ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ГЕНЕРИРУЮЩАЯ СИСТЕМА И СПОСОБ ЕЁ РАБОТЫ
ELECTRIC GENERATING SYSTEM AND METHOD OF ITS OPERATION

Уровень техники
Ископаемое топливо является главным источником энергии на планете. Вероятно, скорость потребления ископаемого топлива опережает скорость производства ископаемого топлива, поскольку население планеты продолжает расти, и поскольку менее экономически развитые страны становятся промышленно развитыми. Такое ожидаемое увеличение потребности в ископаемом топливе может исчерпать глобальные запасы ископаемого топлива в течение нескольких следующих десятилетий, если потребление продолжится с существующей скоростью.
Желательно в максимальной мере использовать энергию возобновляемых источников, такую как солнечная энергия, энергия ветра, гидроэнергия и/или геотермальная энергия для минимизации зависимости от ископаемого топлива.
US 5419683 детально описывает ветротурбину для установки на существующую промышленную вытяжную трубу, вышку или подобное, которая включает в себя две вертикально выровненных лопасти, установленных на плечах ротора для вращения относительно продольной оси вытяжной трубы, вышки или подобного. Плечи ротора поддерживаются на кольцевой конструкции, закрепленной к наружной окружности вытяжной трубы, вышки или подобного, и включают на своих радиально самых внутренних концах кольцо плеча ротора, которое взаимодействует с кольцевой поддерживающей конструкцией для обеспечения вращения плеч ротора и лопастей относительно вытяжной трубы, вышки или подобного, под действием напора ветра. Приводное кольцо, несомое одним или каждым плечом ротора, выполнено с возможностью соединения с зубчатой передачей одного или нескольких генераторов мощности, расположенных внутри или вытянутых к вытяжной трубе, вышке или подобному.
Сущность изобретения
Один вариант осуществления предоставляет генерирующую электрическую мощность систему, сконфигурированную с возможностью преобразования источника энергии в электричество посредством поворота вала ротора источником энергии. Система включает в себя установочную плиту, соединенную с валом ротора, приводную шестерню, соединенную с валом ротора и сконфигурированную с возможностью перемещения, когда перемещается вал ротора, и множество двигатель-генераторных устройств, установленных на установочной плите. Каждое двигатель-генераторное устройство включает в себя выходной вал, сконфигурированный с возможностью соединения с приводной шестерней с возможностью вращения. Каждое двигатель-генераторное устройство независимо соединено с приводной шестерней для обеспечения множества резервированных генерирующих мощность двигатель-генераторных устройств.
Краткое описание чертежей
Прилагаемые чертежи включены, чтобы обеспечить дополнительное понимание вариантов осуществления, и включены в данное описание и составляют его часть. Чертежи иллюстрируют варианты осуществления и вместе с описанием служат для объяснения принципов вариантов осуществления. Другие варианты осуществления и многочисленные задуманные преимущества вариантов осуществления будут легко оценены по достоинству, так как они становятся лучше понятны за счет ссылки на следующее подробное описание.
Элементы чертежей необязательно представлены с соблюдением масштаба относительно друг друга. Идентичные ссылочные номера обозначают соответствующие аналогичные компоненты.
Фигура 1A является перспективным видом электрического двигатель-генераторного модуля согласно одному варианту осуществления.
Фигура 1B является видом сбоку двигатель-генераторного устройства модуля, показанного на Фигуре 1A, согласно одному варианту осуществления.
Фигура 2 является перспективным видом электрического двигатель-генераторного модуля, показанного на Фигуре 1A, иллюстрирующим оболочку корпуса для модуля.
Фигура 3 является другим перспективным видом электрического двигатель-генераторного модуля, показывающим часть фюзеляжа, простирающегося от оболочки корпуса.
Фигура 4 является видом поперечного сечения электрического двигатель-генераторного модуля, сделанного по линии 4-4 Фигуры 2.
Фигура 5 является перспективным видом сверху лонжерона фюзеляжа, простирающегося от оболочки корпуса и из двигатель-генераторного модуля.
Фигура 6 является перспективным видом снизу электрического двигатель-генераторного модуля согласно одному варианту осуществления.
Фигура 7 является перспективным видом приводной шестерни электрического двигатель-генераторного модуля, проиллюстрированного на Фигуре 6, при этом приводная шестерня включает в себя лопатки/перекладины, сконфигурированные с возможностью обеспечения присущего свойства охлаждения для двигатель-генераторного модуля.
Фигура 8 является перспективным видом летающей электрической двигатель-генераторной системы, применяющей несколько электрических двигатель-генераторных модулей согласно одному варианту осуществления.
Фигура 9A является видом сверху, а Фигура 9B является видом поперечного сечения генерирующей электрическую мощность системы, согласно одному варианту осуществления.
Фигура 10A является видом сверху и Фигура 10B является видом поперечного сечения генерирующей электрическую мощность системы, согласно одному варианту осуществления.
Фигура 11 является схематичной иллюстрацией последовательности двигателей, сгруппированных параллельно для обеспечения требуемого суммарного выходного напряжения для двигатель-генераторного модуля согласно одному варианту осуществления.
Подробное описание
В следующем подробном описании, сделана ссылка на прилагаемые чертежи, которые формируют часть данного описания, и на которых проиллюстрированы конкретные варианты осуществления, в которых изобретение может быть осуществлено на практике. В связи с этим, направляющая терминология, такая как "верх", "низ", "передняя часть", "задняя часть", "передний", "задний" и т.д., используется со ссылкой на ориентацию описываемой Фигуры (Фигур). По причине того, что составляющие вариантов осуществления могут быть размещены во множестве различных ориентаций, направляющая терминология используется всего лишь с целью иллюстрирования, а не с целью ограничения. Необходимо понимать, что без выхода за объем раскрытия могут быть использованы другие варианты осуществления и могут быть сделаны структурные или логические изменения. Следующее подробное описание декларирует примерные варианты осуществления, которые не должны использоваться в ограничивающем смысле.
Необходимо понимать, что признаки различных примерных вариантов осуществления, описанных в данном описании, могут быть объединены друг с другом, если конкретно не указано иное.
