АЭРОСТАТ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ Российский патент 2018 года по МПК B64B1/50 F03D9/00 

Применяется для генерации энергии ветра в электроэнергию промышленных мощностей, достигаемых на высоте скоростных слоев атмосферы.

Настоящее энергетическое устройство относится к ветряным установкам, радиально-лопастная турбина которых имеет ось вращения, совпадающую с направлением ветра.

После того, как достижения в технологиях и материалах сделали возможным дозаправку воздухоплавательных аппаратов с периодичность не чаще, чем через год и даже существенно реже, новым средством подъема ветросиловых блоков на большие высоты скоростных от 20 м/с ветров стали привязные аэростаты (патент RU 2602650 С1, 26.01.2016; WO 2017131551, 03.08.2017). Мобильность этих систем, легкость, простота подъема ветряного оборудования и его спуска с рабочей высоты от 300-600 метров к наземным причальным узлам при помощи газонаполненных гелием либо водородом аэростатных оболочек, несущих ветросиловые блоки, заметно снижают непомерные затраты на строительство, снимают тяжелые эксплуатационные проблемы, характерные для ВЭУ на высотных башенных опорах. Однако аэростаты, при их использовании для получения от ветра электроэнергии промышленных мощностей, нагружены значительным весом генерирующих агрегатов, что повышает требования к прочности всех элементов и узлов, составляющих воздухоплавательные модули.

Вместе с этим перед разработчиками воздухоплавательных и летательных систем ветряной генерации стоит проблема выделения больших по площади территорий под безопасную эксплуатацию установок. Воздухоплавательные модули ветрогенераторного аэростата MARS американской компании Mogenn Power и аэростатной турбины ВАТ канадской компании Altaeros Energies обладают большой парусностью, что приводит при их подъеме на высоту скоростных ветров к смещению модулей под напором воздуха на расстояние в 600-1000 метров от причальных узлов, из чего следует соответствующий размер производственной зоны повышенной опасности в сто и более гектар под пространствами воздухоплавания названных ветроэнергетических комплексов. Создатели генератора Wing 7 (летающее крыло) компании Makani Power признали, что их аппарат будет вынужденно размещаться не на суши, а скорее всего над морскими поверхностями, где территориальный фактор значения не имеет. Такой же вывод следует сделать относительно энергетических «воздушных змей» от компании Joby Energy.

Наиболее распространенными видами привязных аэростатов являются наполненные легким газом шаровидные оболочки и их сигарообразные формы (соответственно патенты RU 2046734 С1, 13.06.1991 и US 20090152391 А1, 04.03.2006), к которым снизу при помощи гибких строп подвешены корзины (патент RU 2026238 С1, 21.11.1991), чаще всего под размещение систем видео наблюдения, метеорологических приборов, ретрансляторов и т. п. оборудования. Подвеска ветросилового блока с радиально-лопастной турбиной, ось вращения которой должна совпадать с направлением ветра, к аэростату в форме газонаполненного шара с помощью гибких строп использована в устройстве (CN 104895744 А, 09.09.2015). Применение при этом гибких строп является причиной раскачивания ветросилового блока под порывами ветра, условие оптимального совпадения оси вращения турбины и направления ветра не исполняется, эффективность ветряной генерации утрачивается. При изменении направленности ветра привязной трос будет скручиваться и разрушаться. Аналогично и с тем же отрицательным результатом на гибких раздвинутых стропах подвешены к дирижаблю (патент US 4470563 А, 11.09.1984) две радиально-лопастные турбины. При встречном вращении турбин будут гаситься их реактивные моменты, причальный узел дирижабля обладает ориентацией на ветер, но этим все достоинства такого устройства исчерпываются.

