing High Altitude Wind Power//IEEE Transactions on Energy conversion, Vol.22, No1, March 2007). It is also known that wind speeds at medium and high altitudes are significantly higher than in the surface boundary layer (Cristina Archer and Ken. Caldiera. Global Assesment for High Altitude Wind Power // Energies 2009, 2 , 307-319; DOI: 10.3390 / en20200307 ; Tony Burton (et all). Wind Energy Handbook. - Wiley and Sons, 2001. DOI: 10.1002 / 0470846062). To convert the energy of wind currents at heights, balloons carrying wind turbines with electric generators and transmitting energy to the earth via cable were developed and proposed (Tony Burton (et all). Wind Energy Handbook. - Wiley and Sons, 2001. DOI: 10.1002 / 0470846062; Bryan Roberts (et all). Harnessing High Altitude Wind Power // IEEE Transactions on Energy conversion, Vol. 22, No. 1, March 2007).
Системы такого типа имеют следующие недостатки: Systems of this type have the following disadvantages:
– большой объём и габариты аэростата, обусловленные весом ветротурбины, генератора, а также электрического кабеля для передачи энергии на землю;- the large volume and dimensions of the balloon, due to the weight of the wind turbine, generator, as well as the electric cable for transmitting energy to the ground;
– высокая нагрузка на привязной трос аэростата вследствие большого аэродинамического сопротивления системы, что вызывает необходимость дополнительного увеличения подъёмной силы аэростата (то есть его объёма и размеров), а также это вызывает существенное отклонение положения аэростата от точки закрепления троса на земле, в результате чего значительно увеличиваются потребные длины и вес привязного троса и электрического кабеля.- a high load on the tethered rope of the balloon due to the large aerodynamic drag of the system, which necessitates an additional increase in the lift of the balloon (i.e. its volume and size), and also causes a significant deviation of the position of the balloon from the point of attachment of the rope to the ground, resulting in significantly increased the required lengths and weights of the tethered cable and electric cable.
Для преобразования энергии ветра на средних высотах были предложены и разрабатываются системы другого типа, характеризующиеся тем, что в этих системах электрический генератор расположен на наземной платформе (Miles L.Loyd. Crosswind Kite Power // J.Energy, Vol.4, No3, article № 80-4075; M.Canale, L.Faggiano and M.Milanese. High Altitude Wind Energy Generation Using Controlled Power Kites// IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2010; Maxim Ahmed, Ahmad Hably, Seddik Bacha. High Altitude Wind Power Systems: A survey on flexible Power Kites // XXth International Conference on Electrical Machines (ICEM'2012), Sep. 2012, Marseille, France. pp.2083-2089.) To convert wind energy at medium altitudes, another type of system was proposed and is being developed, characterized in that in these systems an electric generator is located on a ground platform (Miles L. Loyd. Crosswind Kite Power // J. Energy, Vol. 4, No. 3, article No. 80-4075; M. Canale, L. Faggiano, and M. Milanese. High Altitude Wind Energy Generation Using Controlled Power Kites // IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2010; Maxim Ahmed, Ahmad Hably, Seddik Bacha. High Altitude Wind Power Systems: A survey on flexible Power Kites // XXth International Conference on Electrical Machines (ICEM'2012), Sep. 2012, Marseille, France. Pp. 2083-2089.)
Указанные системы используют для преобразования энергии ветра в аэродинамические силы, действующие на конструкцию типа воздушного змея, причем управление положением этой конструкции относительно ветрового потока осуществляется с земли. С целью снижения веса в таких системах используются крыльевые системы типа параплана. These systems are used to convert wind energy into aerodynamic forces acting on a structure such as a kite, and the position of this structure relative to the wind flow is controlled from the ground. In order to reduce weight, such systems use wing systems such as a paraglider.
К недостаткам данных систем можно отнести следующее:The disadvantages of these systems include the following:
– крыло параплана имеет низкое аэродинамическое качество;- the wing of the paraglider has a low aerodynamic quality;
– система имеет пассивные зоны и фазы, когда энергия не производится;- the system has passive zones and phases when energy is not produced;
– наземная карусель с каретками для нескольких парапланов занимает большую площадь, лишает систему мобильности, существенно затрудняет управление, не гарантируя высокую надёжность системы;- a ground carousel with carriages for several paragliders occupies a large area, deprives the system of mobility, significantly complicates control, not guaranteeing high reliability of the system;
– система не имеет никаких средств обеспечения устойчивости при порывах ветра. - the system does not have any means of ensuring stability in case of gusts of wind.
Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемому изобретению являются способ и устройство, описанные в европейском патенте «Apparatus, plant and method for conversion of wind or water flow energy into electrical energy» (European Patent EP 158174 3B1, дата приоритета: 08.10.2003).The closest in technical essence to the present invention are the method and device described in the European patent "Apparatus, plant and method for conversion of wind or water flow energy into electrical energy " (European Patent EP 158174 3B1, priority date: 08.10.2003).