В одном варианте осуществления, система электрических двигатель-генераторов обратимо преобразуется в устройства с большой мощностью, низким числом оборотов в минуту (RPM) (например, большим крутящим моментом) и устройства с большой мощностью, большим RPM (например, низким крутящим моментом) и обратно. Система электрических двигатель-генераторов сконфигурирована с возможностью создания мощности за счет использования в максимальной мере кинетической энергии потока ветра и/или воды, и имеет применение, при использовании в качестве летающей системы, с водяными колесами даже с относительно низким напором воды, и/или в транспортных средствах с гибридным питанием и других моторизованных системах.
Один вариант осуществления системы электрических двигатель-генераторов сконфигурирован с возможностью полета в струйных течениях полярного фронта или субтропических струйных течениях и создания мощности посредством использования в максимальной мере кинетической энергии ветра. Другой аспект обеспечивает наземную систему электрических двигатель-генераторов, сконфигурированных с возможностью создания мощности посредством использования в максимальной мере кинетической энергии ветра, течения воды, или геотермальных температурных градиентов.
Один вариант осуществления генерирующей электрическую мощность системы сконфигурирован с возможностью преобразования источника энергии в электричество посредством поворота вала ротора источником энергии. Система включает в себя установочную плиту, соединенную с валом ротора, приводную шестерню, соединенную с валом ротора и сконфигурированную с возможностью перемещения, когда перемещается вал ротора, и множество двигатель-генераторных устройств, установленных на установочной плите, причем каждое двигатель-генераторное устройство включает в себя выходной вал, сконфигурированный с возможностью соединения с приводной шестерней с возможностью вращения. Каждое двигатель-генераторное устройство независимо соединено с приводной шестерней и не соединено с другим из двигатель-генераторных устройств, так, что множество двигатель-генераторов обеспечивают множество резервированных генерирующих мощность двигатель-генераторных устройств.
В одном варианте осуществления, в системе предоставлено несколько резервированных электрических двигатель-генераторов, при этом электрические двигатель-генераторы сконфигурированы с возможностью включения признаков дублирования с автоматическим резервированием, которые описаны ниже.
Одним возможным решением минимизации зависимости от ископаемого топлива является воздушный змей для ветроэнергетической установки, который описан в Патенте США №6781254, применяющем генерирующую электрическую мощность систему, и/или один или более двигатель-генераторных устройств, описанных ниже.
В использующей ветер системе, описанная ниже генерирующая электрическую мощность система предоставляет ветротурбину, которая подходит для соединения с фалом с целью применения на высоте для использования в максимальной мере энергии ветра. Ветра вызывают вращение приводной шестерни, которая приводит в движение вал каждого двигатель-генератора, чтобы вращать и вырабатывать энергию, которая может быть преобразована в электричество.
В одном варианте осуществления, система является реверсивной, так что двигатель-генераторы работают в качестве двигателя, обеспечивая мощность на приводную шестерню. Мощность подается на множество двигателей, а они, в свою очередь, приводят в движение большую шестерню, которая прикреплена к ротору ветротурбины. В данном реверсированном режиме, вместо создания мощности, она потребляется.
Фигура 1A является перспективным видом электрического двигатель-генераторного модуля 10 согласно одному варианту осуществления. Электрический двигатель-генераторный модуль 10 включает в себя установочную плиту 12, соединенную с валом 16 ротора, приводную шестерню 14, соосно соединенную с валом 16 ротора,  прилегающую к установочной плите 12, и множество двигатель-генераторных устройств 20, установленных на установочной плите 12, при этом каждое двигатель-генераторное устройство 20 включает в себя выходной вал 24, сконфигурированный с возможностью соединения с приводной шестерней 14 с возможностью вращения.
В одном варианте осуществления, приводная шестерня 14 является вращающейся и сконфигурирована с возможностью перемещения с валом 16 ротора, а установочная плита 12 является неподвижной и зафиксирована вокруг вала 16 ротора с помощью подшипников. В одном варианте осуществления, приводная шестерня 14 соединена с валом 16 ротора с помощью цепного или другого приводного механизма и сконфигурирована с возможностью перемещения, когда перемещается вал 16 ротора. Другие виды соединения приводной шестерни 14 с валом 16 ротора и с множеством двигатель-генераторных устройств 20 также являются допустимыми.
В целом, электрический двигатель-генераторный модуль 10 включает в себя лопатку 17 ротора или другое устройство, которое сконфигурировано с возможностью взаимодействия с источником энергии, таким как ветер, когда используется в максимальной мере источник энергии. В одном варианте осуществления, электрический двигатель-генераторный модуль 10, за счет лопатки 17 ротора, сконфигурирован в виде перевозимого по воздуху электрического двигатель-генераторного модуля 10. Другие подходящие устройства для использования в максимальной мере источников энергии включают в себя водяные колеса, лопатки, фрезы и тому подобное. В одном варианте осуществления, необязательно предоставлен корпус 19 (часть которого проиллюстрирован на Фигуре 1A), огораживая с целью защиты установочную плиту 12, приводную шестерню 14 и двигатель-генераторные устройства 20, соединенные с установочной плитой 12. Когда электрический двигатель-генераторный модуль 10 сконфигурирован с возможностью в максимальной мере использовать ветер на больших высотах, предоставляют фюзеляж 21, часть которого показана на Фигуре 1A.
В целом, электрический двигатель-генераторный модуль 10 включает в себя раму, такую как установочная плита 12 (или платформа 12), и приводную шестерню 14, обе из которых соединены с валом 16 ротора (или основным валом 16 или валом 16). В одном варианте осуществления, вал 16 образован из непроводящего материала и сконфигурирован с возможностью электрической изоляции двигатель-генераторных устройств 20 от платформы 12. В одном варианте осуществления, платформа 12 является округлой или дискообразной и изготовлена из металла, такого как алюминий, нержавеющая сталь, титан, композитные материалы или другие материалы, подходящие для воздушного и/или наземного вариантов использования. Специалисты в данной области согласятся, что платформа 12 может быть изготовлена из любого подходящего материала на основе предполагаемой цели электрического двигатель-генераторного модуля 10. Для использования в максимальной мере энергии на больших высотах, в одном варианте осуществления платформа 12 имеет диаметр приблизительно 30 футов.
В одном варианте осуществления, приводная шестерня 14 соединяется с выходным валом 24 за счет трения, при этом ни приводная шестерня 14, ни выходной вал 24 не включают в себя зубцы.
