АЭРОЭНЕРГОСТАТ МЯГКОБАЛЛОННЫЙ
SOFT-BALLOON AEROENERGOSTAT

Применяется для генерации энергии ветра в электроэнергию больших промышленных мощностей, достигаемых на высоте скоростных слоев приземной атмосферы.
Настоящее устройство относится к ветроэнергетическим установкам, радиально-лопастные турбины которых имеют оси вращения, совпадающие с направлением ветра.
В области мировой промышленной ветроиндустрии проявились негативные факторы, начинающие сдерживать развитие данного вида использования возобновляемых источников энергии. В научном журнале Energy опубликовано исследование Китайской академии наук и Университета Пердью в США, утверждающее что в Северном полушарии в период с 1979 по 2016 год замедляется скорость ветра в приземном атмосферном слое по данным 67% из 1000 метеорологических станций. В связи с уменьшением скорости приземного ветра, его потенциал на типичной высоте в 100-120 метров коммерческих ветряных турбин претерпел ветроэнергетические потери за последние четыре десятилетия более всего в Азии на 80%, затем в Европе (50%) и Северной Америки (30%). К сожалению данное исследование не установило причин выявленного процесса, ограничившись рядом предположений. Вместе с тем сам факт совместного участия китайских и американских ученых в проведении метеорологического мониторинга заслуживает пристального внимания, что признается специалистами ветроэнергетической отрасли, в том числе из числа тех, что критикуют исследование за слабость методологии и недостатки моделирования.
По данным Американской ассоциации ветроэнергетики (AWEA) в 2017-18 годах в Штатах имел место всего лишь шестой результат прироста мощностей ветровых электростанций за всю историю освоения энергии ветров системами наземного базирования. Близкой к этому является общая картина. Так по сведениям Глобального совета ветроэнергетики (GWEC) снижение установленных мощностей в мире за 2018 год составило 3,6%, прежде всего из-за падения показателей в Европе на 37%, что является худшим результатом текущего десятилетия. Опережая упомянутую информацию, Министерство энергетики США сделало заявление о близком исчерпании пространств страны с сильными низовыми ветрами, благоприятными для инвестирования в промышленные ветроэнергетические объекты и станции. В этой связи были намечены два направления технологической модернизации: - создание на суше воздухоплавательных турбин ветроэнергетического назначения (AWE); - реализация программы ATLANTIS по применению на море летательных энергосистем (FOWT).
При этом, принимая во внимание, что ряд частных американских и одна канадская компании, уже провели пилотные испытания на суше ветроэнергетических аппаратов воздушного базирования на высоте 300-600 метров, но не смогли развить достигнутых успехов до уровня промышленной значимости, ограничившись генерацией малой мощности до 15 кВт, не решили главную проблему высотных технологий, что заключается в большом смещении воздухоплавательных и особенно летательных ветросиловых блоков от наземных узлов привязки с неприемлемыми при этом затратами земельных ресурсов, министерство передало решение данной проблемы NASA, поручив Агентству отбор пилотных проектов AWE мощностью не менее 150 кВт с минимизированными ресурсными издержками.
Что касается летательных установок ВИЭ-генерации электроэнергии от ветра, то от них практически отказались на суше и рассматривают их использование исключительно в варианте морского базирования, где территориальный фактор значения не имеет, но существует ограничение, делающее их возможными исключительно на мелководных шельфах, которых не так много по береговой линии мирового океана. Например, глубины вдоль тихоокеанского побережья Северной и Южной Америк, с восточной стороны Японии резко уходят вниз на 100 и более метров, что обязывает технически решить для летательных ВЭУ проблему надежной привязки по месту дислокации над водной поверхностью без строительной опоры на морское дно.
