ПАРНЫЙ АЭРОЭНЕРГОСТАТ
PAIR AEROENERGOSTAT

Применяется для генерации энергии ветра в электроэнергию промышленных мощностей, достигаемых на высоте скоростных слоев атмосферных потоков.
Предлагаемое устройство относится к области привязных воздухоплавательных аппаратов и может быть использовано в ветроэнергетических целях с применением электрогенератора наземного или надводного базирования.
Из сведений о высотных ветроэнергетических системах (AWE) известны устройства, чьи воздухоплавательные модули состоят из двух аэростатов, объединенных за одно целое и тем самым обладающих высокой совокупной грузоподъемностью. При этом устойчивый просвет между аэростатами, в котором размещаются ветровоспринимающие элементы, как правило ортогонально-лопастные виндроторы, чья ось вращения перпендикулярна направлению ветра, обеспечивается жесткой рамой в ветродвигателе (патент SU 1509560, 02-09-1987), горизонтальными платформами в воздушной генераторной системе (WO 2009131278, опубл. 29-10-2009), с помощью подвешенных к аэростатам на стропах полой балки в воздушном ветрогенераторе (патент KR 20120013682, 15-02-2012), а также мостовой фермой в аэростатно-плавательном ветрогенераторе (WO 2016122348, опубл. 04-08-2016). В последнем устройстве применение фермы с непрямым нижним поясом позволяет заменить виндротор на радиально-лопастную турбину, ось вращения которой совпадает с направлением ветра, что повышает на 17-33% эффективность преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию при работе такого аэроэнергостата (WO 2021162577, опубл. 19-08-2021). Таким образом следует, что применяемые на сегодня средства соединения двух аэростатов за одно целое неизменно утяжеляют воздухоплавательные модули, за которым следует необходимость создать дополнительную аэростатическую подъемную силу, увеличив габариты и затраты легкого газа на заполнение оболочек каждого из двух аэростатов ветроэнергетических систем.
Стремление снизить высокие материально-финансовые издержки при подъеме массивных ветросиловых блоков промышленной мощности в воздух на 300-600 метров до уровня скоростных ветров и удержании их там в ряде ветроэнергетических устройств воплощается через разделение силового блока, когда турбина остается в составе воздухоплавательного модуля, а электрогенератор переносится вниз, где устанавливается на наземном причальном узле. При этом энергия турбины, воспринятая от ветра, передается в электрогенератор с помощью гибкой связи, как правило стального троса. Из весьма распространенных примеров можно привести наземно-генераторные ветродвигатели (патенты RU 2612492, 09-03-2016 и 2638237, 20-01-2017), роторную кайтовую ветроэнергетическую систему (патент US 9587630 В2, 07-03-2017). Слабым звеном указанных и им подобных устройств являются гибкие тросовые связи, передающие механическую энергию с высоты ветровоспринимающих элементов в наземный электрогенератор, т.к. эти связи работая с большими скоростями вращения испытывают скручивающее напряжение, что для тросов является самой нежелательной и разрушающей нагрузкой. Кроме того эти гибкие связи наклонены к земле из-за смещения воздушных модулей под напором ветра, что при их необходимой длине по меньшей мере от 300 метров создает биение тросов, вызывающие сильную вибрацию прежде всего высотного оборудования. Биение можно частично погасить, придав тросу устойчивое положение близкое к вертикальному, что предпринимается в аэростате наземно-генераторном (патент RU 2671667, 16-01-2018) или средствами по существу направленными на то же к привязным тросам в аэроэнергостатах (WO 2020159402, опубл. 06-08-2020; WO 2021162577, опубл. 10-08-2021). Однако полное устранение биения энергомеханической связи посредством быстро вращающегося троса едва ли возможно из-за аэродинамической нестабильности окружающей воздушной среды в приземном пространстве.