Способ, описанный в вышеуказанном патенте заключается в том, что для генерации энергии используют возвратно-поступательное движение двух крыльевых систем вдоль направляющего троса, при достижении крайних точек движения изменяют угол атаки крыла каждой крыльевой системы с помощью механических устройств так, что, если первая система достигла крайнего верхнего положения, то её угол атаки уменьшают до нуля, а угол атаки второй системы, находящейся в этот момент в крайнем нижнем положении, увеличивают до максимальной заданной величины; в зависимости от величины производимой энергии регулируют высоту над землёй крыльевых систем путём изменения длин тросов, соединяющих системы с наземной платформой, изменяют также величину рабочего хода крыльевых систем. The method described in the above patent is that the reciprocating movement of two wing systems along the guide cable is used to generate energy, when the extreme points of movement are reached, the wing angle of each wing system is changed using mechanical devices so that if the first system reaches the extreme upper position, then its angle of attack is reduced to zero, and the angle of attack of the second system, which is at that moment in the lowest position, is increased to the maximum specified value; depending on the amount of energy produced, they control the height above the ground of the wing systems by changing the lengths of the cables connecting the systems to the ground platform, and also change the working stroke of the wing systems.
Устройство состоит из двух крыльевых систем, связанных с наземной платформой тросами, передающими механическую нагрузку на барабаны коробки передач, связанной с валом электрогенератора; направляющего троса, верхний конец которого прикреплён к аэростату, причём на направляющем тросе установлены механические маркеры, определяющие длину рабочего хода для каждой крыльевой системы, а барабаны коробки передач оборудованы устройствами регулирования длины тросов, связанных с крыльевыми системами; на каждой из крыльевых систем установлены механические устройства для изменения угла атаки крыла на нижнем и верхнем конце рабочего хода системы, причём каждое из этих устройств приводится в действие аэродинамическими силами, воздействующими на соответствующую крыльевую систему. The device consists of two wing systems connected to the ground platform by cables transmitting mechanical load to the gearbox drums, connected with the generator shaft; a guide cable, the upper end of which is attached to the aerostat, and on the guide cable there are mechanical markers that determine the stroke length for each wing system, and the gearbox drums are equipped with devices for regulating the length of the cables associated with wing systems; on each of the wing systems, mechanical devices are installed to change the angle of attack of the wing at the lower and upper end of the working stroke of the system, and each of these devices is driven by aerodynamic forces acting on the corresponding wing system.
Недостатками вышеописанных способа и устройства являются: The disadvantages of the above method and device are:
– недостаточно высокая эффективность преобразования энергии за счет того, что отсутствует оптимизация величины угла атаки крыла в зависимости от скорости ветра; - not high enough energy conversion efficiency due to the fact that there is no optimization of the angle of attack of the wing depending on the wind speed;
– отсутствует автоматическое управление положением в пространстве и устойчивостью движения системы; - there is no automatic control of the position in space and the stability of the system;
– конструкция крыла, состоящая из ряда надувных секций, подкреплённых тросами, не позволяет достичь высокого аэродинамического качества; - wing structure, consisting of a number of inflatable sections, supported by cables, does not allow to achieve high aerodynamic quality;
– механические устройства для изменения угла атаки крыла усложняют конструкцию системы и снижают аэродинамическое качество крыла.- mechanical devices for changing the angle of attack of the wing complicate the design of the system and reduce the aerodynamic quality of the wing.
Технической задачей, решаемой в предлагаемом изобретении, является повышение эффективности преобразования энергии ветровых и термических потоков и расширение функциональных возможностей устройства для преобразования ветровой энергии.The technical problem solved in the present invention is to increase the efficiency of energy conversion of wind and thermal flows and expand the functionality of the device for converting wind energy.
Технический результат достигается за счет того, что в известном способе преобразования энергии ветровых и термических потоков воздуха в тропосфере на средних высотах с помощью устройства в виде двух привязных планеров, связанных тросами с электрогенератором, установленным на наземной платформе, выполняют следующие операции: The technical result is achieved due to the fact that in the known method of converting the energy of wind and thermal air flows in the troposphere at medium altitudes using a device in the form of two tethered gliders connected by cables to an electric generator installed on a ground platform, the following operations are performed:
– на нижнем и верхнем планере измеряют скорости горизонтальной и вертикальной составляющих воздушного потока, вычисляют результирующую скорость воздушного потока и угол наклона её к горизонту; при недостаточной или при слишком большой величине результирующей скорости воздушного потока производят изменение рабочей высоты, регулируя одновременно длину тросов для нижнего и верхнего планера;- on the lower and upper glider, the velocities of the horizontal and vertical components of the air flow are measured, the resulting air flow velocity and its angle of inclination to the horizon are calculated; if the resulting air flow velocity is insufficient or too large, the working height is changed, while simultaneously adjusting the length of the cables for the lower and upper glider;
– с помощью аэродинамических рулей устанавливают нижний планер на максимально допустимый угол атаки относительно результирующей скорости воздушного потока, одновременно устанавливают верхний планер на такой отрицательный угол атаки относительно результирующей скорости воздушного потока, который обеспечивает нулевую подъёмную силу верхнего планера;- using aerodynamic rudders, set the lower glider to the maximum allowable angle of attack relative to the resulting air speed, at the same time set the upper glider to such a negative angle of attack relative to the resulting air speed, which provides zero lift force of the upper glider;
