АЭРОЭНЕРГОСТАТ
AERO-ENERGYSTAT

Применяется для генерации энергии ветра в электроэнергию промышленных мощностей, достигаемых на высоте скоростных слоев атмосферы.
Настоящее энергетическое устройство относится к ветряным установкам, радиально-лопастная турбина которых имеет ось вращения, совпадающую с направлением ветра.
В прогнозе, опубликованном в 2018 году, агентством информации Минэнерго США указано на признаки скорой стагнации в американской и мировой ветроэнергетики наземного базирования, основанные на исчерпании благоприятных атмосферно-климатических пространств на суше для средневысотных ВЭУ промышленной мощности в индустриально развитых странах. Структура инвестиций в возобновляемую мировую энергетику впервые изменилась в пользу солнечной энергетики (+18%) и снизилась в ветровом сегменте (-12%). Дефицит земельных ресурсов, приемлемых для установки и эксплуатации промышленных ВЭУ, явился новейшим фактором сдерживания темпов роста мировой ветроиндустрии. При этом в отрасли продолжают иметь место хронические недостатки энергетических конструкций, прежде всего в части высокой стоимости строительства фундаментов, бетонных и стальных колонн. Известны попытки решить эту проблему посредством создания 150-метровых башен ВЭУ из клееной древесины, предпринятые немецкой компанией Timber Tower и шведским стартапом Mogvion, предложением проекта 200-метровой ветряной установки на фундаменте в виде железобетонного резервуара, заполненного водой, которые не дали положительных результатов. В этой связи ряд стран приступил к активной разработке высотных ветрогенераторов, относящихся к широкому классу систем ветряной энергии (AWE) без наземной опоры с воздушным базированием. При этом доставка и удержание ветрогенераторов в зоне скоростных ветров согласно рабочих концепций осуществляется воздухоплавательными или летательными средствами. Однако испытания таких высотных энергетических систем, проведенных с применением привязных аэростатов, американской компанией Mogenn Power и канадской кампанией Altaerosenergie выявили, что воздухоплавательные модули пилотных образцов мощностью 15 кВт под напором скоростных ветров значительно смещаются от наземных причальных узлов на расстояние 300-600 и более метров. При смене направленности ветра модули описываю круги, радиус которых равен упомянутым смещениям и таким образом установки занимают неприемлемо большие по площади территории, которые подлежат выводу из полезного оборота земель. Столь же нежелательные результаты дали пилотные проекты энергетического «воздушного змея» от компании Joby Energy и летающего крыла Wing 7, компания-разработчик которого Makani Power в результате признала, что их аппарат не целесообразно применять на суше, а только над морскими поверхностями, где территориальный фактор значения не имеет.
Известен аэростат ветроэнергетический (патент RU 2662101 С1, 11.12.2017), который содержит воздухоплавательный модуль, связанный тросами и трос-кабелем с наземным причальным узлом. Радиально-лопастная турбина модуля входит в состав ветросилового блока из мультипликатора и электрогенератора в корпусе гондолы и рамы с горизонтальной перекладиной.
Ветросиловой блок свободно подвешен под аэростатной оболочкой и при его промышленной мощности обладает столь значительным весом, что напор атмосферного потока до критической скорости ветра в 45 м/с не в состоянии изменить положения блока, при котором ось вращения турбины перестанет совпадать с направлением ветра. Для выравнивания направленности оси вращения турбины на ветер может использоваться трос-кабель, который в зависимости от обстоятельств натягивается или стравливается с барабана трос-кабельной бухты. Благодаря наличия на подветренной стороне шаровидной аэростатной оболочки по меньшей мере одного воздушно-винтового электрического авиадвигателя с переменной тягой, направленной против ветра, модуль противостоит напору на него ветряного потока, чем уменьшается его смещение от наземного причального узла в 2-3 раза по сравнению с известными пилотными аналогами. Соответственно существенно сокращается площадь территории, выводимой из полезного оборота земель под безопасную эксплуатацию высотной установки. Вместе с тем возможности прототипа ограничены наклоном тросовых связей воздухоплавательного модуля с причальным узлом, который не должен иметь к поверхности земли угол более 60-70°. В противном случае велика вероятность, что при перестроении модуля на изменившееся направление атмосферного потока произойдет скрещивание, перехлест и скручивание тросов, нарушение устойчивой пространственной ориентации модуля, а с ним и оси вращения турбины на ветер. Таким образом данное устройство по многом решает земельную проблему энергетических аппаратов воздушного базирования, но не устраняет ее полностью.
