АЭРОСТАТНОЕ КРЫЛО ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
AEROSTAT WING FOR WIND ENERGY PURPOSES

Применяется для генерации энергии ветра в электроэнергию средних и больших мощностей, достигаемых в высотных скоростных слоях атмосферы.
Настоящее ветроэнергетическое устройство относится к виндроторам, работающим от ветра при вертикальном расположении оси вращения ветроколеса с ортогональными лопастями крыловидного профиля.
В ветроэнергетике промышленных мощностей существует серьезная проблема высокой 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. Исследования с применением горизонтально-осевой турбины 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 установки канадской турбины Altaeros составила 600 метров.
Известно устройство (патент SU 8970 A1, 30.04.1929), аэростатный модуль которого отличен от упомянутой турбины и представляет из себя горизонтальную газонаполненную оболочку сигарообразной формы. Оси вращения турбин совпадают с направлением ветра и установлены в ферме, кольцом обхватывающим оболочку. В высотной системе (патент US 20130307274 A1, 21.11.2013) аэростатный модуль имеет в своем составе две, находящиеся на одной уровне газонаполненные оболочки каплевидной формы, занимающие вертикальное положение.
Второй вариант надземной ветрогенераторной системы (RU 2457358 C1, 27.072012) содержит два раздвинутых газонаполненных оболочковых баллона, находящихся на одном уровне. Оси баллонов параллельны и совпадают с направлением ветра, а в канале между ними установлены горизонтально-осевые ветроколеса с лопастями Савониуса.
Все перечисленные устройства действуют при наличиии аэростатической подъемной силы, аэродинамическими качествами не обладают, что не содействует их пространственной устойчивости на уровне скоростных ветров.
Сущность изобретения состоит в том, что ветроэнергетический блок, включающий центрально-осевой виндротор с ветроколесом вертикального вращения и ортогональными лопастями, поднимается на значительную высоту скоростных от 20-25 м/с ветров при помощи аэростатного модуля положительной плавучести. Устройство приобретает аэродинамическое качество, вместе с этим лучшую пространственную устойчивость на высоте своего подъема за счет укладки в одном уровне одинаковых, многочисленных и потому малогабаритных газонаполненных оболочковых баллонов в продольные ветру равновеликие ячейки горизонтальной стреловидной рамы. Суммарный объем легкого газа, которым обладает аэростатный модуль в целом и обеспечивается его необходимая подъемная сила, делится между многочисленными баллонами, массогабаритные параметры которых резко снижены в сравнении с громоздкими оболочками иных воздухоплавательных систем ветроэнергетического назначения, чем упрощается практическая реализация устройства и гарантируется большая безопасность эксплуатации, когда воздухоплавательная часть установки на определенных условиях не теряет плавучести при нештатной разгерметизации части газонаполненных баллонов. Для еще большей пространственной устойчивости воздухоплавательной части устройства, погашения реактивного момента от вращения ветроколеса, установка дополнительно комплектуется двумя идентичными боковыми виндроторами с ветроколесами одинакового встречного вращения относительно вращения центрально-осевого ветроколеса.
Целью изобретения является улучшение пространственной устойчивости аэровысотной установки ветроэнергетического назначения, надежности и безопасности применения, упрощение практической реализации устройства.
Поставленная цель достигается использованием горизонтальной стреловидной рамы - жесткого крыла, чья ось симметрии совпадает с направлением ветра. Площадь рамы разделена вдоль ветра стяжками на равновеликие, выстроенные в один и более ряд, ячейки, в каждую из которых уложены в одном уровне одинаковые малогабаритные, по меньшей мере больше двух, оболочковые баллоны, наполненные гелием. По оси симметрии рамы и в центре масс воздухоплавательной части устройства помещается центрально-осевой виндротор, его ветроколесо с ортогональными лопастями приподнято над газонаполненными баллонами, а генератор опущен вниз, смещая туда же центр тяжести всей высотной конструкции. Дополнительной стабилизирующей мерой является встраивание в состав устройства еще двух виндроторов. Оба одинаково смещены каждый в свою противоположную боковую сторону и от ветра относительно центрально-осевого виндротора, идентичны по габаритам и вращению ветроколес, которое направленно иначе, чем у ветроколеса центрально-осевого виндротора. Кроме того ветроколеса данных боковых виндроторов опущены ниже газонаполненных баллонов, а их генераторы соответственно подняты по меньшей мере на уровень указанных аэростатных элементов.
На фиг. 1 показан общий вид аэростатного крыла ветроэнергетического назначения (далее сокращенно «Ветроэнергокрыл»), на фиг. 2 - вид сверху на то же устройство.
