АЭРО-ВЫСОТНЫЙ ВЕТРОГЕНЕРАТОР
AERO-HIGH-ALTITUDE WIND POWER GENERATOR

Изобретение применяется для генерации энергии ветра в электроэнергию сверхкрупных (от 1500 кВт) мощностей, достигаемых в высотных скоростных слоях атмосферы, прежде всего на материковых территориях.
Настоящий ветрогенератор относится к энергетическим установкам, работающим от ветра при вертикальном расположении оси вращения ортогональной турбины (виндроторы).
Из развития техники известны ветрогенерирующие установки, для которых в целях достижения большей вырабатываемой мощности применяется размещение турбинно-генераторных блоков в более высоких и скоростных слоях атмосферы. Высотное положение достигается с помощью трех типов подъемников. Наиболее простой конструкцией являются воздушно-змейковые устройства с парусными элементами (патенты SU №№69787, 70891). Однако данные ветростанции не в состоянии поднять в воздух и удержать на большой высоте тяжелые генераторы и длинно-лопастные турбины, тем самым не способны вырабатывать промышленные мощности. В устройствах не решены вопросы безопасного запуска в работу, средства ориентации турбин на ветер ненадежны. Ввиду нестабильности реальных воздушных потоков все элементы данных станций подвергаются разрушающим толчкам, раскачиваниям и вибрациям. Эксплуатация небезопасна, т.к. при внезапном штиле установка рухнет вниз с причинением себе и вокруг себя значительных повреждений.
Другими также парусными средствами подъема на высоту исключительно горизонтально-осевых ВЭУ являются системы с применением купола из эластичного материала или парашюта (патенты SU №1000583, RU №2338089). Данным высотным ветростанциям свойственны практически все недостатки ранее упомянутых воздушно-змейковых устройств. Они усугубляются опасностями, связанными с вероятностями схлопывания парашюта, его вращения с перехлестом строп.
К более безопасным высотным устройствам следует отнести ветросиловые установки с применением аэростатов нейтральной и положительной плавучести. В них имеют место варианты размещения горизонтально-осевых турбин и генераторов на большой высоте подвешенными только снизу (веб-сайт: http://fimip.ru/proiect/199), снизу или вокруг аэростата (патент SU №8970). Вместе с тем первое из устройств полностью лишено ориентации турбин на ветер, статично повернуто навстречу преобладающему ветронаправлению своей боковой поверхностью, обладающей максимальным лобовым сопротивлением. Если скорость ветра превысит определенное критическое значение, аэростат будет прибит к земле, рама с вставленными в нее генераторами и турбинами будет разрушена. Ориентация на ветер второго устройства не является достаточной для устойчивой работы турбин и обеспечивается лишь каплевидной формой аэростата. Известно, что лобовое сопротивление пропеллерно-лопастных турбин на высоких скоростях ветра резким скачком возрастает, что приведет к тем же уже упомянутым негативным последствиям. Турбины, установленные в кольцевой ферме, работают в разноскоростных потоках воздуха, особенно те, что расположены ниже и выше оболочки, аэростат будет раскачиваться, турбины терять свое положение, оптимальное только при полном совпадении осей их вращения с направлением ветра.
При выборе типа турбины во внутренних областях материковых территорий для любого ветрогенератора решающим является ее способность не требовать ориентации на ветер. Таким качеством обладают только турбины виндроторов. Для получения электроэнергии промышленных мощностей от ветра виндроторные турбины должны обладать взаимоисключающими качествами, между которыми следует достигнуть оптимального баланса, а именно ометать как можно большую поверхность и иметь по возможности меньший вес.
