АЭРОПЛАВАТЕЛЬНЫЙ ВИНДРОТОР
AEROFLOATING WINDROTOR

Применяется для генерации энергии ветра в электроэнергию средних промышленных мощностей, достигаемых в высотных скоростных слоях атмосферы с ветрами переменчивой направленности, которые являются преобладающими в материковом климате.
Настоящее устройство относится к энергетическим установкам, работающим от ветра при вертикальном расположении оси вращения ортогональной турбины с лопастями крыловидного профиля (виндроторы).
Известна высотная ветроэлектрическая станция со змейковым подъемным устройством (патент SU №69787), на причальный трос которого навешены генераторы с ветроколесами. В описании данного механизма отсутствуют сведения о конструкции наземного держателя установки, а также способе запуска установки в работу на большой высоте. При малых скоростях ветра трос станции будет располагаться под острым углом к поверхности земли и представлять из себя помеху для вращения ветроколес, а при безветрии как трос, так и устройство в целом полностью лягут на землю. В месте крепления троса к наземному держателю следует ожидать скручивания и разрушения гибкой связи. Аналогичный недостаток причального узла имеет высотная ветросиловая установка (патент SU №8970).
Сведения о высотной ветряной турбине (патент SU №1546) содержат информацию об использовании в качестве турбины наполненного легким газом кольцевого тела с радиальными лопастями, горизонтально-осевое вращение от которого передается при помощи гибких валов через конические передачи на вертикальный ротор генератора. Известно, что все турбины такого вращения плохо ориентируются на ветер, при наличии гибких валов ненадежной прочности устойчивое положение их оси вращения в оптимальном горизонтальном положении исключается, что ведет к падению вырабатываемой генератором мощности, в местах соединений гибких валов с прочими элементами конструкции происходят разрушения крепежа. Упоминание башни или, буквально, какой-либо земной части установки не конкретизировано, а ссылка на наличие поворотного свойства такого узла в ветряной турбине, выполненной по предложенной конструктивной схеме, не имеет практического смысла, необходимость в этом качестве отсутствует.
Устройство Windkraftwerk (патент DE №29811094) с турбиной вертикально-осевого вращения из лопастей Савониуса поднято от земли на большую высоту с помощью аэростатной оболочки конической формы. Указанная форма аэростата не обладает оптимальными аэродинамическими свойствами, а выбранный тип турбины имеет ограниченную площадь ометания и соответственно малый съем энергии от ветра. В интенсификаторе (патент UA №69547) обтекаемость аэростата улучшена за счет использования оболочки двояковыпуклой формы, но воздушные винты работают только в восходящих потоках воздуха, что наблюдается исключительно в специфических условиях территорий, прилегающих к горным массивам, тем самым ограничивая область применения данного устройства. Ветрогенератор (патент RU №2535427) отличается использованием ортогональной турбины с лопастями крыловидного профиля, возможностью применения нескольких двояковыпуклых аэростатных оболочек, рядом других отличительных особенностей, в том числе особой схемой привязки поднятого на большую высоту ветросилового блока к месту дислокации устройства. Потери мощности, имеющие место при отклонениях оси вращения турбины от вертикального положения, должны устраняться через наземные лебедки, действующие согласованно и через тросы непосредственно воздействующие на внешне-опорный каркас модифицированной турбины Дарье.
Общей задачей для всех устройств, генерирующих энергию ветра на большой высоте, достигаемой при помощи подъема ветросиловых блоков с применением аэростатных оболочек, является соблюдение условия стабильного положения турбины в воздушном пространстве строго над местом ее дислокации и привязки к земле. Под напором сильных ветров это условие для аэровысотных установок нарушается, происходит их смещение в подветренную сторону. Стоит ветру сменить направление, а такие перемены особенно характерны в материковом климате, как ветрогенератор наклоняется иначе, в непредсказуемом направлении. Если для высотных ВЭУ существуют до определенного предела возможности улучшения пространственной устойчивости через оптимизацию аэродинамических свойств аэростатов, повышение их обтекаемости, то у ветротурбин всех известных классов такой ресурс отсутствует. В результате все упомянутые прототипы или не решают проблему стабильного пространственного положения устройств в высотных скоростных слоях воздуха при переменчивой направленности ветров, или решают ее частично и не в полной мере.