В значительной мере земельную проблему ВЭУ воздушного базирования решает аэростат ветроэнергетический (патент RU 2662101 С1, 11.12.2017), в воздухоплавательной модуле которого использованы воздушно-винтовые электрические электродвигатели переменной тяги, направленной против ветра, чем уменьшается смещение модуля от наземного причального узла в 2-3 раза. Авиадвигатели закреплены между флюгерами на подветренной стороне шаровидной газонаполненной оболочки, форма которой является его достоинством в виду предельно минимизированной площади поверхности и уменьшенного расхода тканепленочного материала при создании аэростатного ветрогенератора. Вместе с тем эта форма оболочки имеет большую парусность и, поскольку удельный напор на поверхность при скорости ветра 25-30 м/с достигает 15-20 кгс/м2, авиадвигатели потребляют лишком много энергии, расход которой можно уменьшить в 5-6 раз, применив оболочку продольно-вытянутой обтекаемой формы.
Прототипом изобретения является аэростатно-плавательный ветродвигатель (патент RU 2602650 С1, 26.01.2016, РСТ публикация WO 2017131551, 03.08.2017), положительную плавучесть воздухоплавательному модулю которого создают газонаполненные баллоны, взаимосвязано уложенные поперек арочно-мостовой фермы, перпендикулярной направленности ветра, так что образуют выгнутую вверх конструкцию, имеющую в горизонтальной проекции дельта-видный контур. Ветросиловой блок закреплен на горизонтальной балке фермы и имеет радиально-лопастную турбину, чья ось вращения совпадает с направлением ветра. Ветродвигатель обладает хорошей обтекаемостью и способностью планировать в потоках воздуха. Однако устройство не предполагает использования мягких цилиндрических оболочек, с которыми модуль имел бы меньший собственный вес. Из-за точечного соединения баллонов с верхней выгнутой балкой единственной фермы, крепежные узлы работают под тяжестью ветросилового блока промышленной мощности со значительными нагрузками, которые могут деформировать и даже разорвать тонкостенные оболочки жестких баллонов. Для получения от ветра электроэнергии промышленных мощностей, требующих применения многотонных ветрогенераторов, такая конструктивно-силовая схема воздухоплавательного модуля совершенно не подходит. Ветродвигатель не обладает средствами решения земельной проблемы воздухоплавательных аппаратов энергетического назначения, не в состоянии устранять большое смещение высотного модуля от наземного причального узла.
В воздухоплавательных аппаратах форма мягких и полужестких оболочек окончательно формируется и поддерживается, достигается натяжение и гладкость поверхности оболочек при помощи внутренних герметичных баллонетов, которые после заполнения их сжатым воздухом создают в оболочках избыточное давление (патент US 20110101692 А, 05.05.2011; патент RU 2679060 С1, 15.02.2018). Однако нахождение баллонетов внутри оболочек создает эксплуатационные трудности при их осмотрах, ремонте и замене.
Сущность технического решения состоит в том, что в аэроэнергостате создан прочный несущий каркас из по меньшей двух, перпендикулярных направлению ветра, параллельно раздвинутых в один ряд арочно-мостовых ферм, верхние выгнутые балки которых соединены жесткими поперечными фермам ребрами с образованием межреберных каналов, куда вложены попарно элементы, наполняемые легким газом и накрытые наборным кузовом, что позволяет использовать мягкие цилиндрические баллоны из легких тканепленочных материалом. Устойчивость формы и гладкость поверхности газонаполненных баллонов достигается без применения внутренних баллонетов, а поддерживается, расположенными снизу парных баллонов, по всей длине и центру упомянутых межреберных каналов, пневморукавами, которые при их заполнении сжатым воздухом сдавливают снаружи оболочки баллонов, создавая в них избыточное давление. Аэроэнергостат может быть приспособлен к применению системы оптимального зависания воздухоплавательного модуля непосредственно над наземным причальным узлом со стабильной вертикальностью привязных трос-кабелей за счет дислокации воздушно-винтовых электрических авиадвигателей переменной тяги и встречного вращения снаружи двойного вертикально-поднятого хвостового оперения, внутри которого помещен общий для авиадвигателей трансмиссионный механизм.
Целью изобретения является уменьшение собственного веса воздухоплавательного модуля аэроэнергостата, обеспечение при этом высокой прочности и жесткости модуля, достаточными для подъема на высоту скоростных ветров массивного ветросилового блока большой промышленной мощности.
