Системы и способы преобразования воздушного потока от воздушного летательного аппарата в электрическую энергию - RU2664042C2

Чертежи

Описание

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ И УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение в целом относится к ветряным турбинам, а более конкретно к системам и способам преобразования воздушного потока от воздушного летательного аппарата в электрическую энергию.

Использование ветровых турбин для выработки энергии из воздушного потока хорошо известно. Обычно применяются высокоскоростные пропеллерные турбины, которые имеют высокую эффективность. Такие высокоскоростные турбины, как правило, являются очень большими и, в целом, содержат гондолу, установленную для использования на отдельных вышках, имеющих значительные высоту и диаметр. Такие турбины могут быть однонаправленными и возводиться для использования обычных воздушных потоков, проходящих через место установки турбин. Как правило, такие ветровые турбины размещают на открытых полях или холмах с плоскими вершинами как можно дальше от препятствий, замедляющих воздушный поток, чтобы обеспечить воздействие воздушного потока на аэродинамические поверхности или лопасти с оптимальной скоростью. Кроме того, аэродинамические поверхности поднимают как можно выше над землей, чтобы исключить влияние на них земли, замедляющей воздушный поток.

Однако в области ветроэнергетики существует необходимость в использовании относительной компактных блоков ветровых турбин, которые можно легко транспортировать и устанавливать в аэропортах и которые способны захватывать воздушный поток, образуемый воздушными летательными аппаратами.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно одному аспекту настоящего изобретения предложена система для выработки энергии из воздушного потока, образованного воздушным летательным аппаратом. Система включает одну или большее количество ветровых турбин, выполненных с возможностью выработки электрической энергии путем захвата воздушного потока, образованного воздушным летательным аппаратом. Каждая ветровая турбина из одной или большего количества ветровых турбин содержит ротор, установленный с возможностью вращения вокруг оси, и множество лопастей, которые соединены с ротором.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предложен способ использования ветровой турбины для выработки энергии из воздушного потока, образованного воздушным летательным аппаратом. Согласно способу определяют к взлету или к посадке подготавливается воздушный летательный аппарат, регулируют один или несколько параметров ветровой турбины на основании индикаторного сигнала о подготовке воздушного летательного аппарата к взлету или к посадке, причем ветровая турбина содержит ротор, установленный с возможностью вращения вокруг оси, и множества лопастей, которые соединены с ротором.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предложена ветровая турбина для выработки энергии от воздушного потока, образованного воздушным летательным аппаратом. Ветровая турбина содержит ротор, установленный с возможностью вращения вокруг своей оси, множество лопастей, которые соединены с ротором, и процессор. Процессор запрограммирован с возможностью получать индикаторный сигнал о подготовке воздушного летательного аппарата к взлету или к посадке и с возможностью регулировать один или большее количество параметров ветровой турбины на основании индикаторного сигнала о подготовке к взлету или к посадке.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фигура 1 показывает пример ветровых турбин, расположенных по обоим концам взлетно-посадочной полосы аэропорта.

Фигура 2 показывает блок-схему, иллюстрирующую пример системы для использования при эксплуатации одной или большего количества турбин.

Фигуры 3-5 показывают перспективное изображение примера ветровой турбины.

