|
|
больше ...
Термины запроса в документе
Реферат
[RU] 1. Установка для получения электроэнергии, включающая в себя направляющую, содержащую первую и вторую продолговатые части, причем первая продолговатая часть расположена над второй продолговатой частью; аэродинамический профиль, содержащий поверхность разрежения и нагнетающую поверхность, связанный с направляющей таким образом, что нагнетающая поверхность лежит между поверхностью разрежения и направляющей, и выполненный с возможностью перемещения по первой продолговатой части и второй продолговатой части так, что направление перемещения по первой продолговатой части противоположно направлению перемещения по второй продолговатой части; систему растяжек, соединяющую по меньшей мере одну из первой и второй продолговатых частей с точкой крепления; и генератор для сбора энергии атмосферного ветра посредством перемещения аэродинамического профиля по направляющей. 2. Установка по п.1, в которой система растяжек содержит три растяжки, непосредственно соединенные по меньшей мере с одной из первой и второй продолговатых частей. 3. Установка по п.1, в которой аэродинамический профиль имеет первый угол крена к горизонту, когда этот аэродинамический профиль связан с первой продолговатой частью, и второй угол крена к горизонту, когда этот аэродинамический профиль связан со второй продолговатой частью, причем первый угол крена отличается от второго угла крена. 4. Установка по п.1, в которой направляющая дополнительно содержит концевую часть, соединяющую первую и вторую продолговатые части, причем аэродинамический профиль замедляется в движении, когда переходит с первой продолговатой части на концевую часть, и аэродинамический профиль ускоряется в движении, когда переходит с концевой части на вторую продолговатую часть. 5. Установка по п.1, в которой направляющая дополнительно содержит концевую часть, соединяющую первую и вторую продолговатые части так, что аэродинамический профиль поворачивается вокруг своей вертикальной оси при движении по концевой части. 6. Установка по п.1, в которой направляющая дополнительно содержит концевую часть, а установка дополнительно содержит второй аэродинамический профиль, выполненный с возможностью перемещения по первой продолговатой части с большей абсолютной скоростью, чем абсолютная скорость перемещения первого аэродинамического профиля по концевой части. 7. Установка по п.1, в которой система растяжек распределяет усилия, действующие в направлении ветра, вызванные аэродинамическим профилем по меньшей мере на одной из первой и второй продолговатых частей. 8. Установка по п.7, в которой система растяжек содержит вантовую систему растяжек. 9. Установка по п.7, в которой система растяжек содержит систему растяжек с подвесными тросами. 10. Установка по п.7, в которой система растяжек содержит летающую точку крепления. 11. Установка по п.7, в которой система растяжек содержит вспомогательный пилон. 12. Установка по п.1, в которой первая продолговатая часть прикреплена к второй продолговатой части в точках крепления растяжек. 13. Установка по п.12, в которой первая продолговатая часть жестко прикреплена к второй продолговатой части. 14. Установка по п.1, дополнительно содержащая парк, в котором хранятся аэродинамические профили, когда не связаны с направляющей. 15. Установка по п.1, дополнительно содержащая стрелку для направления аэродинамических профилей от направляющей. 16. Установка по п.1, дополнительно содержащая третью продолговатую часть, причем аэродинамический профиль присоединен к третьей продолговатой части. 17. Способ получения электроэнергии, включающий в себя этапы, на которых обеспечивают направляющую, содержащую первую продолговатую часть и вторую продолговатую часть, расположенную ниже первой продолговатой части; устанавливают летательный аппарат на направляющую, причем летательный аппарат содержит поверхность разрежения и нагнетающую поверхность, связан с направляющей таким образом, что нагнетающая поверхность лежит между поверхностью разрежения и направляющей; размещают направляющую так, чтобы летательный аппарат двигался поперек направления атмосферного ветра; прикрепляют систему растяжек по меньшей мере к одной из первой и второй продолговатых частей; закрепляют эту систему растяжек. 18. Способ по п.17, в котором система растяжек содержит три растяжки, причем способ дополнительно включает в себя этап, на котором указанные три растяжки прикрепляют непосредственно по меньшей мере к одной из первой и второй продолговатых частей. 19. Способ по п.17, в котором дополнительно создают крен летательного аппарата под первым углом к горизонту, когда этот летательный аппарат связан с первой продолговатой частью, и создают крен летательного аппарата под вторым углом к горизонту, когда этот летательный аппарат связан со второй продолговатой частью, причем первый угол крена отличается от второго угла крена. 20. Способ по п.17, в котором дополнительно присоединяют концевую часть между первой и второй продолговатыми частями, причем летательный аппарат замедляется в движении, когда переходит с первой продолговатой части на концевую часть, и ускоряется в движении, когда этот летательный аппарат переходит с концевой части на вторую продолговатую часть. 21. Способ по п.17, в котором дополнительно присоединяют концевую часть между первой и второй продолговатыми частями так, чтобы летательный аппарат поворачивался вокруг своей вертикальной оси при движении по концевой части. 22. Способ по п.17, в котором дополнительно присоединяют концевую часть между первой и второй продолговатыми частями и присоединяют к направляющей второй летательный аппарат, выполненный с возможностью перемещения по первой продолговатой части с большей абсолютной скоростью, чем абсолютная скорость перемещения первого летательного аппарата по концевой части. 23. Способ по п.17, в котором летательный аппарат связан с направляющей так, что нагнетающая поверхность обращена к атмосферному ветру. 24. Способ по п.17, в котором система растяжек распределяет усилия, действующие в направлении ветра, вызванные аэродинамическим профилем по меньшей мере на одной из первой и второй продолговатых частей. 25. Способ по п.24, в котором система растяжек представляет собой вантовую систему растяжек. 26. Способ по п.24, в котором система растяжек представляет собой систему растяжек с подвесными тросами. 27. Способ по п.24, в котором система растяжек содержит летающую точку крепления. 28. Способ по п.24, в котором система растяжек содержит вспомогательный пилон. 29. Способ по п.17, дополнительно включающий в себя прикрепление первой продолговатой части ко второй продолговатой части в точках крепления растяжек. 30. Способ по п.29, в котором первую продолговатую часть жестко прикрепляют к второй продолговатой части. 31. Способ по п.17, дополнительно включающий в себя хранение аэродинамических профилей в парке. 32. Способ по п.17, дополнительно включающий в себя этап, на котором направляют аэродинамические профили от направляющей посредством использования стрелки. 33. Способ по п.17, дополнительно содержащий этап, на котором присоединяют аэродинамический профиль к третьей продолговатой части.