– для данных значений результирующей скорости воздушного потока и угла атаки вычисляют теоретически оптимальное значение скорости перемещения нижнего планера относительно наземной платформы; измеряют фактическую скорость перемещения нижнего планера относительно наземной платформы и, регулируя величину угла атаки нижнего планера, добиваются максимального значения генерируемой мощности; запоминают фактические оптимальные значения скорости перемещения нижнего планера относительно наземной платформы и его угол атаки для данной результирующей скорости воздушного потока;- for these values of the resulting air flow velocity and angle of attack, the theoretically optimal value of the speed of movement of the lower glider relative to the ground platform is calculated; measure the actual speed of movement of the lower glider relative to the ground platform and, by adjusting the angle of attack of the lower glider, achieve the maximum value of the generated power; remember the actual optimal values of the speed of movement of the lower glider relative to the ground platform and its angle of attack for a given resulting air speed;
– при достижении заданного значения перемещения нижнего планера относительно наземной платформы производят с помощью аэродинамических рулей изменение его угла атаки на отрицательный, равный тому значению, что было прежде установлено для верхнего планера, и одновременно устанавливают верхний планер на угол атаки, который был определён прежде для нижнего планера, затем весь цикл повторяют. Для реализации этого способа используется устройство, описанное ниже. - when the set value for moving the lower airframe relative to the ground platform is reached, using the aerodynamic rudders, the angle of attack is changed to negative, equal to the value that was previously set for the upper airframe, and at the same time, the upper airframe is set to the angle of attack, which was previously determined for the lower glider, then the whole cycle is repeated. To implement this method, the device described below is used.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в предлагаемом устройстве, содержащем аэродинамические крыльевые системы, связанные тросами с электрогенератором, установленном на наземной платформе, аэродинамические крыльевые системы выполнены в виде идентичных привязных планеров, которые размещены на разной высоте и снабжены аэростатическими баллонами, установленными на конце крыла каждого из планеров. В центре тяжести каждого планера установлен карданный узел, к которому присоединен трос, соединяющий планер с соответствующим этому планеру механизмом наземной платформы. В конструкции нижнего планера выполнено отверстие, через которое пропущен трос верхнего планера, каждый трос снабжен роликовыми подпружиненными направляющими для прохождения троса другого планера. Вал электрогенератора соединён с двумя механизмами, оборудованными преобразователями направления вращения и регуляторами длины тросов, один из которых связан с тросом нижнего планера, а второй, соответственно, с тросом верхнего планера. Каждый привязной планер оборудован традиционной системой управления подъёмной силой и положением планера в пространстве по тангажу, крену и рысканию, на планерах установлены высотомер, датчики скорости воздушного потока, как горизонтального, так и вертикального, а также средства телекоммуникации. Трос, соединяющий привязной планер с соответствующим механизмом наземной платформы, присоединен к карданному узлу через цилиндрический демпфер. Вал электрогенератора соединён с двумя механизмами, оборудованными преобразователями направления вращения и регуляторами длины тросов, через редуктор и маховое колесо. Привязные планеры могут быть выполнены с несколькими планами крыльев, например с двумя или тремя (биплан или триплан). Традиционная система управления подъёмной силой и положением планера в пространстве по тангажу, крену и рысканию содержит аэродинамические рули, элероны, средства механизации крыла, акселерометры, гироскопы. Трос, соединяющий привязной планер с соответствующим механизмом наземной платформы, присоединен к карданному узлу через цилиндрический демпфер.The specified technical result is achieved due to the fact that in the proposed device containing aerodynamic wing systems connected by cables to an electric generator installed on a ground platform, aerodynamic wing systems are made in the form of identical tethered gliders, which are placed at different heights and equipped with aerostatic balloons mounted on end of the wing of each of the gliders. In the center of gravity of each airframe, a gimbal unit is installed, to which a cable is connected connecting the airframe with the ground platform mechanism corresponding to this airframe. In the design of the lower glider, a hole is made through which the cable of the upper glider is passed, each cable is equipped with spring-loaded roller guides for passing the cable of another glider. The generator shaft is connected to two mechanisms equipped with rotational direction converters and cable length regulators, one of which is connected to the lower glider cable, and the second, respectively, to the upper glider cable. Each tethered glider is equipped with a traditional system for controlling the lifting force and the position of the airframe in pitch, roll and yaw space, the airframe is equipped with an altimeter, air flow sensors, both horizontal and vertical, as well as telecommunication facilities. The cable connecting the tethered glider with the corresponding mechanism of the ground platform is connected to the gimbal assembly through a cylindrical damper. The electric generator shaft is connected to two mechanisms equipped with rotational direction converters and cable length regulators through a gearbox and flywheel. The tethered gliders can be made with several wing plans, for example with two or three (biplane or triplane). The traditional control system of the lifting force and the position of the airframe in pitch, roll and yaw space contains aerodynamic rudders, ailerons, means of wing mechanization, accelerometers, gyroscopes. The cable connecting the tethered glider with the corresponding mechanism of the ground platform is connected to the gimbal assembly through a cylindrical damper.