Сущность изобретения состоит в том, что аэростатная оболочка вместе с установленным на ней виндротором не жестко привязывается к месту наземной дислокации, а имеет возможность под воздействием на них ветра при изменении его направленности описывать в воздухе круги относительно поворотного узла и занимать устойчивое положение на ветер. Поворотным узлом служит причальная тумба, конструкция которой надлежащим образом изменена. Большей пространственной устойчивости аэроплавательного виндротора, более стабильной работе ортогональной турбины без значительных отклонений от вертикально-осевого вращения служат овальная форма жесткого горизонтального днища аэростатной оболочки, большая продольная ось которой всегда совпадает с направлением ветра, тот же эффект дают веерный строй гибких тросовых связей, место и схема их присоединения к днищу упомянутой оболочки. Та из этих связей, что занимает центрально-осевая положение, совпадающее с направленностью большой продольной оси упомянутого овального днища аэростатной оболочки, является трос-кабелем, передающим электроэнергию от виндротора на землю.
Целью изобретения является уменьшение потерь мощности, генерируемой виндротором на большой высоте от скоростных турбулентных ветров переменчивой направленности.
Поставленная цель достигается большей продольной устойчивостью вертикальной оси вращения ортогональной турбины, что обеспечивается овальной формой днища аэростатной оболочки, большая ось которого совпадает с направлением ветра. Данному позитивному результату способствует веерная схема привязки устройства гибкими тросовыми связями, включая трос-кабель, к причальной тумбе через полку Т-образного кронштейна, соединенного шарниром с вертикальным валом, расположенным и свободно вращающимся внутри тумбы. Уменьшению поперечных отклонений вертикальной оси вращения ортогональной турбины служит тот же веерный строй гибких тросовых связей, поднимающихся от креплений к полке Т-образного кронштейна до креплений к овальному днищу аэростатной оболочки, а также их присоединение по возможности ближе к наветренной кромке того же днища равномерно и по линии, перпендикулярной его большой продольной оси. При этом по всей длине гибких тросовых связей трос-кабель неизменно занимает центрально-осевое положение и направленность, идентичную большой продольной оси овального днища. Возможность спуска устройства к фундаменту реализуется через разъемы гибких тросовых связей, благодаря которым они отсоединяются от поворотных элементов причальной тумбы и подключаются к барабану наземной лебедки, установленной на тележке, которая совместно и заблаговременно до начала снижения аэростатной оболочки с виндротором перемещается в предспусковую позицию непосредственно под гибкие тросовые связи.
На фиг. 1 показан общий вид аэроплавательного виндротора (АПВ); на фиг. 2 - вид сверху на то же устройство; на фиг. 3 - то же устройство в опущенном к земле положении для его технического обслуживания и ремонта при штормовых предупреждениях.
Устройство АПВ состоит из фундаментной плиты 1, причальной тумбы 2 с вертикальным валом свободного вращения 3, через шарнир 4 соединенным с Т-образным кронштейном 5, от полки которого через разъемы 6 отходят вверх веером по меньшей мере три гибких связи: центрально-осевой трос-кабель 7 и тросы 8, заканчивающиеся креплением 9 ближе к наветренной кромке овального днища 10 плоско-выпуклой аэростатной оболочки 11, поднимающей на заданную большую высоту виндротор в составе ортогональной турбины с лопастями крыловидного профиля 12 и генератора 13. На фундаментной плите, кроме причальной тумбы, расположена наземная тележка 14 с лебедкой 15.
