ВЫСОТНАЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ ВОЗДУШНОГО РАЗМЕЩЕНИЯ
HIGH-ALTITUDE AIR WIND POWER PLANT

Изобретение относится к области ветроэнергетики, а именно к ветроэнергетическим аппаратам, предназначенным для электропитания различных потребителей в районах, отдаленных от каких-либо источников энергии, а также для зарядки аккумуляторных батарей.
Известны ветрогенераторы наземного базирования, включающие ветровое колесо с лопастями и магнитоэлектрический генератор (патенты RU №2130128 и №2131995, а.с. №1737151, кл. F03D 9/00 и ряд других). Основными недостатками этих установок является не постоянство процесса выработки электроэнергии, т.к. частота вращения ротора генератора зависит от местных ветровых наземных воздушных потоков. Известно, что с увеличением высоты размещения ветроколеса по отношению к поверхности земли скорость воздушного потока увеличивается. Например, на высоте 400 м скорость ветра достигает 18 м/с, а на высоте 4,5 м скорость находится в пределах 4-5 м/с (Новиков Э.Н. «Метеорологический режим нижнего 500-метрового слоя атмосферы на телевизионной башне в Останкино». М: Труды ЦВГО, Гидрометиздат, 1982 г.). Сооружать высотные опоры для размещения ветроколеса экономически не выгодно и это подтверждает практика (ветрогенераторы на высоких опорах в промышленности не эксплуатируются).
Известен ветрогенератор (патент RU №2168062, кл. F03D 9/00), содержащий ветроколесо на опоре и магнитоэлектрический генератор, который имеет два идентичных статора. Магнитопроводы статоров выполнены в виде плоских колец, на торцевой части которых установлены и обращены друг к другу плоские обмотки. Ротор ветрогенератора выполнен в виде немагнитного диска с вмонтированными в него постоянными магнитами, при этом диск ротора расположен между обмотками статора. Конструкция такого ветрогенератора эффективна только при наличии постоянных ветровых потоков.
Известна ветровая установка (патент US №6254034, кл. F03D 0005/06), в которой (в воздухе) парят воздушные змеи, соединенные тросом с барабаном, размещенным на земле, перемещение змеев в воздухе производит натяжение троса, который вращает барабан, соединенный с электрогенератором. Наличие разветвленной тросовой системы существенно - усложняет и утяжеляет конструкцию установки, ограничивает высоту подъема воздушных змей из-за тяжести троса. Хаотичное перемещение змеев в воздушном пространстве приводит к переплетению тросов, кроме этого, не исключаются случаи падения змеев на землю (при отсутствии ветра).
Наиболее близким техническим решением к заявленному объекту является мобильная ветроэнергетическая станция воздушного размещения (патент RU №2159356, кл. F03D 9/00). Станция состоит из набора энергетических модулей, соединенных между собой крыловидными проставками. Каждый энергетический модуль выполнен в виде тела вращения, внутри модуля установлен энергетический узел с быстроходным ветроколесом, вал которого соединяется с генератором посредством редуктора. Для повышения эффективности работы внутреннее пространство каждого энергетического модуля состоит из двух участков: сужающегося - для разгона воздушного потока и расширяющегося, выполненного в форме струи воздушного потока. В зоне второго участка установлен обтекающий модуль. Станция поднимается в воздушное пространство за счет наполнения модулей легким газом (гелием) и удерживается на высоте с помощью тросовой системы, являющейся одновременно электрическим кабелем, по которому вырабатываемая электроэнергия подается на подстанцию, расположенную на земле. К недостаткам указанного прототипа можно отнести низкую эффективность его работы, т.к. наибольшее количество вырабатываемой энергии будет иметь место только при параллельном расположении станции направлению воздушного потока. Кроме этого, неравномерность вращения ветроколеса в каждом модуле может привести к нарушению ориентации станции по отношению к направлению потока воздуха, а небольшое изменение направления потока воздуха приводит к закручиванию и колебанию станции в воздушном пространстве. Удержание станции из нескольких модулей определенной ориентации на заданной высоте затруднительно и не исключается ее прижатие к земле. Конструкция энергетического модуля включает два участка (входящий и выходящий), причем для вытяжки воздушного потока из эжекторной полости необходима подача дополнительного потока воздуха, который бы увлекал его. Все это усложняет конструкцию и снижает надежность ее работы. Наличие в атмосфере осадков приводит к неустойчивости станции, т.е. к отклонению от горизонтального расположения станции, что может привести к ее опрокидыванию и обрыву тросов и кабеля. Этому также способствует неравномерность поступления воздуха по окружности в выходное отверстие эжектора, вследствие чего теряется устойчивость станции. При изменении направления ветра станция поворачивается из-за наличия специального руля, что приводит к перекручиванию тросов.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности использования ветроэнергетических установок, обеспечение стабильной выработки электроэнергии и надежной подачи ее к наземным потребителям.
