АЭРОЭНЕРГОСТАТ КАТАМАРАННЫЙ
CATAMARAN AEROENERGOSTAT

Предназначен к использованию для генерации энергии ветра в электроэнергию больших промышленных мощностей, получаемых на высоте скоростных атмосферных потоков.
Предлагаемое ветроэнергетическое устройство относится к системам воздушного базирования, радиально-лопастная турбина которых имеет ось вращения, совпадающую с направлением ветра.
Рост размеров ветродвигателей в целях выработки все больших мощностей генерации - основной тренд развития ветроэнергетики, который позволяет снизить удельные капитальные затраты и стоимости единицы энергии. Все более крупные и мощные машины идут в серию, за последние двадцать лет их средняя производительность выросла в 50 раз. Вместе с тем в динамике развития систем наземного базирования наметилась стагнация (США), вплоть до резкой депрессии, что наблюдается в Германии. В этой стране, являющейся пионером в мировой ветроэнергетической отрасли, ввод в эксплуатацию наземных электростанций снизился за первое полугодие 2019 года на 82 процента, к концу года ожидается трехкратное падение прироста мощностей данного сектора возобновляемой энергетики. Замедление динамики развития наблюдается в целом по Европе с 3,3 до 2,9 ГВт годового запуска вновь установленных мощностей. Судя по всему, создав гигантскую установку Enercon-126 мощностью 7, 5 МВт, мировая ветроэнергетика в части систем наземного базирования перешагнула предел целесообразности, когда дальнейшее увеличение материалоемкости, габаритов и соответственно стоимости установок начинает расти быстрее, чем отдача от этого увеличения. А сам предел лежит намного раньше, где-то рядом с установленной мощностью одной ветростанции, равной 3, 5 МВт при диаметре радиально-лопастных турбин 130-140 метров. Такие технические характеристики еще не входят в противоречие с прочностью используемых материалов, возможностями и стоимостью транспортировки крупногабаритного оборудования - лопастей турбин упомянутых размеров и, прежде всего, стальных труб/колец диаметром до 4,3 в редком случае 4,6 метров к месту дислокации наземных ВЭУ, а также грузоподъемностью монтажной техники и ее способностью доставки элементов ветросиловых блоков на высоту 120-метровых опорных колонн. Кроме того в индустриальных странах близок к исчерпанию лимит свободных земельных участков под строительство ветрогенераторов (для ФРГ в свободном остатке 2-2,5% территории), а благоприятные зоны на суше, продуваемые скоростными ветрами по-существу окончательно задействованы.
В связи с перечисленными ограничениями не преодолимой силы мировая ветроиндустрия направила свой потенциал на создание и прогресс в секторе морской (офшорной) генерации, где созданы 8-мегаваттные энергетические машины MHI Vestas V164, от Adwen AD-180 и Siemens SWT-8.0-154 8MW. Однако столь мощные силовые агрегаты не могут быть установлены на якорных привязках, а требуют массивных фундаментов на морском дне. В результате область их применения ограничивается мелководными шельфами, которые в свою очередь не распространены повсеместно, а скорее являются исключением в территориальных водах малого числа стран, например, берега которых омывают воды Северного и Норвежского морей. Кроме того вынос ветростанций и ферм в море в связи с дефицитом свободных и продуваемых сильными ветрами площадей на суше, в целях использования наилучшего ветрового потенциала требует затрат по созданию дополнительных сетей транспортировки возобновляемой электроэнергии к потребителям. Эти дополнительные расходы могут нивелировать выгоды от ВЭУ морского базирования.
На стадии пилотных проектов началось формирование третьего сектора ветроэнергетики - систем воздушного базирования (AWE), когда силовые блоки поднимаются воздухоплавательными модулями на высоту 300-600 метров до уровня сильных и стабильных ветров, имеющих скорость перемещения 20-25 м/с, что ниже критических 45 м/с, но с потенциалом коммерческим, недостижимым иными средствами и способами. Данные системы снимают территориальные ограничения, когда наземные ВЭУ эффективны только при дислокации в местах, где в приземном слое атмосферы действуют сильные ветра, что обуславливает их концентрацию главным образом на благоприятных береговых линиях мирового океана. Высотное воздушное базирование делает ветроэнергетику рентабельной в глубине слабо продуваемых на высотах до 100-120 метров континентальных пространств всех материков планеты, позволяет ей с большей успешностью распространяться за пределами западных побережий Северной Америки и Европы, освоить внутренние провинции Индии и Китая, не морские державы.
