АЭРОВЕТРОЭНЕРГОСТАТ ПРОТИВООБЛЕДЕНИТЕЛЬНЫЙ
AEROWINDENERGY BALLOON DE-ICING

Изобретение применяется для генерации энергии ветра в электроэнергию промышленных мощностей, достигаемых на высоте скоростных слоев атмосферы.
Настоящее устройство относится к аэростатам ветроэнергетического назначения, имеющим радиально-лопастную турбину, чья оси вращения совпадает с направлением ветра.
Большинство известных ветроэнергетических аэростатов (например виндроторный двигатель, патент RU 2637589 С1, 05.12.2017; он же в наземно-генераторном исполнении, патент RU 2638237 С1, 12.12.2017) не приспособлены к эксплуатации в условиях обледенения. Это оправданно в большинстве климатических зон, где в зимние время не создаются или создаются исключительно редко и кратковременно периоды благоприятной для обледенения погоды, а именно с температурой от -5°С до -10°С при влажности воздуха более 85%. В противных же случаях при негативных особенностях климата наличие противообледенительной (ПРО) системы в составе воздухоплавательных модулей ветрогенераторов является необходимым и обязательным. Без ПРО-систем потребуется прекращать работу установок на время частого и продолжительного обледенения, опускать воздухоплавательный модуль к наземному причальному узлу, тем или иным способом, например тепловой пушкой и/или реагентной обработкой, удалять ледяные образования прежде всего с аэростатных поверхностей.
Для борьбы с обледенением летательных аппаратов их лобовые сопротивления минимизируются, применяются механические, физико-химические и тепловые ПРО-системы. Разновидностью механического метода является пневматическая система, имеющая небольшую массу и энергоемкость, что делает ее предпочтительной в низко-скоростных потоках воздуха. При этом на защищаемой поверхности закрепляются сигнализаторы обледенения и эластичные пневмокамеры. Когда обледенение достигает толщины в 4-5 мм внутрь камер подается воздух, они раздуваются и раскалывают лед, который уносится ветром с защищаемой поверхности. Цикл очистки завершается стравливанием воздуха из объемов камер. Однако покрытие всей защищаемой поверхности пневмокамерами утяжеляет летательный аппарат и чаще всего технически возможно не повсеместно, в результате чего на подлежащих защите поверхностях остаются места и зоны, с которых удаление льда не происходит.
На ряду с этим из области практического воздухоплавания известен действующий германский полужесткий дирижабль Zeppelin NT LZ-N07, внутри газонаполненной оболочки которого размещены для поддержания устойчивой обтекаемой сигарообразной внешней формы аппарата мягкие герметичные мешки - баллонеты, наполняемые атмосферным воздухом.
Прототипом предлагаемого устройства может служить противообледенительно-аэростатный ветрогенератор (патент RU 2642008 С1, 23.01.2018), оснащенный ортогонально-лопастным ротором, ось вращения которого перпендикулярна направленности ветра. К отличительным признакам данного ветрогенератора относятся жестко-корпусной баллонет, частично выступающий снизу за пределы аэростатной оболочки, наличие ПРО-системы из указанного баллонета, компрессора и шлангового коллектора с автоматическими клапанами. Недостатками такого ветрогенератора являются утяжеление воздухоплавательного модуля из-за жестко-корпусного исполнения баллонета, вероятность утечек легкого аэростатного газа в результате его прямого и обратного перетоков, создаваемых компрессором через разветвленный шланговый коллектор и большое число запорной арматуры.
Сущность технического решения состоит в том, аэростат ветроэнергетического назначения оснащен упрощенной, более легкой и надежной противообледенительной системой, основным элементом которой является герметичный цилиндрический баллонет с мягкой гофрированной стенкой, жесткими крышкой и днищем. Находясь внутри мягкой аэростатной оболочки (за исключением части днища) и будучи заполнен атмосферным воздухом, баллонет создает в оболочке небольшое избыточное давление, достаточное для придания ей устойчивой обтекаемой аэродинамической формы и гладкой внешней поверхности. При обледенении внешней поверхности оболочки срабатывает ПРО-система, действие в первой фазе которой состоит в стравливании воздуха из баллонета, что понижает давление в оболочке, ведет к потери ее первоначальной формы, сморщиванию поверхности. Лед на поверхности оболочки растрескивается и ломается. Во время второй фазы работы ПРО-системы восстанавливаются заполнение баллонета атмосферным воздухом, избыточное давление внутри аэростатной оболочки, ее обтекаемая форма, натяжение и гладкость поверхности, в результате чего предварительно разрушенный лед под напором ветра удаляется с поверхности оболочки и сбрасывается вниз. Противообледенительное действие системы совершается за один двух-фазовый цикл или повторяется по мере необходимости. Настоящая ПРО-система может быть дополнена узлом тепловой завесы для защиты от обледенения элементов ветросилового блока, а именно, гондолы, содержащей в корпусе мультипликатор и электрогенератор, ступицы и комеля радиально-лопастной турбины, одетой с подветренного торца гондолы на ось вращения, совпадающую с направлением ветряного потока.