Предложенный способ преобразования энергии ветровых и энергетических потоков воздуха на средних высотах в тропосфере и устройство для его осуществления позволяют, во-первых, обеспечить максимальную эффективность преобразования энергии ветра для любой заданной скорости ветра и высоты над уровнем моря, за счет того, что крыло устанавливается на оптимальный угол атаки в каждый момент времени и при этом максимально используется энергия восходящих потоков воздуха, во-вторых, расширить функциональные возможности за счет того, что устройство автоматически находит оптимальную по скорости ветра рабочую высоту. Кроме того, устройство может быть размещено на грузовике или на плавсредстве и, следовательно, это обеспечивает мобильность устройству на суше и на море.The proposed method for converting the energy of wind and energy flows of air at medium altitudes in the troposphere and the device for its implementation allow, firstly, to ensure maximum efficiency of the conversion of wind energy for any given wind speed and altitude, due to the fact that the wing is installed on the optimum angle of attack at each moment of time and at the same time the energy of the ascending air flows is used to the maximum, and secondly, to expand the functionality due to the fact that the device automatically finds the optimum working height with respect to wind speed. In addition, the device can be placed on a truck or on a boat and, therefore, provides mobility to the device on land and at sea.
Изобретение поясняется следующими чертежами:The invention is illustrated by the following drawings:
фиг.1 – фронтальный вид устройства;figure 1 is a front view of the device;
фиг.2 – вид сбоку одного из привязных планеров устройства;figure 2 is a side view of one of the tethered gliders of the device;
фиг.3 – верхний из привязных планеров устройства в применении для телекоммуникации;figure 3 - the top of the tethered gliders of the device in use for telecommunications;
фиг.4 – схема системы телекоммуникации с применением предлагаемого устройства.figure 4 - diagram of a telecommunication system using the proposed device.
Фронтальный вид предлагаемого устройства представлен на фиг.1. Устройство содержит два идентичных привязных летательных аппарата 1 и 2 и наземную платформу. Каждый летательный аппарат состоит из планера 3 и аэростатических баллонов 4, установленных на концах крыла. Объём аэростатических баллонов выбран так, что они создают подъёмную силу, превышающую вес планера вместе с тросом на 5%. Это позволяет планерам при отсутствии ветра находиться в неподвижном состоянии на определённой высоте. При этом тросы 5 и 6, соединяющие планеры с наземной платформой будут иметь натяжение равное 5% веса планера вместе с тросом. Трос 6 верхнего планера проходит через отверстие в конструкции нижнего планера, где для этого троса имеются роликовые подпружиненные направляющие; на тросе 5 нижнего планера также установлены роликовые подпружиненные направляющие для прохождения троса 6 верхнего планера. На наземной платформе установлен вал электрического генератора 9, который соединён через редуктор 10 и маховое колесо 11 с двумя механизмами 12 и 13, оборудованными преобразователями направления вращения и регуляторами длины тросов 14, 15, один из которых связан с тросом 5 нижнего планера, а второй, соответственно, с тросом 6 верхнего планера. На наземной платформе также установлена центральная система управления с центральным процессором, который связан радиоканалом с локальными процессорами систем управления верхним и нижним планером. Центральная система управления включает средства измерения перемещения каждого планера с его тросом 5, 6 относительно наземной платформы, средства измерения приращения (или укорочения) длины каждого из тросов. Центральная система управления также включает электромеханические средства управления длиной каждого из тросов 14, 15, электромеханические средства переключения в конце рабочего хода планеров направления вращения механизмов 12, 13, приводящихся во вращение с помощью тросов нижнего и верхнего планера.The front view of the proposed device is presented in figure 1. The device contains two identical
Наземная платформа имеет нижнюю неподвижную часть, которая может быть установлена на фундаменте, на грузовике или на плавсредстве. Верхняя часть может поворачиваться относительно нижней вокруг вертикальной оси и самоориентироваться по направлению ветра, так как ось колёс, принимающих тросы, смещена относительно центра вращения.The ground platform has a lower fixed part, which can be installed on a foundation, on a truck or on a boat. The upper part can rotate relative to the lower around the vertical axis and self-orientate in the direction of the wind, since the axis of the wheels receiving the cables is shifted relative to the center of rotation.
На фиг.2 показан вид сбоку верхнего планера. В центре тяжести планера расположен карданный узел 7, к которому через цилиндрический демпфер 8 прикреплён трос 6, соединяющий планер с наземной платформой. Нижний планер имеет идентичную конструкцию. Каждый планер может иметь несколько планов крыльев (биплан, триплан и т.д.). Оборудование планеров включает: традиционную систему управления подъёмной силой и положением в пространстве (по тангажу, крену и рысканию); высотомер и датчики скорости воздушного потока, как горизонтального, так и вертикального. Традиционная система управления подъёмной силой и положением в пространстве состоит из аэродинамических рулей, элеронов, средств механизации крыла, акселерометров и гироскопов, подключенных к бортовому микроконтроллеру управления. Электропитание бортового микроконтроллера осуществляется за счет преобразования энергии ветра малой ветротурбиной с винтом 18.Figure 2 shows a side view of the upper glider. In the center of gravity of the airframe, a
Рассмотрим последовательность операций, которые обеспечивают работу устройства.Consider the sequence of operations that ensure the operation of the device.