В последнем секторе использования ветряного ВИЭ с учетом требования к максимально возможной мощности каждой отдельной энергоустановки особый интерес вызывают конструкции, в которых воздухоплавательные модули состоят из по меньшей мере двух аэростатных оболочек, что позволяет задействовать большие объемы легкого газа, с их помощью достигнуть несравненно большей подъемной силы, способной доставить на высоту скоростных ветров утяжеленные силовые блоки, массогабаритные характеристики которых обеспечивают коммерчески значимую производительность. Такой результат будет получен с меньшими издержками, чем имели место при практическом воплощении однокорпусных аэростата PEGASE, дирижаблей SKYSHIP и Cargo Airship с объемами газонаполнения 270, 800 и 930 тыс.м3 соответственно, при чем эти объемы для ветроэнергетических целей могут быть уменьшены в 2-3 и даже 5 раза.
Уместно упомянуть в этой связи надземную ветрогенераторную систему (WO/2009/131278, опубл. 11.07.2008), которая содержит две оболочки в одном уровне и канал между ними, где размещены горизонтально-осевые роторы с лопастями Савониуса, что имеют самый большой вес и самое высокое лобовое сопротивление воздушному потоку из всех известных ветровых устройств. Оболочки соединены по катамаранной схеме поперечными горизонтальными пластинами. Установка низко эффективна, поскольку основная масса ветра будет обтекать препятствие на своем пути, каковым в данном случае является сравнительно узкий канал с роторными устройствами упомянутого отрицательного свойства. Увеличить габариты канала, вместе с этим нарастить площадь, ометаемую роторами, не имеет смысла, все равно канал остается полностью перекрытым лопастями Савониуса, к тому же значительно раздвинуть оболочки невозможно в следствии неизбежного прогиба скрепляющих их пластин и осей тяжеловесных роторов. На основе аналогичных решений и принципов действует способ использования ветровой энергии и работает устройство для применения этого способа (патент DE 10240890, 20.03.2003) с вытекающими из этого недостатками.
Информационный поиск выявил, что в качестве прототипа заявленного изобретения может быть назван аэростатно-плавательный ветрогенератор (WO/2016/122348, опубл. 04.08.2016). Обе продольно-вытянутые оболочки этого устройства имеют жесткие днища, являющиеся базовыми платформами, связанными между собой по меньшей мере одной поперечной мостовой фермой, по центру нижнего непрямого (ломанного или эллиптического) пояса которой подвешена гондола с электрогенератором, вращение в него передается через вал в подшипниковых опорах от скоростного ортогонально-лопастного ротора, расположенного над фермой и имеющего вертикальную ось вращения, перпендикулярную направлению ветра. Данное устройство менее эффективно, чем ветродвигатели с тихоходными радиально-лопастными турбинами, ось вращения которых совпадает с направлением ветра. Высокая частота вращения роторов, возникающие при этом знакопеременные нагрузки создают вибрации оборудования, ускоряют их износ и разрушение. Сильный скоростной напор высотных ветров, нагруженность воздухоплавательного модуля ветросиловым блоком повышенной массогабаритности делают необходимым применение утяжеленных аэростатных оболочек с жесткими корпуса из твердых листовых материалов или полужестком варианте с внутренним каркасом, недоступным для операционного обслуживания. При этом аэростатическая подъемная сила оболочек расходуется не только полезно для доставки ветросилового блока на заданную высоту, но и нерационально на преодоление тяжести самих оболочек. Имеют место трудности операционного обслуживания внутри оболочковых баллонетов, когда таковые применяются. Ветровой напор сильно сносят высотный модуль ветрогенератора от наземного причального узла, такое устройство не способно решить главную земельную проблему систем воздушного базирования, состоящую в необходимости отводить под них свободные территории большой площади.
Важнейшая земельная проблема высотной ветроэнергетики решена в аэроэнергостате (патент RU 2703863 С1, 22.10.2019) с тихоходной радиально-лопастной турбиной, чья ось вращения совпадает с направлением ветра, Признаки этого устройства, относящиеся к системе устойчивого зависания воздухоплавательного модуля непосредственно над наземным причальным узлом без сбоев в перестроении модуля на боковой ветер, а именно, оснащение устройства датчиками давления ветра на аэростатную оболочку, процессором и реверсивным исполнительным механизмом в составе причального узла, целесообразно в целом ряде случаев модифицировать под совместимость и конструктивные особенности предлагаемого устройства.