Пространственной неустойчивостью по причине использования гибких строп для подвески балки с ветросиловым блоком, поднятых в воздух двумя аэростатами, обладает высотный генератор (KR 20120013682 А, 15.02.2012). В данном устройстве применен ряд средств по обеспечению совпадения оси вращения радиально-лопастной турбины с направленностью ветра, в том числе воздушные рули на наветренном конце балки, стабилизирующее оперение на ее подветренном конце, перемещение груза в полости балки и другие технические решения, которые однако работают исключительно если направленность ветра незначительно на ±15-20° меняет свой угол наклона к земле, но не дают желаемого результата если ветряной поток преобразуется в боковой ветер.

Негативные последствия от применения подвесок на гибких стропах устранены в аэростатном ветродвигателе (патент RU 2657589 С1, 05.12.2017), в котором ветросиловой блок виндроторного типа размещен ниже аэростата на горизонтальной перекладине Н-образной рамы, при этом аэростатная оболочка, притянутая к ней меридианными лентами, кольцевая крепежная база, упомянутая рама выполнены за одно целое, а привязные троса натянуты вниз к причальному узлу от нижних оконечностей боковин все той же рамы. Но быстроходные ортогонально-лопастные роторы, при свойственном им низком КПД, имеют к тому же большую парусность, что требует увеличения подъемной силы аэростата дабы воздухоплавательный модуль под напором воздуха не был перемещен ниже уровня скоростных ветров и прибит ближе к земле.

Тихоходные радиально-лопастные турбины отличаются высоким КПД и меньшей парусностью, но сложнее сочетаются с аэростатными оболочками, требуют установки на горизонтальных балках, имеющих большой пролет между опорами, в следствии чего изгибаются под тяжестью массивных ветросиловых блоков, если таковые предназначены для выработки энергии промышленных мощностей. В аэростатном ветрогенераторе (патент RU 2602650 С1, 26.01.2016) турбиной диаметром 12-25 и более метров для генерации промышленных мощностей от 150 кВт массивные ветросиловые блоки опираются на арочную ферму, способную выдержать многотонные нагрузки. Близкое техническое решение в тех же целях использовано в высотной ветроэнергетической установке (патент RU 2576103 С1, 27.02.2016).

Сущность технического решения состоит в том, что ветросиловой блок с подветренной радиально-лопастной турбиной, мультипликатором и генератором в корпусе гондолы, поднят в составе воздухоплавательного модуля на высоту скоростных ветров, подвешен под аэростатом и имеет возможность свободно раскачиваться, неизменно сохраняя при этом под собственной тяжестью оптимальную пространственную ориентацию оси вращения турбины, совпадающую с направлением ветра. Эффект пространственной стабильности усиливается весом трос-кабеля, отклонения могут корректироваться управляемым программно собственным механическим приводом кабельной бухты, относящейся к поворотной платформе наземного причального узла. Для достижения установкой высотно-ветряной генерации промышленных мощностей применен массивный ветросиловой блок, узлу подвеске которого к аэростату приданы большая жесткость и прочность. Если существует потребность сузить пространство воздухоплавания и уменьшить площадь территории под ним, как обширной производственной зоны повышенной опасности, высотный модуль устройства дополняется по меньшей мере одним электрическим авиадвигателем переменной тяги, направленной против ветра и не дающей модулю под напором воздуха далеко сместиться в сторону от причального узла. Такой частный результат может быть улучшен при помощи аэродинамических крыльев, располагаемых под днищем аэростатной оболочки.

Целью изобретения является усиление жесткости и прочности узла подвески к аэростату ветросилового блока из подветренной радиально-лопастной турбины, чья ось вращения совпадает с направлением ветра, мультипликатора и генератора, являющегося для достижения ветряной генерации промышленной мощности наиболее массивным элементом воздухоплавательного модуля, поднятого до уровня скоростных атмосферных потоков, в частном случае - уменьшение площади территории под пространством воздухоплавания аэростата ветроэнергетического, что относится к производственной зоне повышенной опасности.