Поставленная цель достигается тем, что в составе воздухоплавательного модуля аэроэнергостата создан несущий каркас, сформированный из по меньшей мере двух, перпендикулярных направления ветра, параллельно раздвинутых в один ряд, арочно-мостовых ферм, соединенных жесткими поперечными фермам ребрами, опирающимися нижними кромками на выгнутые верхние балки ферм, будучи расставлены на них с равным шагом и образованием межреберных каналов одинакового профиля и площади в поперечном сечении. По центру каждого межреберного канала уложены герметичные пневморукава, сверху и по бокам от которых помещаются два мягких газонаполняемых баллона. Загруженные таким образом каналы накрыты наборным кузовом, чьи элементы соединяются с верхними кромками каркасных ребер. На корме модуля предусмотрено двойное вертикально-поднятое хвостовое оперение, по центру которого у основания закреплен компрессор, подающий сжатый воздух через коллектор и автоматические клапана в пневморукава, а выше помещен трансмиссионный механизм и, связанные с ним, поднятые над наборным кузовом модуля, симметрично раздвинутые в обе стороны от оперения воздушно-винтовые электрические авиадвигатели переменной тяги и встречного вращения.
Авиадвигатели могут подключаться к системе управления компьютерным процессором оптимальной пространственной фиксацией высотного модуля, состоящей из датчиков давления ветра на поверхности модуля, зубчатой передачи от исполнительного механизма вращения на горизонтальную поворотную балку причального узла.
На фиг. 1 показан вид со стороны ветра на воздухоплавательный модуль аэроэнергостата мягко-баллонного; на фиг 2 - вид со стороны ветра на наземный причальный узел того же устройства; на фиг. 3 - воздухоплавательный модуль в продольном сечении без компрессора и его коллектора с автоматическими клапанами; на фиг. 4 - вид снизу на тот же модуль без двойного хвостового оперения с трансмиссионным механизмом и авиадвигателями.
Аэроэнергостат мягко-баллонный состоит из воздухоплавательного модуля и наземного причального узла, соединенных привязными трос-кабелями 1. В свою очередь модуль включает в себя по меньшей мере две арочно-мостовые фермы 2, перпендикулярные направлению ветра, параллельно раздвинутые и выставленные в один ряд. К нижней горизонтальной балке наветренной фермы подвешен ветросиловой блок из гондолы 3 с внутри корпусным электрогенератором и радиально-лопастной турбиной 4, ось вращения которой совпадает с направлением ветра. Фермы и, соединяющие их, жесткие поперечные фермам ребра 5 формируют несущий каркас модуля. При этом ребра с равным шагом расставлены на верхних выгнутых балках ферм, опираются на них своими нижними кромками с образованием межреберных каналов одинакового профиля и площади в поперечном сечении. По всей длине и центру каждого такого канала уложены герметичные пневморукава 6, с боков и сверху которых помещаются два мягких газонаполненных баллона 7, плотно накрытые сверху элементами наборного кузова 8, что крепятся к верхним кромкам каркасных ребер. Образующие центрально-осевой межреберный канал каркасные ребра на подветренной стороне заканчиваются двойным вертикально-поднятым хвостовым оперением 9, внутри которого у его основания размещен компрессор 10, подающий сжатый воздух через коллектор 11 и автоматические клапана 12 в герметичные пневморукова. Там же над компрессором находится трансмиссионный механизм 13 изменения угла атаки на ветер осей вращения воздушно-винтовых электрических авиадвигателей 14 переменной тяги и встречного вращения, которые приподняты над наборным кузовом модуля и смещены симметрично в обе стороны от двойного хвостового оперения. На наветренных торцах верхней пары газонаполненных баллонов могут находится датчики давления ветра 15, такие же датчики 15.1 и 15.2 располагаться на обеих периферийных боковых поверхностях воздухоплавательного модуля. При этом наземный причальный узел состоит из бетонной тумбы 16 с центральной осью 17, на которую насажена горизонтальная поворачивающаяся балка 18, на оконечностях которой установлены трос-кабельные бухты 19, чьи приводные механизмы 20 управляются программно. Повороты балки причального узла осуществляются по командам от процессора исполнительным механизмом 21 через зубчатую передачу 22.