Сущность предлагаемых технических решений состоит в том, что в аэроэнергостате, собранном по катамаранной конструктивно-силовой схеме, используется тихоходная радиально-лопастная турбина, ось вращения которой совпадает с направлением ветра, что повышает эффективность преобразования энергии ветра на 17-33 процента, улучшает ресурсные показатели. Однако поскольку данного средства недостаточно для достижения задачи получения максимально большой промышленной мощности генерации, воздухоплавательный модуль доставляется на уровень сверхскоростных ветров и оснащается ветросиловым блоком с повышенными массогабаритными характеристиками, что создает увеличенные нагрузки на модуль под ветряным напором и силами тяжести. Сущность мер по обеспечению необходимой прочности воздухоплавательного модуля состоят в том, что легковесные мягкие аэростатные оболочки сигарообразной формы, уложенные на композитные платформы, помещаются в клети, каждая из которых образованна по всей длине оболочек верхним гребнем прокатного профиля и равномерно распределенными по длине оболочек жесткими обхватывающими оболочки дугами, в своих вершинах соединенными с гребнем, а концами опирающимися на кромки платформы. При этом может упрощаться операционного обслуживания баллонетов, для чего они извлекаются из оболочек и помещаются определенным образом снаружи их мягких корпусов в предназначенные для этого желоба композитных платформ. При необходимости настоящий аэроэнергостат может адаптироваться для использования известной системы устойчивого зависания воздухоплавательного модуля непосредственно над наземным причальным узлом для чего в конструкцию на корме модуля вносится частное изменение в виде скобы, выгнутой вверх и опирающейся на близлежащие кромки платформ.
Целями изобретения являются оптимизация преобразования энергии ветра в электроэнергию и создание прочностных возможностей для повышения мощности высотной ветроэнергетической генерации катамаранной установкой с мягкими аэростатными оболочками; упрощение операционного обслуживание баллонетов; совместимость устройства с системой устойчивого зависания воздухоплавательного модуля непосредственно над наземным причальным узлом.
Поставленные цели достигаются применением конструктивных мер по использованию более эффективной радиально-лопастной турбины, чья ось вращения совпадает с направлением ветра, усилением прочности утяжеленного массогабаритным ветросиловым блоком воздухоплавательного модуля с мягкими аэростатными оболочками за счет помещения их в жесткие клети, образуемые из продольных гребней прокатного профиля, проложенных поверху и вдоль всей длинны оболочек, и поперечных обхватывающих оболочки жестких дуг, которыми гребни опираются на кромки композитных платформ, являющихся нижней опорной базой упомянутых газонаполненных оболочек. Оперативное обслуживание баллонетов может быть упрощено, для чего в композитных платформах создаются продольно-осевые желоба, баллонетам придается трубчатая форма, в таком виде они переносятся из мягких аэростатных оболочек наружу и укладываются в упомянутые желоба. При целесообразности дооборудования аэроэнергостата системой устойчивого зависания воздухоплавательного модуля непосредственно над наземным причальным узлом, в корме модуля близлежащие кромки композитных платформ соединяются выгнутой вверх скобой, на вершине которой устанавливается затем по меньшей мере один воздушно-винтовой электрический авиадвигатель с управляемыми переменными углом атаки и тягой, направленной против ветра.
На фиг. 1 представлен вид с боку на воздухоплавательный модуль аэроэнергостата катамаранного (далее АэроЭСК); на фиг. 2 - сечение той же части устройства по А-А; на фиг. 3 показан его наземный причальный узел.
АэроЭСК состоит из воздухоплавательного модуля и наземного причального узла, связанных привязными трос-кабелями 1. Модуль катамаранной конструкции включает две композитных платформы 2, соединенные по центру масс высотной части устройства в сборе поперечной фермой 3, несущей посередине своего нижнего непрямого пояса ветросиловой блок из электрогенератора в корпусе гондолы 4 и подветренную радиально-лопастную турбину 5 с ось вращения, совпадающую с направлением ветра. На платформы уложены идентичные по габаритам и сигарообразной конфигурации мягкие аэростатные оболочки 6, заключенные в клети, образованные верхними гребнями 7 прокатного профиля, опирающимися концами на выступы платформ 8.1 и 8.2 в носовой и кормовой частях аэростатных оболочек, а также на кромки платформ при помощи поперечных жестких дуг 9, обхватывающих оболочки. Платформы могут иметь продольно-осевые желоба, в которые под аэростатными оболочками помещаются баллонеты 10 трубчатой формы, наполняемые сжатым воздухом от компрессоров 11. Наземный причальный узел включает бетонную тумбу 12, вращающуюся вертикальную ось 13, на выступающий вверх конец которой насажена горизонтальной балкой 14. На равноудаленных концах балки установлены трос-кабельные бухты 15 с приводными программно управляемыми механизмами 16. При целесообразности использования системы устойчивого зависания воздухоплавательного модуля непосредственно над наземным причальным узлом, комплектация установки дополняется носовыми 17 и боковыми 18 датчиками давления ветра на аэростатные оболочки, процессором, реверсивным исполнительным механизмом 19, зубчатой передачей 20, по меньшей мере одним воздушно-винтовым электрическим авиадвигателем 21 с управляемыми переменными углом атаки и тягой, направленной против ветра. При этом авиадвигатель крепится на вершине скобы 22, выгнутой вверх и соединяющей композитные платформы и опирающейся своими концами на близлежащие кромки в кормовой части платформ.