Поставленная цель достигается тем, что массивный ветросиловой блок промышленной мощности с подветренной радиально-лопастной турбиной, мультипликатором и генератором в корпусе гондолы раскачивается под аэростатом так, что сохраняет постоянство эффективной ориентации оси вращения турбины на ветер, будучи подвешенным на горизонтальной перекладине рамы, свисающей в жестком соединении через крепежную базу с аэростатной оболочкой и плоскости перпендикулярной ветру. Узел подвески включает в себя втулку, свободно одетую по центру перекладины, ниже расположенную вертикальную стойку, заканчивающуюся соединением с гондолой. Необходимую прочность упомянутой перекладине придает арочная ферма, а жесткость рамы усилена еще одной распорной перекладиной, размещенной ниже площади, ометаемой лопастями турбины. Устройство может быть дополнено по меньшей мере одним электрическим авиадвигателем переменной тяги, направленной против ветра, размещаемым на полке, соединяющей кронштейны с флюгера, выдвинутыми от крепежной базы в подветренную сторону от аэростата. На последнем условии наличия электрического авиадвигателя с указанным направлением переменной тяги, могут быть применены полые крылья аэродинамического профиля, выдвинутые от крепежной базы в обе стороны симметрично и поперек ветряному потоку.

На фиг. 1 показан общий вид аэростата ветроэнергетического (далее аэроэнергостат); на фиг. 2 - вид на воздухоплавательный модуль того же устройства с подветренной стороны; на фиг. 3 - вид снизу на воздухоплавательный модуль аэроэнергостата (ветросиловой блок условно не показан).

Аэроэнергостат состоит из воздухоплавательного модуля и наземного причального узла, соединенных привязными тросами 1 и трос-кабелем 2. В состав модуль входят полужесткий аэростат, имеющий внутренний каркас и мягкую аэростатную оболочку 3, которая вместе с крепежной базой 4, прижатой к днищу аэростата меридианными лентами 5, отходящими от базы подветренными кронштейнами с флюгерами 6 и рамой 7, чья плоскость перпендикулярна ветру, выполнены за одно целое. На горизонтальной перекладине 8, усиленной арочной фермой 9, упомянутой рамы подвешен ветросиловой блок из подветренной радиально-лопастной турбины 10, ось вращения которой совпадает с направлением ветра, мультипликатора и генератора в корпусе гондолы 11. Узел подвести блока включает в себя втулку 12, свободно одетую по центру перекладины, ниже расположенную вертикальную стойку 13, заканчивающуюся соединением с гондолой. За пределами площади, ометаемой лопастями турбины, боковины рамы соединены еще одной распорной перекладиной 14. Привязные троса протянуты от оконечностей рамных боковин к двум соосным лебедкам 15, а трос-кабель свисает от гондолы до кабельной бухты 16. Лебедки находятся на подветренной стороне поворотной платформы 17 наземного причального узла, туда же смещена кабельная бухта и ее собственный механический привод. Опорным элементом наземного причального узла является бетонная тумба 18.

В частном случае кронштейны с флюгерами соединяются полкой 19, на которой размещается по меньшей мере один электрический авиадвигатель 20 переменной тяги, направленной против ветра. Для улучшения результата в частном случае в обе стороны симметрично от крепежной базы и поперек ветряного потока могут быть установлены полые крылья 21 аэродинамического профиля.

Работа настоящего аэроэнергостата осуществляется следующим образом. Мягкая оболочка полужесткого аэростата заполняется легким газом в объеме до достижения подъемной силы, необходимой для отрыва от земли, подъема в верх воздухоплавательного модуля и натяжения его тросовых и трос-кабельных связей с наземным причальным узлом. Привязные троса и трос-кабель синхронно стравливаются с барабанов лебедок и кабельной бухты до достижения модулем уровня сильных ветров, имеющих скорость 20-30 м/с. В процессе подъема модуля и по достижению им заданной высоты (на большинстве внутри континентальных территорий от 300 до 600 метров) он разворачивается воздушным потоком по круговой траектории вокруг наземного причального узла и фиксируется так, что продольная ось симметрии модуля, ось вращения подветренной радиально-лопастной турбины и трос-кабель совпадают с направлением ветра. Скоростной напор ветра вращает турбину, механическая энергия поступает в мультипликатор, а затем в генератор, где преобразуется в электрическую энергию, направляемую по трос-кабелю через контроллер, аккумуляторную батарею и инвертор к потребителям. При изменении направленности воздушного потока его напор воздействует на наветренную боковую поверхность аэростата и флюгера, что увлекает за собой весь воздухоплавательный модуль и разворачивается его так, что направление привязных тросов и трос-кабеля, оси вращения турбины совпадут с новым направлением ветра.

