МОБИЛЬНЫЙ МОДУЛЬ АЭРОЭНЕРГОСТАТА
MOBILE AEROENERGOSTAT MODULE

Предназначен к использованию для генерации энергии ветра в электроэнергию, получаемую на высоте скоростных атмосферных потоков.
Предлагаемое ветроэнергетическое устройство относится к системам воздушного базирования, радиально-лопастная турбина которых имеет ось вращения, совпадающую с направлением ветра.
В октябре 2020 года Международное энергетическое агентство (МЭА) выпустило доклад «Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) 2020. Анализ и прогноз до 2025 года», в котором впервые практически без былого консерватизма положительно оценило перспективы новых ВИЭ, прежде всего ветровой и солнечной энергетики, назвав их ключевыми секторами мировой энергетики. По данным Агентства годовой прирост указанной генерации будет рекордным и составит почти 200 ГВт установленных мощностей. Вместе с тем отмечается без комментариев, что темпы годового прироста объемов генерации от солнца (107 ГВт) прогрессируют существенно стремительнее новых ветровых мощностей (65 ГВт), что продолжится в 2021 году при ожидаемом соотношении 117 против 68 ГВт. МЭА назвало солнце «королем электроэнергетики», что означает утрату ветродвигателями прежних лидирующих позиций.
Следует отметить, что с момента промышленного освоения энергии ветра, стартовавшей всего лишь несколько десятилетий назад, становлению данной индустрии потребовалось преодолеть ряд вызовов, из которых на начальном этапе ключевыми проблемами являлись высокая себестоимость генерации и интеграция нестабильного, «прерывистого» и непредсказуемого источника возобновляемой энергии в сетевые «традиционные» энергосистемы. Авторитетный в данных вопросах источник - инвестиционный банк Lazard, в очередном ежегодном докладе «Анализ приведенной стоимости - 14,0» аргументированно утверждает, что главные вызовы в ветроэнергетики устранены в результате целенаправленных совокупных усилий многих стран, предпринимаемых на протяжении пяти последних лет, начиная с 2016 года. Сообщаются американские данные, что стоимость единицы вырабатываемой от ветра электроэнергии (LCOE) составляет $25-54 за мегаватт-час, что меньше чем у парогазовых установок, сопоставима с ценовыми показателями газовых (ПГУ) и атомных электростанций, как правило меньше угольной генерации.
Вместе с тем в докладе отмечается, что темпы снижения затрат по основным видам ВИЭ за последние время стали падать, причем это снижение оставило 5 процентов в части наземной ветроэнергетики, в отношении которой говорится также, что в 2020-25 гг. будет введено в эксплуатацию 150,7 ГВт электростанций наземного базирования в Азиатско-Тихоокеанском регионе - больше чем в Европе и Северной Америке, вместе взятых.
Последняя информация указывает на кризисные явления в ветроэнергетики, новых вызовах по мере ее роста. Естественно, что первыми с этими вызовами столкнулись страны, ранее всех создавшие передовые технологии, заложившие основы отраслевой промышленности и форсированно ее развившие. Прежде всего в реалиях Западной Европы были исчерпаны благоприятные, хорошо продуваемые низовыми ветрами земельные ресурсы под размещение все новых ветровых станций. Ответом на этот вызов стали решения о создании офшорной ветроэнергетики. Так в Германии был принят соответствующий Закон (Windenergie-auf-See-Gesetz), к которому в виду нарастающей актуальности вопроса сделана поправка, пересматривающая цель и определяющая, что мощности морской ветроэнергетики будут увеличены с 15 до 20 ГВт к 2030 году и 40 ГВт к году 2040.
Однако принимаемые меры, что вышеуказанны, не безупречны, поскольку отбрасывают ветроэнергетику на прежние позиции в вопросе LCOE, из-за удорожания в два раза стоимости вырабатываемой электроэнергии по сравнению с достижениями наземных станций, а также не подходят для большого числа стран, что не имеют выхода к морю или имеют таковые, но без наличия мелководных шельфов. К ярким примерам несовместимости с офшорной ветроэнергетикой можно отнести западное побережье обеих Америк на всем его протяжении, восточные береговые линии японских островов, большей частью бесперспективна Африка, где практически везде океанское дно сразу у берега резко уходит на глубину до 1000 метров. Обращает на себя внимание тот факт, что лоббирование офшорного выхода из проблем мировой ветроэнергетики наземного базирования исходит из стран с развитой материально-технической базой строительства морских нефтедобывающих платформ.