Полный текст патента
(57) Реферат / Формула:
1. Установка для получения электроэнергии, включающая в себя направляющую, содержащую первую и вторую продолговатые части, причем первая продолговатая часть расположена над второй продолговатой частью; аэродинамический профиль, содержащий поверхность разрежения и нагнетающую поверхность, связанный с направляющей таким образом, что нагнетающая поверхность лежит между поверхностью разрежения и направляющей, и выполненный с возможностью перемещения по первой продолговатой части и второй продолговатой части так, что направление перемещения по первой продолговатой части противоположно направлению перемещения по второй продолговатой части; систему растяжек, соединяющую по меньшей мере одну из первой и второй продолговатых частей с точкой крепления; и генератор для сбора энергии атмосферного ветра посредством перемещения аэродинамического профиля по направляющей. 2. Установка по п.1, в которой система растяжек содержит три растяжки, непосредственно соединенные по меньшей мере с одной из первой и второй продолговатых частей. 3. Установка по п.1, в которой аэродинамический профиль имеет первый угол крена к горизонту, когда этот аэродинамический профиль связан с первой продолговатой частью, и второй угол крена к горизонту, когда этот аэродинамический профиль связан со второй продолговатой частью, причем первый угол крена отличается от второго угла крена. 4. Установка по п.1, в которой направляющая дополнительно содержит концевую часть, соединяющую первую и вторую продолговатые части, причем аэродинамический профиль замедляется в движении, когда переходит с первой продолговатой части на концевую часть, и аэродинамический профиль ускоряется в движении, когда переходит с концевой части на вторую продолговатую часть. 5. Установка по п.1, в которой направляющая дополнительно содержит концевую часть, соединяющую первую и вторую продолговатые части так, что аэродинамический профиль поворачивается вокруг своей вертикальной оси при движении по концевой части. 6. Установка по п.1, в которой направляющая дополнительно содержит концевую часть, а установка дополнительно содержит второй аэродинамический профиль, выполненный с возможностью перемещения по первой продолговатой части с большей абсолютной скоростью, чем абсолютная скорость перемещения первого аэродинамического профиля по концевой части. 7. Установка по п.1, в которой система растяжек распределяет усилия, действующие в направлении ветра, вызванные аэродинамическим профилем по меньшей мере на одной из первой и второй продолговатых частей. 8. Установка по п.7, в которой система растяжек содержит вантовую систему растяжек. 9. Установка по п.7, в которой система растяжек содержит систему растяжек с подвесными тросами. 10. Установка по п.7, в которой система растяжек содержит летающую точку крепления. 11. Установка по п.7, в которой система растяжек содержит вспомогательный пилон. 12. Установка по п.1, в которой первая продолговатая часть прикреплена к второй продолговатой части в точках крепления растяжек. 13. Установка по п.12, в которой первая продолговатая часть жестко прикреплена к второй продолговатой части. 14. Установка по п.1, дополнительно содержащая парк, в котором хранятся аэродинамические профили, когда не связаны с направляющей. 15. Установка по п.1, дополнительно содержащая стрелку для направления аэродинамических профилей от направляющей. 16. Установка по п.1, дополнительно содержащая третью продолговатую часть, причем аэродинамический профиль присоединен к третьей продолговатой части. 17. Способ получения электроэнергии, включающий в себя этапы, на которых обеспечивают направляющую, содержащую первую продолговатую часть и вторую продолговатую часть, расположенную ниже первой продолговатой части; устанавливают летательный аппарат на направляющую, причем летательный аппарат содержит поверхность разрежения и нагнетающую поверхность, связан с направляющей таким образом, что нагнетающая поверхность лежит между поверхностью разрежения и направляющей; размещают направляющую так, чтобы летательный аппарат двигался поперек направления атмосферного ветра; прикрепляют систему растяжек по меньшей мере к одной из первой и второй продолговатых частей; закрепляют эту систему растяжек. 18. Способ по п.17, в котором система растяжек содержит три растяжки, причем способ дополнительно включает в себя этап, на котором указанные три растяжки прикрепляют непосредственно по меньшей мере к одной из первой и второй продолговатых частей. 19. Способ по п.17, в котором дополнительно создают крен летательного аппарата под первым углом к горизонту, когда этот летательный аппарат связан с первой продолговатой частью, и создают крен летательного аппарата под вторым углом к горизонту, когда этот летательный аппарат связан со второй продолговатой частью, причем первый угол крена отличается от второго угла крена. 20. Способ по п.17, в котором дополнительно присоединяют концевую часть между первой и второй продолговатыми частями, причем летательный аппарат замедляется в движении, когда переходит с первой продолговатой части на концевую часть, и ускоряется в движении, когда этот летательный аппарат переходит с концевой части на вторую продолговатую часть. 21. Способ по п.17, в котором дополнительно присоединяют концевую часть между первой и второй продолговатыми частями так, чтобы летательный аппарат поворачивался вокруг своей вертикальной оси при движении по концевой части. 22. Способ по п.17, в котором дополнительно присоединяют концевую часть между первой и второй продолговатыми частями и присоединяют к направляющей второй летательный аппарат, выполненный с возможностью перемещения по первой продолговатой части с большей абсолютной скоростью, чем абсолютная скорость перемещения первого летательного аппарата по концевой части. 23. Способ по п.17, в котором летательный аппарат связан с направляющей так, что нагнетающая поверхность обращена к атмосферному ветру. 24. Способ по п.17, в котором система растяжек распределяет усилия, действующие в направлении ветра, вызванные аэродинамическим профилем по меньшей мере на одной из первой и второй продолговатых частей. 25. Способ по п.24, в котором система растяжек представляет собой вантовую систему растяжек. 26. Способ по п.24, в котором система растяжек представляет собой систему растяжек с подвесными тросами. 27. Способ по п.24, в котором система растяжек содержит летающую точку крепления. 28. Способ по п.24, в котором система растяжек содержит вспомогательный пилон. 29. Способ по п.17, дополнительно включающий в себя прикрепление первой продолговатой части ко второй продолговатой части в точках крепления растяжек. 30. Способ по п.29, в котором первую продолговатую часть жестко прикрепляют к второй продолговатой части. 31. Способ по п.17, дополнительно включающий в себя хранение аэродинамических профилей в парке. 32. Способ по п.17, дополнительно включающий в себя этап, на котором направляют аэродинамические профили от направляющей посредством использования стрелки. 33. Способ по п.17, дополнительно содержащий этап, на котором присоединяют аэродинамический профиль к третьей продолговатой части.
Евразийское 032564 (13) B1
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОМУ ПАТЕНТУ
(45) Дата публикации и выдачи патента 2019.06.28
(21) Номер заявки 201691551
(22) Дата подачи заявки
2015.01.26
(51) Int. Cl. F03D 1/00 (2006.01)
(54) УСТАНОВКА И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
(31) 14/170,255
(32) 2014.01.31
(33) US
(43) 2016.12.30
(86) PCT/US2015/012931
(87) WO 2015/116542 2015.08.06
(71) (73) Заявитель и патентовладелец:
КАЙТФАРМЗ ЛЛК (US)
(72) Изобретатель:
Ламли Роберт (US)
(74) Представитель:
Фелицына С.Б., Ерышев В.А. (RU)
(56) US-A1-20130052014 US-A1-20100307148 FR-A1-2956880 US-A1-20130221679 US-A1-20100308174
(57) Установка для получения энергии содержит направляющую и аэродинамический профиль, связанный с направляющей. Направляющая имеет первую и вторую продолговатые части, причем первая продолговатая часть расположена над второй продолговатой частью. Аэродинамический профиль содержит нагнетающую поверхность, лежащую между поверхностью разрежения и направляющей, и этот аэродинамический профиль может перемещаться в противоположных направлениях, когда этот профиль поочередно связан с первой продолговатой частью и со второй продолговатой частью.
Область техники
Изобретение относится к области возобновляемых источников энергии. Более конкретно изобретение раскрывает установки и способы для получения энергии от потока текучей среды.
Предшествующий уровень техники
Получение энергии от потока текучей среды является ярким примером возобновляемого источника энергии. К основным примерам таких возобновляемых источников энергии относятся ветроэнергетика и гидроэнергетика.
Традиционные системы для получения энергии от потока текучей среды главным образом основаны на турбинах. В турбине одна или более лопастей вращаются вокруг центральной точки, которая жестко закреплена на анкерном объекте (обычно на мачте). Лопасти помещены в поток текучей среды, вызывающий вращение лопастей, а энергию этого вращения преобразуют в электроэнергию.
Турбины могут иметь ряд недостатков. Например, усилия, действующие на турбину, пропорциональны кубу длины лопастей турбины. По мере увеличения размера лопастей турбины разрушающие нагрузки (момент относительно мачты, например) растут пропорционально кубу длины лопастей турбины. Напротив, полезная мощность растет пропорционально только квадрату длины.
Этот "закон трех вторых" ("square-cube" law) накладывает значительные ограничения на размеры турбин. Неизбежно, выигрыш в виде дополнительной энергии, получаемой за счет увеличения размеров турбины, не компенсирует затрат, связанных с решением проблемы увеличения разрушающих нагрузок. По меньшей мере, по этой причине возможности увеличения размеров турбин ограничены.
Другие известные решения исключают мачты или другие жесткие анкеры. К примерам таких систем получения энергии относятся бортовые авиационные ветроэнергетические системы (airborne wind energy systems ("AWE")). Обычно эти системы представляют собой аэродинамические тела, привязанные к земле (например, воздушный змей или аэростат) и летающие на высотах, превосходящих высоты обычных ветровых турбин.
Есть два основных механизма получения энергии из движения энергосистемы.
AWE в воздухе: генерация энергии на борту и генерация энергии на земле. К примерам первого механизма относится турбина на борту воздушного змея, генерирующая электроэнергию таким же способом, как описанные выше турбины. Механизм согласно последнему примеру содержит длинный трос (фал), прикрепленный к барабану, так что движение змея (аэростата) разматывает трос с барабана и тем самым вращает барабан и соединенный с барабаном генератор, преобразуя энергию ветра в электроэнергию.
Системы AWE также могут иметь ряд недостатков. Например, поскольку для систем нужен фал или трос, проходящий наклонно к находящемуся в воздухе объекту, получаемая мощность оказывается функцией доступной мощности и косинуса угла наклона фала. Таким образом, величина получаемой мощности никогда не может быть равна доступной мощности. Кроме того, фал или трос будет создавать торможение при движении в воздухе, замедляя полет змея или аэростата и тем самым уменьшая величину получаемой мощности. Наконец, летящие на большой высоте системы AWE подпадают под действие авиационных ограничений, которые ограничивают возможности применения таких систем в различных географических областях (из-за наличия бесполетных зон, например) и создают законодательные препятствия для реализации подобных систем.
Раскрытие изобретения
Примеры согласно изобретению поясняют установку и способы получения энергии от потока текучей среды, позволяющие преодолеть указанные выше недостатки. Одно из преимуществ состоит, например, в том, что размеры установки могут быть не ограничены законом трех вторых. В качестве другого примера преимуществ установка и способы могут не быть подвержены действию эффектов сопротивления фала и/или косинусных потерь (потерь из-за наклона фала). В качестве еще одного примера преимуществ можно указать тот факт, что установка уже не может быть классифицирована как "бортовое устройство" для целей законодательного регулирования.
В некоторых примерах установка для получения энергии содержит направляющую и аэродинамический профиль, связанный с этой направляющей. Направляющая имеет первую и вторую продолговатые части, причем первая продолговатая часть расположена над второй продолговатой частью. Аэродинамический профиль (крыло) имеет нагнетающую поверхность, расположенную между поверхностью разрежения и направляющей, способен двигаться в противоположных направлениях, когда он поочередно связан с первой продолговатой частью и второй продолговатой частью.