В одном варианте осуществления, приводная шестерня 14 включает в себя зубцы 18, которые сконфигурированы с возможностью сцепления с зубцами 22, предоставленными на выходном валу 24. Зубцы 18 и зубцы 22 включают в себя прямозубые, винтовые, шевронные, планетарные, скошенные с прямыми, спиральными или гипоидными зубцами, и червячные зубцы. В одном варианте осуществления, зубцы 18 и зубцы 22 выходного вала 24 включают в себя алюминий, нержавеющую сталь, титан, композитные материалы или другие подходящие материалы.
В одном варианте осуществления, диаметр приводной шестерни 14 немного меньше, чем диаметр платформы 12. В других вариантах осуществления, диаметр приводной шестерни 14 больше, чем диаметр платформы 12.
Электрический двигатель-генераторный модуль 10, в целом, включает в себя множество двигатель-генераторных устройств 20, расположенных по окружности приводной шестерни 14. Подходящие двигатель-генераторные устройства 20 включают в себя любой вид электрического двигателя или любой вид электрического генератора, который имеет первый режим, который трансформирует электрическую энергию во вращательное движение или поступательное движение, или трансформируемое вращательное движение, или имеет второй режим, который трансформирует подобное движение в электрическую энергию, или работает в обоих режимах, или является реверсивным между первым режимом и вторым режимом. Двигатель-генераторное устройство включает в себя отдельное двигательное устройство, или отдельное генераторное устройство, или устройство, которое включает в себя как двигатель, так и генератор.
В одном варианте осуществления, множество двигатель-генераторных устройств 20 сконфигурированы с возможностью рассеивания тепла из электрического двигатель-генераторного модуля 10 более эффективно, чем рассеивает тепло единственный большой генератор электричества. Например, каждый из двигатель-генераторных устройств 20 предусматривает относительно небольшой двигатель-генератор 20 с маленькой массой, который легко рассеивает тепло, связанное с генерированием электричества. В одном варианте осуществления, электрический двигатель-генераторный модуль 10 задействуют на высотах свыше 10,000 футов, где локальная температура воздуха составляет менее, чем приблизительно 25 градусов по Фаренгейту, а относительно холодная локальная окружающая среда вносит вклад в быстрое рассеивание тепла от относительно небольшого, двигатель-генератора 20 с маленькой массой.
В одном варианте осуществления, каждое двигатель-генераторное устройство 20 разделено промежутком от соседнего двигатель-генераторного устройства 20 вдоль первой стороны установочной плиты 12. В одном варианте осуществления, расстановку двигатель-генераторных устройств 20 выбирают, чтобы иметь плотность, составляющую три двигатель-генераторных устройства 20 на погонный фут по периферии установочной плиты 12. Также являются допустимыми другие плотности расстановки двигатель-генераторных устройств 20. В одном варианте осуществления, установочная плита 12 образует сторону, которая является прилегающей к приводной шестерне 14, и сторону, которая является противоположной приводной шестерне 14, при этом двигатель-генераторные устройства 20 выступают со стороны установочной плиты 12, которая является противоположной приводной шестерне 14, так что выходные валы 24 выступают со стороны установочной плиты 12, которая является прилегающей к приводной шестерне 14. Таким образом, каждое двигатель-генераторное устройство 20 работает независимо и независимо соединено с приводной шестерней 14 и не соединено с другим из множества двигатель-генераторных устройств 20, так что двигатель-генераторные устройства 20 предусматривают множество резервированных генерирующих мощность двигатель-генераторов. Также являются допустимыми другие виды соединения двигатель-генераторных устройств 20 с установочной плитой 12, включая установочные двигатель-генераторные устройства 20 и приводную шестерню 14 на одной и той же стороне установочной плиты 12.
В целом, приводная шестерня 14 сконфигурирована с наличием большего диаметра, чем диаметр выходных валов 24 двигатель-генераторных устройств 20. Когда приводная шестерня 14 вращается, меньшие по диаметру выходные валы 24 двигатель-генераторных устройств 20 вращаются намного быстрее, чем приводная шестерня 14. В одном варианте осуществления, увеличение скорости вращения (например, оборотов в минуту RPM) выходного вала 24 увеличивает выходное напряжение двигатель-генераторного устройства 20. В одном варианте осуществления, приводная шестерня 14 имеет диаметр приблизительно 30 футов, а выходные валы 24 имеют диаметр приблизительно один дюйм, так что когда приводная шестерня 14 вращается приблизительно при 70 оборотах в минуту (RPM), выходные валы 24 вращаются приблизительно при 25,200 оборотах в минуту. Высокая скорость вращения выходных валов 24 приводит к высокой относительной скорости между магнитами и катушками внутри устройства 20, которое обеспечивает выходное напряжение, используемое для генерации энергии. Например, в одном варианте осуществления, диаметр приводной шестерни 14 составляет приблизительно 30 футов, тогда как диаметр выходного вала 24 двигатель-генераторных устройств 20 составляет приблизительно 6 дюймов, так что на каждый полный оборот приводной шестерни 14 вокруг своей оси, выходной вал 24 вращается вокруг своей оси 60 раз (таким образом, передаточное отношение составляет 30 футов к 6 дюймам или 60 к 1). Другие передаточные отношения также являются допустимыми. В одном варианте осуществления, передаточное отношение выбирают для оптимизации производительности и выхода посредством изменения размера приводной шестерни 14, шестерен 22 двигатель-генераторных устройств 20 или и того и другого.
В одном примерном варианте осуществления, 282 двигатель-генераторных устройства 20 по пять лошадиных сил (3728 ватт) распределены вокруг приводной шестерни 14, имеющей диаметр приблизительно 30 футов. Каждый из 282 двигатель-генераторных устройств 20 включает в себя выходной вал 24, имеющий диаметр, равный одному дюйму, а приводная шестерня 14 вращается источником энергии (таким как ветер) приблизительно при 70 оборотах в минуту, так что каждый вал 24 каждого двигатель-генераторного устройства 20 вращается приблизительно при 25,000 RPM, вырабатывая приблизительно 1 МВт мощности, которая может быть преобразована в электричество.
Фигура 1B является видом сбоку двигатель-генераторного устройства 20 согласно одному варианту осуществления. Двигатель-генераторное устройство 20 включает в себя корпус 23 обмотки, заключающий в себе витки электрической проволоки двигателя и/или генератора и соответствующие составляющие двигателя (не показанные), при этом из корпуса 23 обмотки простирается выходной вал 24.