В этой связи интересна система генерирования электроэнергии (патент US 20130307274, 21-11-2013), в которой механическая энергия, полученная от ветра над землей, передается в наземный электрогенератор через троса, совершающие возвратно-поступательные движения. Главной же особенностью данной системы по существу является отказ при использовании ветряной энергии от такой движущей силы процесса, как аэродинамические свойства воздушного винта. Система в этих целях действует на основе изменяемой парусности ветровоспринимающих элементов - матерчатых конусов, которые благодаря раструбам, направленным на ветер, наполняются воздухом, приобретают максимально возможную парусность и увлекаются ветром от причального оборудования. При этом конуса тянут за собой троса, которые намотаны на барабаны упомянутого оборудования, тем самым приводят их во вращение, которое передается на валы электрических машин, действующих во время этого рабочего цикла в режиме генераторов. После того, как троса полностью стравливаются с барабанов наступает холостой цикл работы конусов, при котором они принудительно схлопываются, теряют парусность, притягиваются в исходное положение тросами, что наматываются на барабаны, изменившие направленность вращения при переключении электрических машин в режим двигателей. Производство электроэнергии данной системой не прерывается, поскольку часть конусов расправлены и тянут за собой троса, а другая часть конусов схлопнута и принудительно тянется тросами в обратном направлении. Размещение конусов на неизменяемой высоте обеспечивается двумя аэростатами сигарообразной формы, которые поднимают вверх надутые сжатым воздухом горизонтальные рукавные трубы, перпендикулярные направлению ветра и через которые перекинуты тросовые связи от конусов на наветренную сторону труб до наземного оборудования. В целом система сложна и ненадежна, в ней не исключен перехлест тросов, сбой в моменты перехода конусов с режима схлопывания к восстановлению конусной формы. Ориентацией на ветер устройство не обладает, при малейшем боковом ветре система прекращает производить электроэнергию. Между тем по ряду признаков данная система генерации электроэнергии от ветра может считаться прототипом предлагаемого парного аэроэнергостата.
Нечто подобное по существу вышеупомянутой системы генерации реализуется в конструкции установки, создаваемой немецкими компанией SkySails Power при участии энергетического гиганта RWE Renewables, с той лишь разницей, что в качестве ветровоспринимающего элемента используется крыловидный парашют, который с помощью подъемного механизма доставляется до высоты наполнения его сильной струей воздуха, после чего начинает самостоятельно подниматься вверх и вытягивает за собой трос с барабана лебедки, который в следствии этого вращается вместе с встроенным в нее генератором. Однако для подъема парашюта он должен поймать восходящий поток воздуха, а далее не может бесконечно набирать высоту и на определенной высоте парашют останавливается и принудительно возвращается вниз, для чего процесс производства энергии от ветра прекращается, а сменяется на потребление данной системой энергии из сетевого источника.
Информационный поиск выявил, что в качестве прототипа заявленного изобретения может быть также указан ветряной ротор (патент US 4470563, 11-09-1984). Конструкция включает в себя воздухоплавательный модуль содержащий аэростат и подвешенные к нему на стропах два раздвинутых распорным элементом воздушных винта, вращающихся встречно, полученная от ветра механическая энергия которых передается с помощью гибкой связи вниз к наземному причальному узлу в электрогенератор, установленный на поворотном платформе. Ветроэнергетическое назначение устройства реализуется, в том числе, за счет наличия в высотном модуле двух ведущих шкивов раздельных гибких передач вращения с осей воздушных винтов на общий ведомый шкив вертикального вала электрогенератора. При этом одна из связей является открытой, а вторая - перекрестной. Так как в качестве гибких связей используются стальные троса, будет происходить их проскальзывание на шкивах, что делает передачи вращения нестабильными, а в перекрестной гибкой связи подверженной истиранию.