Кроме офшорной альтернативы известны наработки в области ветроэнергетических устройств воздушного базирования (AWE). Генерация электроэнергии от скоростных и устойчивых ветров на высоте 300-600 метров с помощью аэростатов может осуществляться повсеместно без привязке к климатическим зонам, хорошо продуваемым у поверхностности земли. Потребность воздухоплавательных аппаратов ветроэнергетического назначения в более значительных землеотводах, чем для наземных конструкций, устранена системой устойчивого зависания их высотного модуля над причальным узлом. К этому добавилось достижение американской компанией Loon (подразделение холдинга Alphabet) возможности длительного пребывания воздухоплавательного аппарата в атмосфере без дозаправке аэростатной оболочки легким газом. Компанией используется почти сто стратостатов, запускаемых для предоставления доступа в интернет через LTE в районах по всему миру со слабо развитой инфраструктурой, прежде всего в Африке и Южной Америки. Аппарат модели HBAL703 увеличил рекорд продолжительности пребывания в воздухе без дозаправки легким газом до 312 дней, совершая при этом в различных целях полеты над Пуэрто-Рико, Перу и Тихим океаном.
Как для наземных сооружений ветроэнергетики, так и для воздухоплавательных аппаратов AWE того же назначения существует проблема доставки неразъемного крупногабаритного и тяжелого оборудования на место назначения, в первом случае это композитные лопасти турбин длиной 65-70 метров и стальные кольца колонн диаметром 4,3-4,6 метров, а во втором случае - прежде всего сложенная аэростатная оболочка с объемом газонаполнения в несколько десятков тысяч кубических метров. Перемещение таких грузов при отсутствии надлежащей инфраструктуры совершенно исключается, что выводит за рамки ветроэнергетического развития многие страны Азии, Африки и Латинской Америки. Если для наземных ветрогенераторов скорее не существует оснований для устранения издержек транспортной доставки, то в воздухоплавательных аппаратах аналогичного назначения на определенных условиях может быть создана и реализована передовая логистическая технология.
В этой связи примечателен опыт упомянутой американской компании Loon, которая осуществляет монтаж стратостатов и первичную заправку их легким газом на сборочных площадках в штате Невада и на острове Пуэрто-Рико, откуда они самостоятельно перемещаются в место назначения, используя «попутные» ветра. Целесообразность такого способа очевидна, однако немалая часть полетного времени тратится на маневрирование в атмосфере, чтобы стратостат попал в воздушный поток нужной направленности. При этом способ «попутных» перемещений в воздухе стратостатов Loon с легким электронным оборудованием не подходит для аэроэнергостатов, нагруженных тяжелыми ветроэнергетическими блоками, поскольку соображения безопасности требуют маршрутов, огибающих густонаселенные пункты и районы.
Информационный поиск выявил, что в качестве прототипа заявленного изобретения может быть назван аэроэнергостат (WO 2020159402 А1, 06.08.2020). Устройство содержит мягкую газонаполненную оболочку сигарообразной формы, притянутую бандажными дугами и лентами к горизонтальной композитной платформе, к которой по центру масс подвешен ветросиловой блок с подветренной тихоходной радиально-лопастной турбиной, чью ось вращения совпадает с направлением ветра. Благодаря размещению на корме и по бокам платформы электрических авиадвигателей встречного вращения с переменными тягой и углом атаки на набегающий ветер, воздухоплавательный модуль аппарата имеет потенциальную возможность перемещаться в атмосфере, что однако ограничивается зависанием в воздухе из-за его привязки к наземному причальному узлу с помощью тросов. К тому же электропитание авиадвигателей осуществляется с земли по трос-кабелю. Будет не сложным разорвать упомянутые связи модуля с землей и придать ему возможность свободного воздухоплавания, но поскольку электропитание авиадвигателей прервется и они прекратят работать, модуль сможет перемещаться только вместе с атмосферными потоками. При этом турбина аэроэнергостата будет создавать значительное лобовое сопротивление полету.
Прочностные качества прототипа, герметичность его оболочки существенно улучшаются если аппарат дополнить элементами аэроэнергостата катамаранного (патент RU 2729306 С1, 14.02.2020), а именно гребнем прокатного профиля и трубчатым баллонетом, вынесенным из газонаполненной оболочки под ее днище. Однако при этом, поскольку практикуемые оболочки изготавливаются из не эластичных тканепленочных материалов, потребуется создать высокое давление сжатого воздуха в трубчатом баллонете, чтобы днище оболочки было вогнуто в ее внутренний газонаполненный объем.
