АЭРОСТАТНЫЙ ВЕТРОГЕНЕРАТОР
BALLOON-BORNE WIND GENERATOR

Изобретение применяется для генерации энергии ветра в электроэнергию больших и крупных мощностей (от 200 до 1000 и более кВт), достигаемых в высотных скоростных слоях атмосферы с преимущественным использованием во внутриконтинентальных регионах.
Настоящий ветрогенератор относится к энергетическим установкам, работающим от ветра при вертикальном расположении оси вращения ортогональной турбины (виндроторы).
Из развития техники известны ветрогенерирующие установки, для которых в целях достижения большей вырабатываемой мощности применяется размещение турбинно-генераторных блоков в более высоких и скоростных слоях атмосферы. К таким устройствам следует отнести ветросиловые установки с применением аэростатов нейтральной и положительной плавучести. В типичной для них конструкции (патент SU №8970) горизонтально-осевые турбины и генераторы на большой высоте подвешены снизу или вокруг аэростата. Ориентация на ветер данного устройства не является достаточной для устойчивой работы турбин и обеспечивается лишь каплевидной формой аэростата. Лобовое сопротивление воздушных винтов на высоких скоростях ветра резким скачком возрастает, затем неизбежно последует потеря аэростатом оптимальной высоты, вплоть до соударения с грунтом. Турбины, установленные в кольцевой ферме, работают в разноскоростных потоках воздуха, особенно те, что расположены ниже и выше оболочки, аэростат будет раскачиваться, турбины - терять свое положение, оптимальное только при полном совпадении осей их вращения с направлением ветра. Электрический кабель от генераторов подвешен к причальному тросу(ам), при плановых спусках аэростата на землю вместе с тросами наматывается на барабаны лебедок, подвергаясь тем самым изгибам и износу, либо свободно ложится на грунт, где создает помехи и может быть непроизвольно поврежден.
При выборе типа турбины для внутриконтинентальных регионов, где ветра имеют переменчивую направленность и не стабильны по всем иным аэродинамическим параметрам, решающим является ее способность не требовать ориентации на ветер и работать в широком скоростном и турбулентном диапазоне. Такими качествами обладают только турбины виндроторов.
Из теории аэродинамического крыла (Житомирский Г.И. Конструкция самолетов. - М., Машиностроение, 1995, с.63) следует, что плоско-выпуклые профили имеют большую подъемную силу, существенно проще в изготовлении.
Сущность технического решения состоит в том, что турбинно-генераторный блок устройства поднят в скоростные слои атмосферы посредством связанной с ним через клеть из обхватывающих прутьев и ремней аэростатной оболочки в форме полой плоско-выпуклой линзы, плоское днище которой расположено горизонтально и обращено к земле, а по вертикальной оси симметрии имеет сквозной канал, где расположен цилиндрический корпус и вал, установленный в подшипниках, с насаженной на него ортогональной турбиной, передающей вращение к генератору. Причальные функции выполняют тросы, идущие от тех прутьев клети, что обхватывают оболочку снизу, со стороны плоского днища, до барабанов наземных лебедок. Электрический кабель свисает от генератора свободно и соосно устройству, будучи нижним незадействованным концом намотан на наземную бухту. Положительной плавучести и жесткой фиксации устройства в заданных координатах воздушного пространства призваны служить дополнительные меры в виде нагрева инертного газа внутри оболочки от теплопоглощающего покрытия и солнечных батарей с теплоизоляцией газового объема при помощи двойного днища.
Целью изобретения является улучшение пространственной устойчивости конструкции для получения электроэнергии больших и крупных мощностей от ветра в высотных скоростных слоях атмосферы над внутриконтинентальными территориями.
Поставленная цель является результатом того, что аэростатная оболочка устройства выполнена в виде полой плоско-выпуклой линзы с горизонтально расположенным плоским днищем, обращенным вниз, имея таким образом самый благоприятный аэродинамический профиль. Турбина вертикального класса является ортогональной с увеличенными линейными размерами крыловидных лопастей и достаточной площадью ометания, подшипниковые опоры ее вала разнесены по высоте и установлены в прочном цилиндрическом корпусе, вставленном в сквозное центрально-осевое отверстие аэростатной оболочки и имеющем жесткую связь с прутьями клети, обхватывающими оболочку. Узел преобразования кинетической энергии ветра во вращение турбины поднят над оболочкой в скоростные слои воздуха, а генератор помещен под ее днище, собственным весом, а также весом свисающего по оси симметрии устройства электрического кабеля, смещая центр тяжести ветрогенератора в оптимальное положение - ближе к земле. Незадействованный конец того же кабеля намотан на наземную бухту и может с нее стравливаться при подъеме устройства на большую высоту. Предусмотрена возможность применения дополнительно к аэростатной и аэродинамической подъемным силам термического фактора - теплопоглощающего покрытия и энергии от солнечных батарей на нагрев газового объема с его теплоизоляцией при помощи второго днища.