Прежде всего, на нижнем и верхнем планере измеряют скорости горизонтальной и вертикальной составляющих воздушного потока. Результирующую скорость воздушного потока и угол наклона результирующей скорости к горизонту вычисляют по формулам: First of all, the speeds of the horizontal and vertical components of the air flow are measured on the lower and upper gliders. The resulting air flow rate and the angle of inclination of the resulting speed to the horizon are calculated by the formulas:
, ,
, ,
где – результирующая скорость воздушного потока; Where - the resulting air flow rate;
– скорость горизонтальной составляющей воздушного потока; - the speed of the horizontal component of the air flow;
– скорость вертикальной составляющей воздушного потока; - the speed of the vertical component of the air flow;
– угол наклона результирующей скорости к горизонту. - the angle of inclination of the resulting speed to the horizon.
При недостаточной (менее 3 м/сек) или при слишком большой (более 30 м/сек) величине результирующей скорости воздушного потока производят изменение рабочей высоты, регулируя одновременно длину тросов для нижнего и верхнего планера. С помощью аэродинамических рулей устанавливают нижний планер на максимально допустимый угол атаки относительно результирующей скорости воздушного потока: If the resulting air velocity is insufficient (less than 3 m / s) or too large (more than 30 m / s), the working height is changed, while simultaneously adjusting the length of the cables for the lower and upper glider. Using aerodynamic rudders set the lower glider to the maximum allowable angle of attack relative to the resulting air flow rate:
, где where
– максимально допустимый угол атаки относительно скорости воздушного потока; - the maximum allowable angle of attack relative to the speed of the air flow;
– угол наклона хорды крыла к горизонту; - the angle of inclination of the wing chord to the horizon;
– угол наклона результирующей скорости к горизонту. - the angle of inclination of the resulting speed to the horizon.
Одновременно устанавливают верхний планер на такой отрицательный угол атаки относительно результирующей скорости воздушного потока, который обеспечивает нулевую подъёмную силу верхнего планера. Для данных значений результирующей скорости воздушного потока и угла атаки вычисляют теоретически оптимальное значение скорости перемещения нижнего планера относительно наземной платформы. Это значение можно определить из условия максимума генерируемой планером механической мощности At the same time, the upper glider is set to such a negative angle of attack with respect to the resulting air flow rate, which provides zero lift to the upper glider. For these values of the resulting air velocity and angle of attack, the theoretically optimal velocity value is calculated moving the lower glider relative to the ground platform. This value can be determined from the condition of maximum mechanical power generated by the glider
, где where
W – генерируемая планером механическая мощность; W is the mechanical power generated by the glider;
подъёмная сила, создаваемая крыльями биплана; lift generated by the wings of a biplane;
оптимальное значение скорости перемещения нижнего планера относительно наземной платформы. the optimal value of the speed of movement of the lower glider relative to the ground platform.
, где where
℘ - массовая плотность воздуха;℘ - mass density of air;
– результирующая скорость воздушного потока; - the resulting air flow rate;
суммарная площадь крыльев биплана; total area of the wings of the biplane;
коэффициент подъёмной силы при нулевом угле атаки; lift coefficient at zero angle of attack;
производная коэффициента подъёмной силы по углу атаки; derivative of the lift coefficient with respect to the angle of attack;
; ;
; ;
Условие максимума :Maximum condition :
; ;
=0. = 0.
Отсюда получают следующее соотношение для оптимального значения :From this we obtain the following relation for the optimal value :
. .
Затем производят измерение фактической скорости перемещения нижнего планера относительно наземной платформы и одновременно измеряют усилия на тросах и генерируемую электрическую мощность. Производят регулирование величины угла атаки нижнего планера до достижения максимума генерируемой мощности; запоминают фактические оптимальные значения скорости перемещения нижнего планера относительно наземной платформы и его угол атаки для данной результирующей скорости воздушного потока, а также усилие на тросе. Учитывая, что усилие на тросе равно подъёмной силе планера, можно определить коэффициент полезного действия при преобразовании генерируемой механической энергии в электрическую. При достижении заданного значения перемещения нижнего планера относительно наземной платформы производят с помощью аэродинамических рулей изменение его угла атаки на отрицательный, равный тому значению, что было прежде установлено для верхнего планера, и одновременно устанавливают верхний планер на угол атаки, который был определён прежде для нижнего планера.Then, the actual speed of movement of the lower glider relative to the ground platform is measured, and the efforts on the cables and the generated electric power are simultaneously measured. Adjust the angle of attack of the lower glider to achieve the maximum generated power; remember the actual optimal values of the speed of movement of the lower glider relative to the ground platform and its angle of attack for a given resulting air velocity, as well as the force on the cable. Given that the force on the cable is equal to the glider's lifting force, we can determine the efficiency when converting the generated mechanical energy into electrical energy. Upon reaching a predetermined value of movement of the lower glider relative to the ground platform, using the aerodynamic rudders, the angle of attack is changed to negative, equal to the value that was previously set for the upper glider, and at the same time, the upper glider is set to the angle of attack that was previously determined for the lower glider .
Затем циклически повторяют описанные выше операции, изменяя в каждом цикле указанные в описании операций номера планеров. Планеры будут совершать возвратно-поступательное движение, во время которого расстояние между ними будет то увеличиваться, то уменьшаться.Then, the above operations are cyclically repeated, changing in each cycle the numbers of gliders indicated in the description of operations. Gliders will make a reciprocating motion, during which the distance between them will increase or decrease.