К крупногабаритным устройствам большой мощности относится зонтично-каркасный виндротор (патент RU №2476717) с ортогональными лопастями, в котором вращение к центрально-осевому генератору передается через длинномерные траверсы, утяжеляющие турбину. В близкой по техническому решению орбитальной ветротурбине (патент US №20110018280) траверсы отсутствуют, но турбина нагружена весом опорных роликов и, особенно существенно, закрепленным на ней генератором, масса которого для промышленных установок будет превышать, возможно в 2-3 и более раза, вес собственно турбины. Опорные ролики каркаса в виндроторе имеют одну степень свободы по вертикали, а опорные ролики турбины в орбитальной конструкции не имеют и этого признака. При больших габаритах обеих устройств, что необходимы для достижения значительных размеров ометаемой площади, возникают неизбежные и нарастающие отклонения форм турбинных ободов от идеальной окружности и плоскости, которые создают в крупногабаритном варианте исполнения ортогональных турбин труднопреодолимые проблемы в работе опорно-направляющих узлов.
Сущность технического решения состоит в том, что турбинно-генераторный блок устройства поднят в скоростные слои атмосферы посредством связанной с ним через клеть из обхватывающих прутьев и ремней аэростатной оболочки в виде обтекаемой с любых сторон горизонтально расположенной двояковыпуклой линзы, полностью заполняющей клеть и частично выступающей за ее пределы; для преобразования энергии ветра использованы вертикально-осевая турбина Дарье с эллиптически выгнутыми крыловидными лопастями, вращающаяся внутри опорного каркаса из колонн, в свою очередь выгнутых по эллиптическим кривым, в подшипниках на вершинах малой оси упомянутого каркаса, и электрогенератор, прикрепленный к упомянутому каркасу снизу. Вертикальное положение оси вращения турбины может корректироваться тросами от участков, примыкающих к нижней вершине эллиптически выгнутых колонн опорного каркаса через наземные лебедки, управляемые компьютерной программой. При необходимости колебания тросов прямой привязки устройства к грунту гасятся вставками из эластичных резиновых тяжей. Эти же тросы в случае комплектации ветрогенератора двумя и более аэростатными оболочками крепятся для устойчивости всей конструкции на высоте верхней из оболочек.
Целью изобретения является надежное и устойчивое получение электроэнергии сверхкрупной мощности от ветра в высотных скоростных слоях атмосферы, прежде всего на материковых территориях.
Поставленная цель достигается тем, что из конструктивного многообразия аэростатов выбрана оболочка лучшей обтекаемости ветром любой направленности в виде горизонтальной двояковыпуклой линзы. В этом случае аэростатическая подъемная сила дополняется также аэродинамической составляющей. Для устойчивости устройства его центр тяжести смещен вниз благодаря подвеске несущего турбинно-генераторный блок каркаса через жесткие связи к прутьям клети, что обхватывают аэростатную оболочку. Упомянутый энергоблок относится к виндроторам, не требующим ориентации на ветер, и включает в себя турбину Дарье, мощность которой усилена более развитой длиной крыловидных лопастей, эллиптически для этого выгнутых. Опорный каркас турбины вертикального вращения находится по отношению к ней с внешней стороны, колонны его в связи с этим и для усиления жесткости выгнуты по эллиптическим кривым, большая ось которых совпадает с горизонтальной осью симметрии все той же турбины. Ее вал надежно закреплен в двух опорных точках - подшипниках на вершинах малой оси эллиптически выгнутых колонн каркаса. В неблагоприятных условиях эксплуатации, которые обычно имеют место на материковых территориях и выражаются в переменчивой направленности ветра и его нестабильном напоре, для надежности и устойчивости ветрогенератора на большой высоте дополнительно служат узел коррекции вертикально-осевого положения турбины при помощи тросов переменной длины, изменяемой через наземные лебедки, управляемые компьютерной программой; демпфирующие вставки из эластичных резиновых тяжей в тросы прямой привязки устройства к грунту, выбор точек крепления этих тросов к прутьям клети при применении нескольких аэростатных оболочек.
На фиг.1 показан общий вид аэровысотного ветрогенератора (далее АВВГ) в комплектации двумя аэростатными оболочками; на фиг.2 - вид на устройство снизу.