«Ветроэнергокрыл» 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 горизонтальной стреловидной рамы 3, в которой использованы полые прокатные профили, разделенной продольными 4 и поперечными стяжками 4.1 на равновеликие ячейки, где уложены в одном уровне и закреплены ремнями одинаковые малогабаритные баллоны 5, чьи мягкие оболочки заполнены гелием. Основной силовой блок аэростатного модуля является центрально-осевым виндротором 6 с ветроколесом из ортогональных лопастей 6.1, что поднят над баллонами, и генератором 6.2, что находится ниже тех же баллонов. У боковых виндроторов 7, 8, оба встречного вращения относительно центрально-осевого виндротора, ветроколеса 7.1 и 8.1 опущены ниже газонаполненных баллонов, их генераторы 7.2 и 8.2 расположены по меньшей мере на одном уровне с ними. Причальный узел устройства имеет бетонную наземную тумбу 9 со свободно вращающимися осью 10 и платформой 11, на которой размещены две соосные лебедки 12, диаметрально расположенная к ним трос-кабельная бухта 13.
Данное устройство работает следующим образом. После монтажа и крепления на открытой местности причального узла, сборки воздухоплавательной части устройства баллоны 5 заполняются гелием до достижения положительной плавучести и совместно балансируются в горизонтальной плоскости, упомянутые узел и часть устройства соединяются тросами 1 и трос-кабелем 2, которые затем медленно стравливаются с лебедок 12 и бухты 13 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 «Ветроэнергокрыла» разворачивается по круговой траектории воздушным потоком вокруг причального узла и фиксируется так, что ее продольная ось симметрии совпадает с направлением ветра. Начиная с высоты, где скорость ветра для этого достаточна (предварительно не менее 7 м/с), возникает малая и по мере подъема возрастающая аэродинамическая подъемная сила. Скоростной напор ветра вращает ветроколесо 6.1, в противоположном направлении - ветроколеса 7.1 и 8.1, генераторы 6.2, 7.2 и 8.2 вырабатывают электроэнергию, направляемую потребителям через трос-кабель 2.
При изменении направленности воздушного потока его напор воздействует на наветренные боковые поверхности баллонов 5 и ветроколеса 6.1, 7.1 и 8.1, которые все вместе под этим давлением стремятся переместиться туда же, куда стал дуть ветер. Данное движение через трос 1 и трос-кабель 2, лебедки 12 и бухту 13 передается платформе 111, свободно поворачивающейся на оси 10 относительно неподвижной наземной тумбы 9. 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 конструкции исключает скручивание и разрушение тросов 1 и трос-кабеля 2.
Для проведения ремонта и технического обслуживания установки, включая дозаправку баллонов 5 гелием, при штормовых предупреждениях об ожидаемом превышении скоростью ветра критического порога в 50 м/с тросы 1 и трос-кабель 2 наматываются соответственно на лебедки 12 и бухту 13, воздухоплавательная часть устройства снижается к земле, где становится легко доступной, или размещается на безопасной высоте нормативных ветров.
Улучшение пространственной устойчивости «Ветроэнергокрыла» достигается прежде всего за счет обтекаемой (стреловидной) формы воздухоплавательного части устройства в плане и наличия развитых горизонтальных поверхностей, обращенных к земле, у газонаполненных баллонов. Возникающая от этого аэродинамическая подъемная сила не велика, мала для осуществления парения в воздухе, но вполне достаточна для указанной цели. Напор ветра на приподнятое ветроколесо центрально-осевого виндротора стремится наклонить корму воздухоплавательной части установки к земле, чему препятствует наличие опущенных ветроколес боковых виндроторов, напор ветра на которые производит обратное действие. Ветроколеса тех же боковых виндроторов, вращаясь одинаково против вращения ветроколеса центрально-осевого виндротора, гасят реактивный момент от действия последнего элемента конструкции.
Как правило, практическая реализация устройств с аэростатными модулями осложняется огромными габаритами мягких газонаполненных оболочек сложной объемной формы, что заставляет изготавливать их из воздухонепроницаемых прочных тканей (полиэстера или полиамида) со специальной силиконовой пропиткой путем сложного, трудоемкого раскроя и последующего сращивания кусков. Образуется большое число протяженных соединительных швов, ненадежность которых являющихся главной причиной разгерметизации оболочек и утечек гелия, аварийности аэро-высотных систем. Замена таких громоздких оболочек на большое число малогабаритных, простых по форме и исполнению газонаполненных баллонов снимает упомянутые проблемы практической реализации устройства, недостаточной надежности применения и эксплуатационной безопасности.
Применение аэростатного модуля из многочисленных газонаполненных баллонов позволяет установить положительную плавучесть «Ветроэнергокрыла» с таким расчетом, что внештатная утечка газа из нескольких баллонов не приводит к резкому падению воздухоплавательной части устройства, а только к плавной потери ею рабочей высоты. Есть время для экстренного снижения до причального узла с последующими действиями по выявлению мест газовых утечек и их герметизации.