В ветроэнергетике для преобразования энергии ветрового потока в электроэнергию в настоящий момент в основном используются установки с ветроколесом с горизонтальной осью вращения, которые имеют высокий коэффициент преобразования ветровой энергии. Существуют также установки с вертикальной осью вращения, в которых система парусов в виде крыла закреплена на жестком кольце. На рисунке 1 представлен пример такой установки.
Эти установки имеют меньший коэффициент эффективности, поскольку преобразователи ветровой энергии на половине пути движутся против ветра. Чтобы повысить коэффициент эффективности ветроэнергетических установок стартап Airloom Entrgy, который спонсирует Билл Гейтс, усовершенствовал конструкцию установки с вертикальной осью вращения, в которой в качестве преобразователей энергии ветрового потока используются жесткие крылья. Она была преобразована в установку, в которой вводились два параллельных участка, на которых система жестких крыльев, соединенных тросом, движется перпендикулярно ветровому потоку по направляющей, расположенной на высоких столбах, закрепленных в грунте. На прямолинейных участках осуществляется генерация электрической энергии. Схема установка представлена на Рис.2
Поскольку направление ветра может меняться, такая конструкция работает с большой эффективностью только в местах, в которых ветер дует преимущественно в одном направлении.
В научно-исследовательской лаборатории возобновляемых источников энергии (НИЛ ВИЭ) географического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова разработана конструкция парусной энергетической установки наземного базирования, которая работает с большим коэффициентом эффективности преобразования энергии ветрового потока при любом изменении направления ветра. Это достигается за счет:
— организации циклического движения системы жестких парусов по эстакаде, расположенной на радиальном рельсовом пути, которая всегда поворачивается перпендикулярно направлению ветра;
— введения пружинного устройства, уменьшающего время изменения величины и направления скорости при изменении направления движения системы жестких парусов;
— автоматизации процесса изменения углового положения системы жестких парусов за счет их движения ;
Схема конструкции установки представлена на Рис.3.
В НИЛ ВИЭ была создана экспериментальная установка, на которой были проведены исследования макета разработанной конструкции парусной энергетической установки. Изображение действующего макета такой установки показано на Рис.4.
Макет установки содержит эстакаду, которая может перемещаться на колесиках по кольцевой направляющей, диаметром 0,9 м, закрепленной на стойках, высотой 0,3 м. (На макете сделаны два разрыва кольцевой направляющей для проведения экспериментов). На одном конце эстакады расположен флюгер, с которого поступает сигнал на расположенный на эстакаде электромотор для её перемещения. Вдоль направляющих эстакады на колесиках циклически перемещается рамка с системой жестких парусов. На концах эстакады расположены ограничители перемещений рамки, на которых установлено пружинное устройство, уменьшающее время изменения скорости рамки при изменении направления её движения, и устройство изменения углового положения системы жестких парусов, позволяющее автоматизировать работу установки за счет движения рамки без затрат электрической энергии. На макете ветроэнергетической установки были проведены исследования по адаптации эстакады к изменению направления ветра. Для организации ветрового потока использовался генератор, выполненный в виде двух рядов вытяжных вентиляторов, закрепленных на стойках высотой 0,3 м. Изображение макета установки с генератором ветрового потока предоставлено на Рис. 5.
(на заднем фоне)
Генератор ветрового потока мог поворачиваться на угол +/- 200, направление ветрового потока указывается белой стрелкой, расположенной внутри поворотного круга. На видео 1 представлено перемещение эстакады при изменении направления ветрового потока.
Система жестких парусов была выполнена в виде рамки длиной 37 см., в которую были вставлены 6 легких пластин, которые могли поворачиваться вокруг вертикальной оси , проходящую через их середину. Рамка перемещалась между двумя направляющими, на четырех колёсиках, расположенных на середине вертикальных сторон рамки. Такое расположение колесиков решает проблему устойчивости рамки под действием ветрового потока Эксперименты показали, что система жестких парусов работает с высокой эффективностью даже при небольшой длине эстакады. На Видео 2 перемещение эстакады в зависимости от изменения направления ветра показано в более крупном масштабе. Как показало исследование, эстакада четко разворачивается перпендикулярно ветровому потоку при любом изменении направления ветра.
На видео 2 представлено перемещение рамки в диапазоне перемещений 60 см. Для иллюстрации возможности работы созданной конструкции установки, к рамке с системой жестких парусов был подключен электрогенератор, вырабатываемая электрическая энергия которого использовалась для работы светодиодов.
На видео 3 показана работа светодиодов от электроэнергии, вырабатываемой другим макетом установки с неподвижной эстакадой. Для этого к рамке с системой жестких парусов с двух сторон крепилась замкнутая нить, проходящая на одном конце через блок, а на другом конце через шкив электрогенератора, вырабатывающего электроэнергию. Проведенные исследования показали возможность реализации парусных энергетических установок предложенной конструкции, что расширяет область использования ветроустановок на районы, где башенные установки традиционной конструкции использовать невозможно, или экономически не выгодно, например, в районах Арктики. Более подробно с элементами разработанной конструкции установки можно узнать из описания патентов РФ № 2826961 и № 2817457