АэроЭСК работает следующим образом. После доставки оборудования, элементы которого являются вполне габаритными, и их первичной сборки по месту действия установки, мягкие аэростатные оболочки наполняются легким газом, а в трубчатые баллонеты закачивается сжатый воздух, после чего снизу воздухоплавательного модуля подвешиваются элементы ветросилового блока, сначала гондола с электрогенератором, а затем радиальные лопасти подветренной турбины. Трос-кабели начинают стравливаться с бухт наземного причального узла и модуль устройства поднимается на высоту скоростных ветров, смещаясь от причального узла и разворачиваясь относительно него по круговой траектории до тех пор пока продольная ось симметрии модуля и ось вращения турбины не совпадут с направлением ветра. Скоростной напор ветра вращает турбину, это вращение передается в электрогенератор, вырабатывающий энергию, направляемую через контроллер, аккумуляторную батарею и инвертор к потребителям. Если датчики давления ветра на аэростатные оболочки фиксируют скорость ветра, равную 80% от критических 45 м/с, процессор дает команду приводам трос-кабельных бухт и воздухоплавательный модуль оперативно спускается на нижние уровни атмосферы или непосредственно к земле, что исключает катастрофы и разрушения аэроэнергостатов.
При наличии системы, работа которой подробно приведена в описании упомянутого аэроэнергостата (патент RU 2703863 С1, 22.10 2019), включенный в работу авиадвигатель при его наличии создает возвратное движение смещенного от причального узла воздухоплавательного модуля, поддерживает его зависание над местом привязки и его продольную устойчивость, вертикальность гибких связей с землей. Поперечная же устойчивость модуля программно управляется длиной и натяжением привязных трос-кабелей.
Оптимизация преобразования кинетической энергии ветра в электроэнергию достигается отличной от прототипа пространственной ориентацией вала генератора, который приводится в горизонтальное положение и применением более эффективной радиально-лопастной турбины, чья ось вращения совпадает с направлением ветра.
Прочностные признаки изобретения, к которым относятся тихоходность используемой турбины, наличие гребней прокатного профиля, опирающиеся на носовые и кормовые выступы композитных платформ, а также на их кромки через жесткие поперечные дуги, обхватывающие оболочки, позволяют выдерживать нагрузки от массогабаритного ветросилового блока большой промышленной мощности, используя при этом мягкие аэростатные оболочки, уменьшающие собственный вес воздухоплавательного модуля в сборе и затраты легкого газа на придание ему положительной плавучести. Новыми признаками устройства являются трубчатая форма баллонетов, создание под них продольно-осевых желобов в композитных платформах, что дает возможность вынести баллонеты из внутренних объемов мягких аэростатных оболочек, чем упрощается их монтаж и операционное обслуживание.
Совместимости авиадвигателя и турбины АэроЭСК служит дополнительный элемент устройства - скоба, выгнутая вверх и опирающаяся концами на близлежащие кромки платформ в их кормовой части. Авиадвигатель крепится на вершине скобы над площадью, ометаемой турбиной, что гарантирует работу обеих механизмов без взаимных аэродинамических помех.
АэроЭСК может устанавливаться в любом месте земной и даже ледовой поверхности, не требует низкоуровневых сильно продуваемых пространств, поскольку работает на высоте неизменно активных перемещений воздушных масс. Снижены требования к коммуникациям, которые в меньшей степени или почти совсем не является препятствием для доставки оборудования, из которого исключены негабаритные трубы/кольца опорных колонн, лопасти могут ометать меньшую площадь, что делает их короче по длине и легче весу, мягкие аэростатные оболочки транспортируются в сложенном виде или по частям, сращиваемым на месте. В перспективе аэроэнергостаты могут войти в состав водородной энергетики, по-скольку современное пожаробезопасное электрооборудование и программное дистанционное управление высотной ветростанцией позволяет применять в качестве аэростатного газа водород, что в семь раз дешевле гелия и продолжает дешеветь, использовать избытки ветровой энергии в электролитических установках, пополняющих газовые хранилища и по мере необходимости удовлетворяющие собственные нужды в дозаправке газом ветровых энергосистем воздушного базирования. Аэроэнергостаты обладают уникальной в ветроэнергетики мобильностью, легко без разрушений демонтируются и устанавливаются в новом месте эксплуатации.
Парижское соглашение по климату не может быть исполнено без прогресса в области освоения возобновляемых источников энергии, что в секторе ветроиндустрии требует технологического прорыва, преодолевающего ограниченность эффективного применения наземных ВЭУ немногочисленными приморскими полуанклавами с сильными низовыми ветрами. Этот позитивный результат способны дать в любых географических координатах генераторные системы воздушного базирования, такие как предлагаемый АэроЭСК и подобные ему силовые машины.