Фигура 6 схематически показывает последовательность операций способа использования ветровой турбины для выработки энергии из воздушного потока, образованного воздушным летательным аппаратом.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Воздух, выпускаемый из двигателя воздушного летательного аппарата при взлете (например, скос потока, создаваемый струей реактивного двигателя) может вызывать "воздушные потоки", скорость которых превышает 300 миль/час (483 км/ч). Скорость выпущенных воздушных потоков является наибольшей непосредственно за двигателями во время взлета. Например, на одном конце взлетно-посадочной полосы перед взлетом пилоты обычно ускоряют двигатели и доводят их до полной мощности при включенных колесных тормозах, чтобы достигнуть требуемой скорости воздуха и оторваться от земли на другом конце взлетно-посадочной полосы. Такое положение двигателя для набора скорости при взлете является в целом одинаковым для всех взлетающих самолетов. Непосредственно за положением ускорения на взлетно-посадочной полосе воздушный поток выпускается со скоростью, превышающей 300 миль/час (483 км/ч). Такая большая скорость воздушного потока обладает огромной силой и несет в себе много энергии. Аналогично, скорость воздушных потоков от воздушного летательного аппарата (например, скошенных потоков) во время посадки также обладает огромной силой и энергией. Сила нисходящих скошенных воздушных потоков от воздушного летательного аппарата при посадке является существенной в непосредственной близости от взлетно-посадочной полосы, так как потоки, нисходящие от воздушного летательного аппарата, имеют очень малую высоту или время рассеивания перед воздействием на землю. Таким образом, согласно вариантам реализации настоящего изобретения, описанным со ссылкой на фигуру 1, предложены ветровые турбины 100, которые расположены на краю 102 взлетно-посадочной полосы 104 аэропорта или вблизи нее и которые позволяют использовать воздушные потоки, образованные воздушными летательными аппаратами. Это позволяет ветровым турбинам 100 захватывать воздушные потоки, создаваемые воздушным летательным аппаратом при взлете и посадке. Однако, несмотря на то, что фигура 1 иллюстрирует расположение ветровых турбин 100 на концах 102 взлетно-посадочной полосы 104, для специалиста, при ознакомлении со сведениями, изложенными в настоящей заявке, будет очевидно, что ветровые турбины 100 могут быть расположены в самых разных местах вдоль взлетно-посадочной полосы 104 или возле нее для облегчения захвата воздуха от воздушного летательного аппарата.

Со ссылкой на фигуру 2 показана блок-схема, иллюстрирующая пример системы 200 для использования при эксплуатации ветровых турбин 100. Система 100 включает в себя вычислительное устройство 202, сеть 204 и ветровые турбины 100 (как показано, например, на фигуре 1), подключенные к вычислительному устройству 202 при помощи сети 204. Сеть 204 может включать без ограничений Интернет, локальную сеть (LAN), региональную сеть (WAN), беспроводную локальную сеть LAN (WLAN), сотовую сеть и/или виртуальную частную сеть (VPN).

Вычислительное устройство 202 включает в себя процессор 206 для выполнения команд и запоминающее устройство 208. В некоторых вариантах реализации выполняемые команды хранятся на запоминающем устройстве 208. Запоминающим устройством 208 является любое устройство, позволяющее хранить и извлекать информацию, такую как выполняемые команды и/или другие данные. Например, запоминающее устройство 208 может хранить считываемые компьютером команды для определения выходных уровней мощности и отклика на них и/или приема и обработки входных данных (например, целевые выходные уровни мощности, расписание рейсов, погодные условия и т.д.). Кроме того, запоминающее устройство 208 может быть выполнено с возможностью хранения сведений о воздушном летательном аппарате, таких как скорость воздушных потоков, образованных воздушным летательным аппаратом при взлете и посадке, и/или других данных, необходимых для работы по описываемым здесь способам. В одном варианте реализации запоминающее устройство 208 может быть выполнено на удалении от вычислительного устройства 202. В другом варианте реализации данные и исполняемые компьютером программы могут храниться в сервисе облачных вычислений, базах данных или другой области памяти, доступной для вычислительного устройства 202. Такие варианты реализации уменьшают вычислительную нагрузку и разгружают память вычислительного устройства 202.

В некоторых вариантах реализации вычислительное устройство 202 включает в себя по крайней мере одно демонстрационное устройство 210 для отображения информации пользователю. Демонстрационным устройством 210 может быть любой прибор, способный передавать информацию пользователю. Демонстрационное устройство 210 может включать в себя без ограничений устройство отображения (например, жидкокристаллический монитор (LCD), дисплей на органических светодиодах (OLED) или монитор "электронные чернила") и/или внешнее аудиоустройство (например, громкоговоритель или наушники). В некоторых вариантах реализации демонстрационное устройство 210 включает в себя выходной адаптер, такой как видео- и/или аудиоадаптер. Выходной адаптер функционально связан с процессором 206 и сформирован с возможностью функционально подключаться к выходному устройству, например, такому, как демонстрационное устройство или выходное аудиоустройство.