В одном варианте осуществления, вал 24 включает в себя ось 25, соединенную с корпусом 23 обмотки с возможностью вращения. Ожидается, что в процессе использования в двигатель-генераторных устройствах 20 может произойти поломка подшипников, которая может препятствовать вращению оси 25. В одном варианте осуществления, ось 25 включает в себя зазубрину 27, которая сконфигурирована с возможностью избирательно вызывать перелом оси 25, когда подшипники внутри корпуса 23 обмотки обледеневают или иным образом становятся неподвижными. В случае, когда один или более двигатель-генераторных устройств 20 с течением времени изнашиваются, ось 25 сконфигурирована с возможностью переламываться вдоль зазубрины 27, делая посредством этого двигатель-генераторное устройство 20 неработоспособным. В одном варианте осуществления, предоставлена муфта в соединении с каждым двигатель-генератором, при этом муфта сконфигурирована с возможностью выведения заклинившего двигатель-генератора из зацепления с приводной шестерней 14. В одном варианте осуществления, предоставлен соленоидный механизм в соединении с каждым двигатель-генератором, при этом соленоидный механизм сконфигурирован с возможностью выведения заклинившего двигатель-генератора из зацепления с приводной шестерней 14. Таким образом, двигатель-генераторные устройства 20, которые становятся неработоспособными, будут сами автоматически устраняться из электрического двигатель-генераторного модуля 10 (Фигура 1A) для обеспечения генерирующей мощность дублирующей системы с автоматическим резервированием, в которой один или более неисправных устройств 20 не препятствуют непрерывной работе электрического двигатель-генераторного модуля 10.
В одном варианте осуществления, электрический двигатель-генераторный модуль 10 включает в себя избыточное количество двигатель-генераторных устройств 20 сверх количества, которое рассчитано для обеспечения требуемой выходной мощности. Каждый из двигатель-генераторных устройств 20 задействован менее чем со 100% выходом (например, с выходом, составляющим 96%), так что суммарное объединенное количество двигатель-генераторных устройств (включая избыточное количество устройств) вносит вклад в обеспечении 100% требуемого выхода. По мере того, как двигатель-генераторные устройства 20 изнашиваются, неработоспособные устройства 20 автоматически выпадают из электрического двигатель-генераторного модуля 10, который описан выше, а оставшиеся устройства работают с несколько повышенным выходом (например, 96,5%), предоставляя возможность электрическому двигатель-генераторному модулю 10 сохранять 100% требуемого выхода.
В одном варианте осуществления, предоставлено несколько двигатель-генераторных устройств 20, включая избыточное количество N, при этом количество N дополнительных устройств 20 остается нерабочими или, иначе говоря, в конфигурации «выключено» до тех пор, пока не износится работающее двигатель-генераторное устройство 20. Когда двигатель-генераторное устройство 20 изнашивается, одно из дополнительных N устройств 20 переводится в рабочее состояние, например под действием контроллера, соединенного с электрическим двигатель-генераторным модулем 10 (Фигура 1A). В одном варианте осуществления, с электрическим двигатель-генераторным модулем 10 соединен электронный контроллер для избирательного добавления работоспособных двигатель-генераторных устройств 20 и избирательного удаления неработоспособных двигатель-генераторных устройств 20 к электрическому двигатель-генераторному модулю 10 или из него.
В одном варианте осуществления, для каждого одного из отдельных двигатель-генераторных устройств 20 предоставляется дополнительный выходной вал 24n или дополнительные подшипники 22n, чтобы на каждый отдельный двигатель-генератор, к тому же, предусмотреть добавление несложного зубчатого механизма. Например, на отдельные двигатель-генераторные устройства 20 включить отношение 2 к 1, предоставляя возможность уменьшения вдвое диаметра приводной шестерни 14.
Традиционно, мощность передают под высоким напряжением для минимизации электрической потери в линиях электропередачи. Изолирование проводов, которые переносят мощность высокого напряжения, неизбежно требует существенных количеств электрической изоляции. Высокие уровни электрической изоляции добавляют массу, так что сильно изолированные генераторы высокого напряжения не подходят для летательных генераторов электричества.
В одном варианте осуществления, электрический двигатель-генераторный модуль 10 включает в себя несколько двигатель-генераторных устройств 20, каждый из которых сконфигурирован с возможностью работы при относительно низком напряжении (например, между 100-1000 вольт) и изолирован соответствующим образом, обеспечивая возможность полета электрического двигатель-генераторного модуля 10 в струйном течении. Двигатель-генераторное устройство 20 низкого напряжения требует меньше изоляции, и за счет этого меньше весит. Помимо всего прочего, несколько двигатель-генераторных устройств 20 сконфигурированы с возможностью последовательного электрического соединения, например, таким образом, чтобы приблизительно 100 двигатель-генераторных устройств 20, каждый из которых вырабатывает приблизительно 300 вольт, были соединены последовательно для предоставления электрического двигатель-генераторного модуля 10, обеспечивающего приблизительно 30,000 вольт. Таким образом, объединяют несколько двигатель-генераторных устройств 20 низкого напряжения с низкой массой для предоставления электрического двигатель-генераторного модуля 10 с высоким выходным напряжением.
В одном варианте осуществления, электрический двигатель-генераторный модуль 10 включает в себя несколько устройств низкого напряжения, сгруппированных в систему высокого напряжения, которая сконфигурирована с возможностью генерации электричества на большой высоте. Закон Пашена гласит, что пробивное напряжение воздуха в зазоре является нелинейной функцией произведения давления газа и протяженности зазора. Таким образом, большие высоты (с наличием более низкого давления воздуха) связаны с более низким пробивным напряжением в электрической системе. В результате, когда электрическую систему задействуют на больших высотах, для преодоления пробивного напряжения в воздухе, необходима дополнительная электрическая изоляция. Явление пробивного напряжения, описываемое законом Пашена, имеет даже большее значение для проводов небольшого диаметра, которые применяются в генераторах электричества с проволочной обмоткой. По всем этим причинам, с целью обеспечить генерации электричества на большой высоте, выбирают несколько двигатель-генераторных устройств 20 низкого напряжения с легким весом (минимально изолированных), электрически соединенных в электрический двигатель-генераторный модуль 10. Данные признаки вносят вклад в очень широкий диапазон характеристик входного/выходного напряжения электрического двигатель-генераторного модуля 10.
