ПРОТИВООБЛЕДЕНИТЕЛЬНО-АЭРОСТАТНЫЙ ВЕТРОГЕНЕРАТОР
ANTI-ICING-BALLOON WIND GENERATOR

Применяется для генерации энергии ветра в электроэнергию малых и средних мощностей, достигаемых в скоростных слоях атмосферы.
Настоящий ветрогенератор относится к энергетическим установкам, имеющим горизонтальную ось вращения ветряного ротора, перпендикулярную направлению ветра.
Известно, что силовые блоки ветряных установок могут быть подняты до скоростных ветров в составе воздухоплавательных модулей, аэростатные оболочки которых наполнены легким газом в объемах, создающих устойчивую и продолжительную плавучесть высотной части энергетической системы. Без применения таких систем ветроэнергетика имеет мало практического смысла там, где низовые ветра слабы для генерации промышленных мощностей или имеют место пылевые бури, геоподоснова не пригодна для сооружения тяжелых опор ВЭУ, происходят сейсмические явления и атмосферные катаклизмы.
Наиболее распространенными видами привязных аэростатов являются наполненные легким газом шаровидные оболочки и их сигарообразные модификации (патенты RU 2046734 С1, 13.06.1991; US 20090152391 А1, 04.03.2006), к которым снизу при помощи строп подвешены корзины (патент RU 2026238 С1, 21.11.1991). Однако эти аэростаты не предназначены для ветроэнергетических целей, поднимают в атмосферу и удерживают на высоте прежде всего системы видео наблюдения, метеорологические приборы ретрансляторы и т.п. иное оборудование.
Приспособлению к ветроэнергетическим целям служит ветряная электростанция (патент DE 2524360 А1, 02.06.1975), в одной из модификаций которой (фиг. 17) ветросиловой блок подвешен к аэростатной оболочке перевернутой каплевидной формы на стропах, гибкость которых создает пространственную неустойчивость воздухоплавательного модуля в целом. Отличительной особенностью от этой станции другой высотной ветросиловой установки (патент SU 8970 А1, 11.08.1927) является использование жесткой рамной подвески, закрепленной на днище аэростатной оболочки и служащей опорной конструкцией для по меньшей мере одного ветросилового блока.
В надземной ветрогенераторной системе (патент RU 2457358 С1, 27.07.2012) используется ротор с неортогональными лопастями Савониуса, горизонтальная ось вращения которого перпендикулярна направлению ветра. Перпендикулярная ориентация оси вращения ротора на ветер является неизменным качеством устройства. Вместе с тем в этой системе ротор располагается в продольном отверстии горизонтально-вытянутой аэростатной оболочки или в щели между двумя горизонтальными оболочками, либо в зазоре между элементами, соединяющими оболочки. В следствии таких конструктивных особенностей системы атмосферные потоки будут скорее огибать воздухоплавательный модуль, чем воздействовать на его ротор.
Известен ветродвигатель (патент SU 1509560 А1, 02.09.1987), оснащенный ортогонально-лопастными роторами с горизонтальными осями вращения, перпендикулярными направлению ветра. Однако все роторы данного ветродвигателя приподняты над уровнем аэростатных оболочек, центр тяжести воздухоплавательного модуля смещен вверх, в устройстве отсутствуют элементы поддержания как продольной, так и поперечной стабильности модуля, оптимальной ориентации оси вращения его роторов в воздушном пространстве.
В большей мере требованиям пространственной устойчивости и надежности эффективного положения осей вращения роторов относительно ветра отвечают ветрогенератор (патент RU 2576103 С1, 27.01.2015) и ветроэнергетическая система (патент RU 2594827 С1, 15.10.2015), указанные положительные качества которых достигаются однако за счет большой материалоемкости двух или более аэростатных оболочек, входящих в составы воздухоплавательных модулей.
Все существующие аэростатно-плавательные ветроэнергетические устройства не приспособлены к эксплуатации в условиях обледенения. Это оправданно в большинстве климатических зон, где в зимние время не создаются или создаются исключительно редко и кратковременно периоды благоприятной для обледенения погоды, а именно с температурой от -5°С до -10°С при влажности воздуха более 85%. В противных же случаях при негативных особенностях климата наличие противообледенительной (ПО) системы в составе воздухоплавательных модулей ветрогенераторов является необходимым и обязательным. Без ПО-систем потребуется прекращать работу установок на время частого и продолжительного обледенения, опускать воздухоплавательный модуль к наземному причальному узлу, тем или иным способом, например тепловыми пушками, удалять ледяные образования с аэростатных поверхностей.
