АЭРОСТАТНО-ПЛАВАТЕЛЬНЫЙ ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ
AEROSTATIC BALLOON NATATORIAL WIND TURBINE

Применяется для генерации энергии ветра в электроэнергию средних и больших мощностей, достигаемых в высотных скоростных слоях атмосферы.
Настоящее энергетическое устройство относится к ветряным двигателям, радиально-лопастной ротор которых имеет ось вращения, совпадающую с направлением ветра.
В ветроэнергетике промышленных мощностей существует проблема высокой долевой стоимости подъема силовых блоков на уровень скоростных ветров с помощью наземных сооружений: тяжелых мачт, башен и колонн на массивных бетонных фундаментах. При строительстве ветрогенератора серии Enercon Е-126 мощностью 7,58 МВт, генерируемой на высоте 198 метров, понадобилось создать несущую башню весом 2,8 тыс. тонн на фундаменте почти той же массы. При этом сам силовой блок почти на три порядка легче, а именно 712 тонн (http://5thelement.ru). В результате является актуальным разработка технических решений, основанных на применении иных средств размещения силовых блоков на максимально доступную высоту, в том числе при помощи аэростатных модулей из оболочек, наполненных газом легче воздуха, прежде всего безопасным гелием.
Последние достижения в технологиях и материалах воздухоплавания сделали возможным осуществление дозаправки газонаполняемых оболочек гелием не чаще одного раза в несколько лет, что повышает практические перспективы использования аэростатов в ветроэнергетических целях.
Исследования с применением радиально-лопастного ротора горизонтально-осевого вращения внутри аэростата в виде газонаполненного полого кольца (www.altaerosenergies.com) выявили, что начиная с высоты в 250-300 метров ветер достигает скоростных значений 20-25 м/с, далее начинается резкий и линейно стабильный прирост скорости ветра по мере дальнейшего подъема силового блока. Максимально достигнутая высота аэростатического подъема канадской турбины Altaeros составила 600 метров.
Известен второй вариант надземной ветрогенераторной системы (RU 2457358 С1, 27.07.2012), содержащей два раздвинутых газонаполненных оболочковых баллона, находящихся на одном уровне. Оси баллонов параллельны и совпадают с направлением воздушного потока, а в канале между ними установлены поперек ветра горизонтально-осевые роторы с лопастями Савониуса. Как и прочие роторы, чья ось вращения перпендикулярна направлению ветра (например, патенты RU 2537664 С1, 04.02.2014; RU 2572469 С1, 23.12.2014), устройство имеет низкий 0,25-0,30 КПД преобразования кинетической энергии атмосферных потоков в механическую энергию. К недостаткам данных систем относится работа со знакопеременными нагрузками на лопасти роторов, вследствие этого происходит сильная вибрация аэродинамических элементов, что передается на ось вращения и подшипниковые опоры. Роторы в таких устройствах, работая с частотой вращения 120-300 об/мин, являются скоростными, что требует их тщательной динамической балансировки.
В числе установок с наветренными радиально-лопастными роторами, чьи оси вращения совпадают с направлением ветра, известны устройства, на несущих мачтах которых установлены гондолы (патенты US 2010/0135794 А1, 03.06.2010; RU 2458246 C1, 31.03.2011), содержащие упомянутую ось вращения, подшипниковые опоры оси, электрогенератор. Тихоходный характер вращения таких роторов (20-45 об/мин) требует использования в составе гондол повышающих редукторов с передаточным отношением 20-52, что достигается применением планетарных мультипликаторов (www.termored.ru/vestas_v90.htm). КПД таких ветровых систем может по меньшей мере в 1,5 раза превышать эффективность преобразования энергии ветра, что реализуется роторами на осях вращения, перпендикулярных направлению воздушного потока.
Продольно-поперечная устойчивость аэровысотного ветрогенератора (патент RU 2535427 С1, 24.12.2013) обеспечивается программным управлением длиной тросов, связывающих воздухоплавательную часть устройства с наземными лебедками. В состав высотной парусной ВЭУ (патент RU 2467201 С2, 20.102010) входит причальный узел с поворачивающейся платформой, что позволяет расположенным на ней органам управления тросами разворачиваться синхронно с воздухоплавательной частью установки при изменениях направленности ветра, тем самым избегая скручивания и перехлеста тросовых связей.