Аэроэнергостат работает следующим образом. После сборки на местности воздухоплавательного модуля устройства и сооружения его наземного причального узла, мягкие баллоны аэроэнергостата заполняются легким газом до приобретения модулем положительной плавучести. Затем открываются автоматические клапана и включается компрессор, закачивающий через коллектор сжатый воздух в герметичные пневморукава, которые сдавливают стенки баллонов и создают в них избыточное давление. Баллоны получают законченную форму, натяжение и гладкость поверхности. Привязные трос-кабели синхронно стравливаются с барабанов кабельных бухт и воздухоплавательный модуль поднимается на высоту 300-600 метров до уровня ветров, имеющих скорость 25-30 м/с. Нагрузка от веса массивного ветросилового блока равномерно распределяется, не создавая в тканепленочных оболочках газонаполненных баллонов локальных разрушающих напряжений. В процессе подъема модуль, благодаря его боковой парусности и двойного хвостового оперения, способности балки причального узла поворачиваться вместе с оборудованием на ней, разворачивается так, что ось вращения радиально-лопастной турбины совпадает с направлением ветра. При этом работающие авиадвигатели не дают модулю сместиться от причального узла, а привязным трос-кабелям утратить вертикальность свисания, скрещиваться и скручиваться. Скоростной напор ветра вращает турбину, механическая энергия поступает в электрогенератор, где преобразуется в электрическую энергию промышленной мощности, направляемую по трос-кабелям в контроллер, аккумуляторную батарею и инвертор, после чего поступает к внешним потребителям. Небольшая часть выработанной энергии возвращается и обеспечивает работу электрооборудования аэроэнергостата.
При смене направления ветра начинает работать пространственная переориентация модуля на новые аэродинамические условия. Модуль благодаря двойному хвостовому оперению и связи с горизонтальной поворотной балкой причального узла самостоятельно перестраивается на боковой ветер. Однако при этом может произойти скручивание привязных трос-кабелей. Вероятность такого нежелательного эффекта может предотвращать система принудительного поворота балки наземного причального узла. Как только процессор установки получает сигналы, что давление ветра на датчики, установленные на наветренных торцах верхней пары баллонов становится равно или меньше, чем давление ветра на датчики с той или другой боковой стороны модуля, подается компьютерная команда на исполнительный механизм причального узла, который через зубчатую передачу поворачивает балку того же узла с оборудованием на ней в положение перпендикулярное новому направления ветра.
Модуль такого аэроэнергостата обладает приемлемой поперечной устойчивостью, которая может при необходимости корректироваться за счет программного управления приводными механизмами трос-кабельных бухт. Однако воздухоплавательные модули всех подобных устройств обладают продольной неустойчивостью, переменный напор ветра на турбину раскачивает корму аэростатов. Это явление гасят авиадвигатели, управляемые общим трансмиссионным механизмом изменения угла атаки на ветер. Они же могут быть подключены к системе стабильного зависания модуля над причальным узлом.
Как отдельные базовые, так и новые элементы модуля, соединяющие арочно-мостовые фермы в несущий каркас, а также образующие наборный кузов, могут быть произведены из композитных материалов, частично в перфорированном исполнении, что снижает их вес на 20-30 и более процентов. Цели изобретения способствует также без редукторная передача вращения турбины к электрогенератору при помощи прямого привода (Direct Drive), что уменьшает вес ветросилового /блока и на 35-40% снижает потребности в аэростатном газе.
Таким образом настоящий аэроэнергостат: - за счет создания прочного несущего каркаса и уменьшении собственного веса модуля благодаря применения мягких газонаполненных баллонов, способен поднять до скоростных атмосферных потоков массивные ветросиловые агрегаты, генерирующие большие промышленные мощности в несколько тысяч кВт электроэнергии, - обладает эксплуатационным преимуществом, не используя внутренних баллонетов, - может успешно решать земельную проблему ветроэнергетических аппаратов воздушного базирования, тем самым улучшив перспективы их практического применения.