На фиг.1 показан общий вид аэростатного ветрогенератора (далее АВГ); на фиг.2 - вид на устройство сверху.
Устройство АВГ состоит из аэростатной оболочки 1, заключенной в клеть из гибких ремней 2 и жестких прутьев 3, связанных с цилиндрическим корпусом 4, где в подшипниках 5 вращается вал 6, на который сверху насажена ортогональная турбина 7, а снизу он же через муфту 8 передает вращение на генератор 9 со свисающим электрическим кабелем 10, чей свободный конец намотан на наземную бухту 11. Связь с фундаментом и регулировку высоты расположения установки осуществляют причальные тросы 12 с помощью наземных лебедок 13. В состав конструкции могут быть включены теплопоглощающее покрытие 14, солнечные батареи 15 и теплоизолирующее второе днище 16.
Аэростатный ветрогенератор работает следующим образом.
После сборки устройства на грунте оболочка 1 заполняется газом легче воздуха в количестве, обеспечивающем ее положительную плавучесть под действием аэростатической подъемной силы. Затем тросы 12 стравливаются с барабанов синхронно работающих наземных лебедок 13 до тех пор, пока установка не поднимется на заданную высоту, где подъемная сила умножается аэродинамической формой оболочки. Достигнут уровня высокоскоростных ветров, турбина 7 вращается с частотой, необходимой для выработки генератором 9 электроэнергии больших и крупных мощностей. Эффективность ветрогенерации повышается, если в составе турбины использовать вогнутые траверсы крыловидного сечения (патент RU №2485345). Ток от АВГ передается потребителям по кабелю 10, что подвешен к генератору 9 соосно устройству. В режиме технического ремонта и обслуживания, включая дозаправку оболочки газом, вновь включаются в работу лебедки 13, которые наматывают на свои барабаны тросы 12 и тем самым притягивают АВГ к земле.
Устойчивость конструкции улучшена применением комплекса технических мер, включающих применение полой плоско-выпуклой линзы в качестве аэростатной оболочки, которая при такой конфигурации профиля обладает улучшенными аэродинамическими характеристиками; опорой турбинного вала на разнесенные по высоте подшипники в простом и прочном цилиндрическом корпусе, связанном через прутья обхватывающей клети и соосно с аэростатной оболочкой, для чего последняя имеет соответствующее сквозное центральное осевое отверстие.
Тот же результат и заявленные технологические параметры устройства лучше достигаются за счет различного расположения турбины и генератора относительно аэростатной оболочки, верхняя дислокация турбины способствует ее работе в более скоростных слоях ветра, а нижняя позиция генератора способствует устойчивости АВГ за счет смещения вниз центра тяжести установки, поскольку известно, что в существующих ветроэнергетических системах вес генераторов в 1,7-2,5 раза превышает вес турбин. Тому же результату способствует вес свободно и отдельно от причальных тросов свисающей части электрического кабеля, когда он отходит от генератора соосно устройству в целом, без нарушения вертикального равновесия АВГ. Наземная бухта под незадействованный конец кабеля позволяет избежать его повреждений, убирать, когда устройство опускается к земле, а также стравливать кабель при необходимости подъема АВГ на большую высоту.
В особо возмущенных воздушных потоках требуется дополнительная оптимизация устойчивости АВГ, которой служит зависимый признак изобретения, состоящий в том, что на выпуклой стороне оболочки размещаются теплопоглощающее покрытие 14, солнечные батареи 15, а на ее плоской стороне имеется второе днище 16 из теплоизолирующего материала. Энергия от солнечных батарей подается на нагрев инертного газа, заполняющего оболочку, а теплопоглощающее покрытие и теплоизолирующее второе днище способствует парниковому эффекту, возникающему там же благодаря аккумуляции солнечного тепла и снижению теплопотерь от оболочки в окружающую среду. За счет разницы температур газа в оболочке и атмосферного воздуха положительная плавучесть устройства возрастает, его фиксация и устойчивость в пространстве улучшается.