Если обратить поверхность разрежения к направляющей, эта направляющая может быть ориентирована так, чтобы аэродинамический профиль перемещался поперек вектора скорости атмосферного ветра (при "боковом" ветре). Такое движение при боковом ветре предпочтительно может позволить профилю перемещаться со скоростями, превосходящими скорость атмосферного ветра. Кроме того, если поместить первую продолговатую часть над второй продолговатой частью, аэродинамический профиль, движущийся по любой из этих частей будет воспринимать атмосферный ветер непосредственно; иными словами, воздушный поток (ветер), падающий на аэродинамический профиль, не будет подвержен препятствиям (возмущениям) со стороны профилей, движущихся по другой продолговатой части. Это может
позволить увеличить получаемую энергию.
В некоторых примерах с направляющей соединена растяжка, закрепленная на земле. Применение растяжек может выгодно позволить уменьшить конструкционные опоры и снизить стоимость установки для получения энергии.
Такие растяжки могут также позволить уменьшить разрушающие нагрузки, действующие на установку. Например, три или более растяжек могут быть распределены вдоль продолговатой части, чтобы уменьшить момент силы, возникающий по длине этой продолговатой части.
В некоторых других примерах аэродинамический профиль может быть накренен под углом примерно 90-у° к горизонту для компенсации усилий, обусловленных углом наклона растяжки, равным у° к горизонту.
В некоторых примерах аэродинамический профиль имеет первый угол крена к горизонту, когда этот профиль связан с первой продолговатой частью, и второй, отличный от первого угол крена к горизонту, когда этот профиль связан со второй продолговатой частью.
В некоторых примерах направляющая содержит концевую часть, соединяющую первую и вторую продолговатые части, причем движение аэродинамического профиля замедляется при переходе этого профиля от первой продолговатой части на концевую часть и затем профиль снова ускоряется, когда профиль переходит с концевой части на вторую продолговатую часть. Это может исключить большие усилия, сопутствующие изменению направления. Из замедления движения профиля также можно извлекать энергию.
В некоторых примерах направляющая содержит концевую часть, соединяющую первую и вторую продолговатые части, причем аэродинамический профиль поворачивается (вокруг своей вертикальной оси) при движении этого профиля по концевой части.
В некоторых примерах изобретения способ получения энергии включает в себя этапы, на которых обеспечивают направляющую, размещают направляющую в заданном положении, соединяют летательный аппарат с направляющей и собирают энергию атмосферного ветра в результате движения этого летательного аппарата. Летательный аппарат может содержать аэродинамический профиль и может также содержать фюзеляж и хвостовое оперение, например. Такой летательный аппарат может также представлять собой просто аэродинамический профиль. Направляющая может содержать первую продолговатую часть и вторую продолговатую часть, находящуюся ниже первой продолговатой части. Направляющая может быть расположена так, что летательный аппарат движется поперек направления атмосферного ветра.
Согласно некоторым дополнительным примерам прикрепляют растяжку к направляющей и закрепляют эту растяжку. Согласно еще одним примерам прикрепляют по меньшей мере три растяжки к первой продолговатой части. В некоторых примерах одна или несколько растяжек наклонены под углом у° к горизонту, а способ содержит создание крена летательного аппарата под углом 90-у° к горизонту, когда этот аппарат связан с первой продолговатой частью.
В способе согласно некоторым вариантам создают крен летательного аппарата под первым углом к горизонту, когда летательный аппарат связан с первой продолговатой частью, и создают крен летательного аппарата под вторым углом к горизонту, когда летательный аппарат связан со второй продолговатой частью, причем первый угол отличается от второго угла.
В некоторых примерах присоединяют концевую часть между первой и второй продолговатыми частями, так что движение летательного аппарата замедляется, кода летательный аппарат переходит с первой продолговатой части на концевую часть, и снова ускоряется, когда летательный аппарат переходит с концевой части на вторую продолговатую часть.
В способе согласно некоторым вариантам присоединяют концевую часть между первой и второй продолговатыми частями и поворачивают летательный аппарат вокруг своей вертикальной оси при движении по концевой части.
В некоторых примерах изобретения система получения энергии содержит направляющую, растяжку, наклоненную под углом у° к горизонту и прикрепленную к направляющей, и летательный аппарат, связанный с направляющей и накрененный под углом примерно 90-у° к горизонту.
В некоторых примерах изобретения способ получения энергии включает в себя этапы, на которых обеспечивают направляющую; связывают летательный аппарат с направляющей; размещают направляющую так, чтобы летательный аппарат двигался поперек направления атмосферного ветра; прикрепляют растяжку к направляющей и закрепляют растяжку так, чтобы она была наклонена под углом у к горизонту; создают крен летательного аппарата под углом приблизительно 90-у° к горизонту и собирают энергию атмосферного ветра посредством перемещения летательного аппарата.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 А и 1 В показан пример установки для получения энергии согласно примерам изобретения (на фиг. 1 А показана установка, вид при взгляде на нее в направлении атмосферного ветра; на фиг. 1 В -установка, вид сбоку в вырезе);
на фиг. 2А - летательный аппарат согласно примерам изобретения;
на фиг. 2В - поперечное сечение аэродинамического профиля (крыла) согласно примеру изобретения;
на фиг. 2С - вектор относительной скорости ветра согласно одному из примеров объекта, движущегося поперек направления ветра (как при боковом ветре);
на фиг. 3A и 3B - пример системы растяжек согласно изобретению (на фиг. 3A показана система растяжек, вид сбоку; а на фиг. 3B - вид сверху);
на фиг. 3C поясняются усилия в системе получения энергии, когда летательный аппарат накренен на 90° к горизонтали согласно примерам изобретения;
на фиг. 3D поясняется крен летательного аппарата согласно примерам изобретения, вид сбоку;
на фиг. 4 поясняется способ получения энергии согласно примерам изобретения.
Варианты осуществления изобретения
В последующем описании вариантов осуществления ссылки сделаны на чертежи, которые составляют часть описания и на которых приведены иллюстрации конкретных вариантов, какие могут быть практически реализованы. Следует понимать, что могут быть использованы и другие варианты, и что могут быть внесены структурные изменения, не отклоняясь от объема раскрытых вариантов.
Примеры настоящего изобретения представляют установки, содержащее направляющую и аэродинамический профиль (крыло), связанный с этой направляющей. Направляющая содержит первую и вторую продолговатые части такие, что первая продолговатая часть расположена над второй продолговатой частью. Аэродинамический профиль имеет нагнетающую поверхность, лежащую между поверхностью разрежения и направляющей, и может перемещаться в противоположных направлениях, когда он связан поочередно с первой продолговатой частью и второй продолговатой частью.
В некоторых примерах способы получения энергии включают в себя обеспечение направляющей, установку направляющей в заданном положении, соединение летательного аппарата с направляющей и сбор энергии атмосферного ветра в результате движения этого летательного аппарата. Направляющая может содержать первую продолговатую часть и вторую продолговатую часть, находящуюся ниже первой продолговатой части. Направляющая может быть расположена так, что летательный аппарат движется поперек направления атмосферного ветра.
На фиг. 1 А и 1 В показана установка 100 для получения энергии согласно примерам изобретения. На фиг. 1 А показана установка, вид при взгляде на нее в направлении атмосферного ветра 124. На фиг. 1 В показана установка, вид сбоку в вырезе при взгляде со стороны штриховой линии, показанной на фиг. 1А, и в сторону конца 108.
Установка 100 содержит летательные аппараты 112 и 116, движущиеся вдоль верхней продолговатой части 104 и нижней продолговатой части 106 соответственно. Продолговатые части 104 и 106 являются компонентами направляющей 102, которая содержит также концевые части 108 и 110.
Летательные аппараты 112 и 116 связаны с направляющей 102 через опоры 114 и 118. Направляющие ориентированы таким образом, что летательные аппараты движутся поперек направления атмосферного ветра 124. Под объектом, движущимся "поперек направления ветра" (пересекая направление ветра или при боковом ветре), понимают объект, направление движения которого не совпадает с направлением атмосферного ветра. Под атмосферным ветром можно понимать преобладающий ветер, не ограничиваясь этим.
В некоторых примерах объект считается движущимся поперек направления ветра, когда его направление движения перпендикулярно направлению атмосферного ветра. В некоторых примерах объект считается движущимся поперек ветра, если направление его движения отклоняется от направления, перпендикулярного направлению атмосферного ветра, меньше чем на ±45°. В некоторых примерах объект считается движущимся поперек ветра, если направление его движения отклоняется от направления, перпендикулярного направлению атмосферного ветра, меньше чем на ±20°.
В некоторых примерах максимальный угол отклонения направления движения от перпендикулярного направления (относительно направления атмосферного ветра) может быть рассчитан на основе предельного уровня потерь эффективности. В некоторых других примерах может быть использован подходящий алгоритм, чтобы связать угол отклонения ((3) с пределом потери эффективности (efficiency loss (EL)). В качестве примеров таких алгоритмов можно указать EL = (1-cos (3) и EL = (1-cos2 (3). Это позволяет определить максимальный угол отклонения для заданного конкретного предела потерь эффективности.
