Ветровая система для преобразования энергии за счет поступательного перемещения по направляющей модулей, буксируемых воздушными змеями, и способ производства электрической энергии

Ветровая система для преобразования энергии за счет поступательного перемещения по направляющей модулей, буксируемых воздушными змеями, и способ производства электрической энергии

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится к ветровой системе для преобразования энергии за счет поступательного перемещения по направляющей модулей, буксируемых воздушными змеями. Кроме того, настоящее изобретение относится к способу производства электрической энергии при помощи этой системы.

В прошлом уже пытались решить проблему производства электричества с низкой стоимостью с использованием возобновляемых источников энергии, в частности в некоторых ранее выданных патентах, которые указаны ниже, предложены способы преобразования энергии ветра вместе с несколькими устройствами, которые извлекают энергию из ветра при помощи силовых конструкций в виде крыльев (в общем обозначаемых термином "воздушный змей").

В частности, в документе US 4.124.182 описано устройство, снабженное "парашютами-змеями" (или "модифицированными парашютами"), чтобы захватить энергию ветра и преобразовать ее во вращательное движение вала, который приводит в действие генератор. Это устройство отличается наличием пары "цепочек парашютов-змеев", в которых воздушные змеи установлены последовательно. Каждая цепочка снабжена силовым тросом. Такие канаты имеют достаточную длину, чтобы позволить цепочкам парашютов-змеев достигать высот, на которых дуют более сильные и более равномерные ветры по сравнению с теми, которые дуют на уровне поверхности Земли. Каждая цепочка связана соответствующим силовым тросом с барабаном или лебедкой, направление вращения которой можно изменять на противоположное, в результате чего они повторно наматывают тросы или позволяют их разматывать в зависимости от тяги струи ветра. Каждая цепочка парашютов-змеев колпакового типа А снабжена вторым тросом, который соединен с каждым из воздушных змеев цепочки и при помощи которого можно выборочно складывать парашюты-змеи, чтобы облегчить процедуру повторного наматывания. Через редуктор вращательное движение каждой лебедки передается на генератор, который при его приведении в действие производит электричество. Имеется единая система шкивов, которая через муфты и зубчатые колеса позволяет возвратить в исходное состояние одну цепочку парашютов-змеев, в то время как другая набирает высоту. Захваченная энергия ветра, таким образом, преобразуется в механическую энергию, которая отчасти сразу расходуется на возврат в исходное положение цепочки парашютов-змеев, ее колпак закрыт, а отчасти преобразуется в электроэнергию. При помощи аэростата, связанного с каждой цепочкой, который наполняется и спускается в каждом рабочем цикле, парашют-змей удерживается на требуемой высоте и крышки имеют фиксированную ориентацию.

В патенте Китая CN 1.052.723 описан ветровой генератор тока, снабженный парой воздушных змеев, при помощи которых тяга, создаваемая струями ветра, преобразуется через прочные тросы во вращение барабана, размещенного на уровне земли. Лебедка приводит в действие гидравлический двигатель, который создает электрический ток.

В патенте Великобритании GB 2.317.422 описано устройство, снабженное множеством воздушных змеев, которые благодаря воздействию ветра приводят во вращение вертикальный вал, соединенный с генератором, служащим для создания электрического тока. Ветер толкает воздушные змеи, перемещая их по окружности в горизонтальной плоскости. Каждый воздушный змей снабжен устройством, способным изменять угол атаки ветра, чтобы гарантировать непрерывность полета.

В патенте США US 6.072.245 описано устройство, использующее энергию ветра, которое состоит из множества воздушных змеев, соединенных с тросами с образованием кольца. Воздушными змеями управляют таким образом, чтобы чередовать набор и потерю ими высоты, что определяет вращательное движение кольца всегда в одном направлении. Каждый воздушный змей соединен с силовым тросом для передачи механической энергии и с системой управляющих тросов, служащих для регулировки угла атаки ветра для каждого воздушного змея. Силовой трос задает вращение шкивов, при помощи которых осуществляется производство электричества. Управляющие тросы используются для того, чтобы каждый воздушный змей принимал положение, которое при наборе им высоты приводило к его захватыванию ветром в направлении вверх, и другое положение при потере высоты, чтобы на воздушный змей воздействовало меньшее давление ветра.