В некоторых вариантах реализации вычислительное устройство 202 включает в себя входное устройство 212 для получения входных данных от пользователя. Входное устройство 212 может включать в себя, например, клавиатуру, указательное устройство, мышь, сенсорный карандаш, индикаторную панель с сенсорным управлением (например, сенсорная панель или сенсорный экран), детектор положения и/или входное аудиоустройство. Один компонент как, например, сенсорный экран, может функционировать как в качестве выходного устройства, так и в качестве демонстрационного устройства 210 и входного устройства 212. Вычислительное устройство 202 также включает интерфейс 214 связи, который сформирован для коммуникативной связи одного или нескольких контроллеров 216 ветровых турбин и/или одного или нескольких вычислительных устройств 202.

Как показано на фигуре 2, каждая ветровая турбина 100 оснащена контроллером 216 ветровой турбины. Как видно, контроллер 216 ветровой турбины расположен вместе с ветровой турбиной 100, хотя можно расположить контроллер 216 ветровой турбины отдельно от ветровой турбины 100. Например, контроллер 216 ветровой турбины может коммуникативно быть связан с ветровой турбиной 100 через сеть 202.

В одном варианте реализации в контроллер 216 ветровой турбины входит процессор 218. Процессор 218 может состоять из блока обработки данных, такого как, без ограничений, интегральная схема ИС, заказная интегральная микросхема (ASIC), микрокомпьютер, программируемый логический контроллер (PLC) и/или любая другая программируемая схема. Процессор 218 может включать многозадачные модули обработки (например, многоядерная конфигурация). Контроллер 216 ветровой турбины 216 выполнен с возможностью осуществлять операции/процессы (например, процесс 600, описанный ниже), описанные в настоящем описании при помощи программного процессора 218 с соответствующими выполняемыми командами. Например, процессор 218 может быть запрограммирован при помощи кодирования операции в виде одной или несколько команд и передачи исполняемых команд на процессор 218 запоминающего устройства 220, связанного с процессором 218. Запоминающее устройство 220 может включать, без ограничений, одно или более устройств оперативной памяти (RAM), одно или более устройств хранения данных и/или один или несколько машиночитаемых носителей. В одном варианте реализации запоминающее устройство 220 можно удалить из контроллера 216 ветровой турбины. В другом варианте реализации данные и выполняемые компьютером команды могут храниться в сервисе облачных вычислений, в базе данных или любой другой доступной области памяти, доступной контроллеру 216 ветровой турбины. Такие варианты реализации уменьшают вычислительную нагрузку и разгружают память контроллера 216 ветровой турбины.

Ветровая турбина 100 также может включать один или большее количество датчиков 222 скорости ветра, связанных с контроллером 216 ветровой турбины. Конфигурация датчиков 222 скорости ветра выполнена с возможностью предоставления информации о прогнозируемой или фактической скорости воздушного потока, а также о направлении воздушного потока к ветровой турбине 100. Датчики 222 скорости ветра могут передавать данные в реальном времени, через определенные промежутки времени (например, ежеминутно, каждые пять минут или каждый час) или по запросу.

На фигуре 3 показано перспективное изображение ветровой турбины 100 в соответствии с одним вариантом реализации настоящего изобретения. Как показано на фигуре 3, ветровая турбина 100 имеет цилиндрическую конструкцию, содержащую горизонтальный вал или ротор 302, с которым соединены лопасти 304 множества лопастей 304. Лопасти 304 расположены рядами по длине ротора 302, проходящего вдоль оси 305, и разнесены по окружности ротора 302. Специалист в данной области техники, руководствуясь сведениями, изложенными в настоящей заявке, будет понимать, что у ротора 302 может быть любое необходимое количество лопастей 304, что позволит ветровой турбине 100 функционировать согласно описанию, изложенному в настоящей заявке.