Рассмотрим расчётные оценки электрической мощности, которую может генерировать предлагаемая система. Из приведенных выше формул следует, что мощность, отнесенная к одному квадратному метру суммарной площади крыльев биплана, равна:Consider the estimated estimates of the electrical power that the proposed system can generate. From the above formulas it follows that the power referred to one square meter of the total area of the wings of the biplane is:
, где where
. .
Учитывая, что эффективный угол атаки крыла планера можно установить так, чтобы компенсировать вредное влияние и достичь максимальной величины , можно получить следующие оценки для крыла с механизацией:Given that the effective angle of attack of the glider wing can be set so as to compensate for the harmful effects and reach the maximum value , one can obtain the following estimates for a wing with mechanization:
; ;
. .
Площадь крыла равна: The wing area is:
, где where
– площадь крыла; - wing area;
размах крыла; wingspan;
λ – удлинение крыла.λ is the elongation of the wing.
Принимая λ = 8 и КПД устройств преобразования механической мощности в электрическую равный 85%, получают следующие величины для размаха крыла, подъёмной силы крыла и генерируемой электрической мощности (таблица 1):Assuming λ = 8 and the efficiency of devices for converting mechanical power into electrical power equal to 85%, the following values are obtained for the wing span, wing lift and generated electric power (table 1):
Таблица 1. Оценочные значения мощности крыла с механизациейTable 1. Estimated wing power with mechanization
(b, м)Wingspan
(b, m)
(L, кг)Wing lift
( L, kg)
(W, кВт)Mechanical power generated by a glider
(W, kW)
Из приведенных данных таблицы 1 следует, что предлагаемые метод и устройство при тех же габаритных размерах, что и для других устройств, дают возможность производить, как минимум, в два раза больше мощности, чем традиционные ветротурбины. При этом могут быть эффективно использованы вертикальные воздушные потоки, что невозможно в других видах устройств. Величина подъёмной силы позволяет закреплять наземную платформу устройства на грузовике. Наличие на планере «самолётной» системы управления и стабилизации положения в пространстве обеспечивает устойчивость и управляемость планера в ветровых потоках при наличии турбулентности. From the above data of table 1 it follows that the proposed method and device with the same overall dimensions as for other devices make it possible to produce at least twice as much power as traditional wind turbines. In this case, vertical air flows can be effectively used, which is impossible in other types of devices. The magnitude of the lifting force allows you to fix the ground platform of the device on the truck. The presence on the glider of an “airplane” control system and stabilization of the position in space provides stability and controllability of the airframe in wind flows in the presence of turbulence.
Заявляемое устройство также может быть использовано для целей телекоммуникации и наблюдения за территорией. Для этой цели на борту одного или двух планеров должны быть установлены соответствующие радиопередатчики и приёмники с их антеннами (16, 17, см. фиг.3), а также гиростабилизированные видеокамеры, лазерные дальномеры и устройства лазерной подсветки. Электропитание всей этой аппаратуры осуществляется за счет преобразования энергии ветра малой ветротурбиной (18, см. фиг.2) с горизонтальной осью вращения, расположенной в носовой части каждого планера. Другой вариант бортового электроснабжения может осуществляться передачей электроэнергии с наземной платформы на планеры по проводам вдоль тросов.The inventive device can also be used for telecommunications and surveillance of the territory. For this purpose, appropriate radio transmitters and receivers with their antennas (16, 17, see Fig. 3), as well as gyrostabilized cameras, laser rangefinders and laser illumination devices, must be installed on board one or two gliders. The power supply of all this equipment is carried out due to the conversion of wind energy by a small wind turbine (18, see figure 2) with a horizontal axis of rotation located in the bow of each glider. Another option for on-board power supply can be carried out by transferring electricity from a ground platform to gliders via wires along the cables.
Фиг.4 иллюстрирует схему организации высокоскоростной передачи данных с использованием радиосигналов сверхвысоких частот, распространяющихся прямолинейно в пределах прямой видимости. На фиг.4 имеются следующие обозначения: R – радиус Земли, наземная платформа устройства расположена в точке , планер с аппаратурой передачи данных расположен на высоте H в точке А. Линия ABCЕ – это линия прямой видимости, которая является касательной к окружности Земли в точке В. Обозначим D максимальное расстояние вдоль линии прямой видимости между точкой А на высоте Н и точкой В на уровне Земли (таблица 2). Figure 4 illustrates the organization of high-speed data transmission using microwave signals, microwave, propagating rectilinearly within the line of sight. Figure 4 has the following notation: R is the radius of the Earth, the ground platform of the device is located at , a glider with data transmission equipment is located at a height H at point A. ABCE line - this line of sight, which is tangent to the circumference of the earth at the point B. Denote by D the maximum distance along the line of sight between point A at height H and point B at ground level (table 2).