В патенте США US 6.254.034 описано устройство, снабженное воздушным змеем ("привязным летательным аппаратом"), которое выталкивается струями ветра на контролируемую высоту, чтобы использовать энергию ветра. Воздушный змей через трос соединен с лебедкой, которая приводит в действие генератор, служащий для производства электрической энергии. На борту воздушного змея смонтирована система управления, которая определяет и изменяет угол атаки ветра, а также изменяет перехватываемую площадь ветрового фронта. Такая система контролируется с земли оператором, который считывает с дисплея данные, передаваемые подходящими датчиками, либо автоматически при помощи системы дистанционного управления. Воздушным змеем управляют таким образом, чтобы он набирал высоту при полете в направлении ветра с большим углом атаки. После завершения набора высоты угол атаки уменьшают, и воздушный змей скользит таким образом, чтобы оказаться во встречном потоке ветра. Воздушный змей возвращается в исходное состояние, снова скользит в направлении ветра, и цикл повторяется.

В патенте Голландии NL1017171C описано устройство, аналогичное предыдущему из рассмотренных выше, в котором, однако, не предусмотрен режим ручного управления и в котором возврат воздушного змея в исходное положение происходит за счет наклона воздушного змея как флага, чтобы снизить до минимума давление ветра при повторном наматывании тросов.

В патенте США US 6.523.781 описано устройство, состоящее из воздушного змея ("воздушного змея с аэродинамическим профилем"), при помощи которого захватывают энергию ветра и имеющего передний край, задний край и два боковых края. Таким воздушным змеем управляют при помощи механизма, который установлен на самом змее. Это устройство снабжено тросами, соединенными с краями воздушного змея, и воздушным змеем управляют путем изменения угла установки при помощи этих тросов. Питание к механизму управления подается через электрические кабели, размещенные внутри силового троса, который соединяет воздушный змей с лебедкой, приводящей в действие генератор, служащий для производства электричества. Воздушный змей набирает высоту, толкаемый ветром, используя подъемную силу и перемещаясь по траектории, почти перпендикулярной к направлению скорости ветра. После завершения набора высоты воздушный змей возвращают в исходное положение, и впоследствии управляют таким образом, чтобы он снова захватил ветер.

В заявке на патент США US2005046197 описано устройство, снабженное воздушным змеем, служащим для использования энергии ветра, которая генерирует электричество при приведении в действие посредством тросов лебедки, соединенной с генератором. Воздушным змеем управляют при помощи дополнительных тросов, посредством которых изменяют угол атаки ветра. Воздушный змей набирает высоту при большом угле атаки. После завершения набора высоты угол атаки снижают до минимума, и воздушный змей возвращается в исходное положение, чтобы начать цикл снова.

В заявке на патент Италии ТО2006А000491, принадлежащей заявителю настоящего изобретения, описана ветровая система для преобразования энергии, содержащая, по меньшей мере, один воздушный змей, которым можно управлять с земли и который погружен, по меньшей мере, в одну струю ветра, а также ветровую турбину с вертикальной осью, которая размещена на уровне земли, причем эта ветровая турбина снабжена, по меньшей мере, одним рычагом, соединенным через два троса с воздушным змеем, который выполнен с возможностью управления этой турбиной для вращения рычага и преобразования энергии ветра в электроэнергию посредством, по меньшей мере, одной системы генератора/электродвигателя, работающей как генератор, взаимодействующий с турбиной, причем тросы выполнены с возможностью как передавать механическую энергию от воздушных змеев и к воздушным змеям, так и контролировать траекторию полета этих змеев. В этой ветровой системе с рычагами и вращающимся валом производство электрической энергии происходит с использованием крутящего момента, возникающего в рычагах турбины, под действием воздушных змеев, а воздушными змеями управляют только при помощи тросов. Кроме того, в этой ветровой системе с рычагами и вращающимся валом компоненты, установленные для хранения тросов и управления воздушными змеями, находятся в центре турбины, и поэтому далеко от места, из которого тросы идут от земли в направлении воздушных змеев. И, наконец, в этой ветровой системе с рычагами и вращающимся валом установлены трубы для возврата воздушных змеев в исходное положение.