Фигура 2 является перспективным видом одного варианта осуществления электрического двигатель-генераторного модуля 10, иллюстрирующего внутреннюю часть корпуса 19. В одном варианте осуществления, корпус 19 включает в себя грузоподъемную площадку 30, верхнее зажимное приспособление 32, соединенное с валом 16 ротора, нижнее зажимное приспособление 34, множество опорных стоек 36, простирающихся между верхним зажимным приспособлением 32 и нижним зажимным приспособлением 34, и опорных плит 38, присоединенных между грузоподъемной площадкой 30 и верхним зажимным приспособлением 32. Вообще, поверх корпуса 19 устанавливают оболочку или другую внешнюю конструкцию (не показана). Оболочка или внешняя конструкция могут включать в себя тканевые оболочки или обшивку с высоким соотношением предела прочности к массе, как, например, алюминиевые листы обшивки.
В одном варианте осуществления, грузоподъемной площадкой 30 является установочная плита 12 (Фигура 1A). В качестве альтернативы, грузоподъемную площадку 30 соединяют с установочной плитой 12. В одном варианте осуществления, грузоподъемная площадка 30 включает в себя Hexcel™ (композитный материал), расположенный между верхней и нижней алюминиевыми пластинами, например. В одном варианте осуществления, верхним зажимным приспособлением 32 является верхняя несущая крышка подшипникового узла, соединенная с валом 16 ротора, предоставляя возможность вращения вала ротора внутри верхней несущей крышки 32 подшипникового узла. В одном варианте осуществления, нижнее зажимное приспособление 34 предусматривает легкий элемент жесткости, имеющий высокое соотношение предела прочности к массе. В одном варианте осуществления, опорная стойка 36 включает в себя алюминиевые 7075C сжатые элементы из швеллеров, соединенные между верхним зажимным приспособлением 32 и нижним зажимным приспособлением 34, а пластины 38 включают в себя алюминиевые пластины или другие подходящие пластины, имеющие материал с высоким соотношением предела прочности к массе.
Электрический двигатель-генераторный модуль 10, по меньшей мере, в одной конфигурации, сконфигурирован с возможностью полета на большие высоты, так что подходящие материалы для корпуса 19 включают в себя легкие композитные материалы, легкие металлические материалы, композитные материалы и многослойные листы из полимерных материалов, и многослойные листы из полимерных и металлических материалов.
Фигура 3 является другим перспективным видом одного варианта осуществления электрического двигатель-генераторного модуля 10, иллюстрирующим часть фюзеляжа 21. В одном варианте осуществления, фюзеляж 21 включает в себя лонжерон 40, соединенный с корпусом 19, при этом лонжерон 40 включает в себя верхнюю вертикальную перемычку 42a, нижнюю вертикальную перемычку 42b, отделенную промежутком от верхней перемычки 42a, при этом перемычки 42a, 42b соединены с перегородкой 43. В одном варианте осуществления, лонжерон 40 включает в себя несколько секционных опор 44, распределенных по длине лонжерона 40.
Фигура 4 является видом поперечного сечения одного варианта осуществления электрического двигатель-генераторного модуля 10, сделанного по линии 4-4 Фигуры 2. Двигатель-генераторы 20 (Фигура 2) не проиллюстрированы. В одном варианте осуществления, между ступицей 45 ротора, соединенной с лопаткой 17 ротора (Фигура 2), и контактным кольцом 46 простирается ротор 16. В одном варианте осуществления, контактное кольцо 46 обеспечивает управление шагом ротора серводвигателя и соединено с нижним концом приводной шестерни 14, как обозначено на Фигуре 4.
Фигура 5 является перспективным видом сверху одного варианта осуществления электрического двигатель-генераторного модуля 10. Верхняя вертикальная перемычка 42a соединена с перегородкой 43, а лонжерон 40 соединен с грузоподъемной площадкой 30 (Фигура 2) посредством одного или более стрингеров 47. В одном варианте осуществления, лонжерон 40 простирается от корпуса 19 и сконфигурирован с возможностью противодействовать гироскопической прецессии лопатки 17 ротора, что обеспечивает возможность наклонения электрического двигатель-генераторного модуля 10 относительно перемещения ротора 16 (Фигура 4).
Фигура 6 является перспективным видом генерирующей мощность системы 50, согласно одному варианту осуществления. Система 50 включает в себя установочную плиту 52, соединенную с валом 56 ротора, приводную шестерню 54, соосно соединенную с валом 56 ротора, прилегающую к установочной плите 52, и множество двигатель-генераторных устройств 60, установленных на установочной плите 52, при этом каждое двигатель-генераторное устройство 60 включает в себя выходной вал 64, сконфигурированный с возможностью соединения с приводной шестерней 54 с возможностью вращения.
В одном варианте осуществления, приводная шестерня 54 обеспечивает охлаждение системы 50 и является вращающейся и сконфигурирована с возможностью перемещения с валом 56 ротора, а установочная плита 52 является неподвижной и прикреплена к валу 56 ротора. В одном варианте осуществления, выходные валы 64 соединяются с приводной шестерней 54 за счет трения, так что перемещение приводной шестерни 54 приводит к вращению выходных валов 64. По аналогии с описанным выше, приводную шестерню 54 выбирают с наличием диаметра, который намного больше, чем диаметр выходного вала 64, так что вращение приводной шестерни 54 приводит к вращению выходного вала 64 с высоким RPM.
Фигура 7 является перспективным видом одного варианта осуществления приводной шестерни 54. В одном варианте осуществления, приводная шестерня 54 является приводной шестерней 54 с встроенным охлаждающим вентилятором и включает в себя внутреннее периферийное кольцо 70, наружное периферийное кольцо 72, и лопатки 74, простирающиеся между внутренним кольцом 70 и наружным кольцом 72. В одном варианте осуществления, внутреннее кольцо 70 предусматривает внутреннее подшипниковое кольцо, сконфигурированное с возможностью присоединения вокруг вала 56 ротора (Фигура 6). В одном варианте осуществления, наружное периферийное кольцо 72 включает в себя несколько секций 76 дугообразных элементов, соединенных с прилегающей секцией 76 посредством держателя 78. Предусмотрено приблизительно восемь секций 76, образуя округлое наружное кольцо 72. Пример вариантов осуществления лопаток 74 включает в себя, но без ограничения, лопатки вентилятора (как показано), перекладины, удобообтекаемые лопатки, круглые перекладины (необязательно удобообтекаемые), сконфигурированные с возможностью поддерживать внутреннее кольцо 70 и наружное кольцо 72, или сплошной диск. Другие подходящие формы для лопаток 74 также являются допустимыми.