Напор скоростных ветров на аппараты системы AWE является основной причиной нежелательно больших смещений их высотных модулей от причальных узлов и на прямую зависят от парусности газонаполненных оболочек, которая может быть уменьшена за счет придания оболочкам улучшенных аэродинамических качеств при использовании продольно вытянутых горизонтально сигарообразных аэростатов, в которых возникает однако необходимость подавления продольной неустойчивости оболочек упомянутой конфигурации, склонных раскачиваться в нестабильных атмосферных потоках. В аэростате ветроэнергетического назначения (патент US 20110101692 А, 05.05.2011) в целях обеспечения продольной стабильности воздухоплавательного аппарата имеется аэродинамическое крыло, на оконечностях которого установлены гондолы с электрогенераторами и радиально-лопастными турбинами, насаженными с подветренных сторон силовых блоков на осях вращения, что должны совпадать с направлением ветра. Этой же цели служит оперения и рули, установленные в хвостовой части оболочки. Крыло с массивными ветросиловыми блоками, горизонтальные хвостовые оперения, а также вертикальные хвостовые рули крепятся непосредственно к мягкой газонаполненной оболочке, что создает в ней внутренние разрушающие напряжения и условия для утечек легкого газа. Жесткие каркасные кольца внутри аэростата (Fig. 4) поддерживают форму оболочки по центру масс воздухоплавательного модуля, но не способствуют прочности и герметичности узлов крепления. Натяжение и гладкость поверхности газонаполненной оболочки поддерживается баллонетом, в который закачивается забортный воздух. Атмосферные потоки могут набегать с разным напором на широко раздвинутые от оболочки турбины, тем самым нарушая ориентацию воздухоплавательного аппарата на ветер. Вынос ветросиловых на обе стороны от оболочки имеет свой прочностной предел, что исключает использование длинно лопастных турбин, без чего не возможна ветряная генерация промышленных мощностей.
Информационный поиск показал, что в качестве прототипа заявленного изобретения может быть также выбрана высотная ветроэнергетическая установка с турбиной вертикально-осевой системы (WO 2013189503 А2, опубл. 27.12.2013). Устройство имеет ряд существенных недостатков, обусловленных выбором шаровидной формы газонаполненной оболочки, которая не обладает оптимальным аэродинамическим качеством, применением ортогонально-лопастной турбины на вертикальной оси вращения (VAWT) с низким КПД преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию, местами размещения и крепления воздушно-винтовых двигателей непосредственно на боковинах оболочки. В результате оболочка утяжелена необходимостью иметь жесткий внешний каркас с листовой обшивкой. Чтобы оторвать такую оболочку вместе с ветросиловым блоком от земли и поднять воздухоплавательный модуль на уровень скоростных высотных ветров требуется большой объем легкого газа. При этом увеличивается габариты оболочки и возрастает ее парусность. В результате воздушно-винтовые двигатели потребляют больше энергии для преодоления воздухоплавательным модулем напора ветра и удержания его над причальным узлом, для создания и поддержания устойчивой вертикальной ориентации оси вращения ортогонально-лопастной турбины, как необходимого условия эффективной работы систем VAWT.