За счет движения поперек ветра в некоторых раскрытых примерах скорость движения может в несколько раз превосходить скорость атмосферного ветра. Кроме того, благодаря движению вдоль продолговатых частей согласно некоторым вариантам возможно собирать энергию ветра с площадей, во много раз превосходящих размах крыльев летательных аппаратов. В некоторых примерах эта площадь, с которой осуществляется сбор энергии, равна произведению суммарной длины продолговатых частей на размах крыльев летательного аппарата. В отличие от этого ветровые турбины ограничены получением энергии с площади круга, радиус которого равен размаху лопастей турбины.
Некоторые раскрытые варианты могут также обеспечивать преимущества по сравнению с система
ми AWE. Например, поскольку согласно некоторым вариантам не используют фал или трос, в этих случаях нет ни косинусных потерь при сборе энергии ветра, ни потерь энергии из-за сопротивления фала. Более того, некоторые примеры могут не быть классифицированы как "летательные аппараты" в отличие от систем AWE, и тем самым они могут избежать недостатков и неудобств, связанных с авиационными нормативными документами и ограничениями.
Как показано на фиг. 1 А и 1 В, летательные аппараты 112 и 116 движутся в противоположных направлениях 120 и 122 по верхней и нижней частям 104 и 106 соответственно. Летательные аппараты переходят с верхней части на нижнюю часть по концевой части 108 и с нижней части на верхнюю часть по концевой части 110. Движение по концевой части приводит также к изменению направления движения летательных аппаратов. Во время движения по пути, соответствующему концевой части, летательный аппарат может отклоняться (рыскать), чтобы поддерживать нужную ориентацию поперек направления ветра. В установке 100 летательный аппарат может рыскать в пределах 180° (в системе координат летательного аппарата) при движении по пути, соответствующему концевой части.
Кроме того, изменение направления приводит к тому, что летательные аппараты движутся с первым креном относительно горизонта во время движения по верхней продолговатой части 104, а также движутся со вторым креном относительно горизонта во время движения по нижней продолговатой части 106. Более конкретно, когда летательный аппарат, показанный на фиг. 1 А и 1 В, движется в направлении 120, этот летательный аппарат накренен на 90° на правый борт (в системе координат, связанной с землей). Когда летательный аппарат движется в направлении 122, этот летательный аппарат накренен на 90° на левый борт. Посредством создания крена с разными углами при движении в различных направлениях согласно некоторым примерам изобретения летательные аппараты способны двигаться поперек ветра в обоих направлениях вдоль продолговатых частей и ориентироваться под аэродинамически эффективным углом атаки относительно ветра (как это более подробно раскрыто далее).
Электроэнергия может быть извлечена из движения летательных аппаратов с использованием какого-либо из целого ряда механизмов (не показаны) или сочетания этих механизмов. В некоторых примерах в электроэнергию может быть преобразовано сопротивление, действующее на летательный аппарат. Это может быть достигнуто с использованием электродвигателя или генератора, такого, например, как пропеллер летательного аппарата. Когда пропеллер вращается, происходит генерация электроэнергии. Согласно другим примерам могут быть обеспечены опоры с колесами (см., например, элементы 126 и 128 на фиг. 1), которые движутся по направляющей. Когда колеса вращаются, в электродвигателе опоры вырабатывается электроэнергия. Согласно некоторым другим примерам с летательным аппаратом может быть соединен трос или какая-либо другая лента транспортера, так что электроэнергия вырабатывается в ступице транспортера, а не на борту летательного аппарата. Согласно некоторым примерам может быть обеспечена пара из зубчатой рейки и шестерни, где шестерня прикреплена к летательному аппарату, а зубчатая рейка вмонтирована в продолговатую часть. Согласно еще одним примерам это могут быть многочисленные тросы, ленты транспортера, рельсы и т. п. на направляющей, так что можно независимо фиксировать и улавливать различные скорости летательных аппаратов и/или некоторые ленты транспортера могут быть использованы для ускорения движения летательного аппарата, когда нужно.
В некоторых примерах электроэнергию получают с применением индукции. С этой целью в продолговатой части может быть установлена электрическая обмотка, а в летательный аппарат может быть вмонтирован магнит. Во время движения летательного аппарата магнит индуцирует электрический ток в катушке, которая может собирать электроэнергию. Такая конструкция может в качестве преимущества уменьшить число механических частей, таких как зубчатые колеса и/или тросы. В некоторых примерах электрическая катушка может быть намотана вокруг сердечника. В одной продолговатой части могут быть использованы несколько катушек, так что можно независимо улавливать различные скорости летательных аппаратов и/или некоторые катушки могут быть использованы для ускорения летательного аппарата.
В некоторых примерах летательные аппараты двигаются независимо один от другого. Система может изменять скорость летательных аппаратов на разных продолговатых частях и/или изменять число летательных аппаратов на каждой продолговатой части в любой конкретный момент времени. В какой-то ветровой обстановке может быть выгодно иметь, по существу, различные скорости, чтобы увеличить количество энергии, получаемой от ветра. В некоторых примерах низкие скорости ветра могут потребовать использовать относительно большее число летательных аппаратов, движущихся относительно медленно, и, напротив, при больших скоростях ветра может потребоваться меньшее число летательных аппаратов, движущихся относительно быстро. В некоторых примерах направление ветра, не перпендикулярное направлению движения летательного аппарата, может потребовать различных скоростей и/или разного числа летательных аппаратов на направляющих. В некоторых примерах вариации скорости и/или числа аппаратов вносят вручную, а в других вариантах такие вариации осуществляются автоматически. В некоторых других вариантах для внесения вариаций применяют сочетание ручных и автоматических органов управления.
Для облегчения реализации различных скоростей и/или разного числа летательных аппаратов эти
летательные аппараты могут собираться на концевых частях, когда они не движутся по продолговатым частям. Число летательных аппаратов на части может быть аналогично коэффициенту заполнения ветровой турбины. Под коэффициентом заполнения можно понимать меру площади, через которую проходят летательные аппараты или лопасти турбины (прочерчиваемая площадь) по сравнению с площадью, занимаемой летательными аппаратами или лопастями турбины соответственно. В отличие от ветровой турбины в примерах согласно изобретению возможно изменять коэффициент заполнения при переходе от одной ветровой обстановки к другой ветровой обстановке и от одной продолговатой части к другой.
В некоторых примерах для различных ветровых условий могут быть использованы летательные аппараты с различными аэродинамическими профилями. Для летательных аппаратов, движущихся в направлении, совпадающем с направлением атмосферного ветра, может быть предпочтительно максимально увеличить площадь поверхности, чтобы летательный аппарат мог собирать больше энергии. С другой стороны, летательные аппараты, движущиеся поперек направления ветра, могут получить выгоду от относительно большого соотношения подъемной силы/сопротивления, чтобы увеличить подъемную силу (и тем самым увеличить скорость бокового ветра). Летательные аппараты могут храниться в парке, так что их можно заменять в зависимости от ветровых условий в какой-либо конкретный момент времени.
Такие парки на концах продолговатых частей могут быть также использованы для того, чтобы изменять соотношение числа летательных аппаратов, движущихся в одном направлении. Например, в установке, имеющей три или более продолговатых частей, может быть обеспечено различное число летательных аппаратов, движущихся в одном направлении. Такая конфигурация может быть предпочтительна, когда ветровые условия благоприятствуют летательным аппаратам, движущимся в одном направлении, по сравнению с движением в другом направлении. Например, когда летательные аппараты движутся в направлении, совпадающем с направлением атмосферного ветра, может быть предпочтительно возвращать летательные аппараты (т. е. перемещать их против ветра) с высокой скоростью. Сопротивление (и соответственно мощность) при движении против ветра могут быть уменьшены с использованием низкого профиля сопротивления. Напротив, скорость движения по ветру может быть относительно низкой. Соответственно, для трех или более продолговатых частей может оказаться благоприятным назначать больше продолговатых частей для движения по ветру. Скорость летательных аппаратов против ветра может быть выбрана так, чтобы можно было пополнять летательными аппаратами парк против ветра со скоростью, необходимой для поддержки движения по ветру.
Такие парки могут представлять собой подсекции концевых частей или могут заменять собой концевые части. Парки могут содержать вспомогательные рельсы аналогично боковым путям для поездов. Летательные аппараты могут отстаиваться на вспомогательных рельсах и переходить на продолговатые части по мере необходимости. Стрелка (ручная или автоматическая) может направлять летательные аппараты в парки по мере необходимости.
Направляющая может на каждом конце опираться на мачты. Можно понимать, что направляющая содержит продолговатые части и концевые части, образующие все вместе замкнутый контур. Мачты могут иметь любые размеры или формы, достаточные для того, чтобы служить опорой для направляющей. Мачты могут быть расположены на концах каждой концевой части или могут быть помещены во внутренних точках продолговатой части/направляющей. В одном из примеров бок о бок могут быть установлены несколько направляющих, каждая из которых прикреплена к двум мачтам (аналогично линиям электропередач, прикрепленным к опорам линий электропередач или столбам освещения). При таком подходе могут быть установлены несколько направляющих, так что какая-либо индивидуальная направляющая может быть выведена из эксплуатации для проведения технического обслуживания или из-за других проблем, не мешая получению энергии от других направляющих. В некоторых примерах протяженность продолговатой части может быть увеличена, и такая удлиненная часть опирается на несколько мачт. В этих примерах удлинение частей (вместо обеспечения нескольких направляющих) может повысить эффективность системы, поскольку уменьшается число концевых частей (таким образом, общие потери энергии на концевых частях уменьшаются).
