Способ и система для преобразования содержащейся в горизонтальных потоках энергии движения в полезную механическую энергию - RU2483226C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к способу, а также к системе для преобразования содержащейся в возникающих в имеющихся в природе наслаивающихся над грунтом текучих средах горизонтальных потоках энергии движения в полезную механическую энергию.

Почти везде на Земле в важных имеющихся текучих средах (содержащийся над поверхностью Земли в атмосфере воздух, накопленная в водоемах пресная или соленая вода) существуют имеющие место в природе горизонтальные потоки. Под горизонтальными потоками в смысле изобретения понимаются такие потоки, которые непременно имеют горизонтальную составляющую. Примерами такого рода потоков являются ветра в различных слоях атмосферы и, соответственно, морские течения или подобные течения в водоемах. Принципиально эти потоки представляют собой аккумуляторы больших количеств энергии, к использованию которых дополнительно стремятся, и это использование уже встречается в различных преобразованиях. Примеры технически уже реализованных применений подобного рода потоков представляют собой приливные электростанции, которые используют потоки набегающих при приливе и, соответственно, отходящих при отливе водных масс, чтобы посредством турбин и расположенных на них генераторов создавать электричество, или ветросиловые установки, в которых приводимые в действие посредством дующих над Землей ветров роторы преобразуют энергию ветра сначала в механическую энергию, а затем посредством подключенных к ним генераторов в электрическую энергию.

Далее, имеются подходы, в случае которых для транспортировки на судах располагают подобные воздушному змею (воздушному парусу) летающие тела, которые через удерживающие канаты соединены с судном и за счет использования энергии ветра обеспечивают движущую силу для судна.

Использование имеющейся в подобного рода потоках энергии по отношению к получению энергии из ископаемого горючего или посредством ядерных процессов имеет то преимущество, что оно является существенно более экологически чистым.

В еще не опубликованной европейской заявке № 06014634.7 представлена система, которая работает с движущимися вдоль траектории циркуляции, по меньшей мере, попарно подъемными телами, которые в зависимости от ориентации относительно потока укорачиваются или, соответственно, удлиняются в своем расстоянии от циркуляционного элемента (элемента для осуществления циркуляции). С помощью подобной системы уже очень эффективно могут использоваться возникающие в таких потоках количества энергии. Правда, здесь может производиться дальнейшая оптимизация за счет увеличения углового диапазона траектории циркуляции, внутри которого может использоваться энергия потока.

Эта задача решается посредством настоящего изобретения. Изобретение базируется при этом на аналогичных рассуждениях, которые приведены в названной выше еще не опубликованной европейской заявке № 06014634.7. Здесь также принципиально используется тот факт, что в потоках над грунтом в зависимости от высоты преобладают различные скорости потоков. Так, например, имеют место обычно различные в разных регионах постоянные ветра, которые, например в Европе, дуют по существу или почти непрерывно с западных направлений и которые на более высоких высотных уровнях достигают значительно более высоких скоростей ветра, чем вблизи земли. Это теперь используется за счет того, что по ходу траектории циркуляции подъемное тело перемещается там, где оно в направлении циркуляции (вращения) может претерпевать положительную тяговую силу, в такие удаления от траектории циркуляции и, соответственно, от циркуляционного элемента, где оно подвергнуто воздействиям сильных энергий течения; то есть в примере ветра претерпевает воздействие высоких скоростей ветра. В такой области траектории циркуляции, в которой подобная "положительная тяговая сила" не может реализовываться, расстояние подъемного тела до циркуляционного элемента регулируют так, что оно оказывается в горизонтальном слое, который имеет более незначительные скорости потока.