Когда скорость ветра внезапно усилится, а длинна привязных тросов и трос-кабеля останется неизменной, то под напором атмосферного потока воздухоплавательный модуль потеряет начальную высоту. При этом троса и трос-кабель расположатся под более острым углом к земле. Однако ветросиловой блок, поскольку подвешен на вертикальной стойке через свободно одетую втулку к горизонтальной перекладине рамы, под действием сил собственной тяжести, тяжести трос-кабеля неизменно занимает положение, при котором ось вращения подветренной радиально-лопастной турбины не отклонятся от направленности ветра. При ослаблении силы ветра ниже номинального значения будет иметь место аналогичный результат, только троса и трос-кабель натянутся под большим углом к поверхности земли.

Полужесткое исполнение аэростата с применением внутреннего каркаса позволяет оболочке из легкого тканепленочного материала устойчиво удерживать сферическую объемную форму, обладающую хорошей обтекаемостью, что уменьшает расстояние, на которое под напором ветра воздухоплавательный модуль смешается от наземного причального узла. Однако в частном случае, когда выделение большого участка земли под воздухоплавательный или летательный аппарат является проблемой, что имеет место в густонаселенных регионах, индустриальных областях и районах активного земледелия, такая мера является недостаточной. Здесь становится актуальным создание системы воздушного напора на аэростат, направленного против давления на нее высотного переменно-скоростного ветряного потока. Именно такой системой является дополнение предлагаемого устройства по меньшей мере одним электрическим авиадвигателем, работающим с переменной тягой, действующей против ветра. Двигатель крепится подветренно от аэростата на полке, соединяющей существующие кронштейны под флюгера. В этой связи интересно использование электрических авиамоторов концерна Siemens, которые при весе всего в 50 кг. развивают мощность в 260 кВт и скорость вращения воздушного винта до 2500 об/мин. Положительный результат от работы такой системы, если она надежно поддерживает наклон привязных тросов к земле не менее 60° против 30-45° у аналогов, выражается в 3-9 кратном сокращении площади землеотвода для производственной зоны повышенной опасности под любой действующую ветроэнергетический аэростат.

Улучшению результата в описанном частном случае могут служить полые крылья, выдвинутые от крепежной базы в обе стороны симметрично и поперек ветряного потока. Пространственно выстроенные таким образом крылья, имея аэродинамический профиль, создают дополнительную подъемную силу, воздействующую на воздухоплавательный модуль аэроэнергостата. В качестве материала крыльев желательно использовать легкий пластик, армированный углеродным волокном. Вместе с тем дополнение воздухоплавательного модуля предлагаемого устройства аэродинамическими крыльями дает свой эффект только при наличии признака изобретения, что состоит в применении электрического авиадвигателя, создающего тягу противоположную ветряному напору.

В вихревых потоках бухту трос-кабеля полезно оснастить собственным механическим приводом, программно управляемым так, что трос-кабель натягивается и возвращает стойке вертикальное положение, одновременно восстанавливая совпадение направленности оси вращения турбины с движением ветра. По прекращению вихря трос-кабель стравливается с бухты и возвращается в режим свободного свисания под воздухоплавательным модулем.