В некоторых примерах несколько направляющих установлены одна поверх другой. В этих примерах летательные аппараты могут перемещаться в направлениях противоположного вращения в парах направляющих, уравновешивая тем самым скручивающие моменты, которые могут быть порождены поворотом летательных аппаратов на каждой направляющей и/или ускорением летательных аппаратов на концевых частях.
В некоторых примерах продолговатые части и/или направляющие целиком располагают встречно ("спина-к-спине"). В некоторых примерах направляющие располагают под углом 90° одна к другой, что позволяет летательным аппаратам двигаться поперек ветра ("при боковом ветре") при различных направлениях падающего атмосферного ветра. В других примерах направляющие располагают под другими относительными углами в пределах между 0 и 90°, включая 15, 30, 45, 60 и 75°.
В некоторых примерах продолговатые части располагают в виде решетки. Например, горизонтальные линии продолговатых частей могут проходить в направлении восток-запад, а вертикальные - в направлении север-юг. При взгляде сверху продолговатые части могут образовывать рисунок в виде шах
матной доски, где открытые участки земли представляют "клетки" шахматной доски. Такая конфигурация позволяет получать энергию независимо от ориентации атмосферного ветра. В некоторых примерах продолговатые части могут быть ориентированы в виде нескольких наложенных один на другой равносторонних треугольников. Это может позволить увеличить получение энергии при различных ориента-циях атмосферного ветра и может также позволить продолговатым частям действовать в качестве поперечин. Продолговатые части могут использовать мачты совместно. Аналогично, продолговатые части могут совместно использовать летательные аппараты, передаваемые между продолговатыми частями в зависимости от ориентации атмосферного ветра. Продолговатые части в разных ориентациях могут чередоваться по высоте. Например, если каждая "ячейка" север-юг и восток-запад содержит четыре продолговатые части, тогда части, ориентированные в направлении север-юг, могут располагаться на высотах 3, 9, 15 и 21 футов, тогда как секции, ориентированные в направлении восток-запад, могут располагаться на высотах 6, 12, 18 и 24 футов. Такое разнесение должно позволить летательным аппаратам с размахом крыльев меньше 6 футов перемещаться по любой из продолговатых частей, не зацепляя при этом других продолговатых частей.
В некоторых примерах одна или несколько направляющих могут перемещаться относительно земли или другой точки отсчета. Например, одна из мачт, связанных с направляющей, может быть подвижной, а другая - неподвижной, так что направляющая может поворачиваться вокруг неподвижной мачты. Подвижная мачта может быть установлена на колесах и соединена с двигателем для перемещения. При таком подходе согласно некоторым примерам возможно обеспечить изменение углового отклонения направления движения летательных аппаратов от направления падающего атмосферного ветра. Кроме того, согласно некоторым примерам с подвижными направляющими возможно изменять ориентацию направляющих для установления нужного угла отклонения при различных направлениях атмосферного ветра.
На фиг. 2А представлен летательный аппарат 200 согласно примерам изобретения. Летательный аппарат 200 имеет крылья 202, фюзеляж 204 и хвостовое оперение 210. Хвостовое оперение 210 содержит вертикальный стабилизатор 212 и горизонтальные стабилизаторы 214.
Легко понять, что летательный аппарат 200 раскрыт только в качестве примера, и могут быть применены разнообразные вариации, не отклоняясь от объема изобретения. Например, некоторые летательные аппараты могут иметь только горизонтальный стабилизатор или только вертикальный стабилизатор. В некоторых вариантах летательный аппарат вообще не содержит хвостового оперения.
На фиг. 2В показан аэродинамический профиль 230 согласно примерам изобретения. Профиль 230 может быть связан с направляющей непосредственно или может быть частью большого летательного аппарата. В некоторых примерах аэродинамический профиль 230 может иметь такое же поперечное сечение, как крылья 202, описанные выше со ссылками на фиг. 2А.
Аэродинамический профиль 230 имеет аэродинамически эффективную форму, реализующую благоприятный коэффициент подъемная сила/сопротивление. Аэродинамический профиль 230 имеет переднюю кромку 232, заднюю кромку 234, поверхность 236 разрежения и нагнетающую поверхность 238. Когда относительный воздушный поток 240 движется мимо профиля 230, форма профиля индуцирует направленную вверх силу (как показано на фиг. 2В), действующую на аэродинамический профиль. Эта сила действует на аэродинамический профиль в направлении от нагнетающей поверхности в сторону поверхности разрежения.
Под аэродинамическим профилем следует понимать какой-либо объект или сечение объекта, создающее динамическое усилие в потоке текучей среды. Сюда входят без ограничений крылья, паруса или лопасти турбин. Аэродинамический профиль может быть частью большого тела с дополнительными компонентами. Например, летательный аппарат может содержать не только аэродинамический профиль, а также фюзеляж и хвостовое оперение, как это описано применительно к фиг. 2А. В некоторых примерах летательный аппарат может представлять собой просто аэродинамический профиль (крыло).
Когда аэродинамический профиль имеет нагнетающую поверхность и поверхность разрежения, этот профиль может быть ориентирован на части направляющей таким образом, что нагнетающая поверхность расположена между направляющей и поверхностью разрежения. Такая конфигурация может позволить двигаться при боковом ветре (поперек ветра) с повышенной скоростью.
Хорда 242 представляет собой воображаемую прямую линию, соединяющую переднюю кромку 232 с задней кромкой 234. Профиль ориентирован под углом а (244) атаки, который следует понимать как угол между хордой 238 и направлением относительного ветра 238.
Под "относительным ветром" можно понимать обозначение векторной суммы скорости созданного ветра и скорости атмосферного ветра. Фиг. 2С поясняет скорость 254 относительного ветра согласно одному из примеров объекта (не показан), движущегося поперек ветра (при боковом ветре). Вектор 250 представляет скорость объекта относительно земли, а вектор 252 представляет скорость атмосферного ветра.
Для пояснения скорости 254 относительного ветра сначала необходимо понять, что такое "созданный ветер". Скорость созданного ветра по величине просто равна скорости 250 относительно земли, но противоположна по направлению. Для вычисления скорости 254 относительного ветра производят векторное суммирование скорости созданного ветра и скорости 252 атмосферного ветра.
Как показано на фиг. 2В, могут быть использованы различные углы атаки. В некоторых примерах угол атаки вычисляют как функцию нужного отношения подъемная сила/сопротивление. Например, если заданное отношение подъемная сила/сопротивление требует угла атаки 6°, тогда угол тангажа летательного аппарата будет изменяться на основе скорости атмосферного ветра и скорости относительно земли. Если скорость атмосферного ветра равна 8 м/с, и скорость относительно земли равна 50 м/с, тогда скорость относительного ветра направлена под углом 9.09° (tan-1 (8/50)) к направляющей. Для получения угла атаки к относительному ветру, равного 6°, аэродинамический профиль (крыло) должен быть наклонен под углом -3° к направляющей.
В общем случае угол тангажа относительно направляющей может быть определен со скоростью атмосферного ветра, скоростью относительно земли и требуемым углом атаки. Сначала определяют угол между скоростью относительного ветра и направляющей на основе скорости атмосферного ветра и скорости относительно земли. Затем этот угол скорости относительно ветра вычитают из требуемого угла атаки для получения требуемого угла тангажа летательного аппарата относительно направляющей.
Угол атаки может изменяться в зависимости от различных ветровых условий. Иными словами требуемый угол атаки может быть определен с учетом таких соображений, как эффективность получения энергии и ограниченная структурная целостность. Углом атаки можно управлять посредством хвостового оперения (т. е. с использованием подъемников на горизонтальных стабилизаторах) или механически посредством перемещения/переориентации связи между направляющей и летательным аппаратом.
В некоторых примерах угол атаки не должен быть одинаковым при движении по продолговатым частям в разных направлениях. Это может учитывать ситуацию, когда атмосферный ветер не перпендикулярен продолговатым частям.
Хвостовое оперение может быть использовано для реализации защиты от порывов ветра, пассивно и/или автоматически. Порыв ветра (шквал) увеличивает угол атаки. Хвост может быть выполнен так, чтобы шквал увеличивал подъем хвоста. Когда хвост "поднимается" (относительно ветра), угол атаки летательного аппарата уменьшается, так что положение летательного аппарата возвращается в заданный диапазон.
В некоторых примерах летательный аппарат может быть избирательно ориентирован таким образом, что он генерирует минимальные усилия или вообще не генерирует никаких усилий. Это может быть благоприятным фактором для решения проблем, связанных со слишком сильным ветром или с ветром, "неудачно направленным", а также с простоями, например, для проведения технического обслуживания. Если установить угол крена, равный нулю (относительно горизонта), и угол тангажа, равный нулю (или нулевое увеличение угол атаки), и при этом позволить летательному аппарату свободно поворачиваться вокруг своей вертикальной оси, действующее на направляющую со стороны летательного аппарата усилие будет невелико.
В некоторых примерах установку для получения электроэнергии закрепляют с использованием одной или нескольких растяжек. На фиг. 3A и 3B показана система растяжек согласно примерам изобретения. На фиг. 3A показана система 300 растяжек, вид сбоку, а на фиг. 3B - вид сверху.