Для борьбы с обледенением летательных аппаратов их лобовые сопротивления минимизируются, применяются механические, физико-химические и тепловые ПО-системы. Разновидностью механического метода является пневматическая система, имеющая небольшую массу и энергоемкость, что делает ее предпочтительной в низко-скоростных потоках воздуха. При этом на защищаемой поверхности закрепляются сигнализаторы обледенения и эластичные пневмокамеры. Когда обледенение достигает толщины в 4-5 мм, внутрь камер подается воздух, они раздуваются и раскалывают лед, который уносится ветром с защищаемой поверхности. Цикл очистки завершается стравливанием воздуха из объемов камер. Однако покрытие всей защищаемой поверхности пневмокамерами утяжеляет летательный аппарат и чаще всего технически возможно не повсеместно, в результате чего на защищаемых поверхностях остаются места и зоны, с которых удаление льда не происходит.
Наряду с этим из области практического воздухоплавания известен действующий германский полужесткий дирижабль Zeppelin NT LZ-N07, внутри газонаполненной оболочки которого размещены для поддержания неизменяемости сигарообразной внешней формы аппарата мягкие емкости - баллонеты, наполняемые воздухом из внешней окружающей среды.
Сущность технического решения состоит в том, что камерой изменяемой наполняемости является вся мягкая аэростная оболочка, из которой при обледенении ее внешней поверхности в среднем 1/5 доля легкого газа принудительно перетекает в жестко-корпусной баллонет, являющийся внутренним элементом упомянутой мягкой оболочки, частично выступающим снизу за ее пределы. Аэростатическая подъемная сила оболочки не изменяется, положительная плавучесть воздухоплавательного модуля ветрогенератора сохраняется. В то же время мягкая аэростатная оболочка несколько теряет первоначальную форму, ее поверхность сморщивается, ледяная корка ломается, отрывается по всей внешней поверхности оболочки и уносится ветром. По завершении цикла противообледенительной очистки легкий газ из баллонета принудительно перетекает в том же количестве назад в оболочку, которая тем самым восстанавливает свою первоначальную обтекаемую форму и низкое лобовое сопротивление.
Целью изобретения является использование ветрогенератора в условиях обледенения внешней поверхности мягкой аэростатной оболочки воздухоплавательного модуля, с помощью которого ветросиловой блок поднят на высоту скоростных ветров.
Поставленная цель достигается тем, что на внешней поверхности мягкой газонаполненной аэростатной оболочки воздухоплавательного модуля противообледенительно-аэростатного ветрогенератора установлены сигнализаторы обледенения, внутри оболочки содержится баллонет в жестко-корпусном исполнении, частично выступающий снизу за пределы этой же оболочки. Рамная подвеска с ветросиловым блоком крепится к днищу выступающей части баллонета, от которой также выдвинута в подветренную сторону консольная платформа с установленным на ней компрессором, обвязанным имеющим автоматические клапана шланговым коллектором, для осуществления принудительного перетока доли легкого газа из мягкой аэростатной оболочки в жесткий баллонет и того же количества газа в обратном порядке.
На фиг. 1 показан общий вид противообледенительно-аэростатного ветрогенератора; на фиг. 2 - вид на воздухоплавательный модуль того же устройства с наветренной стороны.
