АЭРОСТАТНО-ПЛАВАТЕЛЬНЫЙ ВЕТРОГЕНЕРАТОР Российский патент 2016 года по МПК F03D5/00 F03D3/00 F03D1/00 

Применяется для генерации энергии ветра в электроэнергию больших и крупных промышленных мощностей, достигаемых в высотных скоростных слоях атмосферы.

Настоящий ветрогенератор относится к энергетическим установкам с ветряным ротором, имеющим ортогональные лопасти крыловидного профиля, ось вращения которого перпендикулярна воздушному потоку, входящему в ротор.

Одной из основных проблем ветроэнергетики больших и крупных промышленных мощностей является необходимость поднятия силовых блоков на большую высоту в зону скоростных ветров, что сопровождается строительством материалоемких сооружений в виде массивных колонн и башен. При массе в 712 тонн ветросилового блока установки Enercon E126 мощностью 7,58 МВт вес его основания и башни высотой 198 метров составляет 5300 тонн. В результате стоимость строительных работ в составе цены сооружения ветроэнергетических объектов составляет по меньшей мере половину всех инвестиционных затрат, которые при создании, например, новейшего ветропарка Dominica I в Мексике на скальных грунтах, благоприятных для фундаментов 50-и ВЭУ, каждая мощностью в 2 МВт, достигли суммы в размере 196 млн USD.

Указанная проблема может быть решена при помощи использования аэростатных модулей, чьи полые оболочки наполнены газом легче воздуха, на практике гелием, и доставляют с меньшими затратами тяжелые ветросиловые блоки промышленной мощности массой 80 и более тонн на высоту от 300 метров в зону скоростных ветров.

В данном технологическом направлении существуют устройства (патенты DE 29811094 U1, 08.101998; UA 69547 А, 15.09.2004; RU 2535427 С1, 24.12.2013; RU 2537664 С1, 04.02.2014), в которых газонаполненные оболочки имеют аэродинамические формы конуса, двояковыпуклой и плосковыпуклой линз, применены роторы вертикально-осевого вращения. Крепление аэростатных модулей к земле, их подъем-спуск осуществляется при помощи причальных узлов, включающих тросы и наземные лебедки.

Из развития техники известно устройство (патент SU 8970 А1, 30.04.1929), аэростатный модуль которого представляет собой газонаполненную оболочку сигарообразной формы, оси вращения роторов совпадают с направлением ветра и установлены в ферме, кольцом обхватывающим оболочку. Состав и конструкция причального наземного узла аналогична вышеупомянутым устройствам.

Общим недостатком перечисленных устройств являются пространственная неустойчивость аэростатных модулей, их сильные раскачивания под переменной ветровой нагрузкой, отклонение оси вращения ротора от оптимального положения, вследствие чего происходят потери генерируемой мощности, ускоренный износ оборудования, скручивание и разрушение причальных тросов. Большинство устройств имеют одну газонаполненную оболочку, которую для подъема тяжелых силовых блоков промышленной мощности потребуется наполнить столь значительным объемом гелия, что оболочковые габариты превысят прочностные возможности аэростатных модулей.

Известны высотные станции, работающие циклически: в активной фазе подъема воздухоплавательной части устройства под действием аэростатических сил и воздушного напора генерирующие энергию ветра, в пассивной фазе принудительного спуска воздухоплавательной части к наземному причальному узлу потребляющие в этих целях энергию от стороннего (не атмосферного) источника. Такая система (патент US 20130307274 А1, 21.11.2013) имеет две раздвинутые газонаполненные оболочки в одном уровне, скрепленные тросами и надувными трубами, парашютные купола, наземные лебедки. Устройство не способно ориентироваться на ветер, теряет его энергию в пассивной фазе работы, зависит от сторонних энергетических источников, конструкция не обладает жесткостью и высокой прочностью, включает ненадежные аэродинамические элементы. В другой аналогичной установке (патент RU 2467201 С2, 20.11.2012) парашютные купола заменены парусом, а проблема ориентации на ветер решена за счет установки лебедок на свободно поворачивающейся платформе причального узла. Все, за исключением ориентации на ветер, прочие недостатки ветроэнергетической установки сохраняются. Второй вариант надземной ветрогенераторной системы (патент RU 2457358 С1, 27.07.2012) содержит две оболочки в одном уровне и канал между ними, где размещены горизонтально-осевые роторы с лопастями Савониуса, что имеют самый большой вес и самое высокое лобовое сопротивление воздушному потоку из всех известных ветровых устройств. Оболочки соединены поперечными горизонтальными пластинами. Установка низкоэффективна, поскольку основная масса ветра будет обтекать препятствие на своем пути, каковым в данном случае является сравнительно узкий канал с роторными устройствами упомянутого отрицательного свойства. Увеличить габариты канала, вместе с этим нарастить площадь, ометаемую роторами, не имеет смысла, все равно канал остается полностью перекрытым лопастями Савониуса, к тому же значительно раздвинуть оболочки невозможно вследствие неизбежного прогиба скрепляющих их пластин и осей тяжеловесных роторов. Центр тяжести воздухоплавательной части расположен высоко, на уровне оболочек, что ведет к ее пространственной неустойчивости.