Сущность технических решений состоит в том, что работа по генерации энергию на высоте скоростных воздушных потоков осуществляется непосредственно парой привязных аэростатов обтекаемой формы, один из которых использует для этой цели аэростатическую подъемную силу и имеет для этого необходимый объем газонаполнения, а второй аэростат с меньшим объемом газонаполнения обладает изменяемой парусностью. Рабочий процесс при этом состоит из двух попеременно сменяемых циклов. В одном цикле менее газонаполненный аэростат наделяется максимально возможной парусностью, под напором ветра он удаляется от наземного причального узла, через гибкую связь передает кинетическую энергию своего движения в электрогенератор на причальном узле и одновременно притягивает более газонаполненный аэростат с высокого уровня зависания ближе, но не в плотную, к причальному узлу. В другом цикле парусность менее газонаполненного аэростата минимизируется, его перемещение от причального узла затухает. Подъемная сила аэростата с большим объемом газонаполнения осуществляет его перемещение вверх, которому лишь незначительно препятствует аэростат с меньшим объемом газонаполнения, ставший аэродинамически обтекаемым. Одновременно через гибкую связь кинетическая энергия поднимающегося вверх аэростата передается в тот же, что и ранее, электрогенератор.
Цель изобретения является устранение причин неудовлетворительной работоспособности и соответственно ничтожной промышленной ценности систем передачи энергии высотных скоростных ветра от воздухоплавательной части устройств к электрогенератору на причальном узле.
Поставленная цель достигается тем, что воздухоплавательную часть парного аэроэнергостата составляют два привязных аэростата обтекаемой формы с отличающимися объемами газонаполнения. При этом аэростат с меньшим объемом газонаполнения способен резко изменять свою парусность за счет наличия поверх оболочки опорного бандажного кольца, по всей окружности которого с равным шагом установлены на рояльных петлях металлические пластины. Пластины могут либо прилегать к оболочки на стороне носовой части аэростата, либо приподниматься над оболочкой под острым углом на ветер. В последнем случае аэростат приобретает максимальную парусность. Для возврата к минимальной парусности аэростата под каждой пластиной предусмотрен электромагнит, при включении которого от бортового аккумулятора пластины плотно прилегают к оболочке, чем возвращается аэродинамическая обтекаемость аэростата.
Оба аэростата неразрывно соединены собственными стальными тросами с одной из двух катушек гибкой связи причального узла. Оси катушек параллельны, их вращение является встречным благодаря обоюдного взаимодействия через цилиндрическую зубчатую передачу. Цилиндрическая зубчатая передача установлена на встречно направленных концах катушечных осей, а противоположно направленные концы тех же осей посредством усиленных цепных передач соединены через автоматические муфты сцепления с валом электрогенератора.
На фиг. 1 показан общий вид устройства (далее - парный аэроЭС) во время рабочего цикла, при котором вращение на вал электрогенератора поступает от аэростата с меньшим объемом газонаполнения при его увеличенной парусности; на фиг. 2 - вид А; на фиг. 3 - общий вид парного аэроЭС во время цикла, при котором вращение на вал электрогенератора поступает от набирающего высоту аэростата с большим объемом газонаполнения; на фиг. 4 - вид В; на фиг. 5.1 - механизм, изменяющий парусность аэростата с меньшим объемом газонаполнения в режиме увеличения парусности; на фиг. 5.2 - тот же механизм в режиме уменьшения парусность того же аэростата; на фиг.6 - вид сверху и кинематическая схема оборудования на поворотной платформе причального узла.
Предлагаемый парный аэроЭС имеет воздухоплавательную часть из аэростата 1 с меньшим объемом газонаполнения и изменяемой парусностью, аэростата 2 с большим объемом газонаполнения. Аэростаты обтекаемой формы соединены с катушками гибких связей 3 и 4 собственными тросами 5 и 6, позиции 5.1 и 5.2, 6.1 и 6.2 указывают направления, в которых троса натягиваются во время сменяемых циклов работы устройства. Катушки вращаются встречно через цилиндрическую зубчатую передачу 7 (фиг. 6). От катушек их вращения через усиленные цепные передачи 8 и 9, попеременно включаемые автоматические муфты сцепления 10 и 11 поступают на вал электрогенератора 12. Упомянутые катушки и электрогенератор относятся к горизонтально-осевому оборудованию, установленному на поворотной платформе 13 причального узла 14 со взаимным смещением в одну сторону от его центральной оси 15.