Однако относительно описанного и заявленного в вышеназванной не опубликованной европейской заявке изобретения настоящее изобретение имеет существенное изменение. В то время как в предшествующей заявке подъемное тело более подробно не описывается и при допущении в виде ротора с повышенным сопротивлением в действительности может эксплуатироваться с получением энергии по существу только вдоль половины траектории циркуляции, теперь предусмотрено, что подъемное тело в своей ориентации относительно потока устанавливается так, что оно даже при находящемся поперек потока направлении движения циркуляционного элемента тяговая сила еще может прикладываться к удерживающему тросу или, соответственно, удерживающей цепи в направлении направления движения циркуляционного элемента. Для этого подъемное тело может быть выполнено, например, по типу воздушного змея, а также другим образом в форме летающего тела с аэродинамически действующими лопастями или тому подобным "активным" выполнением. При этом аналогично парусному судну подъемное тело может "лавировать" даже против набегающего наклонно спереди потока и даже способствовать в такой ситуации еще и получению энергии. Таким образом, полезный для положительного преобразования энергии угловой диапазон траектории циркуляции максимум в 180° в случае чисто ротора с повышенным сопротивлением значительно увеличивается до углового диапазона в приблизительно 270°. При этом в случае выполнения согласно настоящему изобретению в противоположность уже известной системе не требуется, чтобы обязательно имелись два подъемных тела. Наоборот, участок, вдоль которого подъемное тело должно направляться в потоке, не добывая энергию, преодолевается при затратах энергии за счет того, что подъемное тело там активно тянется, например, посредством запасенной электрической энергии, до тех пор, пока оно вновь не попадет в область, в которой оно ввиду потока может оказывать тяговое усилие на удерживающую цепь или, соответственно, удерживающий канат и тем самым положительно преобразовывать энергию. Там, где направление горизонтальных потоков варьируется в зависимости от высоты, может достигаться дальнейшая оптимизация получения преобразованной механической энергии, если подъемное тело - подогнано к различным направлениям - во время своей циркуляции перемещается на разные высотные уровни.

Принципиально, изменение расстояния между циркуляционным элементом подъемным телом может осуществляться различным образом, причем, однако, предлагается использовать для этого удерживающий трос или, соответственно, удерживающую цепь. Он/она может регулироваться в своей длине посредством наматывания или сматывания. Удерживающий трос или, соответственно, удерживающая цепь может также быть установлена в двух удаленных друг от друга точках на одном циркуляционном элементе и направляться между ними к подъемному элементу. Посредством увеличения расстояния между обоими установленными на циркуляционном теле концах удерживающего элемента подъемное тело подтягивается ближе к циркуляционному элементу, при уменьшении этого расстояния увеличивается удаление подъемного тела от циркуляционного элемента. Посредством использования полиспаста этот эффект может еще увеличиваться за счет того, что при расхождении обоих концов достигается неодинаково сильное укорачивание расстояния. Это может достигаться, в частности, например, посредством того, что задняя - если смотреть в направлении циркуляции - крепежная часть может побуждаться к выбиранию/убиранию подъемного тела, в то время как передняя часть движется дальше с циркуляционным элементом. Благодаря этому энергия движения, которая имеется в системе ввиду имеющегося в текучей среде потока, используется, чтобы выбирать подъемное тело. Посредством отпускания заднего - если смотреть в направлении циркуляции - элемента расстояние между обоими концами удерживающего троса или, соответственно, удерживающей цепи вновь укорачивается и подъемное тело скользит вверх. Требуемое для этого усилие прикладывается посредством подъемной силы самого тела. Чтобы затраты энергии, которые для дальнейшего направления подъемного тела через такую область, в которой из потока не могут больше извлекаться никакие обращенные в направлении циркуляции циркуляционного элемента силы, удерживать максимально незначительными, является предпочтительным, если подвергаемое воздействию (т.е. контактное) поперечное сечение подъемного тела минимизируется в такой области. Даже если принципиально достаточно одного единственного подъемного тела на циркуляционном элементе для реализации изобретения, конечно с помощью нескольких подъемных тел может достигаться большая величина преобразования энергии.

Далее, чтобы при внезапных изменениях потока, например порывы ветра при использовании ветра, устранить отрыв подъемного тела, в системе крепления подъемного тела посредством удерживающего троса или, соответственно, удерживающей цепи один или несколько сцепляющих элементов могут быть предусмотрены с так называемыми проскальзывающими муфтами или другими средствами для кратковременного улавливания сильного усилия.

Вид замкнутой траектории циркуляции может быть кругообразным, овальным или быть выполнен в любой другой непрерывной форме. В зависимости от фактически имеющегося режима движения потока могут также выбираться по существу треугольные или сопоставимые виды траектории.

Принципиально соответствующий изобретению способ и, соответственно, соответствующая изобретению система могут использоваться для транспортировки грузов и людей вдоль участка траектории циркуляции.

Правда, в настоящее время особенно предпочтительно система и, соответственно, способ должны использоваться для получения электрической энергии. При этом способ и, соответственно, система имеют особые преимущества. За счет той возможности, что скорость циркуляционного элемента устанавливается/регулируется вдоль замкнутой траектории циркуляции, посредством повышения скорости движения при более сильных потоках может уменьшаться нагружающая удерживающие тросы или, соответственно, удерживающие цепи сила. С другой стороны, в случае получения электрической энергии производство тока может подгоняться к непосредственно востребованной нагрузке.