В любом случае, как можно увидеть при анализе существующего уровня техники, известные ветровые системы, снабженные воздушными змеями, в основном обладают следующими общими характеристиками:

- воздушные змеи снабжены как силовыми тросами, так и управляющими тросами - это означает, что нагрузка на тросы, посредством которых происходит производство электричества, передается не на механизмы управления воздушными змеями, а на другие компоненты ветровой системы через тросы, приспособленные для выполнения этой функции. То, что силовые тросы не используются для управления воздушными змеями, усложняет конструкцию ветровой системы со всеми связанными с этим недостатками;

- воздушные змеи управляются механизмами, которые установлены непосредственно на этих змеях, либо посредством вспомогательных (управляющих) тросов. Разматывание и повторное наматывание этих тросов выполняют при помощи лебедок, используемых исключительно для этой цели, размещенных на уровне земли или подвешенных над поверхностью земли (а именно, поддерживаемых самими воздушными змеями). В случае использования управляющих тросов, размещение лебедок на уровне земли позволяет не расходовать часть энергии, извлеченной из струй ветра, на несение веса механизмов управления;

- воздушными змеями управляют таким образом, чтобы генерировать электричество при наборе высоты за счет использования силы сопротивления (а именно, компонента давления ветра, параллельного скорости ветра). После этого этапа следует возврат воздушных змеев в исходное положение путем установки их как флагов, чтобы снизить до минимума эффект торможения. В ограниченном числе ветровых систем предложено применять подъемную силу (а именно компонент давления ветра, перпендикулярный скорости ветра) в дополнение к силе сопротивления, чтобы заставить воздушные змеи подняться. Преимущество использования этого последнего режима управления по сравнению с предыдущим заключается в применении для производства электричества не только сопротивления воздушного змея, но также и подъема воздушного змея. В любом случае, в обоих режимах рабочий цикл с прерыванием (этап набора высоты, чередующийся с этапом возврата в исходное положение) предполагает, что эффект буксирования воздушными змеями, за счет которого осуществляется производство электричества, имеет место только в течение половины траектории, описываемой воздушными змеями (фактически, он отсутствует во время возврата в исходное положение);

- преобразование энергии происходит путем приведения во вращение (посредством силовых тросов) лебедок, соединенных с генераторами, возможно, с использованием промежуточных редукторов. Это не позволяет непрерывно производить энергию в течение рабочего цикла, так как возврат воздушного змея в исходное положение выполняют, приводя в действие такие лебедки через двигатели. При этом генерация электричества прерывается, и расходуется ранее созданная энергия. Непрерывная подача электрического тока внешним пользователям становится возможной при использовании аккумуляторов;

- внимание сосредоточено исключительно на производстве электричества посредством циклического процесса. Почти полностью пренебрегают выбором траектории, которую должен описывать воздушный змей при полете, чтобы увеличить до максимума уровень преобразованной энергии;

- проблемы, относящиеся к системе управления воздушным змеем или цепочкой, состоящей из множества воздушных змеев, соединенных последовательно, на деле связаны с чрезвычайно малым числом научно-исследовательских и опытно-констукторских работ. Это также обусловлено тем, что текущие исследования сфокусированы, главным образом, на увеличении КПД уже существующих систем вместо разработки новых систем генерации энергии.

Чтобы отчасти решить указанные выше проблемы, в заявке на европейский патент ЕР 1 672 214, зарегистрированной на имя Sequoia Automation S.r.l., описана система преобразования кинетической энергии струй ветра в электрическую энергию посредством прогнозного и адаптивного контроля полета воздушных змеев, соединенных в систему типа "карусель", с использованием турбины с вертикальной осью.

Задачей настоящего изобретения является решение указанных выше проблем, связанных с известным уровнем техники, путем предложения ветровой системы для преобразования энергии за счет поступательного перемещения по направляющей модулей, буксируемых воздушными змеями, которая отличается от существующего уровня техники, в частности, режимами управления воздушными змеями, путем, проходимым такими воздушными змеями при полете, обеспечивающим увеличение до максимума уровня преобразованной энергии, и архитектурой ветровой системы, в которой каждый модуль посредством, по меньшей мере, одного троса соединен с цепочкой воздушных змеев, которая при ее толкании ветром и подходящем управлении на уровне модуля создает тягу, благодаря которой модуль поступательно перемещается, по меньшей мере, по одной направляющей, которая образует замкнутый контур, и при помощи системы генерации, работающей совместно с этим модулем и направляющей, генерирует электрическую энергию.