Аэроплавательный виндротор работает следующим образом. После сборки устройства на фундаментной плите 1 аэростатная оболочка 11 заполняется газом легче воздуха (например, гелием) до придания ей положительной плавучести. Тросы 8 стравливаются с барабана наземной лебедки 15, аэростатная оболочка и элементы виндротора 12, 13 поднимаются под действием аэростатической подъемной силы на заданную высоту, которая составляет в зависимости от местных атмосферных условий в континентальном климате и требуемой мощности ветрогенерации до 300 и более метров. При этом аэростатная оболочка разворачивается воздушным потоком и стабилизируется так, что большая продольная ось овального днища 10 совпадает с направлением ветра. Те же тросы 8 перебрасываются и закрепляются с помощью разъемов 6 к полке Т-образного кронштейна 5. Сюда же присоединяется трос-кабель 7, что ранее свободно свисал от днища 10 аэростатной оболочки. Скоростной напор ветра вращает ортогональную турбину 12 с лопастями крыловидного профиля, это вращение передается ротору генератора 13, который вырабатывает электроэнергию средней промышленной мощности до 500 кВт, направляемую наземным потребителям через трос-кабель 7.
При изменении направленности воздушного потока его напор воздействует на наветренную боковую поверхность аэростатной оболочки и виндротор, которые под этим давлением стремятся переместиться туда же, куда стал дуть ветер. Движение аэростатной оболочки передается на тросы и трос-кабель, с них на Т-образный кронштейн, затем через шарнир 4 на вертикальный вал 3, что свободно вращается внутри причальной тумбы 2. Перемещение аэростатной оболочки с виндротором по дуге вокруг причальной тумбы завершается в тот момент, когда большая продольная ось симметрии устройства совпадет с направлением ветра и не возобновляется без новых атмосферных изменений.
Для проведения ремонта и технического обслуживания установки АПВ, включая дозаправку аэростатной оболочки гелием, при штормовых предупреждениях об ожидаемом превышении скоростью ветра критического порога в 50 м/с наземная тележка 14 вместе с лебедкой размещаются под тросами, которые после отключения разъемов отсоединяются от полки Т-образного кронштейна и перебрасываются на барабан лебедки. Нижний разъем трос-кабеля не нарушается и он остается свисать вниз от днища аэростатной оболочки и далее свободно ложится на фундаментную плиту. Лебедка включается в работу, тросы наматываются на барабан, аэростатная оболочка и виндротор спускаются к фундаментной плите.
Признаки предлагаемого технического решения направлены на стабилизацию высотного размещения виндротора и тем самым минимизацию потерь мощности, генерируемой от сильных высотных ветров. Поворотный узел наземного базирования в составе использованных элементов позволяет АПВ всегда и самопроизвольно располагаться от него в подветренной позиции и занимать высоту, соответствующую атмосферным условиям. Овальная форма жесткого горизонтального днища аэростатной оболочки, веерная схема гибких тросовых связей, верхний крепеж тросов по линии, перпендикулярной большой продольной оси овального днища и приближенной к его наветренной кромке, гасят продольные раскачивания виндротора, поскольку результирующий вектор аэродинамической подъемной силы смещен на большее плечо от упомянутых креплений. Совокупная подъемная сила, поддерживающая виндротор во взвешенном режиме и состоящая из аэростатической и аэродинамической слагаемых, напор ветра на лицевую поверхность оболочки и ортогональную турбину создают устойчивое натяжение тросов, при котором их веерное строение, место и порядок крепления к днищу аэростатной оболочки противостоят поперечным колебаниям виндротора в турбулентном воздушном потоке.
В практической аэро-высотной ветроэнергетике ключевым вопросом является необходимый расход гелия, затрачиваемый на подъем АПВ до уровня высокоскоростных ветров. Согласно предварительным расчетам данный показатель, приведенный к 1 кВт, составит при генерации средних промышленных мощностей порядка 60 куб.м, что является приемлемым и не будет препятствием для реализации предлагаемого технического решения. В стоимостном выражении применение АПВ в 3-5 раз сокращает затраты, что имеют место при строительстве ветрогенераторов, поднятых над землей с помощью высотных башен и колонн на массивных фундаментах.