Целью изобретения является упрощение и снижение веса, повышение надежности противообледенительной системы аэростата ветроэнергетического назначения.
Поставленная цель достигнута тем, что входящий в состав аэростатной оболочки герметичный баллонет имеет вид цилиндра с мягкой гофрированной стенкой, жесткими крышкой и днищем, которое в основном выступает за пределы оболочки. Рамная подвеска с ветросиловым блоком крепится к днищу баллонета, от того же днища выдвинута в подветренную сторону консольная платформа с установленным на ней компрессором, с помощью которого атмосферный воздух подается через автоматический вентиль и соединительный шланг во внутренний объем баллонета, мягкие гофрированные стенки которого при этом распрямляются. В жесткое днище баллонета врезан спусковой автоматический клапан, при открытии которого воздух стравливается из баллонета в атмосферу, что происходит самотеком поскольку под тяжестью жесткой крышки баллонета его мягкая гофрированная стенка складывается и происходит вытеснение воздуха из внутреннего объема баллонета. Воздействие настоящей ПРО-системы ограничивается внешней поверхностью аэростатной оболочки, но может быть распространено на ряд элементов ветросилового блока аэростатно-ветроэнергетической установки, для чего она дополняется электрической тепловой пушкой, устанавливаемой на наветренном торце гондолы и с помощью обтекаемого отбойника, закрывающего пушку от ветра, направляющей горячий воздух вдоль корпуса гондолы на ступицу и комель радиально-лопастной турбины, одетой с подветренного торца гондолы на ось вращения, совпадающую с направлением ветра.
На фиг. 1 показан общий вид аэроветроэнергостата противообледенительной), баллонет которого заполнен атмосферным воздухом; на фиг. 2 - вид на воздухоплавательный модуль того же устройства с наветренной стороны после стравливания воздуха из баллонета.
Устройство состоит из воздухоплавательного модуля и причального узла, связанных привязными тросами 1 и трос-кабелем 2. В свою очередь воздухоплавательный модуль включает в себя мягкую аэростатную оболочку 3 с внутренним каркасом, а на внешней поверхности с меридианными лентами 4 и сигнализаторами обледенения. Внутри оболочки располагается герметичный баллонет в виде цилиндра с мягкой гофрированной стенкой 5, жесткими крышкой 6 и днищем 7, в основном выступающим за пределы упомянутой оболочки. В днище врезан автоматический спусковой клапан 8, к днищу же жестко крепится и свисает вниз рамная подвеска 9, чья плоскость перпендикулярна ветру, и выдвинута в подветренную сторону консольная платформа 10, на которой установлен компрессор 11, осуществляющий забор воздуха из атмосферы и подающий его через соединительный шланг 12 во внутренний объем баллонета при открытом автоматическом вентиле 13 и закрытом клапане. К горизонтальной, усиленной арочной фермой, перекладине 14 рамной подвески присоединен, имеющий возможность свободно раскачиваться, ветросиловой блок из радиально-лопастной турбины 15, одетой с подветренного торца гондолы 16 на ось вращения, совпадающую с направлением ветра, мультипликатора и электрогенератора внутри корпуса той же гондолы. Привязные троса протянуты от оконечностей боковин рамной подвески в двум соосным лебедкам 17, а трос-кабель свисает от гондолы до кабельной бухты 18. Лебедки, кабельная бухта с собственным механическим приводом находятся на подветренной стороне поворотной платформы 19 причального узла, основанием которого является наземная бетонная тумба 20. Установка может комплектоваться узлом защиты элементов ветросилового блока от обледенения в составе электрической тепловой пушки 21 и обтекаемого отбойника 22.