Другой задачей настоящего изобретения является предложить ветровую систему для преобразования энергии за счет поступательного перемещения по направляющей модулей, буксируемых воздушными змеями, в которой воздушными змеями управляет интеллектуальная система управления, заставляющая воздушные змеи при полете описывать оптимальную траекторию, чтобы оптимизировать условия извлечения энергии из ветра.

Еще одной задачей настоящего изобретения является предложить ветровую систему для преобразования энергии за счет поступательного перемещения по направляющей модулей, буксируемых воздушными змеями, в которой воздушными змеями, входящими в состав ветровой системы, предлагаемой настоящим изобретением, управляют посредством тех же тросов, при помощи которых энергия передается в модули ветровой системы.

Помимо этого, задачей настоящего изобретения является предложить ветровую систему для преобразования энергии за счет поступательного перемещения по направляющей модулей, буксируемых воздушными змеями, в которой воздушными змеями управляет интеллектуальная система управления, приводящая в действие двигатели, соединенные с лебедками (возможно, через промежуточные редукторы), размещенными у земли и составляющими единое целое с модулями ветровой системы, причем эти лебедки служат как для управления воздушными змеями путем разматывания и повторного наматывания намотанных на них тросов, так и для восприятия нагрузки на тросы для преобразования энергии.

Следующей задачей настоящего изобретения является предложить ветровую систему для преобразования энергии за счет поступательного перемещения по направляющей модулей, буксируемых воздушными змеями, в которой воздушными змеями управляют таким образом, чтобы сделать возможным преобразование энергии, главным образом, за счет использования подъемной силы и чтобы создать траекторию, при движении по которой эффект буксирования присутствует в течение почти всего рабочего цикла.

Еще одной задачей настоящего изобретения является предложить ветровую систему для преобразования энергии за счет поступательного перемещения по направляющей модулей, буксируемых воздушными змеями, в которой преобразование энергии выполняют при помощи генераторов, приводимых в действие не за счет вращения лебедок, а за счет поступательного перемещения модулей ветровой системы.

Следующей задачей настоящего изобретения является предложить ветровую систему для преобразования энергии за счет поступательного перемещения по направляющей модулей, буксируемых воздушными змеями, содержащую кольцевую направляющую, по меньшей мере, с одним модулем, который поступательно перемещается, по меньшей мере, по одной направляющей, и преобразующую энергию за счет использования поступательного перемещения модулей благодаря эффекту буксирования воздушными змеями, соединенными с упомянутыми модулями.

Еще одной задачей настоящего изобретения является предложить ветровую систему для преобразования энергии за счет поступательного перемещения по направляющей модулей, буксируемых воздушными змеями, в которой воздушными змеями, входящими в состав системы, можно также управлять при помощи интерцепторов, размещенных на борту этих змеев, создавая турбулентность, приводящую к возникновению градиентов давления.

Следующей задачей настоящего изобретения является предложить ветровую систему для преобразования энергии за счет поступательного перемещения по направляющей модулей, буксируемых воздушными змеями, в которой компоненты, предусмотренные для хранения тросов и управления цепочкой воздушных змеев, располагают на борту каждого модуля рядом с системами возврата воздушных змеев в исходное положение.

Помимо этого, задачей настоящего изобретения является предложить ветровую систему для преобразования энергии за счет поступательного перемещения по направляющей модулей, буксируемых воздушными змеями, в которой концевую часть систем возврата воздушных змеев в исходное положение можно ориентировать с возможностью поворота как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости.

Еще одной задачей настоящего изобретения является предложить способ производства электрической энергии при помощи ветровой системы, соответствующей настоящему изобретению, которую приводят в действие более эффективным образом по сравнению с тем, что предлагается при существующем уровне техники.

Упомянутые выше и другие задачи и преимущества этого изобретения, как следует из приведенного далее описания, достигаются с использованием ветровой системы для преобразования энергии за счет поступательного перемещения по направляющей модулей, буксируемых воздушными змеями, которая указана в п.1 формулы изобретения.