В одном варианте реализации опорная конструкция 306 сохраняет положение ветровой турбины и/или направление, в котором повернута ветровая турбина. Однако опорная конструкция 306 может также использоваться для изменения высоты ветровой турбины 100 и изменения направления, в котором повернута ветровая турбина 100. Например, высота опорной конструкции 306 может быть отрегулирована таким образом, чтобы при необходимости ветровая турбина 100 поднималась вверх или опускалась вниз. Кроме того, опорная конструкция 306 выполнена с возможностью вращения. Фактически, опорная конструкция может вращаться/поворачиваться в пределах 360 градусов, как по часовой стрелке, так против часовой стрелки, что в свою очередь заставляет вращаться/поворачиваться ветровую турбину 100. Поэтому, исходя из направления взлета или приземления воздушного летательного аппарата, опорная конструкция 306 позволяет так отрегулировать направление, в котором повернута ветровая турбина 100, и/или высоту ветровой турбины 100, чтобы максимально увеличить или уменьшить объем воздушного потока, захватываемого ветровой турбиной 100.

В одном варианте реализации, ветровая турбина 100 также включает в себя кожух 308 для отклонения воздушного потока от лопастей 304 и/или для его концентрации на определенном участке лопастей 304 так, чтобы сила создаваемого воздушного потока, проходящего через ротор 302, передавала максимальное усилие лопастям 304. Например, как показано на фигурах 4 и 5, кожух 308 является регулируемым/вращающимся. Как показано на фигуре 4, кожух 308 может поворачиваться относительно оси ротора 302 так, чтобы отверстие 402 кожуха 308 позволяло воздушному потоку 404, образованному при приземлении воздушного летательного аппарата, проходить через лопасти 304, в то время как кожух 308 также отклоняет или блокирует прохождение нежелательного воздушного потока 406 через лопасти 304. Также, как показано на фигуре 5, кожух 308 может поворачиваться вокруг оси ротора 302 так, чтобы отверстие 502 кожуха 308 позволяло воздушному потоку 504, образованному при взлете воздушного летательного аппарата, проходить через лопасти 304, в то время как кожух 308 также отводит или блокирует прохождение нежелательного воздушного потока 506 через лопасти 304. Положение кожуха 308 может регулироваться вручную или в автоматическом режиме (например, при помощи контроллера 216 ветровой турбины). В одном варианте реализации, кожух 308 может быть выполнен таким образом, чтобы его положение определялось исходя из направления самого сильного воздушного потока.

Угол наклона (не показан) лопастей 304 ротора (например, угол, определяющий положение лопастей 304 ротора по отношению к направлению воздушного потока), может также меняться при помощи контроллера 216 ветровой турбины. В частности, при увеличении или уменьшении угла установки лопастей 304 ротора, уменьшается или увеличивается размер участка поверхности лопастей ротора, подвергаемого воздействию воздушного потока. В одном из примеров реализации углы наклона лопастей 304 ротора контролируются по отдельности. Это позволяет осуществлять дальнейший контроль оптимизации захватываемого объема воздушного потока, образованного воздушным летательным аппаратом.

Далее со ссылкой на фигуру 6 описан способ 600 выработки энергии из воздушного потока, образованного воздушным летательным аппаратом. Хотя описываемый в настоящей заявке способ 600 осуществляется при помощи контроллера 216 ветровой турбины, и, в частности, процессора 218, может быть использован любой подходящий контроллер и/или процессор. Способ 600 начинается с этапа 602, на котором определяют, приземляется воздушный летательный аппарат или осуществляет посадку. Данная информация или доступ к ней может быть получен при помощи вычислительного устройства 202. Таким образом, как было упомянуто выше, вычислительное устройство 202 хранит информацию о расписании полетов, которая по мере надобности или через определенные промежутки времени (например ежедневно, ежечасно или при наличии обновления информации) может передаваться к контроллеру 216 ветровой турбины. Исходя из определенного на этапе 602, при выполнении этапа 604 может регулироваться один или большее количество параметров ветровой турбины 100. В одном варианте реализации параметром ветровой турбины 100 может быть высота ветровой турбины 100, направление, в котором повернута ветровая турбина 100, угол установки лопастей 304, положение кожуха 308 и оптимальная скорость вращения ротора 302. Фактически, компоненты/параметры ветровой турбины 100 могут регулироваться так, чтобы оптимизация захвата воздушного потока, образованного воздушным летательным аппаратом, могла выполняться независимо от направления, в котором воздушный летательный аппарат взлетает или в котором выполняет приземление.

