АЭРОСТАТНО-ПРИВЯЗНАЯ ВЕТРОТУРБИНА
AEROSTAT-BOUND WIND TURBINE

Изобретение применяется для генерации энергии ветра в электроэнергию средних и больших мощностей, достигаемых на высоте скоростных слоев атмосферы.
Настоящее устройство относится к ветроэнергетическим установкам, радиально-лопастные роторы которых имеют оси вращения, совпадающие с направлением ветра.
Известные ветроэнергетические системы можно разделить на два типа: - стационарные устройства, силовые блоки которых подняты до скоростных ветров, имеющих место на морских побережьях и океанских шельфах, с опорой на массивные башни и колонны ростом, как правило, 60-100 метров, в исключительном случае до 200 метров (патенты US 2010/0135794 А1, 03.06.2010; RU 2458246 С1, 31.03.2011); - мобильные ВЭУ, что действуют на высотах от 250-300 метров, достигаемых за счет использования привязных аэростатных оболочек разнообразной объемной конфигурации, наполненных легкими газами - водородом или чаще более безопасным гелием. Последние ветряные агрегаты, что касается местностей размещения, являются универсальными и единственно эффективными там, где низовые ветра слабы, в силу чего генерируемые от ветра мощности не достигают промышленно значимых значений.
Среди мобильных ВЭУ можно в свою очередь видеть установки, в которых имеет место попытка зафиксировать аэростатные оболочки с ветросиловыми блоками в воздушном пространстве над местом их дислокации. Однако эту задачу еще не удалось решить полностью и в этой связи представляет определенный интерес только ветрогенератор (патент RU 2535427 С1, 24.12.2013), устойчивость которого обеспечивается программным управлением наземными лебедками, регулирующими длину и натяжение их привязных тросовых связей с высотной частью устройства. Другой разновидностью привязных аэростатных генераторов являются установки, силовые блоки которых подняты на высоту скоростных атмосферных потоков в составе воздухоплавательных модулей и за счет конструкции причальных узлов описывают в воздухе круговые траектории, занимая оптимальное положение на ветер (патент RU 2576103 С1, 27.01.2015).
Известен аэростатно-плавательный ветродвигатель (патент RU 2602650 С1, 26.01.2016), положительную плавучесть воздухоплавательному модулю которого создают газонаполненные баллоны, взаимосвязанные на арочной мостовой ферме, так что образуют выгнутую вверх конструкцию, имеющую в горизонтальной проекции дельтавидный контур. По меньшей мере один силовой блок ветродвигателя в составе радиально-лопастного ротора, его ось вращения совпадает по направлению и смотрит на ветер, гондола, в корпусе которой установлены планетарный мультипликатор с электрогенератором, находится в площади фермы, совпадающей с центром масс воздухоплавательного модуля. Оптимальная пространственная ориентация модуля, а вместе с ним - оси вращения ротора, обеспечивается прежде всего его аэродинамической формой в целом, в частности аэродинамическими поверхностями отдельных элементов: у концевых баллонов и центрально-осевого Т-образного стабилизатора на корме. Этой же задаче пространственной ориентации модуля служат наличие поворотной платформы у наземного причального узла, определенный порядок установки на ней тросовых лебедок и трос-кабельной бухты. Вместе с тем пространственная устойчивость заданной ориентации воздухоплавательного модуля обеспечена недостаточно. Если его поперечную устойчивость еще можно поддерживать программно управляя лебедками, то аналогичной возможности по регулированию продольной устойчивости модуля не существует. Т-образный стабилизатор на корме модуля работает в данном направлении эффективно только при отсутствии воздушных вихрей и пульсаций в атмосфере, для которой в реальной обстановке характерно скорее возмущенное состояние. Его центрально-осевое размещение снижает степень влияния на поперечную устойчивость воздухоплавательного процесса. Крепление свободно свисающего трос-кабеля на корме модуля в более наветренном положении, чем крепежи натянутых привязных тросов, силой собственного веса вместе с напором ветра на ротор ухудшает продольную устойчивость ориентации аэровысотной части ветродвигателя, задирает вверх корму его воздухоплавательного модуля. В отличие от ветроэнергетического устройства (патент RU 2594827 С1, 15.10.2015) в настоящем ветродвигателе не решена задача компенсации потери устойчивой ориентации модуля от реактивного момента, действующего при работе одного и более роторов.
Сущность технических решений состоит в том, что улучшение устойчивости пространственной ориентации ветросиловых блоков, поднятых до скоростных ветров в атмосфере при помощи воздухоплавательного модуля, обеспечивается их четным числом, подвеской к арочной мостовой ферме, так что роторы находятся от фермы в подветренном положении и зеркально расположены относительно оси симметрии модуля, разной направленностью вращения роторов по обе стороны от той же оси, креплением трос-кабеля по середине упомянутой фермы при наветренном крепеже привязных тросов, оснащением кабельной бухты собственным механическим приводом, управляемым программно и регулирующим длину вместе с натяжением трос-кабеля. В корме аэровысотной части устройства могут быть размещены одинаковые горизонтальные стабилизаторы крыловидного профиля, выступающие в противоположные стороны за контур взаимосвязанных баллонов воздухоплавательного модуля.
Целью изобретения является улучшение устойчивости пространственной ориентации ветросиловых блоков, поднятых на высоту скоростных ветров в составе воздухоплавательного модуля и имеющих радиально-лопастные роторы, оси вращения которых совпадают с направлением ветра.