Система 300 растяжек содержит растяжки 308 и 310, соединенные с верхней продолговатой частью 302 и с нижней продолговатой частью 304 соответственно. В некоторых примерах продолговатые части 302 и 304 могут представлять собой верхние и нижние продолговатые части, описываемые со ссылками на фиг. 1A и 1 В.
Растяжки 308 и 310 закреплены в одной общей точке 306 крепления. В некоторых примерах две растяжки могут быть закреплены в разных точках крепления. Растяжки 308 и 310 образуют углы у1 и у2 относительно отсчетной линии, проходящей через точку 306 крепления. В некоторых примерах эта от-счетная линия может проходить на уровне земли, на уровне горизонта или быть другой физической от-счетной линией.
На фиг. 3B показана система растяжек на виде сверху с несколькими растяжками, прикрепленными к каждой из продолговатых частей. Продолговатая часть 302 является единственной продолговатой частью, которая видна на фиг. 3B, вследствие совмещения продолговатых частей в вертикальном направлении в этом примере.
Как можно видеть на фиг. 3B, система 300 растяжек содержит растяжки 308, 314 и 318, распределенные по продолговатой части. Каждая из этих растяжек прикреплена к продолговатой части 302 в соответствующей точке 306, 312 и 316 крепления соответственно. Эти несколько растяжек разбивают всю длину 324 рассматриваемой продолговатой части 302 на отрезки 320 и 322.
Как отмечено выше, на фиг. 3B продолговатая часть 302 благодаря своему выгодному положению закрывает продолговатую часть 304. По этой же причине на фиг. 3B видны только верхние растяжки 308, 314 и 318. Система 300 также содержит по меньшей мере одну нижнюю растяжку 310, закрытую верхней растяжкой 308, и может содержать также дополнительные растяжки, закрытые верхними растяжками 314
и 318.
Системы растяжек согласно изобретению могут благоприятно распределить усилия, действующие в направлении ветра, уменьшая разрушающее воздействие этих усилий на установку для получения энер
гии. В ветровой турбине все усилия концентрируются в ступице (или в центральной точке), что создает большие моменты, действующие на мачту. По меньшей мере, по этой причине мачта ветровой турбины может быть очень большой. В раскрытой согласно изобретению установке усилия, действующие в направлении ветра, распределяются по нескольким летательным аппаратам. Далее растяжки распределяют усилия, действующие в направлении ветра, по отрезкам таким образом, что любой из этих отрезков испытывает, по существу, уменьшенный момент.
Хотя на фиг. 3B показано, что отрезки 320 и 322 имеют приблизительно одинаковую длину, в других примерах система может иметь отрезки разной длины. Кроме того, хотя на фиг. 3B показаны только три растяжки, согласно другим примерам может быть произвольное число растяжек.
Каждый отрезок может быть выбран с учетом разнообразных соображений.
Например, площади крыльев летательного аппарата, скорости летательного аппарата, прочности рельса и т. п. В некоторых примерах отрезки определяют как функцию одного или нескольких факторов -плотность текучей среды, площадь летательного аппарата, скорость тележки на направляющей, коэффициент подъемной силы летательного аппарата и модуль упругости направляющей. В некоторых примерах длина каждого отрезка равна приблизительно 2,5 м. В некоторых примерах число растяжек определяется числом летательных аппаратов, движущихся по продолговатой части в одно и то же время, и может быть выбрано таким образом, чтобы число отрезков было больше движущихся одновременно летательных аппаратов.
В некоторых примерах систему растяжек выбирают в соответствии с окружающим ландшафтом и конкретными факторами реализации. В некоторых примерах каждая растяжка закреплена индивидуально и проходит по прямой линии от земли к направляющей. В других примерах растяжка выполнена аналогично вантовому мосту: растяжки прикреплены к одной (или нескольким) точкам крепления и расходятся от нее веером к точкам крепления к рельсам. В другом примере растяжки выполнены аналогично подвесному мосту: трос подвески образует дугу между двумя точками крепления, а индивидуальные растяжки прикреплены к этой дуге. Еще в одном примере система растяжек имеет летающую точку крепления. В этом примере анкерный трос/фал проходит от земли вверх к центральной "летающей точке крепления". Растяжки прикреплены к этой "летающей точке крепления" и расходятся от нее веером к направляющей. В другом примере между главной точкой крепления и направляющей установлен вспомогательный пилон. Тогда анкерный трос проходит от земли к вспомогательному пилону под большим углом и далее меняет направление (через индивидуальные растяжки или сгруппированные анкеры) к направляющей. Благодаря изменению направления растяжек вспомогательный пилон поглощает некоторые направленные вниз усилия, что позволяет укоротить общую длину растяжек (или уменьшить эффективный угол), уменьшая тем самым косинусные потери из-за возвышения.
В некоторых примерах растяжки могут иметь разные длины верхних частей и нижних частей. Это может вызвать наклон (крен) направляющей на заданный угол крена, что может затем заставить летательный аппарат накрениться на заданный угол крена (см. обсуждение угла крена далее).
В некоторых вариантах верхняя продолговатая часть жестко прикреплена к нижней продолговатой части в точках крепления растяжек. Здесь снова могут быть использованы растяжки разной длины. Такая конструкция может также принудительно установить продолговатые части под правильным углом. По сравнению с примерами, приведенными в предыдущем абзаце, эта конфигурация приводит к небольшому увеличению длин растяжек (за счет увеличения разнесения), что позволяет осуществлять более практически удобное управление.
Согласно некоторым примерам может быть обеспечен двунаправленный летающий устой, когда нужно получать энергию из воздушного потока в ситуации, где атмосферные ветры могут дуть с разных направлений. В этих примерах между частями, расположенными с наветренной ("upwind") стороны и с подветренной ("downwind") стороны, может быть помещена V-образная конструкция верхней стороной вниз. Эти части жестко прикреплены к указанному устою, а опоры/летательные аппараты прикреплены к частям, так что они могут только скользить. Две наветренные растяжки и две подветренные растяжки прикреплены к устою таким образом, чтобы можно было избежать всех потенциальных ориентаций летательного аппарата. При таком подходе можно построить двунаправленную установку, которая также удерживает рельсы под правильным углом крена.
Растяжки могут создавать дополнительные усилия, действующие на направляющую. Например, фиг. 3C поясняет усилия в системе 350 получения энергии, когда летательный аппарат 360 накренен на 90° к горизонтали согласно примерам изобретения. Летательный аппарат 360 создает усилия в направлении поперек ветра (не показано), энергию которых собирает устройство. Летательный аппарат 360 связан с продолговатой частью 352 через опору 358 и создает усилия (FD), действующие в направлении воздушного потока на продолговатую часть 352.
Усилия (FD), действующие в направлении воздушного потока, сбалансированы растяжкой 354. Наконец, растяжка 354 ориентирована под углом у, вследствие чего усилие (FB) растяжки действует под углом 90-у к горизонтали. В результате усилие (FB) растяжки имеет как горизонтальную составляющую (для уравновешивания усилий, действующих в направлении воздушного потока на летательный аппа
рат), так и вертикальную составляющую. Эта вертикальная составляющая, не имеющая противовеса в примере, показанном на фиг. 3C, стремится оттянуть направляющую вниз, что может создать механические напряжения в направляющей.
В некоторых вариантах вводимый крен для летательного аппарата меньше 90° от горизонтали. Крен может ориентировать летательный аппарат относительно рельса и растяжки таким образом, что усилия, действующие на летательный аппарат, будут ориентированы приблизительно в направлении растяжки.
Фиг. 3D на виде сбоку поясняет крен летательного аппарата 360 согласно примерам изобретения. Как указано выше, растяжка 354 соединена с поверхностью земли в точке 356 крепления, причем эта растяжка 354 наклонена под углом у к горизонтали. Для уравновешивания усилия растяжки летательный аппарат 360 накренен под углом ср к горизонтали (стоит отметить, что упомянута горизонталь, но можно использовать любую отсчетную линию).
В примере, показанном на фиг. 3D, летательный аппарат 360 накренен на угол р = 90-у. В некоторых вариантах угол у может быть не равен углу 90-у, а накренен на несколько градусов от угла 90-у. В некоторых примерах максимальная величина отклонения от угла 90-у может быть вычислена на основе предела потерь эффективности. В некоторых других примерах может быть использован алгоритм, связывающий величину угла отклонения (у) с пределом потерь эффективности (EL). Пример такого алгоритма может иметь вид EL = (1-cos у). Можно определить максимальный угол отклонения для конкретного предела потерь эффективности. Этот максимальный угол отклонения может быть также ограничен конструкцией направляющей. Когда угол между креном летательного аппарата и возвышением растяжки растет, увеличиваются механические напряжения, действующие на направляющую. Для конкретного материала может быть вычислена максимальная величина отклонения, позволяющая удерживать механические напряжения, действующие на направляющую, в заданных пределах.
Летательный аппарат 360 связан с продолговатой частью 352 через опору 358. Опора 358 может быть поворачиваемой относительно продолговатой части 352, так что летательный аппарат может изменять свой угол относительно продолговатой части 352. Некоторые опоры могут иметь сервопривод для ориентации летательного аппарата под заданным углом крена, как более подробно обсуждается далее.