Сущность изобретения состоит в том, что массивный силовой блок с ортогонально-лопастным ротором, ось вращения которого перпендикулярна воздушному потоку, размещен на большей, чем с помощью опорных башен и колонн, высоте скоростных ветров аэростатным модулем в составе двух идентичных и параллельных оболочек в форме полуцилиндров, наполненных гелием и связанных на одном уровне по меньшей мере одной поперечной мостовой фермой. Удержание воздухоплавательной части устройства на месте дислокации осуществляется тросами и трос-кабелем, связывающим модуль с причальным узлом, содержащим свободно поворачивающуюся платформу с установленными на ней двумя лебедками и диаметрально расположенной к ним кабельной бухтой, благодаря чему парящая в воздухе упомянутая часть устройства описывает круговые траектории и занимает оптимальное положение на ветер.

Целью изобретения является устойчивое получение электроэнергии большой и крупной промышленной мощности от высотных скоростных ветров.

Поставленная цель достигается равномерным распределением большого объема гелия, необходимого для подъема тяжелого ветросилового блока на заданную высоту, между двумя газонаполненными оболочками в виде полуцилиндров, каждая с верхним гребнем, которые имеют в одной горизонтальной плоскости аэродинамические поверхности - жесткие днища, создающие под воздействием скоростных ветров дополнительную подъемную силу. Оболочки значительно раздвинуты и параллельны общей продольной оси симметрии аэростатного модуля, совпадающей с направлением ветра, связаны поперечными мостовыми фермами, предпочтительно, чтобы одна из них совпадала с центром масс воздухоплавательной части устройства или близка к этому. Площадь внутри внешнего контура такого модуля превышает сумму площадей обеих оболочковых днищ, чем усиливается пространственная устойчивость воздухоплавательной конструкции в целом и чрезвычайно важное стабильно-оптимальное положение оси вращения ротора, строго перпендикулярное относительно направленности ветра. Элементы силового блока установлены на вертикальных балках по центру поперечно-осевой фермы, причем ортогональные лопасти ротора с осью вертикального вращения приподняты над фермой, а генератор подвешен к тем же балкам снизу, своей тяжестью и положением, выполняя роль стабилизирующего балласта. Необходимая ориентация воздухоплавательной части устройства на ветер достигается тем, что связывающие аэростатный модуль с местом дислокации тросы и трос-кабель снизу присоединены соответственно к двум лебедкам и диаметральной бухте, которые все вместе установлены на свободно поворачивающейся платформе причального узла.

На фиг. 1 показан общий вид аэростатно-плавательного ветрогенератора; на фиг. 2 - воздухоплавательная часть то же устройства, вид со стороны ветра; на фиг. 3 - вид А.

Устройство состоит из воздухоплавательной части и причального узла, соединенных тросами 1 и трос-кабелем 2. В свою очередь воздухоплавательная часть включает в себя аэростатный модуль из двух идентичные полуцилиндрических оболочек 3, наполненных гелием, имеющих жесткие гребни 4 и горизонтальные днища 5, связанные между собой параллельно на одном уровне поперечными мостовыми фермами: наветренной 6, поперечно-осевой 7 и подветренной 8. Здесь же располагается силовой блок устройства с ветряным ротором 9, имеющим ортогональные лопасти (фиг. 1, 2), его ось 11 вращается перпендикулярно воздушному потоку, опирается на подшипники 12 и сообщается с генератором 13. Причальный узел устройства имеет наземную тумбу 14 со свободно поворачивающимися осью 15 и платформой 16, на которой размещены (фиг. 3) две соосные лебедки 17, диаметрально расположенная к ним трос-кабельная бухта 18.

Аэростатно-плавательный ветрогенератор работает следующим образом. После монтажа и крепления на открытой местности причального узла, сборки воздухоплавательной части устройства оболочки 3 заполняются гелием до достижения положительной плавучести и совместно балансируются в горизонтальной плоскости, упомянутые элементы соединяются тросами 1 и трос-кабелем 2, которые затем медленно стравливаются с лебедок 17 и бухты 18 до тех пор, пока под воздействием аэростатической подъемной силы модуль с силовым блоком не достигнет высоты подъема, где среднегодовые скорости ветра составляют 25-30 м/с. При этом воздухоплавательная часть ветрогенератора разворачивается по круговой траектории воздушным потоком вокруг причального узла и фиксируется так, что ее продольная ось симметрии совпадает с направлением ветра. Скоростной напор ветра вращает ротор 9, воздействуя на ортогональные лопасти, и вертикальную, перпендикулярную воздушному потоку ось 11 в подшипниках 12, это вращение передается в генератор 13, который вырабатывает электроэнергию большой промышленной мощности до 2 МВт, направляемую потребителям через трос-кабель 2.

