Высотная ветровая энергетическая установка
HIGH-ALTITUDE WIND-DRIVEN POWER PLANT

Изобретение относится к авиации, в частности к воздухоплаванию, а именно, к устройству привязных аэростатных комплексов, предназначенных для подъема ветроэнергетических установок и обеспечения их работы на больших высотах.
Преимуществами ветровой энергии являются: доступность, возможность повсеместного распространения и практически неисчерпаемость ресурсов, что чрезвычайно важно для труднодоступных (арктических, степных, пустынных, горных и т.п.) районов, удаленных от источников централизованного энергоснабжения, и для относительно мелких (до 100 кВт) потребителей энергии, рассредоточенных на обширных пространствах.
Основное препятствие к использованию ветра как энергетического источника - непостоянство его скорости и, следовательно, энергии во времени. Мощность ветрового потока пропорциональна кубу скорости ветра. Поэтому даже относительно небольшие его изменения приводят к значительным колебаниям мощности, развиваемой ветроэнергетическими установками.
Средняя скорость ветров в приземном слое атмосферы не может быть большой из-за сильного тормозящего эффекта поверхности Земли. По мере удаления от нее средние скорости ветров растут и на больших высотах достигают величин, в 2-4 раза превышающих значения, наблюдаемые в приземных слоях атмосферы. К тому же, ветры на высоте относительно постоянны. Поэтому ветровые энергетические установки необходимо поднимать на большие высоты, измеряемые километрами, а не десятками метров. Рекомендуется размещать ветровые энергетические установки на высотах от 2000 до 5000 метров. В перспективе и выше по мере накопления опыта их эксплуатации. Для подъема ветровых энергетических установок выгодно использовать технические возможности современных привязных аэростатов, которые могут удерживать их на заданной высоте стоянки недели, месяцы и даже годы. Принципиально важно, что комплекс «привязной аэростат - ветровая энергетическая установка» способен автоматически подстраивается под изменение интенсивности ветра, сглаживая колебания вырабатываемой электрической мощности. Одновременно, в пределах заданных технических характеристик, комплекс может подавать потребителям ровно столько электрической мощности, сколько им требуется в данный момент времени. Это значит, что при использовании соответствующих алгоритмов управления необходимость в накопителях энергии отпадает.
Известна высотная ветровая энергетическая установка, содержащая аэростат и подвешенный на ферме под его нижней поверхностью лопастной ветряной двигатель, ось вращения которого расположена горизонтально или параллельна продольной оси аэростата. К нижней вершине фермы, к переднему узлу оси вращения ветряного двигателя и к носовой шайбе аэростата подсоединены ответвления общего кабель-троса, противоположный конец которого сдается или выбирается барабаном наземной лебедки. (Б.Б. Кажинский, А.Г. Уфимцев. Патент СССР №8970 от 30.04.1929 г.).
Такая конструкция имеет несколько недостатков:
- диаметр винта ограничен допустимыми габаритами фермы подвески;
- реактивный момент на статоре генератора воспринимается моментом силы веса, приложенной в центре тяжести, на плече, создаваемым креном всего комплекса, что при постоянных изменениях электрической нагрузки приводит к колебаниям крена и раскачке всего аппарата;
- подъемная сила аэростата должна быть больше суммы веса ветряного двигателя и привязного троса для заданной высоты стоянки;
- суммарная сила сопротивления аэростата и ветряного двигателя в направлении оси его вращения создает повышенные нагрузки на привязной трос, способные привести к его обрыву.
Известна высотная ветровая энергетическая установка, включающая аэростат кольцевой формы со сквозным каналом в центре. В средней части канала на узлах крепления подвешен ветряной двигатель с соосными винтами противоположного вращения и генератором между ними (Ф.С. Ионга. Патент СССР №5543331.08.1939 г.).
Недостатками такой компоновки являются:
- повышенное аэродинамическое сопротивление корпуса;
- увеличенная миделевая площадь аэростата за счет большой потери полезного объема из-за устройства сквозного воздушного канала, питающего ветряной двигатель;
- ограниченный диаметр винтов;
- повышенная потребная подъемная сила аэростата, которая должна быть больше суммы веса ветряного двигателя и привязного троса для заданной высоты стоянки.
Известна высотная ветровая энергетическая установка, включающая аэростат двояковыпуклой формы, связанный с поверхностью земли при помощи наклонных тросов, образующих пространственную систему фиксации аппарата в заданной точке высоты. Сверху и снизу оболочки аэростата размещены соосные винты ветряного двигателя противоположного вращения. Валы винтов проходят сквозь всю высоту оболочки к мультипликатору, обеспечивающему механическую связь винтов и преобразующему низкооборотное вращение валов винтов в высокооборотное вращение роторов генераторов. Генераторы скомпонованы на оси вращения каждого винта. Изменение высоты подъема аппарата и изменение угла атаки винтов по отношению к воздушному потоку достигается соответствующим изменением длин удерживающих тросов при помощи управления лебедками (А.Г. Торовец, А.А. Старочкин. Патент SU №1783143 от 12.02.1991 г.).