В некоторых примерах верхняя продолговатая часть и нижняя продолговатая часть могут иметь разные углы наклона растяжек (см. фиг. 3A) и вследствие этого требовать разного крена летательных аппаратов. Когда летательный аппарат движется по концевой части, необходимо изменять угол крена, чтобы летательный аппарат мог принять правильный угол крена для продолговатой части. Это может быть достигнуто посредством поворота летательного аппарата на 180° вокруг своей вертикальной оси и при этом крена аппарата на заданную величину, пока этот летательный аппарат движется по пути, соответствующему концевой части. В некоторых вариантах величина крена может быть равна сумме углов наклона растяжек.
В некоторых вариантах угол крена летательного аппарата может быть измерен и соответственно отрегулирован. В некоторых примерах угол крена можно измерять с помощью датчиков, прикрепленных к летательному аппарату, или посредством инерциальной навигационной системы (такой как гироскоп, акселерометр и GPS), интегрированной с алгоритмом обработки сигналов сочетания датчиков, таким как фильтр Калмана. Положение летательного аппарата можно определить с помощью радиоидентификационной метки (RFID) или другого устройства связи в ближней зоне, выходной сигнал которого используется алгоритмом обработки сигналов сочетания датчиков. В некоторых вариантах угол крена летательного аппарата измеряют с использованием механических датчиков, прикрепленных к опоре.
Есть ряд механизмов, посредством которых можно управлять креном летательного аппарата. В некоторых примерах летательный аппарат оснащен элеронами на крыльях. Манипулируя этими элеронами, можно управлять креном. В некоторых вариантах продолговатая часть может вносить естественный крен летательного аппарата. Например, продолговатая часть может быть выполнена из гибкого материала, который естественным образом изгибается, чтобы накренить летательный аппарат и уравновесить усилия растяжек. В некоторых вариантах направляющую прикрепляют к опорным мачтам так, что она может поворачиваться. При таком подходе направляющая может естественным образом переориентироваться на такой угол к горизонтали, который соответствует подходящему крену летательного аппарата. В некоторых примерах крепление летательного аппарата к опоре может быть смещено в поперечном направлении от центра давления, чтобы создать крен. После достижения требуемой величины крена крепление может быть возвращено в центр давления. В некоторых вариантах управление креном осуществляется путем регулирования фалов, соединяющих концы крыльев с опорой. Например, можно удлинить фал по правому борту и укоротить фал по левому борту, что приведет в результате к крену влево.
Хотя приведенное выше описание сосредоточено главным образом на том, что при определении угла крена стремятся к уравновешиванию усилий растяжек с аэродинамическими силами, действующими на летательный аппарат, можно также учитывать другие силы. Такими другими силами могут быть сила тяжести, действующая на летательный аппарат и опору, сила тяжести, действующая на продолговатую часть, сила тяжести, действующая на опорные мачты и устои, сила сопротивления, действующая на продолговатую часть, и какая-либо плавучесть присоединенных объектов (например, в водном варианте или
в воздушном варианте). В некоторых вариантах продолговатая часть имеет аэродинамическую конфигурацию для уменьшения сопротивления.
В некоторых бортовых авиационных примерах сила тяжести, создаваемая весом установки, может быть уравновешена подъемной силой, создаваемой летательными аппаратами. Такая установка может быть сначала поднята на нужную высоту посредством крана, летательного аппарата или "плавающего" устройства (аэростата), например. После достижения подходящей высоты ветер может быть использован для изменения или поддержания высоты. Такой подход может позволить воздушным вариантам "ловить" векторы ветров высокой скорости на больших высотах.
В некоторых примерах несколько растяжек могут быть прикреплены к одной точке направляющей и далее "расходиться веером", так что каждая растяжка образует свой угол с направляющей (если смотреть сверху). Такая конструкция может с успехом компенсировать аэродинамические силы для различных направлений относительного ветра.
В некоторых примерах углы между направляющей и самым внешними растяжками и углы между парами растяжек могут быть равны. В других примерах величина каждого из этих равных углов может быть равна результату деления 180° на число растяжек плюс единица (например, 180/(n+1), где n - число растяжек). Например, для двух растяжек, прикрепленных к одной и той же точке, угол между растяжками может быть равен 60°, и угол между каждой растяжкой и направляющей может быть равен 60°. В других примерах углы между направляющей и самыми внешними растяжками и углы между парами растяжек могут быть неравными.
Благодаря прикреплению нескольких растяжек к одной и той же точке направляющей и расположения этих растяжек под разными углами к направляющей некоторые примеры могут улучшить компенсацию аэродинамических сил при различных скоростях атмосферного ветра и скоростях ветра относительно летательного аппарата. Например, если летательный аппарат движется по направляющей сравнительно быстро, тогда относительный ветер может быть направлен приблизительно параллельно ориентации продолговатой части (в результате чего усилие будет направлено перпендикулярно продолговатой части). В таком сценарии несколько растяжек, присоединенных к одной точке продолговатой части направляющей и расходящихся под разными углами, позволят распределить усилие между этими растяжками.
Напротив, если скорость летательного аппарата меньше, относительный ветер может быть не параллелен продолговатой части (и поэтому усилие может оказаться не перпендикулярно продолговатой части). В таком сценарии аэродинамическое усилие может быть совмещено с одной из растяжек, и эта растяжка может компенсировать динамическую нагрузку. Можно сравнить это с вариантом с единственной растяжкой, где неперпендикулярное усилие (действующее на продолговатую часть) лишь частично уравновешивается растяжкой.
Применение нескольких растяжек, направленных под различными углами, может позволить оптимизировать ситуацию в различных ветровых условиях. Например, относительно медленный атмосферный ветер может потребовать большой скорости летательного аппарата и небольшого угла атаки в "наветренном" направлении (против ветра), но небольшой скорости летательного аппарата и большого угла атаки в " подветренном" (по ветру) направлении.
Хотя приведенное выше описание растяжек и создаваемого крена сосредоточено в первую очередь на системах с двумя продолговатыми частями, даже рядовой специалист в рассматриваемой области должен легко понять, что эти концепции могут быть применены к системам с одной продолговатой частью или к системам с несколькими продолговатыми частями. Даже рядовой специалист в рассматриваемой области также должен легко понять, что описанные выше концепции могут быть применены к непродолговатым частям. Приведенное выше описание применимо также к системе, содержащей одну растяжку и летательный аппарат, где этот летательный аппарат может быть накренен для компенсации усилий в растяжке.
Обращаясь к концевым частям, соединяющим продолговатые части, должно быть понятно, что летательный аппарат создает центробежное усилие, действующее на направляющую, при изменении направления. Эта центробежная сила может потребовать упрочнения направляющей в области концевых частей.
В дополнение к центробежным силам на концевые части могут также действовать аэродинамические силы. В частности, летательный аппарат может рыскать при движении на концевой части. Это приведет к тому, что конец внешнего крыла будет иметь более высокую скорость относительно земли, чем конец внутреннего крыла. Вследствие этого конец внешнего крыла будет иметь другой угол атаки. Поэтому кажущийся угол атаки и кажущаяся скорость ветра различаются на внутренней стороне и на внешней стороне. Это может привести к тому, что подъемная сила на внешнем крыле будет выше, чем на внутреннем крыле.
В некоторых вариантах проблемы усилий и позиционирования для концевых частей решают путем уменьшения абсолютной скорости летательного аппарата на концевой части. Энергию, отбираемую у летательного аппарата при торможении, собирают в качестве получаемой полезной энергии.
В некоторых вариантах летательный аппарат накреняют на концевых частях для противодействия
усилиям, создаваемым при повороте. Например, если внешние элероны подняты, а внутренние элероны опущены, подъемная сила на внешнем крыле уменьшается, а на внутреннем крыле увеличивается. Это может служить для выравнивания распределения подъемной силы и уменьшения накреняющего момента, который должна поглотить структура.
Хотя приведенное выше описание вариантов было дано главным образом применительно к направляющим, прикрепленным к земле, изобретение этим не ограничивается. В некоторых вариантах направляющая может находиться в воздухе или в море.
Кроме того, хотя выше обсуждаются главным образом летательные аппараты-монопланы, некоторые варианты могут содержать летательные аппараты с большим числом крыльев, такие как бипланы или другие летательные аппараты с несколькими плоскостями крыльев. Крылья могут располагаться одно над другим или одно сзади другого либо каким-нибудь комбинированным способом.
Фиг. 4 поясняет способ 400 получения энергии согласно примерам изобретения. Способ 400 включает в себя обеспечение 402 направляющей. Направляющая может иметь первую продолговатую часть и вторую продолговатую часть, расположенную ниже первой продолговатой части. Способ 400 содержит также соединение 404 летательного аппарата с направляющей таким образом, что летательный аппарат движется поперек направления атмосферного ветра.
В некоторых примерах способ получения энергии может также содержать прикрепление растяжки к первой продолговатой части. Растяжка может быть закреплена и наклонена под углом у° к горизонту. Способ может также содержать создание крена летательного аппарата под углом приблизительно 90-у° к горизонту, когда этот летательный аппарат соединен с первой продолговатой частью. Некоторые примеры могут также содержать больше одной растяжки.