Также изобретение содержит аспекты, в соответствии со следующими пунктами:

Пункт 1. Система для выработки энергии из воздушного потока, образованного воздушным летательным аппаратом, содержащая одну или большее количество ветровых турбин, выполненных с возможностью вырабатывать электрическую энергию путем захвата воздушного потока, образованного воздушным летательным аппаратом,

причем каждая ветровая турбина из указанной одной или большего количества ветровых турбин содержит ротор, установленный с возможностью вращения вокруг оси, и множество лопастей, которые соединены с ротором.

Пункт 2. Система, которая дополнительно содержит контроллер, выполненный с возможностью получения индикаторного сигнала о подготовке воздушного летательного аппарата к взлету или к посадке; и регулировки одного или большего количества параметров одной или большего количества ветровых турбин на основе индикаторного сигнала о подготовке воздушного летательного аппарата к взлету или к посадке.

Пункт 3. Система, в которой регулировка одного или большего количества параметров одной или большего количества ветровых турбин, включает регулировку высоты одной или большего количества ветровых турбин.

Пункт 4. Система по пункту 2 формулы, в которой регулировка одного или большего количества параметров одной или большего количества ветровых турбин включает регулировку угла каждой лопасти из указанного множества лопастей.

Пункт 5. Система, в которой ротор установлен с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси и в которой каждая лопасть из указанного множества лопастей проходит по длине ротора.

Пункт 6. Система, в которой каждая ветровая турбина из одной или большего количества ветровых турбин дополнительно содержит кожух, выполненный с возможностью отклонять нежелательный воздушный поток и/или направлять воздушный поток, образованный воздушным летательным аппаратом для приложения дополнительного усилия к ротору.

Пункт 7. Система, в которой регулировка одного или большего количества параметров одной или большего количества ветровых турбин включает регулировку положения кожуха.

Пункт 8. Способ использования ветровой турбины для выработки энергии из воздушного потока, образованного воздушным летательным аппаратом, согласно указанному способу определяют к взлету или к посадке готовится воздушный летательный аппарат; настраивают один или большее количество параметров одной или большего количества ветровых турбин по индикаторному сигналу о подготовке воздушного летательного аппарата к взлету или к посадке, причем указанная ветровая турбина содержит ротор, установленный с возможностью вращения вокруг оси, и множество лопастей, соединенных с ротором.

Пункт 9. Способ, согласно которому регулировка одного или большего количества параметров ветровой турбины включает регулировку высоты ветровой турбины.

Пункт 10. Способ, согласно которому регулировка одного или большего количества параметров ветровой турбины включает регулировку угла лопастей указанного множества лопастей.

Пункт 11. Способ, согласно которому регулировка одного или большего количества параметров ветровой турбины включает регулировку положения кожуха с целью отклонить нежелательный воздушный поток от ветровой турбины.

Пункт 12. Способ, согласно которому регулировка одного или большего количества параметров ветровой турбины включает регулировку положения кожуха с целью направить воздушный поток, образованный воздушным летательным аппаратом, для увеличения усилия, прикладываемого воздушным потоком к ротору.

Пункт 13. Способ, согласно которому регулировка одного или большего количества параметров ветровой турбины включает установку оптимальной скорости вращения ротора.

Пункт 14. Ветровая турбина для выработки энергии из воздушного потока, образованного воздушным летательным аппаратом, которая содержит ротор, установленного с возможностью вращения вокруг оси; множества лопастей, которые соединены с ротором; и процессор, запрограммированного с возможностью получать индикаторный сигнал о подготовке воздушного летательного аппарата к взлету или к посадке; и настраивать один или большее количество параметров одной или большего количества ветровых турбин на основе индикаторного сигнала о подготовке воздушного летательного аппарата к взлету или к посадке.

Пункт 15. Ветровая турбина, в которой регулировка одного или большего количества параметров ветровой турбины включает регулировку высоты ветровой турбины.

Пункт 16. Ветровая турбина, в которой регулировка одного или большего количества параметров ветровой турбины включает регулировку угла каждой лопасти из указанного множества лопастей.

Пункт 17. Ветровая турбина, в которой ротор установлен с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси и в которой каждая лопасть из указанного множества лопастей проходит по длине ротора.