В составе аэростатов ветроэнергетического назначения важную роль выполняют причальные узлы, поскольку они призваны, в том числе, минимизировать условия для скрещивания и перехлеста привязных тросов. Из развития воздухоплавательной техники известен аэростатно-плавательный ветрогенератор (патент RU 2576103 С1, 27.01.2015), чей причальный узел содержит наземное основание-тумбу с центральной свободно вращающейся вертикальной осью, на верхний, выступающей из тумбы конец которой насажена платформа с лебедками и трос-кабельной бухтой. Поворот платформы с оборудованием на ней осуществляется на упомянутой оси, когда ветер на рабочей высоте воздухоплавательного модуля меняет свое направление и модуль делает круговое пространственное перестроение, через привязные троса увлекая за собой платформу причального узла. Поворотная платформа причальной базы аэростата с ветряным ротором (патент US 4470563 А, 11.09.1984) отличается тем, что имеет консольную часть (Fig 7, 12), выдвинутую за пределы наземной опорной тумбы в подветренную сторону.
Сущность технических решений состоит в том, что в составе воздухоплавательного модуля аэроэнергостата используется сигарообразная оболочка улучшенной обтекаемости и малой парусности. Однако для такой формы газонаполненной оболочки является характерным продольная неустойчивость в турбулентных потоках скоростных ветров. Эта проблема в предлагаемом устройстве решается с помощью оптимизации размещения аэродинамических стабилизаторов и воздушно-винтовых электрических авиадвигателей переменной тяги со встречным вращением и изменяемым углом атаки на набегающий ветер. Специальной системой совместной ориентации высотного модуля и оборудования наземного причального узла устраняется вероятность скрещивания, перехлеста и скручивания привязных тросов, когда модуль, устойчиво зависший непосредственно над причальным узлом, перестраивается на боковой ветер. Применением горизонтальной композитной платформы ликвидированы условия возникновения локальных напряжений в мягком материале оболочки и ее разгерметизации, в противном случае возникающие при использовании газонаполненной оболочки в качестве крепежной базы.
Целью изобретения является устойчивое зависание воздухоплавательного модуля с ветросиловым блоком в заданной точке приземной атмосферы на высоте скоростных ветров, прежде всего непосредственно над причальным узлом аэроэнергостата, а также беспрепятственное перестроение модуля на боковой ветер.
Поставленная цель достигается тем, что используемая в составе воздухоплавательного модуля аэроэнергостата мягкая газонаполненная оболочка сигарообразной формы притянута бандажными лентами к горизонтальной платформе, композитная структура которой усиливает прочность и жесткость конструкции, уменьшая при этом ее вес на 20-30%. Платформа служит крепежной базой для носовых оперений со встроенными цилиндрическими шарнирами, кормовых оперений с воздушно-винтовыми электрическим авиадвигателями переменной тяги и встречного вращения с их общим трансмиссионным механизмом изменения угла атаки на набегающий ветер, продольного киля и поперечной, свисающей в плоскости перпендикулярной направлению ветра, мостовой фермы для подвески ветросилового блока, включающего свободно раскачивающуюся скобу, по центру горизонтальной полки которой установлена гондола с внутри корпусным электрогенератором и радиально-лопастной турбиной, одетой с подветренной стороны гондолы на ось вращения, совпадающую с направлением ветра. К втулкам шарниров носовых оперений присоединены и натянуты вниз привязные троса. Трос-кабель свисает от ветросилового блока, а боковины скобы подвешены к втулкам цилиндрических шарниров, которые предусмотрены на оконечностях нижней горизонтальной балки мостовой фермы. Снаружи сигарообразной оболочки на уровне ее продольной оси закреплены датчики давления ветра, из которых один датчик установлен на наветренном носу оболочки, а остальные датчики равномерно расставлены вдоль ее боковин. Состав причального узла дополнен зубчатой передачей вращения от реверсивного исполнительного механизма на вертикальную ось с насаженной на нее горизонтальной балкой, по центру которой располагается трос-кабельная бухта, а по краям установлены лебедки. Механические приводы оборудования на поворотной балке управляются программно.
На фиг. 1 показан общий вид аэроэнергостата; на фиг. 2 - вид со стороны ветра на воздухоплавательный модуль устройства; на фиг. 3 - вид снизу на тот же модуль (без ветросилового блока); на фиг. 4 - вид сверху на причальный узел аэроэнергостата.