Кроме того, упомянутые выше и другие задачи и преимущества этого изобретения достигаются с использованием способа производства электрической энергии при помощи системы, соответствующей настоящему изобретению, который указан по п.197 формулы изобретения.

Предпочтительные варианты реализации и неочевидные модификации настоящего изобретения являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.

Далее настоящее изобретение будет описано более подробно на основе некоторых из предпочтительных вариантов его реализации, приведенных в качестве примера, не ограничивающего объем этого изобретения, со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:

Фиг.1 - общий вид предпочтительного варианта ветровой системы, соответствующей настоящему изобретению;

Фиг.2 - общий вид в увеличенном масштабе предпочтительного варианта одного из компонентов ветровой системы, показанной на Фиг.1;

Фиг.3 - общий вид в увеличенном масштабе предпочтительного варианта другого компонента ветровой системы, показанной на Фиг.1;

Фиг.4 - еще один общий вид компонента, показанного на Фиг.3;

Фиг.5 - общий вид в увеличенном масштабе ветровой системы, показанной на Фиг.1;

Фиг.6 - еще один общий вид в увеличенном масштабе ветровой системы, показанной на Фиг.1;

Фиг.7 - общий вид в увеличенном масштабе предпочтительного варианта другого компонента ветровой системы, показанной на Фиг.1;

Фиг.8 - общий вид в увеличенном масштабе предпочтительного варианта еще одного компонента ветровой системы, показанной на Фиг.1;

Фиг.9 - общий вид в увеличенном масштабе компонента, показанного на Фиг.8;

Фиг.10 - общий вид предпочтительной модификации ветровой системы, соответствующей настоящему изобретению;

Фиг.11 - общий вид в увеличенном масштабе ветровой системы, показанной на Фиг.10;

Фиг.12 - общий вид в увеличенном масштабе предпочтительного варианта одного из компонентов ветровой системы, показанной на Фиг.10;

Фиг.13 - еще один общий вид компонента, показанного на Фиг.12;

Фиг.14 - общий вид в увеличенном масштабе предпочтительного варианта другого компонента ветровой системы, показанной на Фиг.10;

Фиг.15 - общий вид в увеличенном масштабе предпочтительного варианта еще одного компонента ветровых систем, показанных на Фиг.1 и Фиг.10;

Фиг.16 - общий вид в увеличенном масштабе предпочтительного варианта других компонентов ветровых систем, показанных на Фиг.1 и Фиг.10;

Фиг.17 - еще один общий вид в увеличенном масштабе компонентов, показанных на Фиг.16;

На Фиг.18 схематично показана другая предпочтительная модификация ветровой системы, соответствующей настоящему изобретению, на двух этапах ее работы;

На Фиг.19 система, изображенная на Фиг.18, схематично показана в увеличенном масштабе;

Фиг.20 - схематичный вид спереди предпочтительного варианта одного из компонентов ветровой системы, показанной на Фиг.18, на двух этапах ее работы;

Фиг.21 - схематичный вид системы, соответствующей настоящему изобретению, на некоторых этапах ее работы;

Фиг.22 - схематичный вид неподвижного аэродинамического профиля, погруженного в струю ветра, на котором показаны возникающие при этом силы; и

Фиг.23 - схематичный вид неподвижной аэродинамического профиля, свободно перемещающегося в направлении, перпендикулярном скорости ветра, на котором показаны возникающие при этом силы.

Как можно будет лучше увидеть из приведенного далее описания, в общем ветровая система, соответствующая настоящему изобретению, содержит, по меньшей мере, один модуль, выполненный с возможностью поступательного перемещения вдоль направляющей, в предпочтительном случае изготовленной таким образом, чтобы получился замкнутый контур кольцевого типа, под действием тяги, по меньшей мере, одного силового воздушного змея, погруженного в струю воздуха, с которым этот модуль соединен посредством, по меньшей мере, одного троса, причем такой модуль ведет себя как автономный генератор, преобразующий в электрический ток энергию ветра, захваченную на уровне тропосферы (которая простирается на расстояние до приблизительно 15 км от поверхности Земли). В частности, рядом с каждым модулем энергия из ветра извлекается при помощи цепочки воздушных змеев, соединенных последовательно, которую приводят в действие при помощи серволебедок, автономно управляемых интеллектуальной системой управления.