Посредством выбора регулируемых в своей ориентации относительно направления потока подъемных тел эти тела могут при необходимости эксплуатироваться даже без особых создающих подъемную силу средств, как, например, без использования являющегося легче воздуха газа, даже если такое создающее подъемную силу средство также может использоваться в случае предусмотренных согласно изобретению регулируемых в своей ориентации относительно направления потока подъемных тел. Подъемные тела без особого создающего подъемную силу средства имеют то преимущество, что они принципиально являются требующими крайне редкого технического обслуживания. В противоположность, например, газонаполненным подъемным телам, в случае которых периодически должно осуществляться дозаполнение создающим подъемную силу газом, такое техническое обслуживание отпадает в случае подъемных тел без особого создающего подъемную силу средства.

При эксплуатации на ветру образованные, например, без создающих подъемную силу средств, созданные по типу воздушного змея (летающего паруса) подъемные тела вначале могут тянуться посредством моторных приводов системы и таким образом переводиться на более значительные высоты до тех пор, пока они не подхватятся там воздушными потоками. Таким образом, система может стартовать без активных создающих подъемную силу элементов даже при практически нулевых потоках вблизи грунта или, соответственно вблизи замкнутой траектории циркуляции. Далее, система - даже в случае временно не достаточной для циркуляции (движения по траектории циркуляции) не имеющих создающих подъемную силу средств подъемных тел скорости потока (например, скорости ветра) посредством сравнительно незначительного по затратам энергии "буксировочного режима эксплуатации", в котором подъемные тела тянутся посредством двигателей, - может удерживаться в траектории циркуляции, а подъемные тела - в удаленном от грунта высотном положении. В частности, это является важным, поскольку отрыв удерживающего подъемное тело на его высотном уровне потока в противном случае привел бы подъемное тело к падению и повреждению, например, посредством удара об грунт или порче посредством загрязнения или воды (при эксплуатации над водой) и невозможности непосредственного запуска.

По отношению к традиционным современным ветросиловым установкам, которые требуют включающей скорости, по меньшей мере, пять метров в секунду, соответствующая изобретению система может эксплуатироваться с получением энергии при существенно менее значительных скоростях ветра (начиная со скорости ветра два метра в секунду). Это объясняется существенно менее значительными потерями на трение и прочие потери на запуск, которые соответствующая изобретению система имеет по отношению к современным ветросиловым установкам. При временно падающих ниже этого значения скоростях ветра система может переключаться на описанный выше буксировочный режим эксплуатации, чтобы при вновь возрастающей скорости ветра вновь работать с выработкой энергии.

Согласно современным расчетам исходят из того, что соответствующая изобретению система в выполнении для производства тока может создавать ток при использовании ветра приблизительно 90% времени, так как требуемая пусковая скорость ветра, составляющая два метра в секунду, в интересующих регионах, как правило, имеется в изобилии.

Наконец, несмотря на, в частности, значительную нацеленность на эксплуатацию соответствующей изобретению системы в качестве ветросиловой установки, это не является единственной формой использования. Принципиально является допустимым использовать этот принцип также в других непрерывных потоках, например, в морских потоках (течениях). Также в рамках изобретения возможны другие применения нежели получение энергии, например применение для транспортировки людей или грузов.

Другие особенности и преимущества изобретения следуют из приведенного ниже описания примера осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показано:

Фиг.1 - схематическая диаграмма, которая показывает отношение скорости ветра в зависимости от высоты над грунтом;

Фиг.2 - схематичное представление принципиально используемой также в этом изобретении системы замкнутой траектории циркуляции, но с аэростатическими подъемными телами;

Фиг.3а - другое представление с аэростатическими подъемными телами с изменяемым подвергаемым воздействию поперечным сечением;

Фиг.3b - схематичное представление углового диапазона, внутри которого в случае круговой траектории циркуляции при преобладающем из направлении потока может осуществляться положительное преобразование энергии;

Фиг.4а - схематичное представление соответствующей изобретению системы с действующими по аэродинамическому принципу подъемными телами;

Фиг.4b - схематическое представление углового диапазона, внутри которого в случае круговой траектории циркуляции при постоянном направлении потока может достигаться положительное преобразование энергии с помощью действующего по аэродинамическому принципу летающего тела; и

Фиг.5 - схематическое представление использования разных направлений потока на различных высотных уровнях для дальнейшей оптимизации соответствующей изобретению системы.