Изменения парусности аэростата с меньшим газонаполнением осуществляется механизмом, состоящим из опорного бандажного кольца 16, одетого поверх тканепленочной оболочки и разделяющей ее на носовую и кормовую части. По периметру кольца с равным шагом установлены на рояльных петлях 17 металлические пластины 18. Под каждой из них помещен электромагнит 19, включение которых от бортового аккумулятора 20 заставляет пластины прилегать к аэростатной оболочке в ее носовой части. При отключенных электромагнитах пластины под напором ветра отрываются от оболочки и образуют с ней на ветер острый угол, который фиксируется наличием у пластин направленного к корме выступа 21 и скоса под заданным углом подветренной кромки опорного бандажного кольца.
Чтобы погасить излишнее смещение аэростата с большим объемом газонаполнения от причального узла, на поверхности его кормы может быть использовано чешуйчатое покрытие, как в привязном аэростате (патент RU 2731789, 21-02-2020). На территориях наземной дислокации установки с нестабильной приземной атмосферой в следствии сложности рельефа или наличия высотных сооружений парный аэроЭС целесообразно наделить процессором, электрическими авиадвигателями на корме корпуса аэростата с большим газонаполнением, датчиками давления ветра на носу и боковых поверхностях аэростатных оболочек и исполнительным механизмом в составе причального узла, вместе образующих надежную систему принудительной ориентации воздухоплавательной части устройства на ветер и известную из патента на аэроэнергостат (WO 2020/159402, публ. 06-08-2021).
Парный аэроЭС устанавливается и работает следующим образом. По месту дислокации установки сооружается причальный узел на поворотной платформе которого монтируется оборудование в составе катушек гибких связей, цилиндрической зубчатой и усиленных цепных передач, электрогенератора с автоматическим муфтами сцепления на выступающих концах его вала. Далее при выключенных автоматических муфтах сцепления к свободному концу троса от одной из катушек гибких связей присоединяется аэростат с большим объемом газонаполнения. Трос стравливается с катушки до тех пор пока аэростат не поднимется в воздух на значительную высоту. Затем следует соединение свободного конца другого троса второй катушке гибких связей с аэростатом, имеющим меньший объем газонаполнения. Этот трос уже принудительно стравливается со своей катушки, чтобы данный аэростат, электромагниты которого включены, что дает прижатие пластин на его опорном бандажном кольце к аэростатной оболочке и минимизирует парусность аэростата, достиг высоты скоростных ветров примерно на отметке в 300 метров. Поскольку катушки связаны цилиндрической зубчатой передачей и встречно вращаются, одновременно с подъемом второго аэростата происходит спуск ранее присоединенного аэростата на меньшую высоту до отметки в 350 метров. Разнос аэростатов по высоте не позволяет им соприкасаться, а тросам перехлестываться.
Для осуществления начального рабочего цикла парного аэроэЭС электромагниты на аэростате с меньшем объемом газонаполнением отключаются и пластины по периметру его опорного бандажного кольца перестают прилегать к аэростатной оболочке, под напором ветра устанавливаются на ветер под острым углом. Приобретя максимально возможную парусность данный аэростат начинается поступательно удаляться от причального узла. С начального момента такого движения данный аэростат совершает следующую полезную работу: -через свой трос приводит во вращение катушку, с которой имеет гибкую связь, это вращение через усиленную цепную передачу, способную передавать мощность до 5000 кВт, и включенную соответствующую автоматическую муфту сцепления поступает в электрогенератор, где преобразуется в электрическую энергию; -через цилиндрическую зубчатую передачу вращает катушку гибкой связи аэростата с большим объемом газонаполнения так, что трос на эту катушку наматывается, а привязанный к тросу аэростат опускается вниз к причальному узлу, где зависает на отметке в 200-250 метров.