Пункт 18. Ветровая турбина, которая включает кожух, причем регулировка одного или большего количества параметров ветровой турбины включает регулировку положения кожуха, так что указанный кожух отклоняет нежелательный воздушный поток от ветровой турбины.

Пункт 19. Ветровая турбина, которая дополнительно включает кожух, причем регулировка одного или большего количества параметров ветровой турбины включает регулировку положения кожуха, чтобы направить воздушный поток, образованный воздушным летательным аппаратом, таким образом, чтобы приложить дополнительное усилие к ротору.

Пункт 20. Ветровая турбина, в которой регулировка одного или большего количества параметров ветровой турбины включает установку оптимальной скорости вращения ротора.

Примеры, используемые в настоящей заявке, приведены исключительно для наглядности и не ограничены только теми элементами, которые указаны в этих примерах. Вышеописанные варианты реализации обеспечивают эффективную и рентабельную систему для выработки энергии из воздушного потока, образованного воздушным летательным аппаратом. Система, ветровая турбина и способ, описанные в настоящей заявке, не ограничиваются конкретными вариантами реализации, описанными в ней, напротив, компоненты ветровой турбины и/или системы и/или этапы способа могут использоваться самостоятельно и отдельно от прочих компонентов и/или этапов, описанных в настоящей заявке. Например, система может также использоваться в сочетании с прочими системами и способами, и ее практическое применение не ограничивается только ветровой турбиной и способом, описанными в настоящей заявке. Напротив, вариант реализации, приводимый в качестве примера, может осуществляться и использоваться в связи со многими прочими применениями ветровой турбины.

Несмотря на то, что некоторые специфические особенности различных вариантов реализации изобретения могут быть обозначены на одних чертежах и не обозначены на других, это выполнено только для удобства ознакомления. В соответствии с принципами изобретения, любой элемент чертежа может быть связан и/или заявлен в сочетании с любым другим элементом любого другого чертежа.

В настоящем письменном описании используются примеры для раскрытия сущности изобретения, в том числе его наилучшее техническое исполнение, а также для обеспечения возможности любому специалисту в данной области техники практически использовать изобретение, в том числе для производства и использования любого устройства или системы и осуществления любого из включенных в заявку способов. Патентоспособный объем изобретения определен формулой изобретения и может содержать прочие примеры, которые могут стать очевидными специалистам в данной области техники. Предполагается, что такие прочие примеры входят в объем формулы изобретения, если они содержат конструктивные элементы, не отличающиеся от буквально упомянутых в формуле, или если они включают эквивалентные конструктивные элементы с несущественными отличиями от буквально упомянутых в формуле.

Реферат

Изобретение относится к системе и способу преобразования воздушного потока от воздушного летательного аппарата в электрическую энергию. Система для выработки энергии из воздушного потока, образованного воздушным летательным аппаратом, содержащая: одну или большее количество ветровых турбин (100), выполненных с возможностью выработки электрической энергии путем захвата воздушного потока, образованного воздушным летательным аппаратом, причем каждая ветровая турбина из одной или большего количества ветровых турбин (100) содержит: ротор (302), установленный с возможностью вращения вокруг оси (305); множество лопастей (304), которые соединены с ротором (302); и контроллер (216), выполненный с возможностью: получения индикаторного сигнала том, что воздушный летательный аппарат готовится к взлету или готовится к посадке; и регулировки одного или большего количества параметров указанных одной или большего количества ветровых турбин на основе индикаторного сигнала о том, что воздушный летательный аппарат готовится к взлету или готовится к посадке; а система дополнительно содержит кожух (308), выполненный с возможностью отклонять нежелательный воздушный поток (406, 506) и/или направлять воздушный поток (404, 504), образованный воздушным летательным аппаратом, для приложения дополнительного усилия к ротору (302); причем регулировка одного или большего количества параметров одной или большего количества ветровых турбин (100) включает регулировку положения кожуха (308). Изобретение направлено на рентабельность системы для выработки энергии из воздушного потока, образованного как при взлете, так и при посадке воздушного летательного аппарата. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 6 ил.

Формула