Таблица 2. Зависимость дальности связи от высоты расположения ретранслятораTable 2. The dependence of the communication range from the height of the relay
(H, м)Height
(H, m)
(D, км)Maximum distance along the line of sight
(D, km)
Точка С расположена на той же высоте Н, что и точка А. Допустим, что в этой точке находится второе такое же устройство телекоммуникации. Тогда максимальная дистанция передачи по линии прямой видимости возрастёт в два раза. Принимая во внимание, что ширина Адриатического моря изменяется от 90 км до 200 км, можно заключить, что с помощью двух или трёх описанных выше устройств (размещённых на плавсредствах) можно обеспечить высокоскоростную передачу данных для судов и яхт от одного берега до другого. Допустим, что в точке Е на высоте Н 1 находится самолёт. Ниже в таблице 3 приведены значения расстояния по линии прямой видимости D 1 в зависимости от высоты Н 1 .Point C is located at the same height H as point A. Suppose that at this point is the second same telecommunication device. Then the maximum transmission distance along the line of sight will double. Taking into account that the width of the Adriatic Sea varies from 90 km to 200 km, it can be concluded that using the two or three devices described above (located on watercraft) it is possible to provide high-speed data transfer for ships and yachts from one coast to another. Suppose that at point E at a height of H 1 is a plane. Table 3 below shows the values of the distance along the line of sight D 1 depending on the height H 1 .
Таблица 3. Зависимость возможной дальности связи с самолетом в полетеTable 3. The dependence of the possible range of communication with the aircraft in flight
(H1, м)Height
(H 1 , m)
(D1, км)Maximum distance along the line of sight
(D 1 , km)
Из данных таблицы 3 следует, что предлагаемое устройство может быть использовано для управления беспилотными аппаратами на дальнем расстоянии и для приёма информации от этих аппаратов.From the data of table 3 it follows that the proposed device can be used to control unmanned vehicles at a long distance and to receive information from these devices.
ЛитератураLiterature
1. Cristina Archer and Ken Caldiera. Global Assesment for High Altitude Wind Power//Energies 2009, 2(2), 307-319; DOI:10.3390/en20200307.1. Cristina Archer and Ken Caldiera. Global Assesment for High Altitude Wind Power // Energies 2009, 2 (2), 307-319; DOI: 10.3390 / en20200307.
2. Tony Burton (et all). Wind Energy Handbook. – Wiley and Sons, 2001. DOI:10.1002/0470846062.2. Tony Burton (et all). Wind Energy Handbook. - Wiley and Sons, 2001. DOI: 10.1002 / 0470846062.
3. Bryan Roberts (et all). Harnessing High Altitude Wind Power//IEEE Transactions on Energy conversion, Vol.22, No1, March 2007, http://dariopiga.com/Papers/Journal/TECKite2010.pdf.3. Bryan Roberts (et all). Harnessing High Altitude Wind Power // IEEE Transactions on Energy conversion, Vol.22, No1, March 2007, http://dariopiga.com/Papers/Journal/TECKite2010.pdf.
4. Miles L.Loyd. Crosswind Kite Power // J.Energy, Vol.4, No3, article № 80-4075 http://www.energykitesystems.net/OrthoKiteBunch/OptimizationOfAManualFlygen.pdf.4. Miles L. Loyd. Crosswind Kite Power // J. Energy, Vol. 4, No. 3, article No. 80-4075 http://www.energykitesystems.net/OrthoKiteBunch/OptimizationOfAManualFlygen.pdf.
5. M.Canale, L.Faggiano and M.Milanese. High Altitude Wind Energy Generation Using Controlled Power Kites// IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2010. http://dariopiga.com/Papers/Journal/TECKite2010.pdf.5. M. Canale, L. Faggiano and M. Milanese. High Altitude Wind Energy Generation Using Controlled Power Kites // IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2010. http://dariopiga.com/Papers/Journal/TECKite2010.pdf.
6. Maxim Ahmed, Ahmad Hably, Seddik Bacha. High Altitude Wind Power Systems: A survey on flexible Power Kites // XXth International Conference on Electrical Machines (ICEM'2012),Sep 2012, Marseille, France. pp.2083-2089. https://hal.archives-ouvertes.fr/file/index/docid/733723/filename/2083-ff-007498.pdf.6. Maxim Ahmed, Ahmad Hably, Seddik Bacha. High Altitude Wind Power Systems: A survey on flexible Power Kites // XXth International Conference on Electrical Machines (ICEM'2012), Sep 2012, Marseille, France. pp.2083-2089. https://hal.archives-ouvertes.fr/file/index/docid/733723/filename/2083-ff-007498.pdf.
7. European Patent EP 158174 3B1, дата приоритета: 08.10.2003, опубликован 17.01.2007, http://worldwide.espacenet.com/publicationDetails/originalDocument?FT=D&date=20070117&DB=&locale=en_EP&CC=EP&NR=1581743B1&KC=B1&ND=1.7. European Patent EP 158174 3B1, priority date: 10/08/2003, published 1/17/2007, http://worldwide.espacenet.com/publicationDetails/originalDocument?FT=D&date=20070117&DB=&locale=en_EP&CC=EP&NR=1581743B1&KD=B1&KD=B1 1.
8. Pavel Miodushevsky. New efficient systems for conversion of the wind and water flow energy in electrical energy. // Paper presented at the 6th International Energy Conversion Engineering Conference, IECEC, 2008. – AIAA paper/AIAA-2008-5613.8. Pavel Miodushevsky. New efficient systems for conversion of the wind and water flow energy in electrical energy. // Paper presented at the 6 th International Energy Conversion Engineering Conference, IECEC , 2008. - AIAA paper / AIAA-2008-5613.