Поставленная цель достигается прежде всего в части продольной устойчивости пространственной ориентации модуля переносом крепления трос-кабеля на середину нижней горизонтальной балки арочной мостовой фермы в подветренное положение к крепежам привязных тросов. Одновременно кабельная бухта оснащается собственным механическим приводом, управляемым программно подобно лебедкам, чем регулируется длина и натяжение трос-кабеля. Ветросиловые блоки опускаются ниже за пределы площади фермы, подвешиваются к ее нижней горизонтальной балке и разворачиваются так, что их роторы занимают подветренное к ферме положение. Число ветросиловых блоков устанавливается четным с их зеркальной подвеской относительно оси симметрии воздухоплавательной конструкции. Роторы по разные стороны от упомянутой оси имеют встречные вращения, компенсирующие реактивные моменты с улучшением поперечной устойчивости пространственной ориентации модуля. В обоснованном случае, когда без утяжеления воздухоплавательного модуля обойтись невозможно, в его корме дополнительно предусматриваются одинаковые горизонтальные стабилизаторы крыловидного профиля, выступающие в противоположные стороны за контур газонаполненных баллонов в сборе.
На фиг. 1 показан общий вид аэростатно-привязной ветротурбины; на фиг. 2 - вид сверху на воздухоплавательный модуль устройства; на фиг. 3 - вид со стороны ветра на воздухоплавательный модуль ветротурбины.
Аэростатно-привязная ветротурбина состоит из воздухоплавательного модуля и наземного причального узла, соединенных привязными тросами 1 и трос-кабелем 2. В свою очередь воздухоплавательный модуль включает в себя арочную мостовую ферму 3 с уложенными на ней газонаполненными баллонами 4 и подвешенными снизу ветросиловыми блоками, в составе гондол 5, в корпусах которых находятся планетарные мультипликаторы и электрогенераторы, подветренных роторов 6. В обе стороны от кормы воздухоплавательного модуля за пределы контура газонаполненных баллонов могут отходить одинаковые горизонтальные стабилизаторы крыловидного профиля 7. Наземный причальный узел представляет из себя бетонную тумбу 8 с поворотной платформой 9, где подветренно установлены совместно управляемые программно соосные лебедки 10 и диаметрально расположенная к ним кабельная бухта с собственным механическим приводом самостоятельно программного управления 11.
Предлагаемая ветротурбина работает следующим образом. На местности сооружается наземный причальный узел, оснащается лебедками и кабельной бухтой, собирается и балансируется аэровысотная часть устройства так, что после заполнения баллонов легким газом арочная мостовая ферма в сборе с силовыми блоками располагается по центру масс воздухоплавательного модуля ветротурбины. Готовые к работе элементы соединяются между собой привязными тросами и трос-кабелем, которые медленно стравливаются с барабанов лебедок и кабельной бухты. При этом за счет программного управления последними механизмами, регулирующими длину и натяжение гибких связей, осуществляется поддержание пространственной устойчивости модуля, подъем которого завершается на уровне скоростных от 20-25 м/с ветров и на высоте по меньшей мере в 250-300 метров. В это же время воздухоплавательный модуль ветротурбины разворачивается воздушным потоком по круговой траектории вокруг наземного причального узла и фиксируется так, что ее продольная ось симметрии ориентируется на ветер. Синхронность совместных перемещений на ветер высотного модуля и поворотной платформы наземного причального узла будет лучше, если кабельную бухту перенести к лебедкам на подветренную сторону платформы. Скоростной напор ветра вращает роторы, механическая энергия поступает в планетарные мультипликаторы и затем в электрогенераторы гондол, где преобразуется в электрическую энергию, направляемую по трос-кабелю через контроллер, аккумуляторную батарею и инвертор к потребителям.
Ветровой напор на роторы силовых блоков действует так, что корма воздухоплавательного модуля задирается вверх. Это воздействие, нарушающее устойчивость ориентации осей вращения роторов на ветер, подавляется креплением трос-кабеля, обязательно подветренно к крепежным узлам привязных тросов в носовых частях газонаполненных баллонов, по середине нижней горизонтальной балки арочной мостовой фермы, регулированием его длины и натяжения со стороны собственного механического привода кабельной бухты, управляемого самостоятельной программой. Реактивные моменты, отклонения модуля от поперечной устойчивости пространственной ориентации устраняются четным числом ветросиловых блоков, их зеркальным размещением относительно оси симметрии воздухоплавательного модуля, встречными вращениями роторов по разную сторону от той же оси. Перенос роторов в подветренное положение от фермы обусловлено новым местом крепления трос-кабеля к воздухоплавательному модулю, что исключает его повреждение лопастями роторов. При этом силовые блоки опущены ниже площади арочной мостовой фермы для минимизации аэродинамических помех, ухудшающих работу роторов со стороны завихрений ветра, обтекающего балки фермы.
В условиях особо возмущенной атмосферы над местностями со сложным природным ландшафтом и высотными сооружениями в целях большего улучшения устойчивости пространственной ориентации ветросиловых блоков целесообразно оснащение кормы воздухоплавательного модуля одинаковыми горизонтальными стабилизаторами крыловидного профиля, что максимально смещены в обе стороны от продольной оси симметрии модуля за пределы дельтавидного контура газонаполненных баллонов в сборе.