В одном варианте осуществления, внутреннее кольцо 70 является литым алюминиевым кольцом, каждая секция 76 которого включает в себя стеклонаполненный на 50% нейлоновый наполнитель, расположенный между алюминиевыми пластинами, а лопатки 74 образованы из 0,125 дюймовой наружной обшивки из стеклопластика на основе эпоксидной смолы, сформированной поверх сердцевины Hexcel™. В одном варианте осуществления, наружная периферийная поверхность 80 наружного кольца 72 сконфигурирована с возможностью вхождения в зацепление за счет трения с выходными валами 64. В одном варианте осуществления, наружная периферийная поверхность 80 является поверхностью трения, которая не включает в себя зубцы. В другом варианте осуществления, наружная периферийная поверхность 80 предусматривает множество зубцов (не показаны), сконфигурированных с возможностью сцепления с зубцами, предоставленными на выходном валу 64 (Фигура 6). Подходящие зубцы включают в себя прямозубые, винтовые, шевронные, планетарные, скошенные, спиральные, гипоидные, и червячные зубцы.
В целом, двигатель-генераторные устройства 20 относятся к любому виду электрического двигателя или любому виду электрического генератора, обладающего средством взаимодействия с приводной шестерней 14. Помимо всего прочего, двигатель-генераторные устройства 20 включают в себя любое устройство, которое способно трансформировать вращательное движение или трансформированное круговое движение в электрическую энергию. Преобразование или трансформация вращательного движения или кругового движения может включать в себя дополнительные преобразователи или генераторы. Электрическую энергию или электричество, генерируемое посредством электрического двигатель-генераторного модуля 10, можно посылать на землю через подходящий электрический провод 26 или фал 26, при этом сгенерированное электричество может быть использовано для приведения в действие электрических устройств или электрохимического сохранения (например, в электрохимической реакции, которая создает водород посредством электролиза) или другого типа устройств хранения для использования впоследствии.
Фигура 8 является перспективным видом одного варианта осуществления летательной генераторной системы 100 электричества, применяющей несколько электрических двигатель-генераторных модулей 10, которые описаны выше. Система 100 включает в себя четыре электрических двигатель-генераторных модулей 10, взаимно соединенных посредством рамы 102, и фал 104, прикрепленный к раме 102, который выполнен с возможностью доставки электричества, генерируемого электрическими двигатель-генераторными модулями 10, на подстанцию 106 или шину 106. В других вариантах осуществления, с рамой 102 соединено подходящее количество (больше чем четыре или меньше чем четыре) электрических двигатель-генераторных модулей 10.
В одном варианте осуществления, фал 104 подается из лебедки 108 и сконфигурирован с возможностью обеспечения доставки по воздуху электрических двигатель-генераторных модулей 10 и рамы 102 наподобие воздушного змея в струйном течении, например, между приблизительно 10,000 футов и приблизительно 32,000 футов (около 10 километров) над поверхностью земли. В одном варианте осуществления, фал 104 является электрически проводящим Кевларовым шнуром 3-дюймовой толщины. В других вариантах осуществления, фал 104 является плетеным стальным кабелем, сконфигурированным с возможностью проведения электричества и придания устойчивости электрическим двигатель-генераторным модулям 10 и раме 102. Другие подходящие виды фала 104 также являются допустимыми. Несмотря на то  что фал показан в виде кабеля, должно быть понятно, что электрическая генераторная система 100 может включать в себя мачту или другую опору на земле, сконфигурированную с возможностью создания базирующейся на земле ветроэнергосистемы.
В одном варианте осуществления, электрическая генераторная система 100 включает в себя глобальную систему позиционирования (GPS) (не показана), способную в реальном времени транслировать пользователю на земле информацию о трехмерном положении.
Варианты осуществления предусматривают генерирующую электрическую мощность систему, включающую в себя множество независимых и резервированных генерирующих мощность двигатель-генераторных устройств. Количество двигатель-генераторных устройств выбирают для обеспечения требуемого выходного напряжения для системы с отдельными двигатель-генераторами относительно низкого напряжения. В одном варианте осуществления, несколько двигатель-генераторов соединяют проводами в виде одной из множества возможных последовательных и параллельных комбинаций для выработки многообразия выходных напряжений для системы. Например, когда количество двигатель-генераторов=N, и каждый двигатель-генератор вырабатывает напряжение=V, выходные напряжения для системы избирательно варьируют от V (все двигатель-генераторы соединены проводами параллельно) до N*V (все двигатель-генераторы соединены проводами последовательно). В одном примерном варианте осуществления, соответствующее количество отдельных и резервированных генерирующих мощность двигатель-генераторных устройств, каждый из которых обеспечивает приблизительно 380 вольт, соединены вместе для обеспечения модулю выхода приблизительно 25,000 вольт. В другом примере, выходное напряжение для каждого модуля можно избирательно изменять в диапазоне приблизительно между 25,000 и 50,000 вольт за счет использования соответствующего количества отдельных и резервированных генерирующих мощность двигатель-генераторов, имеющих напряжение менее чем приблизительно 2000 вольт.
Существует множество возможных конфигураций установки двигатель-генераторных устройств относительно приводной шестерни системы, некоторые из которых описаны ниже.
Фигура 9A является видом сверху, а Фигура 9B является видом поперечного сечения генерирующей электрическую мощность системы 200, согласно одному варианту осуществления. Система 200 включает в себя установочную плиту 202, соединенную с рамой 203, приводную шестерню 204, соединенную с валом 206 ротора, который осуществляет связь через раму 203, и несколько независимо функционирующих и резервированных двигатель-генераторных устройств 210, которые установлены на установочной плите 202. Вращение вала 206 ротора вращает приводную шестерню 204, при этом вращающаяся приводная шестерня 204 вращает выходной вал 222 каждого двигатель-генераторного устройства 210 для генерации выходного напряжения и предоставления электричества. В одном варианте осуществления, вал 206 ротора вращается ветром, который вращает выходные валы 222 для преобразования ветра в электричество внутри двигатель-генераторного устройства 210 с последующим использованием в домах и на производстве.