По технической сущности указанная схема (А.Г. Торовец, А.А. Старочкин. Патент SU №1783143 от 12.02.1991 г.) выбрана в качестве наиболее близкого прототипа.
Недостатками прототипа являются:
- затрудненный доступ для обслуживания генератора и мультипликатора, находящихся внутри несущей оболочки;
- затрудненный доступ к обслуживанию верхнего винта;
- проблемы с охлаждением генераторов и мультипликатора в замкнутом объеме;
- повышенное аэродинамическое сопротивление аппарата в целом;
- невозможность точного регулирования углов атаки плоскости вращения винтов в условиях изменения динамического потолка и неопределенности в натяжении удерживающих тросов под воздействием набегающих потоков с разных направлений.
Задачей изобретения является поиск комплексного технического решения, позволяющего уменьшить потребный объем аэростата за счет обеспечения компенсации веса троса, а также устранение перечисленных недостатков прототипа.
Задача изобретения решается тем, что предложено использовать лопастной ветряной двигатель с соосными винтами противоположного вращения, который с помощью верхнего разъема шарнирного сочленения подвешен к узлу привязи аэростата, а с помощью нижнего разъема шарнирного сочленения соединен с кабель-тросом.
Полученный технический результат характеризуется следующими существенными признаками:
- лопастной ветряной двигатель состоит из двух соосных винтов противоположного вращения, механически связанных между собой и с блоком генератора электрической энергии, который может включать мультипликатор;
- лопастной ветряной двигатель с помощью верхнего разъема шарнирного сочленения подвешен к узлу привязи аэростата, а с помощью нижнего разъема шарнирного сочленения соединен с кабель-тросом;
- углы атаки плоскости вращения винтов по отношению к набегающему воздушному потоку и связанное с ними угловое положение оси вращения винтов обеспечено возможностью изменения значений углов в пределах диапазона от 0 до 50 градусов посредством воздействия исполнительных устройств системы управления.
- блок генератора электрической энергии, который может включать мультипликатор, закреплен под плоскостью вращения нижнего винта, или:
- блок генератора электрической энергии, который может включать мультипликатор, закреплен над плоскостью вращения верхнего винта, или:
- блок генератора электрической энергии, который может включать мультипликатор, установлен между плоскостями вращения верхнего и нижнего винтов.
- мультипликатор блока генератора электрической энергии установлен между плоскостями вращения верхнего и нижнего винтов, а генератор закреплен под плоскостью вращения нижнего винта, или:
- мультипликатор блока генератора электрической энергии установлен между плоскостями вращения верхнего и нижнего винтов, а генератор закреплен над плоскостью вращения верхнего винта.
На Фиг. 1 показана схема высотной ветровой энергетической установки, у которой блок генератора электрической энергии закреплен под плоскостью вращения нижнего винта.
На Фиг. 2 показана схема высотной ветровой энергетической установки, у которой блок генератора электрической энергии закреплен над плоскостью вращения верхнего винта.
На Фиг. 3 показана схема высотной ветровой энергетической установки, у которой блок генератора электрической энергии установлен между плоскостями вращения верхнего и нижнего винтов.
На Фиг. 4 показана схема высотной ветровой энергетической установки, у которой мультипликатор блока генератора электрической энергии установлен между плоскостями вращения верхнего и нижнего винтов, а генератор закреплен под плоскостью вращения нижнего винта.
На Фиг. 5 показана схема высотной ветровой энергетической установки, у которой мультипликатор блока генератора электрической энергии установлен между плоскостями вращения верхнего и нижнего винтов, а генератор закреплен над плоскостью вращения верхнего винта.
Устройство высотной ветровой энергетической установки по Фиг. 1, 2, 3, 4, 5 включает:
в
T
корпус аэростата (1) оптимальной формы, например «ПФ», с вертикальными (2) и боковыми (3) стабилизаторами в хвостовой части. Стропы (4) узла привязи (5), в котором шарнирно подвешен блок ветряного двигателя, включающий соосные винты (6) и блок генератора электрической энергии (7), состоящий из генератора, исполнительного устройства системы управления (9) и может включать мультипликатор (11). Снизу через шарнирный узел (8) к ветряному двигателю подсоединен привязной трос (10). Ось вращения соосных винтов имеет заданное исполнительным устройством системы управления (9) положение относительно линии примыкающего участка троса. W - скорость воздушного потока, набегающего на ветровую энергетическую установку. R - полная подъемная сила тяги винтов. Y - вертикальная составляющая подъемной силы тяги винтов. X - горизонтальная составляющая силы тяги винтов, α - угол дифферента аэростата, α - угол атаки диска винта, ϕ - угол отклонения привязного троса на участке, примыкающем к шарнирному узлу.