Сущность технического решения состоит в применении механизма с увеличенным КПД преобразования кинетической энергии ветра в механическую, каковым является радиально-лопастной ротор на оси вращения, совпадающей с направлением воздушного потока. При этом реализуется необходимость совместимости по меньшей мере одного силового блока в виде гондолы, внутри которой размещены планетарный мультипликатор и генератор, а на ее оси с внешней стороны наветренного торца вращается упомянутый ротор, с аэростатным модулем и возможность оптимизации конструкции последнего компонента установки в направлении улучшения его аэродинамического качества, для чего газонаполненные баллоны модуля уложены и закреплены поперек на дуге арочной мостовой фермы, так что горизонтальная проекция модуля в сборе имеет дельта-видный контур, сориентированный на ветер. Профиль концевых баллонов изменен на арочный и дополнен килем, введен элемент поддержания продольной устойчивости воздухоплавательной части устройства за счет наличия горизонтально-плоскостного стабилизатора над кормой аэростатного модуля.
Целью изобретения является устойчивое получение большей ветроэнергетической мощности в скоростных слоях атмосферы, на высоту которых силовой блок устройства доставлен при помощи аэростатного модуля.
Поставленная цель достигается использованием радиально-лопастного ротора, что насажен на ось вращения, совпадающую с направлением ветра и выступающую навстречу воздушному потоку из по меньшей мере одной гондолы, включающей в себя кроме упомянутой оси вращения планетарный мультипликатор и генератор. Такой ротор наряду с обозначенными элементами гондолы образуют силовой блок, в одном или более числе поднятый на высоту скоростных от 20-25 м/с ветров с помощью аэростатного модуля, содержащего газонаполненные цилиндрические баллоны, взаимосвязанные в сборе так, что модуль в горизонтальном плане имеет дельта-видный контур, сориентированный продольной осью симметрии на ветер. Тот же модуль уложен и закреплен поперек на дуге арочной мостовой фермы, в площади которой находится по меньшей мере одна гондола, а с наветренной стороны - ротор. Концевые баллоны модуля имеют арочный профиль с вертикальными стенками, жесткими днищами, каждый оснащен килем, высота которого увеличивается в подветренную сторону. На вершине фермы установлен вертикальный кронштейн, горизонтально-плоскостной стабилизатор на его конце возвышается над кормой аэростатного модуля.
На фиг. 1 показан общий вид аэростатно-плавательного ветродвигателя; на фиг. 2 - вид на ветродвигатель сверху; на фиг. 3 - воздухоплавательная часть того же устройства, вид со стороны ветра;
Ветродвигатель 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 газонаполненных цилиндрических баллонов 3 и концевых баллонов арочного профиля 4, каждый с килем 5. Баллоны уложены поперек и закреплены на дуге арочной мостовой фермы 6, в площади которой размещена по меньшей мере одна гондола 7 с встроенными в нее планетарным мультипликатором и генератором, на ее ось вращения, совпадающую с направлением ветра, с наветренной стороны фермы насажен радиально-лопастной ротор 8. Над кормой аэростатного модуля с опорой на ферму возвышается вертикальный кронштейн 9, заканчивающийся горизонталь-плоскостным стабилизатором 10. Причальный узел устройства представляет из себя бетонную наземную тумбу 11 со свободно вращающимися осью 12 и платформой 13, на которой подветренно установлены две соосные лебедки 14, диаметрально расположенная к ним кабельная бухта 15.