Устройство состоит из воздухоплавательного модуля и причального узла, связанных привязными тросами 1 и трос-кабелем 2. В свою очередь воздухоплавательный модуль включает в себя мягкую аэростатную оболочку 3 в форме газонаполненного шара на внешней поверхности оснащенного сигнализаторами обледенения и усиленного меридианными лентами 4. Внутри и частично выступая снизу за пределы оболочки располагается жестко-корпусной баллонет 5, на днище которого закреплена и свисает вниз рамная подвеска 6 с силовым блоком из ветряных роторов 7 и электрогенератора 8. От выступающей части баллонета выдвинута в подветренную сторону консольная платформа 9, на которой установлен компрессор 10, обвязанный шланговым коллектором с автоматическими клапанами 11.1 и 11.2 для принудительного перетока части легкого газа из оболочки в баллонет, а также 12.1 и 12.2 для обратного перетока того же количества легкого газа из баллонета в оболочку. То, как шланговый коллектор изображен на фиг. 1, сделано для наглядности, в действительности он полностью расположен на подветренной стороне аэростатной оболочки. Причальный узел устройства представляет из себя бетонную наземную тумбу 13 с поворотной платформой 14, где подветренно установлены две соосные лебедки 15 и диаметральная им кабельная бухта 16.
Противообледенительно-аэростатный ветрогенератор работает следующим образом. Мягкая аэростатная оболочка устройства заполняется легким газом в объеме, необходимом для придания оболочки стабильной шаровидной формы и достижения подъемной силы, достаточной для отрыва от земли и пространственной устойчивости воздухоплавательного модуля на высоте скоростных ветров, натяжения привязных тросовых связей с причальным узлом. Троса и трос кабель синхронно стравливаются с барабанов лебедок и кабельной бухты. В процессе подъема модуля до необходимой высоты он разворачивается воздушным потоком по круговой траектории вокруг места привязки, разворачивается через гибкие связи вместе с поворотной платформой причального узла и механизмами на ней. Ориентация модуля на ветер завершается после того, как горизонтальные оси вращения роторов становятся перпендикулярными направлению ветра. Скоростной напор ветра вращает роторы, механическая энергия подается в электрогенератор, где преобразуется в электрическую энергию, направляемую по трос-кабелю через контроллер, аккумуляторную батарею и инвертор к потребителям. При изменении направления ветра его напор воздействует на наветренную боковую поверхность аэростатной оболочки и ветросиловой блок, воздухоплавательный модуль совместно с поворотной платформой разворачиваются снова до тех пор, пока направленность привязных тросов и трос кабеля не совпадут с новым направлением ветра, а оси вращения роторов не займут перпендикулярного положения к ветру.
При известных неблагоприятных погодных условиях на внешней поверхности аэростатной оболочки образуется наледь, о которой, если слой льда достигает 2-3 мм, сообщают сигнализаторы обледенения. Включается компрессор и открываются автоматические клапана 11.1 и 11.2 коллектора для принудительного перетока части легкого газа из мягкой аэростатной оболочки в жестко-корпусной баллонет. Вследствие утраты аэростатной оболочкой своей первоначальной формы с гладкой поверхностью, появления на ней морщин и неравномерной волнистости обледенение разрушается и удаляется воздушным потоком. Изменение состояния оболочки фиксируется и передается сигнализаторами обледенения в виде команды на автоматические запорные устройства коллектора, из которых клапана 11.1 и 11.2 закрываются, а открываются клапана 12.1 и 12.2. Осуществляется обратный принудительный переток легкого газа в том же количестве около 20-30% от объема газонаполнения всей системы из баллонета в аэростатную оболочку. По завершении описанного цикла все клапана закрываются, а компрессор отключается.
В отличие от базовых устройств предлагаемый ветрогенератор комплектуется противообледенительными элементами: жестко-корпустным баллонетом, компрессором и коллектором, средствами автоматизации, что повышает массу воздухоплавательного модуля, менее значительно, но сказывается на его габаритах с соответствующим увеличением объема газонаполнения мягкой аэростатной оболочки. Таким образом решение об его использовании даже в северных странах должно быть основано на длительных наблюдениях климата и твердой уверенности в том, что на высотах скоростных ветров часто и на продолжительное время повторяется узкий погодный интервал образования обледенения на аэростатных поверхностях. Вместе с тем целесообразность применения ветрогенератора в противообледенительной модификации не вызывает сомнения для эксплуатации в арктических широтах.
Настоящий ветрогенератор имеет двойную мобильность: вертикальную, когда ветросиловой блок размещается в широком диапазоне высот (на практике достигнут уровень в 600 метров от причального узла); горизонтальную, когда установка может легко переноситься с места на место, менять климатические зоны размещения без ущерба для эффективной генерации от ВИЭ.