Устройство высотной ветровой энергетической установки работает следующим образом (Фиг. 1, 2, 3, 4, 5).
Основное отличие предлагаемого решения устройства высотной ветровой энергетической установки от установок с горизонтальной осью винта состоит в том, что плоскости вращения винтов работают на рабочих углах атаки, когда вектор полной силы тяги винтов направлен в основном вверх и частично назад по потоку в соответствии с заданным режимом (Фиг. 1). Поэтому помимо крутящего момента на валу генератора установка может поднимать служебный груз, например вес кабель-троса, сдаваемого с лебедки, что в два три раза уменьшает потребный объем несущей оболочки. В то время как полная аэродинамическая сила ветровых энергетических установок с горизонтальной осью направлена по оси вращения и выражает собой только силу полного аэродинамического сопротивления. Полезная составляющая подъемной силы отсутствует и для поднятия всего комплекса на высоту стоянки требуется больший потребный объем несущей оболочки.
Следовательно, в предлагаемом устройстве высотной ветровой энергетической установки достаточно принять такой объем несущей оболочки (1), который бы с некоторым запасом компенсировал собственную массу аэростата, массу частей ветрового двигателя (6), (7), (9) и небольшой участок (200-300 м) массы кабель-троса (10). Это дает возможность осуществить подъем комплекса на начальную высоту статического потолка 200-300 м, где в стартерном режиме и под воздействием ветрового потока ветряной двигатель раскручивается до рабочих оборотов, создавая, кроме электрической мощности, подъемную силу, позволяющую продолжить подъем комплекса до высоты стоянки.
в
При сдавании троса с лебедки воздушный поток непрерывно обтекает корпус аэростата, хвостовое оперение и соосные винты ветряного двигателя со скоростью W. Угол дифферента аэростата α, который обычно находится в пределах α=5-10 градусов, принимает значения, близкие к расчетным. Угол атаки плоскости вращения винтов α взаимосвязан с углом дифферента α.
T
в
T
в
Одновременно с подъемом на высоту ветровой воздушный поток увеличивает снос комплекса за счет горизонтальной составляющей силы лобового сопротивления X. В свою очередь снос комплекса приводит к изменению угла наклона троса ϕ и, следовательно, к увеличению угла атаки плоскостей вращения винтов α. Полная аэродинамическая сила винтов R увеличивается, но так как составляющая подъемной силы Y значительно больше составляющей аэродинамического сопротивления X, комплекс продолжает подниматься вверх сначала ускоренно, а затем замедленно по мере уменьшения угла наклона троса ϕ и угла атаки α. На высоте равновесия подъемная сила ветрового двигателя сравняется с весом поднятого участка кабель-троса. В результате комплекс автоматически займет такую высоту стоянки, которая будет обусловлена сданной длиной кабель-троса и силой ветра на равновесной высоте.
в
Оператор комплекса, управляя исполнительным устройством системы управления (9) в ручном режиме, может изменять угол атаки плоскости вращения винтов α и тем самым корректировать высоту подъема и дистанцию сноса, руководствуясь данными об изменении силы ветра по высоте. Диапазон изменения углов атаки составляет от 0 до 50 градусов. Названная функция может быть реализована бортовым оборудованием в автоматическом режиме с использованием сигналов датчиков скорости ветра, измеренной на уровне достигнутой ветряным двигателем высоты. При достижении предельных значений скорости ветра система управления автоматически уменьшает угол атаки плоскости вращения винтов, контролируя установленный предельный порог вырабатываемой электрической мощности и ветровую нагрузку на оболочку аэростата.
Предложенная высотная ветровая энергетическая установка, в которой для решения задачи изобретения использован привязной аэростат с лопастным ветряным двигателем и с плоскостями вращения соосных винтов, работающих на углах атаки в диапазоне от 0 до 50 градусов, позволила:
- в два-три раза уменьшить потребный объем аэростата за счет использования подъемной силы винтов ветряного двигателя для компенсации веса кабель-троса;
- обеспечить хороший доступ к агрегатам ветряного двигателя и винтам при обслуживании за счет полного выноса ветряного двигателя в область под аэростатом;
- создать хорошие условия для охлаждения генераторов и мультипликатора в свободном воздушном потоке;
- уменьшить общее аэродинамическое сопротивление комплекса в сравнении с прототипом за счет уменьшения миделя аэростата и снижения сопротивления ветряного двигателя;
- обеспечить технические условия для независимого и точного управления углом атаки плоскости вращения винтов в диапазоне углов от 0 до 50 градусов;
- обеспечить автоматическую ориентацию комплекса по направлению ветра.