Последующий рабочий цикл парного аэроЭС начинается с того, что выключается ранее задействованная автоматическая муфта на валу электрогенератора, а аналогичная муфта на противоположном конце генераторного вала включается. Так же включаются электромагниты аэростата с меньшим объемом газонаполнения. При этом пластины, создающие максимальную парусность этого аэростата, прижимаются к аэростатной оболочке, данный воздухоплавательный элемент установки приобретает обтекаемость, его поступательное движение от причального узла затухает. В результате перечисленных действий аэростат с большим объемом газонаполнением приобретает способность использовать свою аэростатическую подъемную силу и набирать высоту. Во время поступательного подъема данного аэростата им совершается следующая полезная работа: - через его трос приводится во вращение та их катушек, с которой он имеет гибкую связь, это вращение через другую, чем ранее, усиленную цепную передачу и другую, чем ранее, включенную автоматическую муфту сцепления поступает в электрогенератор, где преобразуется в электрическую энергию; - через цилиндрическую зубчатую передачу вращает катушку гибкой связи аэростата с меньшим объемом так, что трос на эту катушку наматывается и притягивает привязной аэростат к причальному узлу до зависания над ним с незначительным смещением в подветренную сторону.
Таким образом функциональная схема парного аэроЭС и состав его оборудования позволяет устранить из воздухоплавательной части устройства радиально-лопастные турбины и передачу их механической энергии вращения, полученной от ветра, к наземному электрогенератору посредством ременной передачи, неработоспособной после замены в ней ремня на стальной трос. Кроме того отсутствие необходимости в лопастях типового 50-метрового размера снимает проблему доставки негабаритного груза к месту назначения, а также допускает работу установки на скорости ветра более 25 м/с, которая является критическим значением для турбин с лопастями из композита. Ветровоспринимающая работа в предлагаемом устройстве выполняется без применения множества мягких конусов, процесс наполнения которых воздухом при выводе их из схлопанного состояния, не может происходить без сбоев в реальной приземной атмосфере. Эта задача решается аэростатом переменной парусности, которая изменяется специальным механизмом. Цель изобретения, состоящая в снижении издержек при производстве и применении парного аэроЭС дает впечатляющий результат прежде всего в воздухоплавательной части устройства, где экономия ресурсов, например при генерации электроэнергии мощностью 150 кВт, составит 20 тыс.м3 легкого газового носителя. Аэростаты, в отличии от дирижаблей с их топливными баками, коллекторами и дизельными двигателями, являются более безопасными средствами воздухоплавания с использованием водорода, что многократно снижает стоимость любой высотной системы, не исключая AWE.
Еще большие преимущества парный аэроЭС имеет при его надводном базировании. Если для сооружения действующих оффшорных ветрогенераторов требуются подводная конструкция чаще всего в виде неподвижной тяжелой колонны, надежно опирающейся или заделанной в морской грунт, то установка причального узла парного аэроЭС, на работу которого не влияет морская качка, возможна на надводной плавающей базе, пришвартованной стальными канатами к донным анкерам или якорям.
Береговые шельфы мирового океана имею глубины до 200 метров. Однако полностью шельфовые пространства не используются под цели ветряной энергетики из-за высокой стоимости подводных ветрогенераторных опор, что оставляет за ветропарками только мелководную часть шельфов, где глубины морей не превышают 100 метров. Такое ограничение не распространяется на парные аэроЭС при их надводно-морском базировании. Более того данная система генерации имеет предпосылки выйти за пределы оффшорных зон и устанавливаться наиболее дешевым способом над рекордными около 600-метровыми глубинами, которых достигли морские нефтяные платформы. Актуальность парного аэроЭС на надводной плавающей базе подтверждают сведения о проводимых американской компании Principle Power разработках при финансовом участии японской Tokyo Gas в области глубоководной морской ветроэнергетики.