На чертежах изобретение схематично представлено посредством возможного примера осуществления и сравнения с системой, описанной в еще не опубликованной европейской заявке № 06014634.7.

На фиг.1 посредством ветра схематично представлено, как скорость ветра увеличивается с удалением от земли (грунта), то есть с увеличением высоты. В качестве примерных подъемных тел здесь нанесены дирижабли на различающихся высотных уровнях, чтобы показать, что они подвергаются воздействию различающихся скоростей ветра.

Следующий из представления на фиг.1 принцип изобретение использует для преобразования содержащейся в ветре (воздушном потоке) энергии движения (кинетическая энергия) в полезную механическую энергию.

Принципиально предварительно известная из вышеупомянутой европейской заявки система для такого преобразования энергии, на которой также базируется настоящее изобретение, схематично представлена на фиг.2. Система в качестве существенной составной части содержит, по меньшей мере, один установленный вдоль замкнутой траектории циркуляции циркуляционный элемент 1. Этот циркуляционный элемент 1 может представлять собой, например, окружной замкнутый трос или такую же цепь. Циркуляционный элемент 1 также может представлять собой как бы катящуюся на направляющей каретку. На циркуляционном элементе 1 в показанном здесь примере осуществления расположены два прикрепленных к удерживающим тросам 2 и, соответственно, 3 подъемных тела в форме дирижаблей 4. В случае этих дирижаблей 4 речь идет о так называемых аэростатах, которые по существу только при преобладающе действующем снизу потоке могут претерпевать тяговую силу и тем самым преобразовывать энергию.

Принцип действия показанной на фиг.2 системы базируется на том, что на более значительном высотном уровне на удерживаемый на более длинном удерживающем тросе 3 дирижабль 4 действуют более высокие силы в направлении циркуляционного элемента 1, чем силы - на траектории циркуляции удерживаемого на более коротком удерживающем тросе 2 дирижабля 4 в противоположном направлении. В точках, в которых направление циркуляционного элемента 1 относительно направления ветра реверсируется, длины удерживающих тросов 2 и 3 изменяются так, что удерживающий трос 2 после этого имеет большую длину, а удерживающий трос 3 является укороченным, и таким образом в дальнейшем может достигаться чистый выигрыш энергии за счет разницы претерпеваемой силы на различных высотных уровнях.

Эта система может еще улучшаться за счет того, что - как представлено на фиг.3 - на дирижаблях 4 располагается дополнительный парус 5, который при движении в направлении ветра (на фиг.3а внизу слева) раскрывается, а при обратном ходе против направления ветра убирается. В этом отношении дополнительно к предоставляемой разницей по высоте разнице сил добавляется еще другая разница сил ввиду различающейся поверхности воздействия или, соответственно, подвергаемого воздействию поперечного сечения.

На фиг.3а представлена другая конструкция удерживающих тросов 2′ и 3′. Здесь соответствующие два удерживающих троса направлены к циркуляционному элементу 1 и там закреплены, или, соответственно, предусмотрен один удерживающий трос, который направлен, например, через проушину на дирижабле 4 и закреплен обоими свободными концами на циркуляционном элементе 1.

На фиг.3b схематично представлено, как вдоль траектории U циркуляции с помощью такого аэростатически действующего летающего тела, которое по существу только при сильном набегающем снизу потоке позволяет получать энергию, только в сильно ограниченном угловом диапазоне W (закрашен) действительно может положительно преобразовываться энергия.

Здесь начинается собственно изобретение.

Для этого вместо аэростатически действующего дирижабля 4 на конце удерживающих тросов 2 и, соответственно, 3 соответственно располагается работающее по аэродинамическому принципу подъемное тело, здесь в форме воздушного змея 6. Он может посредством соответствующих управляющих мероприятий, например, через управляющие тросы, устанавливаться (регулироваться) относительно потока так, что даже в случае действующего сбоку потока, даже в случае действующего диагонально спереди потока, например, посредством "пересечения", позволять получать еще действующую в направлении циркуляции циркуляционного элемента 1 силу. Соответственно, получается значительно увеличенный относительно показанного на фиг.3а и 3b выполнения угловой диапазон W вдоль траектории U циркуляции, который на фиг.4b представлен заштрихованным.