Аэростатно-плавательный ветродвигатель работает следующим образом. После монтажа и крепления на открытой местности причального узла, сборки воздухоплавательной части устройства баллоны заполняются гелием до достижения положительной плавучести и совместно балансируются в горизонтальной плоскости, упомянутые узел и часть устройства соединяются тросами и трос-кабелем, которые затем медленно стравливаются с лебедок и кабельной бухты до тех пор, пока под воздействием аэростатической подъемной силы модуль с силовым блоком не достигнет высоты подъема, где среднегодовые скорости ветра составляют не менее 20-25 м/с. В это же время, воздухоплавательная часть ветродвигателя разворачивается воздушным потоком по круговой траектории вокруг причального узла и фиксируется так, что ее продольная ось симметрии совпадает с направлением ветра. Начиная с высоты, где скорость ветра для этого достаточна, возникает малая и по мере подъема возрастающая аэродинамическая подъемная сила. Скоростной напор ветра вращает ротор, механическая энергия поступает в планетарный мультипликатор и 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 наветренные боковые поверхности аэростатного модуля, который стремится совместно с подвешенными на нем опорными и силовыми устройствами переместиться туда же, куда стал дуть ветер. Воздействие ветряного напора усиливается и переориентация на ветер всей воздухоплавательной конструкции ускоряется благодаря наличию у концевых газонаполненных элементов вертикальных стенок и киля. Корме аэростатного модуля предстоит для разворота установки на переменившийся ветер описать в пространстве дугу большей длины, чем носовой части. Этому способствует увеличивающаяся высота каждого киля по направлению к корме концевых баллонов, а также боковая поверхность вертикального опорного кронштейна горизонтально-плоскостного стабилизатора. Движение переориентации передается на причальный узел через троса к лебедкам, от них поступает на свободно поворачивающуюся платформу и кабельную бухту. Круговое перемещение воздухоплавательной части устройства и соответствующее вращение 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 ветродвигателя исключает скручивание и перехлест тросов и трос-кабеля.
Для проведения ремонта и технического обслуживания установки, включая дозаправку баллонов гелием, при штормовых предупреждениях об ожидаемом превышении скоростью ветра критического порога в 45-50 м/с троса и трос-кабель наматываются соответственно на лебедки и кабельную бухту, воздухоплавательная часть устройства снижается к земле, где становится легко доступной, или временно размещается на безопасной высоте допустимых ветров.
Получения большей ветроэнергетической мощности при улучшенном КПД генерации недостаточно, если устройство работает не ровно, с низким качеством производимой электроэнергии. Необходимыми условиями хороших характеристик высотного ветродвигателя являются пространственная устойчивость аэростатно-плавательной системы, неизменно оптимальное положение роторной оси вращения в используемом по меньшей мере одном силовом блоке. Размещение газонаполненных баллонов по дуге, обращенной вершиной вверх, наличие в модуле аэродинамических поверхностей прежде всего у концевых баллонов создает дополнительные подъемные силы и способствует пространственной устойчивости воздухоплавательной части установки в целом и твердому совпадению ориентации оси вращения ротора с направленностью ветра, в частности. Горизонтально-плоскостной стабилизатор не дает корме аэростатного модуля приподниматься вверх, что без него имело бы место в результате напора ветра на радиально-лопастной ротор. Поперечной устойчивости устройства служит дельта-видный контур модуля в горизонтальной проекции, она же подстраховывается с земли за счет программного управления лебедками и регулирования с их помощью длиной тросов. Теми же тросами гасится реактивный момент, имеющий место вследствие работы радиально-лопастного ротора.
Применение настоящей аэростатно-плавательной системы особо актуально в климатических зонах, прежде всего континентальных, где среднегодовые скорости ветров на уровне приземного слоя атмосферы высотой до 100 метров слабы и не достаточны для генерации энергии воздушных потоков с достижением ветродвигателями бытовых и промышленно значимых мощностей, а подъем силовых блоков до скоростных ветров (от 300 и более метров) на башенных опорах является делом исключительным по сложности и объему затрат на строительство и даже невозможным на легких фунтах.
Ветродвигатель при его использовании на огромных пространствах регионов мира, подверженных пыльным бурям, уже при скорости ветра начиная от 8-10 м/с поднят за пределы приземного уровня в 70-150 метров с высокой концентрацией взвешенных в воздухе абразивных частиц грунта, производящих интенсивный износ ветроэнергетического оборудования.