Claims (7)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019135976A RU2721014C1 (en) | 2019-11-08 | 2019-11-08 | Method of wind and energy air flows energy conversion at medium altitudes in troposphere and device for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019135976A RU2721014C1 (en) | 2019-11-08 | 2019-11-08 | Method of wind and energy air flows energy conversion at medium altitudes in troposphere and device for its implementation |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2721014C1 true RU2721014C1 (en) | 2020-05-15 |
Family
ID=70735236
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019135976A RU2721014C1 (en) | 2019-11-08 | 2019-11-08 | Method of wind and energy air flows energy conversion at medium altitudes in troposphere and device for its implementation |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2721014C1 (en) |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2261361C2 (en) * | 2003-09-22 | 2005-09-27 | Тамбовский военный авиационный инженерный институт | High-altitude power-generating plant |
EP1581743A1 (en) * | 2002-11-13 | 2005-10-05 | Pavel Miodushevsky | Apparatus, plant and method for the conversion of wind or water flow energy into electrical energy |
CN101469675A (en) * | 2007-12-26 | 2009-07-01 | 李泉洞 | Balloon suspension high altitude wind power plant |
RU2473820C1 (en) * | 2011-05-18 | 2013-01-27 | Межрегиональное общественное учреждение "Институт инженерной физики" | Method to convert wind energy into mechanical one |
RU2483226C2 (en) * | 2007-12-28 | 2013-05-27 | НТС Энерги-унд Транспортзюстеме ГмбХ | Method and system for conversion of motional energy contained in horizontal flows to net mechanical energy |
RU2576103C1 (en) * | 2015-01-27 | 2016-02-27 | Александр Владимирович Губанов | Floating wind generator |
RU2662101C1 (en) * | 2017-12-11 | 2018-07-23 | Александр Владимирович Губанов | Wind powered balloon |
-
2019
- 2019-11-08 RU RU2019135976A patent/RU2721014C1/en active
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1581743A1 (en) * | 2002-11-13 | 2005-10-05 | Pavel Miodushevsky | Apparatus, plant and method for the conversion of wind or water flow energy into electrical energy |
RU2261361C2 (en) * | 2003-09-22 | 2005-09-27 | Тамбовский военный авиационный инженерный институт | High-altitude power-generating plant |
CN101469675A (en) * | 2007-12-26 | 2009-07-01 | 李泉洞 | Balloon suspension high altitude wind power plant |
RU2483226C2 (en) * | 2007-12-28 | 2013-05-27 | НТС Энерги-унд Транспортзюстеме ГмбХ | Method and system for conversion of motional energy contained in horizontal flows to net mechanical energy |
RU2473820C1 (en) * | 2011-05-18 | 2013-01-27 | Межрегиональное общественное учреждение "Институт инженерной физики" | Method to convert wind energy into mechanical one |
RU2576103C1 (en) * | 2015-01-27 | 2016-02-27 | Александр Владимирович Губанов | Floating wind generator |
RU2662101C1 (en) * | 2017-12-11 | 2018-07-23 | Александр Владимирович Губанов | Wind powered balloon |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Cherubini et al. | Airborne Wind Energy Systems: A review of the technologies | |
US4572962A (en) | Apparatus for extracting energy from winds at high altitudes | |
US8080889B2 (en) | Aeolian system comprising power wing profiles and process for producing electric energy | |
US4659940A (en) | Power generation from high altitude winds | |
EP2642116B1 (en) | Wind system for converting energy through a vertical-axis turbine actuated by means of kites and process for producing electric energy through such system | |
US9239041B2 (en) | Airborne wind energy conversion system with ground generator and unorthodox power capture or transfer | |
WO2007139412A1 (en) | Atmospheric resources explorer | |
WO2013081938A1 (en) | Airborne wind energy conversion system with fast motion transfer | |
EA032564B1 (en) | Apparatus and method for extracting power | |
RU2483226C2 (en) | Method and system for conversion of motional energy contained in horizontal flows to net mechanical energy | |
WO2020249582A1 (en) | Balloon-guided high-altitude wind turbine generator for generating electric energy | |
RU2721014C1 (en) | Method of wind and energy air flows energy conversion at medium altitudes in troposphere and device for its implementation | |
JP2022168023A (en) | Apparatus for extracting power from fluid flow | |
Mondal et al. | Advances in floating aerogenerators: Present status and future | |
CN202300868U (en) | Wing ring, wing ring mechanism, vertical take off and landing aircraft, opposite-pull aircraft and wind power generation mechanism | |
JP5811384B1 (en) | Air levitation device and its air navigation | |
WO1980001705A1 (en) | Energy system | |
JP2018204480A (en) | Wind power generator | |
Gulabani et al. | Review on Unconventional Wind Energy. | |
US20200189695A1 (en) | Spar Buoy | |
KR20090021300A (en) | Sky wind energy system | |
Weliwaththage et al. | Airborne Wind Energy Technology | |
Ahrens | Basic Differences of Wind Utilization Concepts | |
Tulloch | Modelling and Analysis of Rotary Airborne Wind Energy Systems a Tensile Rotary Power Transmission Design PhD Thesis | |
Roberts et al. | Various systems for generation of electricity using upper atmospheric winds |