Ветрогенератор состоит из нескольких блоков, так аэростатная часть устройства включает в себя оболочки 1 и 2, заключенные в клеть из жестких прутьев 3 и ремней 4. В турбинно-генераторный блок входят внешне-опорный каркас 5, турбина Дарье с крыловидными лопастями 6, установленная с помощью траверс 7 на валу 8, вращающемся в подшипниках 9. Снизу к каркасу блока подвешен электрогенератор 10, ротор которого и турбинный вал сообщаются через муфту 11. Крепежная часть устройства на местности содержит тросы 12 переменной длины, изменяемой наземными лебедками 13, и прямую привязку ветрогенератора к грунту тросами 14 со вставками эластичных резиновых тяжей 15.
Устройство АВВГ работает следующим образом. После сборки по месту установки оболочки 1 и 2 заполняются газом легче воздуха в количестве, обеспечивающем их положительную плавучесть и достаточную аэростатическую подъемную силу. Затем тросы 12 стравливаются с барабанов наземных лебедок 13 до тех пор, пока свободно лежащие на грунте тросы 14 не занимают своего рабочего положения и не натягиваются подобно струнам. Поднявшись до заданной точки в атмосфере, где имеют место высокоскоростные ветра, турбина 6 вращается с высокой частотой и в зависимости от ометаемой ею площади генератор 10 начинает вырабатывать крупные либо сверхкрупные мощности электроэнергии. Ток от ветрогенератора передается потребителям по кабелям, что подвешены к одному-двум тросам 14. Для спуска установки на землю при обслуживании и ремонте оборудования, дозаправки оболочек 1, 2 газом (раз в несколько месяцев или лет в зависимости от свойств их материала, газонепроницаемости соединительных швов, герметичности клапанов) используются те же троса 12, наматываемые на барабаны синхронно работающих наземных лебедок 13.
Высокие энергетические показатели АВВГ кроме высотного расположения турбины от 300 и более метров над землей обеспечиваются также развитой длиной ее крыловидных лопастей 6, выгнутых для этого в стороны от оси вертикального вращения с эллиптической кривизной. Дополнительный положительный эффект будет получен если траверсы 7 будут выполнены вогнутыми и иметь аэродинамические сечения (патент RU №2485345).
Большую надежность АВВГ придают прочная и жесткая конструктивно-силовая схема внешне-опорного каркаса 5, при которой его колонны эллиптически выгнуты наружу от турбины 6 с получением положительного результата, что достигается, например, в туннельном строительстве от применения несущих длинномерных балок аналогичной конфигурации. Такой же задаче подчинена работа турбинного вала 8 с двойной опорой на подшипниковые узлы 9 по вершинам малой оси каркаса 5.
Устойчивое положение АВВГ в пространстве и стабильная работа устройства решаются малым лобовым сопротивлением и дополнительной подъемной силой от выбранной аэродинамической формы в виде двояковыпуклых линз, что имеют наполненные легким газом, предпочтительно гелием, оболочки 1, 2.
Этой же цели устойчивости служит наделение изобретения рядом зависимых признаков. В особо возмущенной воздушной среде, когда весьма вероятны отклонения виндротора от вертикального положения, эти отклонения компенсируются тросами 12 переменной длины, часть которых надлежащим образом накручивается, а другая часть стравливается с барабанов наземных лебедок 13, управляемых компьютерной программой. Под резкими порывами ветра, если таковые имеют место, тросы прямой привязки 14 будут раскачиваться, побуждая к колебаниям всю конструкцию в целом. Данное явление устраняется большой до состояния струн натяжкой упомянутых тросов и наличием в них вставок из эластичных резиновых тяжей 15, которые в стандартном исполнении могут растягиваться в два-четыре раза и упругая сила которых возвращает тросы 14 к первоначальной длине. Когда АВВГ включат в себя более одной аэростатной оболочки (целесообразно из соображений надежности, безопасности, для уменьшения горизонтальных габаритов), ветрогенератор, принимая во внимание, что тросы 14 прямой привязки к грунту идентично расходятся в стороны от оси симметрии устройства за пределы его нижней проекции, будет более устойчивым при прикреплении данных гибких связей к прутьям 3 на высоте верхней оболочки 1.