Если обратиться к чертежам, можно увидеть, что ветровая система 1 для преобразования энергии, соответствующая настоящему изобретению, содержит, по меньшей мере, один силовой профиль 2 в виде крыла (ниже также для краткости обозначаемый термином "воздушный змей"), погруженный, по меньшей мере, в одну струю W ветра и соединенный посредством, по меньшей мере, одного троса 4, по меньшей мере, с одним модулем 5 для генерации электричества, размещенным у земли и выполненным с возможностью перемещаться вдоль, по меньшей мере, одной направляющей 6 или 7. Воздушными змеями 2 управляют таким образом, чтобы они буксировали модули 5, с которыми они соединены, и позволяли преобразовать энергию ветра в электрическую энергию при помощи, по меньшей мере, одной системы генерации, содержащей, по меньшей мере, один описанный ниже генератор/электродвигатель 20 и/или 21 для каждого модуля 5. Тросы 4 выполнены с возможностью как передавать механическую энергию воздушным змеям 2 и получать механическую энергию от этих змеев для буксирования модулей 5, так и управлять траекторией полета самих воздушных змеев 2.

Ниже будет описан предпочтительный вариант ветровой системы 1, соответствующей настоящему изобретению. Для каждого компонента ветровой системы 1, кроме того, будет предусмотрен ряд альтернативных характеристик и функциональных возможностей, которые, не оказывая отрицательного влияния на достигаемую производительность, в значительной степени снижают стоимость и габариты всей системы 1 в целом. С этой целью можно использовать компьютеризованные многокритериальные методы принятия решения, которые помогут в определении оптимальных путей получения наилучшей архитектуры, а также методы управления, чьей задачей является оптимизация работы и КПД устройства.

Варианты исполнения относятся к непрерывному и дискретному типам. Непрерывные функции могут быть легко исследованы путем соотнесения преимуществ, которые могут быть получены путем изменения таких свойств, как стоимость, вес, стойкость, длины, углы, которые применены в решении. Дискретные варианты должны быть перечислены, и ниже со ссылкой на каждый компонент ветровой системы 1 описаны их основные характеристики.

Итак, ветровая система 1, предлагаемая настоящим изобретением, содержит воздушные змеи 2, изготовленные, например, сплетением волокон, обычно используемых при производстве парусов для определенных видов спорта, например таких, как серфинг и кайтинг. Благодаря последним исследованиям в области аэродинамики, на рынке предлагаются воздушные змеи 2, которые способны удовлетворить определенным потребностям с точки зрения контроля и управляемости. При соответствующем управлении воздушным змеем 2 можно модулировать передачу энергии от ветра - это является основополагающим принципом, так как воздушными змеями 2 необходимо управлять таким образом, чтобы тяга, создаваемая струями W ветра, являлась максимальной и, в то же время, не оказывала отрицательного влияния на движение модулей 5 по направляющим 6. Поэтому воздушными змеями необходимо управлять таким образом, чтобы создавать тягу, приводящую к поступательному перемещению модулей 5 по направляющим 6 всегда в одном и том же направлении. Такой результат достигается путем подходящего модулирования передачи энергии от ветра, как впоследствии можно будет увидеть в подробностях.

Когда воздушные змеи 2 при полете стремятся подняться со своей рабочей скоростью, аэродинамическое сопротивление тросов 4, соединенных с основанием системы 1, создает искажение, обусловленное наличием связи, которое изменяет угол атаки воздушных змеев 2, заставляя их принимать положение скольжения с увеличенной эффективностью. Путем регулирования угла атаки воздушных змеев 2 с целью заставить их слегка натянуться или колыхаться получают, по сути, систему обратной связи, которая задает действующую скорость воздушных змеев 2.

Мощность, которую воздушный змей 2 способен извлечь из ветра, представляет собой функцию как от аэродинамического качества воздушного змея 2, так и от его площади. В частности, эта мощность увеличивается пропорционально квадрату аэродинамического качества и линейно с увеличением площади. Таким образом, чтобы найти оптимальное решение, которое увеличивает до максимума мощность, которую воздушный змей 2 способен извлечь из ветра, можно влиять на оба эти фактора.