В некоторых примерах способ может также содержать создание крена летательного аппарата под первым углом к горизонту, когда этот летательный аппарат соединен с первой продолговатой частью, и создание крена летательного аппарата под вторым углом к горизонту, когда этот летательный аппарат соединен со второй продолговатой частью, причем первый угол отличается от второго угла.
Некоторые способы могут содержать присоединение концевой части между первой и второй продолговатыми частями, так что летательный аппарат замедляется, когда этот летательный аппарат переходит с первой продолговатой части на концевую часть, и этот летательный аппарат ускоряется при переходе с концевой части на вторую продолговатую часть. В некоторых примерах способ может содержать присоединение концевой части между первой и второй продолговатыми частями и поворот летательного аппарата вокруг его вертикальной оси, когда этот летательный аппарат движется по концевой части.
Как отмечено выше, изобретение не ограничивается ветроэнергетикой. Некоторые примеры могут использовать другие газы или жидкости. Примеры вариантов гидроэнергетики могут содержать гидроэлектростанции на реках или приливные гидроэлектростанции. В некоторых других примерах установка для получения электроэнергии может быть соединена с плавучим устройством, которое может создавать подъемную силу. Путем манипулирования углом крена (либо конструктивно, либо посредством активного управления), установку можно удерживать на нужной глубине или высоте с целью увеличения количества собираемой энергии, например. Следует понимать, что термины, которые могут относиться к конкретным приложениям (такие как "поперек ветра", "боковой ветер" или "атмосферный ветер"), имеют аналоги применительно к потокам других текучих сред.
Далее следует понимать, что термин "продолговатая часть" может обозначать какую-либо структуру, с которой летательный аппарат может быть соединен и двигаться поперек ветра на расстояния, во много раз превосходящие размер летательного аппарата. Продолговатая часть не обязательно должна быть прямолинейной и может быть криволинейной или иметь какие-либо другие непрямолинейные элементы. В некоторых вариантах установки или способа получения энергии может быть обеспечена одна продолговатая часть или несколько продолговатых частей, расположенных горизонтально вместо раскрытой вертикальной ориентации.
Хотя раскрытые варианты полностью описаны со ссылками на чертежи, следует отметить, что возможны разнообразные изменения и модификации, которые могут стать очевидными для специалистов в рассматриваемой области. Следует понимать, что такие изменения и модификации попадают в пределы объема раскрытых вариантов, как этот объем определен формулой изобретения.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Установка для получения электроэнергии, включающая в себя
направляющую, содержащую первую и вторую продолговатые части, причем первая продолговатая часть расположена над второй продолговатой частью;
аэродинамический профиль, содержащий поверхность разрежения и нагнетающую поверхность, связанный с направляющей таким образом, что нагнетающая поверхность лежит между поверхностью разрежения и направляющей, и выполненный с возможностью перемещения по первой продолговатой части и второй продолговатой части так, что направление перемещения по первой продолговатой части
противоположно направлению перемещения по второй продолговатой части;
систему растяжек, соединяющую по меньшей мере одну из первой и второй продолговатых частей с точкой крепления; и
генератор для сбора энергии атмосферного ветра посредством перемещения аэродинамического профиля по направляющей.
2. Установка по п.1, в которой система растяжек содержит три растяжки, непосредственно соединенные по меньшей мере с одной из первой и второй продолговатых частей.
3. Установка по п.1, в которой аэродинамический профиль имеет первый угол крена к горизонту, когда этот аэродинамический профиль связан с первой продолговатой частью, и второй угол крена к горизонту, когда этот аэродинамический профиль связан со второй продолговатой частью, причем первый угол крена отличается от второго угла крена.
4. Установка по п.1, в которой направляющая дополнительно содержит концевую часть, соединяющую первую и вторую продолговатые части, причем аэродинамический профиль замедляется в движении, когда переходит с первой продолговатой части на концевую часть, и аэродинамический профиль ускоряется в движении, когда переходит с концевой части на вторую продолговатую часть.
5. Установка по п.1, в которой направляющая дополнительно содержит концевую часть, соединяющую первую и вторую продолговатые части так, что аэродинамический профиль поворачивается вокруг своей вертикальной оси при движении по концевой части.
6. Установка по п.1, в которой направляющая дополнительно содержит концевую часть, а установка дополнительно содержит второй аэродинамический профиль, выполненный с возможностью перемещения по первой продолговатой части с большей абсолютной скоростью, чем абсолютная скорость перемещения первого аэродинамического профиля по концевой части.
7. Установка по п.1, в которой система растяжек распределяет усилия, действующие в направлении ветра, вызванные аэродинамическим профилем по меньшей мере на одной из первой и второй продолговатых частей.
8. Установка по п.7, в которой система растяжек содержит вантовую систему растяжек.
9. Установка по п.7, в которой система растяжек содержит систему растяжек с подвесными тросами.
10. Установка по п.7, в которой система растяжек содержит летающую точку крепления.
11. Установка по п.7, в которой система растяжек содержит вспомогательный пилон.
12. Установка по п.1, в которой первая продолговатая часть прикреплена к второй продолговатой части в точках крепления растяжек.
13. Установка по п.12, в которой первая продолговатая часть жестко прикреплена к второй продолговатой части.
14. Установка по п.1, дополнительно содержащая парк, в котором хранятся аэродинамические профили, когда не связаны с направляющей.
15. Установка по п.1, дополнительно содержащая стрелку для направления аэродинамических профилей от направляющей.
16. Установка по п.1, дополнительно содержащая третью продолговатую часть, причем аэродинамический профиль присоединен к третьей продолговатой части.
17. Способ получения электроэнергии, включающий в себя этапы, на которых
обеспечивают направляющую, содержащую первую продолговатую часть и вторую продолговатую часть, расположенную ниже первой продолговатой части;
устанавливают летательный аппарат на направляющую, причем летательный аппарат содержит поверхность разрежения и нагнетающую поверхность, связан с направляющей таким образом, что нагнетающая поверхность лежит между поверхностью разрежения и направляющей;
размещают направляющую так, чтобы летательный аппарат двигался поперек направления атмосферного ветра;
прикрепляют систему растяжек по меньшей мере к одной из первой и второй продолговатых частей;
закрепляют эту систему растяжек.
18. Способ по п.17, в котором система растяжек содержит три растяжки, причем способ дополнительно включает в себя этап, на котором указанные три растяжки прикрепляют непосредственно по меньшей мере к одной из первой и второй продолговатых частей.
19. Способ по п.17, в котором дополнительно создают крен летательного аппарата под первым углом к горизонту, когда этот летательный аппарат связан с первой продолговатой частью, и создают крен летательного аппарата под вторым углом к горизонту, когда этот летательный аппарат связан со второй продолговатой частью, причем первый угол крена отличается от второго угла крена.
20. Способ по п.17, в котором дополнительно присоединяют концевую часть между первой и второй продолговатыми частями, причем летательный аппарат замедляется в движении, когда переходит с первой продолговатой части на концевую часть, и ускоряется в движении, когда этот летательный аппарат переходит с концевой части на вторую продолговатую часть.
18.
21. Способ по п.17, в котором дополнительно присоединяют концевую часть между первой и второй продолговатыми частями так, чтобы летательный аппарат поворачивался вокруг своей вертикальной оси при движении по концевой части.
22. Способ по п.17, в котором дополнительно
присоединяют концевую часть между первой и второй продолговатыми частями и присоединяют к направляющей второй летательный аппарат, выполненный с возможностью перемещения по первой продолговатой части с большей абсолютной скоростью, чем абсолютная скорость перемещения первого летательного аппарата по концевой части.
23. Способ по п.17, в котором летательный аппарат связан с направляющей так, что нагнетающая поверхность обращена к атмосферному ветру.
24. Способ по п.17, в котором система растяжек распределяет усилия, действующие в направлении ветра, вызванные аэродинамическим профилем по меньшей мере на одной из первой и второй продолговатых частей.
25. Способ по п.24, в котором система растяжек представляет собой вантовую систему растяжек.
26. Способ по п.24, в котором система растяжек представляет собой систему растяжек с подвесными тросами.
27. Способ по п.24, в котором система растяжек содержит летающую точку крепления.
28. Способ по п.24, в котором система растяжек содержит вспомогательный пилон.
29. Способ по п.17, дополнительно включающий в себя прикрепление первой продолговатой части ко второй продолговатой части в точках крепления растяжек.
30. Способ по п.29, в котором первую продолговатую часть жестко прикрепляют к второй продолговатой части.
31. Способ по п.17, дополнительно включающий в себя хранение аэродинамических профилей в парке.
32. Способ по п.17, дополнительно включающий в себя этап, на котором направляют аэродинамические профили от направляющей посредством использования стрелки.
33. Способ по п.17, дополнительно содержащий этап, на котором присоединяют аэродинамический профиль к третьей продолговатой части.
23.
230-^
Относительная скорость воздушного потока
240
Обеспечение направляющей 402
Соединение летательного аппарата с направляющей
404
Размещение направляющей так, чтобы
летательный аппарат
двигался поперек ветра
406
Фиг. 4
Евразийская патентная организация, ЕАПВ Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2
032564
- 1 -
(19)
032564
- 1 -
(19)
032564
- 1 -
(19)
032564
- 1 -
(19)
032564
- 9 -
(19)
032564
- 14 -
032564
- 15 -
|