Настоящий аэроэнергостат состоит из воздухоплавательного модуля и причального узла, соединенных привязными тросами 1 и трос-кабелем 2. В свою очередь воздухоплавательный модуль включает мягкую сигарообразную оболочку 3, наполненную легким газом, содержащую баллонет 4 в комплектации с компрессором 5 и притянутую бандажными лентами 6 к горизонтальной композитной платформе 7, имеющей выполненные за одно целое с ней продольный киль 8, носовые оперения 9 с цилиндрическим шарнирами 10, кормовые оперения 11 с воздушно-винтовыми электрическими авиадвигателями 12 переменой тяги и встречного в вращения с их общим трансмиссионным механизмом 13 изменения угла атаки на набегающий ветер, подвеску ветросилового блока, состоящего из скобы 14, гондолы 15 с электрогенератором и радиально-лопастной турбины 16, одетой с подветренной стороны гондолы на ось вращения, совпадающую с направлением ветра. Подвеска ветросилового блока представляет из себя свисающую от платформы в плоскости, перпендикулярной направлению ветра, мостовую ферму 17, оконечности нижней горизонтальной балки которой имеют цилиндрические шарниры 18. При этом шарниры носовых оперений, шарниры мостовой фермы, а также авиадвигатели кормовых оперений попарно раздвинуты и смещены симметрично от продольной оси сигарообразной оболочки. От втулок шарниров подвески отходят боковины скобы ветросилового блока, а к втулкам шарниров носовых оперений присоединены привязные троса, протянутые до лебедок 19. Трос-кабель свисает от ветросилового блока до трос-кабельной бухты 20, которая вместе с лебедками соосно установлена на горизонтальной балке 21 причального узла, способной поворачиваться на вертикальной оси 22, чей опорой служит наземная тумба 23. Повороты балки осуществляются реверсивным исполнительным механизмом 24, который передает вращение на ось причального узла, используя при этом собственную ведущую зубчатую шестеренку 25 и ведомое зубчатое колесо 26, установленное на части оси, выступающей из тумбы между этим наземным основанием и балкой. Команды на реверсивный исполнительный механизм поступают через процессор от датчиков давления ветра на газонаполненную оболочку. Датчики расставлены на поверхности оболочки на уровне ее продольной оси так, что один датчик 27.1 находится на наветренном носу оболочки, а остальные равномерно расположены с одной боковины (датчики 27.2-27.6) и второй боковины оболочки (датчики 27.7-27.11).
Аэроэнергостат работает следующим образом. Запуск установки осуществляется, когда ветер устойчив и имеет преимущественное для данной местности направление. Мягкая оболочка заполняется легким газом до приобретения воздухоплавательным модулем положительной плавучести, а во внутренний баллонет закачивается компрессором забортный воздух, что придает оболочке законченную сигарообразную форму с натянутой обтекаемой поверхностью. Троса и трос-кабель синхронно стравливаются с барабанов лебедок и трос-кабельной бухты, пока воздухоплавательный модуль не достигнет сильных ветров, имеющих скорость 25-30 м/с на рабочих высотах в диапазоне 300-600 метров от земли. В процессе подъема модуль благодаря своей продольно-вытянутой форме самостоятельно ориентируется на ветер, а включенные авиадвигатели работают так, что не допускают большого смещения модуля от причального узла. Все это время датчик на наветренном носу оболочки передает процессору неизменную информацию, что давление ветра на него превышает показатели боковых датчиков. В этом режиме исполнительный механизм причального узла получает команду от процессора развернуть через зубчатую передачу ось вращения узла так, что горизонтальная балка с оборудованием на ней становится перпендикулярной направлению ветра и до новой команды сохраняет это положение. На рабочей высоте модуль стабилизируется в режиме зависания в приземной атмосфере непосредственно над причальным узлом, при котором натянутые привязные троса располагаются вертикально. Встречное вращение воздушных винтов авиадвигателей устраняет реактивный момент, а тихоходная турбина с радиально-направленными лопастями не оказывает существенного влияния на пространственную устойчивость модуля. Скоростной напор ветра вращает турбину, механическая энергия поступает в электрогенератор, где преобразуется в электрическую энергию, направляемую по трос-кабелю в контроллер, аккумуляторную батарею, инвертор, а затем к внешним потребителям. Часть выработанной энергии возвращается на собственные нужды высотной ВЭУ, питает авиадвигатели и ее прочее электрооборудование. Затраты энергии на это снижаются в 5-6 раз благодаря обтекаемости и малой парусности сигарообразной оболочки по сравнению с шаровидной формой в прототипе.