КПД воздушного змея зависит от его формы. Поэтому выбор оптимальной формы вносит решающий вклад в получение великолепных аэродинамических качеств. Однако такая оптимальная форма должна сохраняться также и тогда, когда в воздушном змее 2 возникают напряжения, обусловленные силами сопротивления и подъема (как более подробно рассмотрено ниже). С этой целью можно использовать полужесткие воздушные змеи 2. В отличие от абсолютно гибких воздушных змеев 2, полужесткие воздушные змеи 2 снабжены, например, чрезвычайно легкой рамой, благодаря которой эти змеи 2 могут принимать, например, форму, аналогичную форме жестких крыльев планера. Воздушные змеи 2 могут, например, конструктивно быть выполнены в виде ромбов, изготовленных из полимеров. Использование полужесткости обеспечивает значительное улучшение эксплуатационных характеристик не только благодаря лучшему аэродинамическому качеству, но также благодаря повышению легкости управления. В частности, жесткость может быть асимметричной в направлениях двух габаритов воздушного змея 2, чтобы гарантировать боковую гибкость, которую можно использовать для возврата воздушного змея 2 в исходное положение в соответствующей системе 8 возврата в исходное положение, которая описана ниже.

Чтобы увеличить до максимума мощность, которую ветровая система 1, предлагаемая настоящим изобретением, должна быть способна извлечь из ветра W, предпочтительно для каждого модуля 5 использовать множество воздушных змеев 2, соединенных между собой последовательно с образованием цепочки 3 из воздушных змеев 2, чтобы суммировать тянущее усилие на тросах 4. При этом увеличивается площадь ветрового фронта W, которую способен перехватить каждый модуль 5. Это приводит к увеличению эффекта буксирования, который приводит к поступательному перемещению модуля 5, и, следовательно, к увеличению электрической энергии, которая может быть сгенерирована в каждом рабочем цикле. Каждая цепочка 3 воздушных змеев 2 соединена с модулем 5 посредством единой системы тросов 4, следовательно, принцип работы ветровой системы 1 не зависит от числа воздушных змеев 2, соединенных последовательно в цепочку 3. Такая многослойная конфигурация не только увеличивает перехватываемую площадь ветрового фронта W, но при ее изготовлении в виде целостного объекта или подходящим образом собранного объекта также дает шанс увеличить аэродинамическое качество. Тросы 4 фактически могут быть встроены в "стенки" воздушных змеев 2 (не показано), либо сами стенки воздушных змеев могут представлять собой соединяющий элемент между воздушными змеями 2 (не показано), что, в свою очередь, дает сечение в виде аэродинамического профиля и сохраняет геометрическую стабильность узла. Это позволяет исключить тросы 4 (и, таким образом, создаваемое ими сопротивление) в зоне системы с максимальными скоростями. Чтобы достичь этого результата, воздушные змеи 2 можно выполнить в форме дуги, при которой упомянутые стенки проходят до соединения с другими воздушными змеями 2, или в формах, которые напоминают плоские крылья с одной или двумя соединительными стенками.

Ниже для полноты будет рассмотрен случай, когда ветровая система 1 имеет цепочку 3 воздушных змеев 2 для каждого модуля 5. Число наложенных друг на друга воздушных змеев 2 может быть увеличено произвольным образом. Более того, при сохранении постоянной общей площади за счет увеличения числа воздушных змеев 2, образующих одну цепочку 3, можно уменьшить размер воздушного змея. Это облегчает маневры возврата воздушных змеев и их выталкивания, как впоследствии можно будет увидеть в подробностях. В одном из вариантов ветровой системы 1, соответствующей настоящему изобретению, предлагается, чтобы воздушные змеи 2, относящиеся к одной и той же цепочке 3, не все имели одинаковые размеры. Воздушные змеи 2 в верхней части цепочки 3 имеют размерные соотношения и связанные с ними аэродинамические качества, отличающиеся по сравнению с воздушными змеями 2 в нижней части. Таким образом, воздушные змеи 2, ближайшие к модулю 5, характеризуются большей площадью, и размеры воздушных змеев уменьшаются по мере приближения к верхнему концу цепочки 3. Эту конфигурацию применяют в связи с тем, что при увеличении расстояния от воздушного змея 2 до модуля 5, с которым он связан посредством троса 4, увеличивается его скорость во время полета. Таким образом, в направлении от нижнего конца к верхнему концу цепочки 3 воздушных змеев можно компенсировать увеличение скорости полета воздушных змеев 2 путем постепенного уменьшения поверхности. При этом мощность, извлекаемая из ветра W, одинакова для каждого змея 2 из одной и той же цепочки 3.