В одном варианте осуществления, установочная плита 202 включает в себя первую сторону 212, противоположную второй стороне 214, которая является прилегающей к основной поверхности 216 приводной шестерни 204. Из каждого двигатель-генераторного устройства 210 простирается выходной вал 222, чтобы входить в зацепление с периферийным краем 224 приводной шестерни 204.
В одном варианте осуществления, периферийный край 224 включает в себя смазочный полимер. Например, в одном варианте осуществления, периферийный край 224 образован в виде кольцевого ободка вокруг приводной шестерни 204, предоставляет зубцы, которые сцепляются с выходными валами 222, и образован из смазочного полимера. Подходящие смазочные полимеры включают в себя полиэфирэфиркетон (РЕЕК) или полиимид, производимый под торговым названием VESPEL, хотя также являются допустимыми другие смазочные полимеры. Системы, описанные в данной заявке, сконфигурированы для полетов на больших высотах (свыше 25,000 футов), и на данных высотах температура воздуха, в общем, составляет ниже нуля по Фаренгейту. Другие виды смазочных веществ, такие как масло или графит, возможно могут не подходить для должного смазывания при температурах приблизительно 40 градусов по Фаренгейту. В одном варианте осуществления, по меньшей мере, периферийный край 224 образован из смазочного полимера, такого как PEEK или полиимид, обеспечивая смазывание сцепляющей поверхности раздела между выходными валами 222 и приводной шестерней 204.
Линейную плотность, например, размещение двигатель-генераторных устройств 210 вдоль установочной плиты 202, избирательно изменяют в зависимости от требуемого выходного напряжения. В одном варианте осуществления, приводная шестерня 204 имеет диаметр приблизительно 30 футов, каждый выходной вал 222 имеет диаметр приблизительно 0,083 футов, а двигатель-генераторные устройства 210 установлены по периметру установочной плиты 202 с линейной плотностью приблизительно 3 двигатель-генераторных устройства 210 на фут. Задавая размеры каждого двигатель-генераторного устройства 210 для выходной мощности приблизительно 380 вольт, конфигурируют систему 200 для обеспечения суммарного выходного напряжения приблизительно 102,000 вольт. Также являются допустимыми другие плотности размещения двигатель-генераторных устройств 210 с другими выходными напряжениями.
Подходящие двигатель-генераторные устройства включают в себя двухфазные устройства переменного тока, трехфазные устройства переменного тока или устройства постоянного тока. В одном варианте осуществления, двигатель-генераторное устройство 210 включает в себя бесщеточный двигатель с постоянными магнитами, имеющий диаметр двигателя в диапазоне между приблизительно 0,5 дюйма и 10 дюймами, а уровень мощности в диапазоне между приблизительно 0,5 Вт и 150 кВт, и скорость вращения выходного вала 222 в диапазоне между приблизительно 20,000 и 30,000 RPM. Одно подобное подходящее двигатель-генераторное устройство идентифицировано как бесщеточный двигатель AVX50BL10, производимый AVEOX, Simi Valley, СА. Данные двигатель-генераторы контейнерного типа имеют высоту контейнера больше, чем диаметр. Диаметр контейнера в целом составляет меньше чем 10 дюймов (с радиусом меньше чем 5 дюймов), так что линейная скорость прохождения магнита мимо катушки составляет меньше чем 5 дюймов в секунду на RPM. При этом количество двигатель-генераторов контейнерного типа может быть по меньшей мере 20.
Другие подходящие двигатель-генераторы включают в себя плоские индукторные двигатели. Одним подходящим плоским индукторным двигателем является двигатель 30 серии номер модели M32N1-XXX, производимый Light Engineering Inc., Indianapolis, IN. Один подходящий индукторный генератор включает в себя генератор модели G32N1-XXX серии 30, имеющий номинальную скорость, равную 2,500 RPM, выходную мощность 12 кВт. Двигатель-генератор плоского индукторного типа в целом имеет больший диаметр, чем у контейнерного типа, так что линейная скорость магнита относительная катушки составляет больше чем 5 дюймов в секунду на RPM. При этом количество двигатель-генераторов плоского типа может быть по меньшей мере 10.
Фигура 10A является видом сверху, а Фигура 10B является видом поперечного сечения генерирующей электрическую мощность системы 300, согласно одному варианту осуществления. Система 300 включает в себя установочную плиту 302, соединенную с рамой 303, приводную шестерню 304, соединенную с валом 306 ротора, которая осуществляет связь через раму 303, и несколько независимо функционирующих и резервированных двигатель-генераторных устройств 310, соединенных с установочной плитой 302 и простирающихся к приводной шестерне 304.
В одном варианте осуществления, установочная плита 302 и приводная шестерня 304 расположены в плоскости A, так что установочная плита 302 по существу является копланарной с приводной шестерней 304. Двигатель-генераторные устройства 310 разделены с промежутками вокруг установочной плиты 302 для обеспечения требуемой линейной плотности устройств 310, которые объединены для обеспечения выбранного выходного напряжения для системы 300. В одном варианте осуществления, пары двигатель-генераторных устройств 310 установлены по существу параллельно плоскости A. Например, в одном варианте осуществления, приводная шестерня 304 включает в себя первую основную поверхность 312, противоположную второй основной поверхности 314, а пара двигатель-генераторных устройств 310 установлена на установочной плите 302 таким образом, что первое из устройств 310 осуществляет связь с первой основной поверхностью 312, а второе из устройств 310 осуществляет связь со второй основной поверхностью 314. В одном варианте осуществления, пары двигатель-генераторных устройств 310 установлены по существу параллельно плоскости A, при этом каждое двигатель-генераторное устройство 310 в паре установлено в шахматном порядке (т.е., имеет поперечное смещение) относительно своей пары.