Аэроветроэнергостат противообледенительный (далее АэроВЭС) работает следующим образом. Мягкая аэростатная оболочка, одетая на каркас, заполняется легким газом - гелием или водородом, в объеме, необходимом для придания оболочки формы, близкой к хорошей обтекаемости, и достижения подъемной силы, достаточной для отрыва от земли и пространственной устойчивости воздухоплавательного модуля на высоте скоростных ветров, натяжения привязных тросовых связей с причальным узлом. Далее посредством компрессора при открытом автоматическом вентиле и закрытом автоматическом спусковом клапане атмосферный воздух через соединительный шланг закачивается в герметичный баллонет в виде цилиндра, его мягкая гофрированная стенка распрямляется, объем, занимаемый балонетом, увеличивается, что создает небольшое избыточное давление легкого газа, которое завершает создание законченной обтекаемой формы аэростатной оболочки и натягивает ее тканепленочный материал с образованием гладкой внешней поверхности. Троса и трос кабель синхронно стравливаются с барабанов лебедок и кабельной бухты. В процессе подъема модуля до необходимой высоты он разворачивается воздушным потоком по круговой траектории вокруг места привязки, увлекает за собой гибкие связи вместе с поворотной платформой причального узла и механизмами на ней. Ориентация модуля на ветер завершается после того, как горизонтальная ось вращения турбины совпадает с направлением ветра. При этом независимо от того, имеет ли воздухоплавательный модуль оптимальную ориентацию на ветер или происходит его пространственное перестроение в связи с изменением направленности ветряного потока, а также при наклоне натянутых привязных тросов под любым углом ось вращения турбины всегда горизонтальна под действием собственной силы тяжести ветросилового блока благодаря его возможности свободно раскачиваться на перекладине рамной подвески. Скоростной напор ветра вращает турбину, механическая энергия подается в электрогенератор, где преобразуется в электрическую энергию, направляемую по трос-кабелю через контроллер, аккумуляторную батарею и инвертор к потребителям. При изменении направления ветра его напор воздействует на наветренную боковую поверхность аэростатной оболочки и ветросиловой блок, воздухоплавательный модуль при стабильной горизонтальности оси вращения турбины совместно с поворотной платформой разворачиваются снова до тех пор пока направленность привязных тросов и трос кабеля не совпадет с новым направлением ветра.
При известных неблагоприятных погодных условиях на внешней поверхности аэростатной оболочки образуется наледь, о которой, если слой льда достигает 3-4 мм, сообщают сигнализаторы обледенения. Первая фаза работы ПРО-системы начинается с того, что открывается автоматический спусковой клапан в днище баллонета, под тяжестью жесткой крышки баллонета его мягкая гофрированная стенка складывается и воздух из баллонета самотеком стравливается в атмосферу. Объем баллонета, что до того занимал часть внутреннего объема аэростатной оболочки, резко уменьшается, давление легкого газа в оболочке падает, она теряет правильную обтекаемую форму, внешняя поверхность оболочки сморщивается. В результате ледяная корка на поверхности аэростаной оболочки трескается и ломается. Настоящая фаза завершается закрытием автоматического спускового клапана. Во второй фазе противообледенительного цикла включается компрессор, из которого при открытом автоматическом вентиле по соединительному шлангу атмосферный воздух закачивается в баллонет, который распрямляет свою мягкую гофрированную стенку и возвращает внутренний объем. Вновь возникает небольшое избыточное давление легкого газа внутри аэростатной оболочки, она восстанавливает свою завершенную обтекаемую форму, тканепленочный материал оболочки распрямляется, ее внешняя поверхность становится гладкой и освобождается от осколком льда. В случае необходимости двух-фазовый цикл работы ПРО-системы повторяется до тех пор пока сигнализаторы обледенения не сообщат, что внешняя поверхность аэростатной оболочки полностью очистилась.
Противообледенительные качества АэроВЭС могут быть улучшены и распространены на часть элементов его ветросилового блока. Для этого на наветренном торце гондолы устанавливается электрическая тепловая пушка, защищенная от ветра обтекаемым отбойником. Поток горячего воздуха из пушки первоначально направлен против ветра, затем изменяет свое направление на обратное, чему способствует упомянутый отбойник, и поступает в зазор между подветренной кромкой отбойника и поперечным габаритом гондолы, обтекает ее корпус, достигает ступицы и комеля радиально-лопастной турбины, одетой с подветренного торца гондолы на ось вращения, совпадающую с направленностью ветра.
АэроВЭС содержит признаки, уменьшающие сложность конструкции, понижающие ее вес и повышающие надежность, чем отличаются от упомянутого прототипа. В предлагаемом устройстве баллонет не только участвует в работе ПРО-системы, но выполняет свои прямые функции придания аэростатной оболочке законченной обтекаемой формы с ровной внешней поверхностью. Конструкция, прежде всего в части баллонета, является облегченной, что дает экономию объема легкого аэростатного газа, необходимого для положительной плавучести воздухоплавательного модуля. ПРО-система не использует в своей работе легкий газ, утечка которого возможна через элементы системы, а действует на атмосферном воздухе. Из системы выведен газовый коллектор и заменен соединительным шлангом, запорная арматура сведена к автоматическому вентилю и тем ограничивается. При этом установка сохраняет двойную мобильность: - вертикальную, когда ветросиловой блок размещается в широком диапазоне высот (на практике модельными аналогами достигнут уровень 300-600 метров от причального узла); - горизонтальную, когда установка может легко переноситься с места на место, менять климатические зоны размещения без ущерба для эффективной генерации электроэнергии от возобновляемого источника.