Ветровая система 1, соответствующая настоящему изобретению, содержит тяговые тросы 4, выполненные с возможностью передавать силы от воздушных змеев 2 и к воздушным змеям 2 и используемые для буксирования модулей 5 с целью преобразования энергии и для контроля траектории полета самих воздушных змеев 2. Тяговые тросы 4 представляют собой элемент, который должен иметь точный размер, так как возможное превышение размера неизбежно вызовет увеличение их аэродинамического сопротивления. В одном из вариантов ветровой системы 1, соответствующей настоящему изобретению, предлагается, чтобы тросы 4 имели переменное сечение (не показано). В частности, секция тросов, находящаяся рядом с модулями 5 ветровой системы 1 (а именно, секции тросов 4, подвергающихся непрерывным силовым маневрам и находящихся в контакте с системами, предназначенными для выполнения таких маневров и описанными ниже) имеет больший размер по сравнению с секцией тросов 4, находящейся рядом с цепочками 3 воздушных змеев 2. Это позволяет получить большее сопротивление износу. Изменение сечения может быть непрерывным или поэтапным на величину смещения. Чтобы дополнительно уменьшить сопротивление секций тросов 4, на которые влияют большие по размеру по скорости (а именно, участки троса 4 рядом с цепочками 3 воздушных змеев 2), сечение тросов 4 на этих участках можно, например, моделировать с учетом аэродинамики для воздушного змея, который осуществляет легкий асимметричный подъем, чтобы избежать явлений турбулентности и колебаний. Такой результат может быть достигнут, например, путем покрытия тросов 4 экструдированной оболочкой с сечением в виде звезды (не показано), в этом случае выступы оболочки в виде ребер звезды отклоняются ветром W до тех пор, пока не реализована аппроксимация воздушного змея. В случае возникновения колебаний выступы создают взаимное трение с целью поглотить кинетическую энергию, в результате чего колебания ослабляются.

Далее, ветровая система 1, соответствующая настоящему изобретению, содержит, по меньшей мере, один модуль 5, который перемещается, по меньшей мере, по одной направляющей 6, например, при помощи колес 16, 17 или за счет магнитной левитации и который выполнен с возможностью управлять воздушными змеями 2 и преобразовывать энергию струи ветра в электрическую энергию. Модули 5 размещены у земли, и каждый модуль 5 соединен с цепочкой 3 воздушных змеев 2 посредством, по меньшей мере, одного троса 4, выполненного с возможностью передавать силы от воздушных змеев 2 и к воздушным змеям 2 и используемого для буксирования модуля 5 с целью преобразования энергии и для контроля траектории полета самих воздушных змеев 2.

Если обратиться к чертежам, можно увидеть, что каждый модуль 5 ветровой системы 1 содержит, по меньшей мере, одну тележку 11, посредством которой модуль 5 поступательно перемещается, по меньшей мере, по одной направляющей 6. Форму тележек 11 модулей 5 ветровой системы 1 в предпочтительном случае моделируют с учетом аэродинамики, чтобы снизить до минимума сопротивление воздуха при работе ветровой системы 1.

Каждый модуль 5 снабжен всеми необходимыми компонентами для автоматического управления воздушными змеями 2 и для генерации электрической энергии. Преобразование механической энергии в электрическую энергию происходит, например, при помощи генераторов 20 и/или 21, непосредственно соединенных с колесами 16 и 18, к вращению которых приводит буксирование модулей 5 по направляющей 6, входящей в состав системы генерации электричества. В качестве альтернативы приведения в действие генераторов 20 и/или 21 при помощи колес 16, преобразование механической энергии в электрическую энергию может происходить за счет реверсивного использования линейных магнитных двигателей (не показаны). Каждый модуль 5, таким образом, представляет собой генератор, способный поставлять мощность независимо от других модулей 5.

Ветровая с