При изменении направленности воздушного потока его напор воздействует на наветренные боковые поверхности оболочек 3, гребни 4 и ротор 9, которые все вместе под этим давлением стремятся переместиться туда же, куда стал дуть ветер. Данное движение через тросы 1 и трос-кабель 2, лебедки 17 и бухту 18 передается платформе 16, свободно поворачивающейся на оси 15 относительно неподвижной наземной тумбы 14. Круговое перемещение воздухоплавательной части устройства и соответствующий разворот платформы причального узла завершается в том момент, когда продольная ось симметрии аэростатного модуля совпадет с направлением ветра и не возобновляется без новых динамических изменений в атмосфере. Синхронный характер движения рассмотренных элементов конструкции исключает скручивание и разрушение тросов 1 и трос-кабеля 2.

Для проведения ремонта и технического обслуживания установки, включая дозаправку оболочек 3 гелием, при штормовых предупреждениях об ожидаемом превышении скоростью ветра критического порога в 50 м/с тросы 1 и трос-кабель 2 наматываются соответственно на лебедки 17 и бухту 18, воздухоплавательная часть устройства снижается к земле, становится легкодоступной или размещается на безопасной высоте нормативных ветров.

Независимые признаки изобретения направлены на устойчивое получение электроэнергии большой до 2 МВт мощности от силового блока с ротором на вращающейся оси, перпендикулярной воздушному потоку. Пространственная стабильность воздухоплавательной части устройства обеспечивается применением двух идентичных газонаполненных оболочек упомянутой обтекаемой формы, имеющих относительное параллельное смещение в одном уровне и опирающиеся на ветер горизонтальными днищами большой площади, что создает дополнительную аэродинамическую подъемную силу, оптимально-вертикальное и устойчивое положение оси вращения ветряного ротора. Тот же технический результат дает крепление генератора под мостовой фермой со смещение центра тяжести ветросилового блока ниже уровня оболочковых днищ аэростатного модуля. Ориентация силового блока на ветер, также необходимая для работы без потерь мощности, достигается конструкцией причального узла, наличием у оболочек верхних жестких гребней.

Массогабаритные характеристики аэростатного модуля могут быть уменьшены, если без ущерба для его прочности и жесткости поперечные мостовые фермы 6, 8 исключаются из конструкции или заменяются на тросовые стяжки. Уникальным преимуществом аэростатно-плавательного ветрогенератора является его высочайшая мобильность - возможность без демонтажа силового блока и всей воздухоплавательной части устройства быть без проблем перемещенным от места первичной дислокации в любые новые точки стационарного базирования.

Изобретение относится к энергетическим установкам с ветряным ротором. Аэростатно-плавательный ветрогенератор содержит силовой блок в составе ветряного ротора и генератора, аэростатный модуль положительной плавучести из двух идентичных газонаполненных оболочек в одном уровне, причальный узел с тросами, трос-кабелем, двумя лебедками на свободно поворачивающейся платформе. Оболочки выполнены в виде параллельных полуцилиндров, их жесткие днища связаны между собой при помощи по меньшей мере одной поперечной мостовой фермы. Мостовая ферма имеет опускающиеся вертикально вниз центральные балки с подшипниковыми опорами. Ось ветряного ротора, оснащенного поднятыми над мостовой фермой ортогональными лопастями, вращается перпендикулярно воздушному потоку. Генератор подвешен к центральным балкам снизу. На свободно поворачивающейся платформе причального узла диаметрально лебедкам располагается бухта трос-кабеля. Изобретение направлено на устойчивое получение электроэнергии и повышение пространственной стабильности ветрогенератора. 3 ил.

Аэростатно-плавательный ветрогенератор, содержащий силовой блок в составе ветряного ротора и генератора, аэростатный модуль положительной плавучести из двух идентичных газонаполненных оболочек в одном уровне, причальный узел с тросами, трос-кабелем, двумя лебедками на свободно поворачивающейся платформе, отличающийся тем, что оболочки выполнены в виде параллельных полуцилиндров, их жесткие днища связаны между собой при помощи по меньшей мере одной поперечной мостовой фермы, имеющей опускающиеся вертикально вниз центральные балки с подшипниковыми опорами, вращающейся перпендикулярно воздушному потоку оси ветряного ротора, оснащенного поднятыми над мостовой фермой ортогональными лопастями, генератор подвешен к тем же балкам снизу; на свободно поворачивающейся платформе причального узла диаметрально лебедкам располагается бухта трос-кабеля.