За счет работы авиадвигателей с регулируемой тягой, надлежащего управления исполнительным механизмом причального узла за весь период вывода воздухоплавательного модуля на уровень скоростных ветров неизменной направленности и работы ветросилового блока там в режиме фиксированного зависания непосредственно над причальным узлом не происходит скрещивания, перехлеста и скручивания трос-кабелей, дестабилизирующих пространственную устойчивость высотной установки воздушного базирования. Поперечная устойчивость воздухоплавательного модуля регулируется с помощью причальных тросов, а продольная нестабильность сигарообразной оболочки гасится изменениями угла атаки авиадвигателей на набегающий ветер, осуществляемыми их общим трансмиссионным механизмом.
Характер работы предлагаемого устройства при изменениях направленности ветра на время становится иным. На датчики одной из боковин аэростатной оболочки начинает действовать напор ветра, сначала равный, а затем превышающий давление ветра на носовой наветренный датчик. Сигналы об этом поступают в процессор, который дает команду реверсивному исполнительному механизму причального узла развернуть балку с лебедками и трос-кабельной бухтой через зубчатую передачу в положение, продольной осью перпендикулярное новому направлению ветра. Информацию о том, что такой поворот балки осуществлен как надо процессор получает от носового наветренного датчика, давление воздуха на который возвращается к показателю, превышающему напор ветра на боковые датчики. В это же время и с такой же направленностью происходит самостоятельное пространственное перестроение воздухоплавательного модуля, а авиадвигатели продолжают выполнять свои функции, подавляя продольные раскачивания и колебания сигарообразной оболочки, поддерживая зависание модуля в воздухе непосредственно над причальным узлом с сохранением вертикального натяжения привязных тросов без их скрещивания, перехлеста и скручивания. После перечисленных действий ветросиловой блок установки возобновляет работу в рабочем режиме. При порывистом изменении направления ветра поворот балки может запаздывать от пространственного перестроения воздухоплавательного модуля. Управляющая программа осуществляет тогда торможение скорости разворота модуля за счет кратковременного переключения авиадвигателей в режим работы с разной тягой.
В исключительных случаях, при которых боковой ветер воздействует на носовую часть газонаполненной оболочки с силой на столько превышающей его напор на кормовую часть оболочки, продольный киль платформы действует неэффективно и воздухоплавательный модуль разворачивается в нежелательную сторону кормой на ветер. В этом случае подветренный относительно бокового ветра авиадвигатель выдает большую мощность, чем наветренный авиадвигатель, который может кроме этого переводиться в реверсивный режим вращения..
Аэроэнергостат за счет устойчивого зависания в воздухе высотного модуля непосредственно над причальным узлом без наклона тросовых связей впервые решает проблему воздухоплавательных аппаратов, предельно сокращая производственные площади территорий, выделяемых под размещение ветроэнергетических устройств с выводом земельных ресурсов из полезного оборота. Настоящая система улучшает в этом показатели конструкций наземного базирования, которые забирают под себя огромные территории. Новейший ветроэнергетический комплекс Markbygden onshore wind project на севере Швеции из 1100 ветряков в составе трех ветропарков по завершению строительства раскинется на пространстве 450 кв. км, что составляет 40 гектар землеотвода под сооружение одной башни с радиально-лопастной турбиной промышленной мощности.