В одном варианте осуществления, приводная шестерня 304 имеет диаметр, равный нескольким футам, так что когда приводная шестерня 304 вращается, существует возможность, что наружный периферийный край приводной шестерни 304 будет качаться из стороны в сторону или возможно будет немного не выровнен. В одном варианте осуществления, предоставлена амортизирующая или демпфирующая система 330, которая установлена между установочной плитой 302 и двигатель-генераторными устройствами 310, предоставляя возможность перемещения устройств 310 из плоскости A и ослабления/регулирования качания из стороны в сторону, которое присутствует в приводной шестерне 304. В одном варианте осуществления, амортизирующая система 330 включает в себя пружину 332, прикрепленную между установочной плитой 302 и устройством 310, хотя другие амортизаторы также являются допустимыми.
В одном варианте осуществления, каждое двигатель-генераторное устройство 310 включает в себя выходной вал 322, который простирается для вхождения в зацепление с одной из основных поверхностей 312, 314 приводной шестерни 304. В одном варианте осуществления, основные поверхности 312, 314 включают в себя приводные зубцы на наружной периферии, которые сконфигурированы с возможностью зацепления с приводными зубцами, предоставленными на выходных валах 322, при этом поверхность раздела между приводной шестерней 304 и выходным валом 322 включает в себя смазочный полимер 324, такой как PEEK или полиимид, которые описаны выше.
Фигура 11 является структурной схемой последовательности двигатель-генераторов 400, сгруппированных параллельно для обеспечения требуемого выходного напряжения для электрического двигатель-генераторного модуля 10 согласно одному варианту осуществления. В одном примерном варианте осуществления, количество двигатель-генераторов (двигатель-генераторы а вплоть до двигатель-генераторов n) соединены вместе последовательно с предоставлением выходного напряжения для каждого электрического двигатель-генераторного модуля 10 (Фигура 1), и количество подобных модулей соединено последовательно, так что каждая генерирующая электричество система 100 (Фигура 8) модулей вырабатывает приблизительно 1 МВт мощности. В одном варианте осуществления, переналаживаемость требуемого выходного напряжения системы обеспечивается за счет избирательного соединения электрическими проводами нескольких двигатель-генераторов (a…n) или пар двигатель-генераторов заданного выходного напряжения в различных комбинациях. Таким образом, выходное напряжение системы избирательно изменяют посредством выбранных комбинаций соединения электрическими проводами без изменения выходного напряжения каждого двигатель-генератора. В одном примерном варианте осуществления, большое количество двигатель-генераторов низкого напряжения (например, менее чем приблизительно 500 вольт) группируют параллельно и последовательно соединяют с предоставлением приблизительно 5,000 вольт от одного электрического двигатель-генераторного модуля 10, или меньшее количество двигатель-генераторов высокого напряжения (например, более чем приблизительно 500 вольт) соединяют последовательно с предоставлением приблизительно 5,000 вольт от каждого электрического двигатель-генераторного модуля 10, как подробно описано в примерах ниже.
Пример 1
В одном примерном варианте осуществления, 1 МВт электрический двигатель-генераторный модуль 10 (Фигура 1) оборудован десятью двигатель-генераторами 20, каждый из которых вырабатывает приблизительно 0,1 МВт. В одном примерном варианте осуществления, требуется предоставить приблизительно 20,000 вольт вниз на Землю по узлу 40 фала, при этом система 100, как проиллюстрировано (Фигура 8), включает в себя четыре электрических двигатель-генераторных модуля 10, так что каждый электрический двигатель-генераторный модуль 10 сконфигурирован с возможностью выработки приблизительно 5,000 вольт. Приблизительно 20,000 вольт вниз на Землю по узлу 40 фала обеспечивают посредством предоставления десяти двигателей приблизительно по 500 вольт каждый, при этом двигатели соединяют последовательно.
Пример 2
В одном примерном варианте осуществления, двигатель-генераторы 20 выбирают для выработки приблизительно 1,000 вольт вместо 500 вольт. Пары данных 1000 вольтных двигатель-генераторов соединяют параллельно, и вместе последовательно соединяют пять подобных пар для выработки электрическим двигатель-генераторным модулем 10 необходимых приблизительно 5,000 вольт. При данном подходе ток уменьшается, поскольку для выработки электрическим двигатель-генераторным модулем 10 тех же самых приблизительно 10 МВт мощности применяют 1000 вольтные двигатель-генераторы. Уменьшение тока обеспечивает возможность использования меньшего количества проволоки и меньшего числа витков, что приводит к машине с более легким весом. Таким образом, каждый электрический двигатель-генераторный модуль 10 снижает силу тока наполовину несмотря на то, что он все также вырабатывает тот же самый приблизительно 1 МВт суммарной мощности. Уменьшения тока вдвое обеспечивает возможность использования меньшего числа витков более мелкой проволоки, что приводит к модулю, имеющему более легкую массу.
Пример 3
В одном примерном варианте осуществления, для предоставления приблизительно 30,000 вольт вниз на Землю по узлу 40 фала применяют триста "маленьких" двигатель-генераторов из четырех электрических двигатель-генераторных модулей 10. 30,000 вольт вниз на Землю от четырех электрических двигатель-генераторных модулей 10 транслируется на каждый электрический двигатель-генераторный модуль 10, имеющий выходную мощность приблизительно 7,500 вольт. 7,500 вольт от каждого модуля с равномерным распределением по трехстам двигатель-генераторам приводит к выработке каждым двигатель-генератором приблизительно 25 вольт. За счет последовательного соединения данных трехсот 25 вольтных двигатель-генераторов будет вырабатываться приблизительно 7,500 вольт от каждого модуля и приблизительно 30,000 вольт вниз на Землю по фалу. В одном варианте осуществления, некоторые двигатель-генераторы являются резервированными двигатель-генераторами, так что даже, если несколько двигатель-генераторов в процессе полета выйдет из строя, в работе останется достаточное количество двигатель-генераторов для выработки требуемого и расчетного выходного напряжения системы.
Несмотря на то что в данной заявке были проиллюстрированы и описаны конкретные варианты осуществления, квалифицированные специалисты в данной области должны принимать во внимание, что для конкретных вариантов осуществления множество альтернативных и/или эквивалентных реализаций может быть заменено без выхода за объем настоящего изобретения. Данная заявка предполагает охват любых модификаций или вариантов конкретных вариантов осуществления, обсуждавшихся в данном описании. Вследствие этого, предполагается, что данное изобретение должно быть ограничено только формулой изобретения и ее эквивалентами.