Сущность заявленного изобретения выражается в следующей совокупности признаков, достаточных для достижения указанной выше задачи.
Согласно изобретению, высотная ветроэнергетическая станция воздушного размещения состоит из магнитоэлектрического генератора, ротор которого расположен вертикально и стационарно в центре неподвижной площадки, при этом ротор генератора размещен вертикально и стационарно неподвижной площадки, а верхний и нижний статоры генератора смонтированы сверху и снизу неподвижной площадки, при этом статоры выполнены в виде колец торовой формы и имеют противоположные направления вращения относительно друг друга, причем к статорам одним концом прикреплены лопасти, а другим концом лопасти шарнирно прикреплены к валу ротора, при этом лопасти и торовые кольца статоров выполнены надувными и наполнены гелием.
На валу ротора могут быть смонтированы несколько пар статоров для увеличения мощности станции.
На фиг. 1 показана схема общего вида ветроэнергетической станции, на фиг. 2 - вид сверху и на фиг. 3 - вид снизу по стрелке А фиг. 1.
Ветроэнергетическая станция воздушного размещения состоит из неподвижной площадки 1, в центре которой вертикально и стационарно расположен ротор 2 магнитоэлектрического генератора. Площадка 1 имеет тросы 3 для крепления станции к земле на определенной, заданной высоте. Сверху и снизу площадки 1 смонтированы статоры 4 и 5 магнитоэлектрического генератора, которые выполнены надувного типа в виде колец торовой формы. От ротора 2 вырабатываемая электроэнергия подается кабелем 6 к наземным потребителям, причем кабель 6 прикреплен к одному из тросов 3. К статорам станции 4 и 5 одним концом прикреплены надувные лопасти 7 и 8, другим концом лопасти 7 и 8 шарнирно прикреплены к валу ротора 2.
Работа ветроэнергетической станции осуществляется следующим образом. Станция тросами 3 крепится к земле, торовые кольца статоров 4 и 5 и лопасти 7 и 8 наполняются легким газом - гелием и станция поднимается вверх на заданную высоту (высота ограничивается заданной длиной тросов 3). При наличии ветра поток воздуха воздействует на лопасти 7 и 8 и статоры 4 и 5 начинают вращаться в противоположных направлениях: верхний 4 по часовой стрелке, а нижний 5 - против часовой стрелки или наоборот. Такое вращение статоров 4 и 5 позволяет стабилизировать станцию в воздушном пространстве, при этом исключается кручение станции и тросы 3 не будут переплетаться с кабелем 6. Вырабатываемая электроэнергия (известный способ работы магнитоэлектрического генератора) по кабелю 3 поступает к наземным потребителям. При этом допускается применение как постоянных магнитов, так и электромагнитов. На неподвижный вертикальный вал ротора 2 станции можно монтировать несколько двойных статоров, что позволит увеличить количество вырабатываемой станцией электрической энергии, без увеличения размеров всей станции в горизонтальном направлении. При этом будет обеспечиваться стабилизация всей ветроэнергетической станции в пространстве независимо от количества двойных статоров.
Лопасти 7 и 8 станции, как и торовые кольца статоров, выполнены из одного эластического материала и также наполняются легким газом - гелием. Поверхность надувных лопастей 7 и 8 будет достаточно большой (по сравнению с рассмотренным прототипом), что также повышает вырабатываемую электрическую мощность. При этом вращение статоров 4 и 5 предложенной ветроэнергетической станции будет происходить при меньших скоростях ветра, чем у прототипа.
Для увеличения относительной скорости перемещения катушек генератора по отношению к магнитам можно осуществить их вращение по отношению друг к другу в противоположных направлениях, а также размещая магниты на больших радиусах от оси вращения ротора 2. При этом можно размещать большое количество магнитов и катушек.
Неподвижная площадка 1 имеет форму круга или других симметричных фигур, например креста, может быть использована для установки на ней различных приборов и устройств (видеокамеры, источники света, сигнальные лампы и др.).
Вертикальное расположение ветроэнергетической станции в пространстве будет стабильным и не зависящим от направления ветра и его резких изменениях направления.
Заявленное техническое решение, как показал анализ патентной информации, соответствует критерию «изобретательский уровень».
Конструкция предложенной ветроэнергетической станции не требует каких-либо новых технологий изготовления, поэтому она соответствует критерию «промышленная применяемость».
Таким образом, применение ветроэнергетической станции воздушного размещения позволяет обеспечивать электроэнергией потребителей в любом месте, что очень важно, например, при проведении аварийно-спасательных работ в труднодоступных местах в условиях чрезвычайной ситуации.