Дополнение дистанционного управления аэроэнергостатом и взрывозащищенного исполнения его электрооборудования фиксированными габаритами производственной зоны повышенной опасности под воздухоплавательным модулем создает реальные условия для замены гелия в качестве газонаполнителя аэростатной оболочки на водород, в семь раз более дешевым по ценам на рынке технически газов России. Появляется возможность создать комплекс из аэроэнергостата и электролитической установки, позволяющий не только вырабатывать водород для дозаправки аэростатной оболочки, но и служить накопителем излишков ветряной энергии.

По известным причинам ветроэнергетика стремится всемерно наращивать мощности каждой отдельной ВЭУ, что ведет к применению все более тяжеловесных силовых агрегатов. В силу этого, а также особых условий работы оборудования на высоте скоростных ветров, первоочередное значение имеют жесткость и прочность ответственных и самых нагруженных узлов воздухоплавательных модулей. Без этого меры по улучшению ориентации турбин на ветер, минимизации производственных площадей, другие улучшения свойств и качеств аэроэнергостата, его известных прототипов не приведут к получению электроэнергии промышленно значимых мощностей.

Аэроэнергостат предназначен, прежде всего, для использования за пределами благоприятных атмосферно-климатических условий с сильными низовыми ветрами стабильной направленности, а именно там, где эффективная работа ветросиловых блоков ВЭУ возможна лишь под напором высотных ветров на уровне по меньшей мере в 300-600 метров от земной поверхности. Кроме того установка настоящей турбины, не требующая создания массивных фундаментов и строительных опор, предпочтительна на легких грунтах, в вечной мерзлоте и на ледовых шельфах, в зонах пылевых бурь и сейсмической активности.

Изобретение относится к области высотной ветроэнергетики. Аэростат ветроэнергетический содержит радиально-лопастную турбину, чья ось вращения совпадает с направлением ветра и которая входит в состав ветросилового блока из мультипликатора и генератора в корпусе гондолы, и раму с горизонтальной перекладиной. Подвеска ветросилового блока осуществлена с помощью узла, включающего втулку, свободно одетую по центру горизонтальной перекладины, ниже расположенной вертикальной стойки, заканчивающейся соединением с гондолой. Прочность горизонтальной перекладины усилена арочной фермой, жесткость рамы усилена соединением боковин с одной распорной перекладиной. Аэростат может оснащаться электрическим авиадвигателем, работающим с переменной тягой, направленной против ветра, и устанавливаемым на полке с подветренной стороны аэростата. Изобретение направленно на усиление жесткости и прочности узла подвески и минимизацию производственной площади под размещение аэростата. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Аэростат ветроэнергетический, содержащий выполненные за одно целое полужесткий аэростат из внутреннего каркаса и мягкой оболочки, крепежную базу, прижатую к днищу аэростатной оболочки меридианными лентами, подветренные кронштейны с флюгерами, раму, чья плоскость перпендикулярна ветру, с горизонтальной перекладиной, а также ветросиловой блок из мультипликатора и генератора в корпусе гондолы, подветренной радиально-лопастной турбины, чья ось вращения совпадает с направлением ветра, привязные троса, трос-кабель и наземный причальный узел, на поворотной платформе которого установлены две соосные лебедки и кабельная бухта, отличающийся тем, что ветросиловой блок подвешен к перекладине с помощью узла, включающего в себя втулку, свободно одетую по центру перекладины, ниже расположенную вертикальную стойку, заканчивающуюся соединением с гондолой; перекладина усилена арочной фермой, а ниже площади, ометаемой лопастями турбины, боковины рамы соединены еще одной распорной перекладиной.

2. Аэростат по п. 1, отличающийся тем, что подветренные кронштейны соединены полкой, на которой установлен по меньшей мере один электрический авиадвигатель, работающий с переменной тягой, направленной против ветра.

3. Аэростат по п. 2, отличающийся тем, что от крепежной базы выдвинуты в обе стороны симметрично и поперек ветряному потоку полые крылья аэродинамического профиля.