Выполненная с работающим по аэродинамическому принципу подъемным телом установка или, соответственно, такая система принципиально не нуждается в нескольких подъемных телах, а может работать с одним единственным расположенным на циркуляционном элементе подъемным телом. В малом, здесь не заштрихованном диапазоне за пределами углового диапазона W, подъемное тело могло бы буксироваться (тащиться), например, посредством применения электрической энергии или тому подобного. Оно все еще создавало бы вдоль остальной траектории циркуляции на большом угловом диапазоне W излишки энергии.

Конечно, система стала бы более эффективной, если - как представлено на фиг.4b - несколько подъемных тел в форме воздушных змеев 6 распределить на системе и соединить либо с общим циркуляционным элементом 1, либо с отдельными циркуляционными элементами 1.

Дополнительное увеличение эффективного диапазона, внутри которого с помощью работающего по аэродинамическому принципу подъемного тела может добываться механическая энергия, получается при оптимальном использовании на различных высотах по-разному ориентированных режимов движения потока. Частым, например, в случае ветра над землей, является то, что вблизи грунта преобладает другое направление потока, чем на более удаленной от грунта высоте. Это наглядно показано на фиг.5. Позицией "В" здесь обозначено направление ветра вблизи грунта, то есть вблизи земли, а позицией "Н" - направление ветра в более высоком слое. В зависимости от направлений В, Н ветра на отдельных высотных уровнях и от прочих условий в данной местности при монтаже системы для использования энергии ветра это может использоваться, например, чтобы оптимизировать форму замкнутой траектории циркуляции, в этом примере треугольной формы, а также чтобы подъемные тела в форме работающих по аэродинамическому принципу воздушных змеев 6 привести на различные высоты. Так, подъемное тело, которое установлено, например, на более значительной высоте только еще с углом 30° к ветру, может в дальнейшем опускаться в более низкие слои, где оно в таком случае находится, например, под углом 58° к ветру и тем самым в дальнейшем может создавать движущую силу в направлении циркуляции циркуляционного элемента 1.

Посредством такого оптимизирующего мероприятия может еще больше улучшаться угловой диапазона W вдоль траектории циркуляции соответствующей изобретению системы.

Из приведенного выше описания примера осуществления становятся особенно понятными преимущества изобретения. Соответствующая изобретению система и, соответственно, способ могут использоваться, в частности, для того, чтобы из природных потоков, например постоянных ветров, особенно эффективным и экологически предпочтительным образом получать электрическую энергию. Однако применение соответствующей изобретению системы не ограничивается получением электрической энергии. Система или, соответственно, способ могут также применяться для того, чтобы осуществлять транспортировку товаров или людей.

Этот пример осуществления не должен ограничивать объем изобретения, предмет которого определяется в дальнейшем в формуле изобретения.

Список ссылочных позиций:

1 - Циркуляционный элемент

2, 2′ - Удерживающий трос

3, 3′ - Удерживающий трос

4 - Дирижабль

5 - Парус

6 - Воздушный змей

В - Направление ветра

Н - Направление ветра

U - Траектория циркуляции

W - Угловой диапазон.

Реферат

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для преобразования и использования энергии ветра. В способе и системе преобразования энергии ветра предусмотрен горизонтально расположенный над грунтом замкнутый циркуляционный элемент, на котором посредством удерживающего троса или цепи закреплено, по меньшей мере, одно подъемное тело (6), причем на участке замкнутой траектории (U) циркуляции, на котором через воздействующий на подвергаемое воздействию поперечное сечение поток на подъемное тело (6) воздействует направленная в направлении циркуляции тяговая сила, расстояние между циркуляционным элементом и подъемным телом устанавливают больше, чем на участке замкнутой траектории (U) циркуляции, на котором посредством воздействующего на подвергаемое воздействию поперечное сечение потока на подъемное тело (6) не действует никакая направленная в направлении циркуляции тяговая сила. Подъемное тело (6) во время циркуляции относительно потока устанавливают так, что оно даже при действующем поперек мгновенного направления циркуляции циркуляционного элемента потока испытывает действующую в направлении циркуляции составляющую силы и передает через удерживающий трос на циркуляционный элемент (1), увеличивая угловой диапазона траектории циркуляции, внутри которого может полезно использоваться энергия потока. Изобретение обеспечивает эффективное преобразование энергии даже слабых ветров, преобладающих над грунтом. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 7 ил.

Формула