Сущность предлагаемых технических решений состоит в том, что воздухоплавательный модуль аэроэнергостата приобретает мобильность при нейтральной плавучести в сборе и наличии в носовой части устройства дополнительной съемной пары авиамоторов с неизменно вертикальными осями вращения винтов, которая вместе с существующей на корме модуля несъемной парой авиамоторов, способной поворачиваться винтами вверх, размещены по схеме и работают в режиме мультикоптера, Электродвигатели всех четырех авиамоторов являются реверсивными и подключены к бортовой аккумуляторной батареи. Изменения в конструкции подвески ветросилового блока позволяют устранить препятствия для свободной мобильности модуля и состоят в том, что позволяют принудительно повернуть блок с помощью бортовой лебедки в сторону кормы модуля так, что турбина прижимается снизу по возможности ближе к композитной платформе, ее лопасти располагаются в горизонтальной плоскости, перестают вращаться и быть помехой для воздухоплавания. Энергетические затраты бортовой аккумуляторной батареи могут возмещаться через контроллер от виндротора с ортогональными лопастями. По прибытию в пункт ветроэнергетического использования устройство разгружается от той части оборудования, которое обеспечивало его мобильность, а теперь стало не нужным, и тем самым приобретает положительную плавучесть, которая может быть усилена дозаправкой модуля легким газом, пространство под которое предварительно освобождается внутри газонаполняемой оболочки.
Целью изобретения является самостоятельный подъем в воздух, перемещение в атмосфере воздухоплавательного модуля аэроэнергостата, его спуск к наземному причальному узлу по прибытию в пункт ветроэнергетического использования, когда необходимо используя при этом энергоемкость окружающей среды и возможность создания большей аэростатической подъемной силы.
Поставленная цель достигается тем, что модуль, имеющий нейтральную плавучесть в сборе, комплектуется двумя парами авиамоторов с винтами изменяемой скорости вращения от реверсивных электродвигателей, работающими от бортовой аккумуляторной батареи. Одна пара съемных авиамоторов располагается в носовой части модуля, ее винты вращаются на неизменно вертикальных осях, вторая существующая на корме и несъемная пара авиамоторов повернуты осями винтов в аналогичном направлении при помощи их трансмиссионных механизмов. Вращение авиамоторных винтов осуществляется в режиме мультикоптера, когда одна их пара вращается по часовой стрелке, а другая - против часовой. Для придания улучшенных аэродинамических качеств модулю, без чего его мобильность затруднена, подвеска турбины к композитной платформе имеет соосные шарнирные соединения, что позволяет повернуть ветросиловой блок в сторону кормы и расположить радиальные турбинные лопасти в горизонтальной плоскости, а по прибытию на место назначения поворачивать тот же блок в рабочее положение так, чтобы ось вращения турбины совпадала с направлением ветра. Переориентации турбины осуществляются с помощью бортовой лебедки. Для энергетического обеспечения самостоятельных перемещений модуля в воздухе на протяженных маршрутах следования его состав может быть дополнен виндротором и контроллером. Необходимая положительная плавучесть модуля, что потребуется для его работы в составе аэростата по месту использования в ветроэнергетических целях, может быть усилена дозаправкой комплекса легким газом, что делается возможным за счет того, что днище газонаполняемой оболочки исполнено эластичным, как и трубчатый баллонет в целом.
На фиг. 1 показан общий вид мобильного модуля нейтральной плавучести; на фиг. 2 - вид на тот же модуль со стороны ветра; на фиг. 3 - вид «А» без ветросилового блока; на фиг. 4 - общий вид аэроэнергостата с модулем положительной плавучести; на фиг. 5 - носовая часть модуля положительной плавучести в разрезе; на фиг. 6 - кормовая часть модуля увеличенной положительной плавучести в разрезе.
Мобильный модуль аэроэнергостата состоит из мягкой газонаполненной оболочки 1 нейтральной плавучести, притянутой сверху бандажными дугами и лентами 2 к горизонтальной композитной платформе 3, снизу которой в носовой части устройства имеется бортовая аккумуляторная батарея 4. Симметрично раздвинуты от платформы две пары авиамоторов: одна пара съемная носовая 5 с неизменно вертикальными осями вращения винтов и вторая пара несъемная кормовая 6 с помощью трансмиссионных механизмов 7 меняющая положение осей вращения винтов с вертикального до направленного на ветер с изменяемым углом атаки, вплоть до отрицательных значений. Электродвигатели всех авиамоторов являются реверсивными с регулируемыми скоростями вращения. По центру масс модуля подвешен ветросиловой блок, состоящий из устройства без редукторной передачи вращения и генератора внутри гондолы 8, к ней подветренной тихоходной радиально-лопастной турбины 9. Подвеска блока к платформе выполнена из двух параллельных и раздвинутых в плоскости, перпендикулярной ветру, стоек, по высоте разделенных соосными цилиндрическими шарнирами 10 на верхние вертикальные и неподвижные звенья 11, заканчивающиеся горизонтальными шарнирными осями 12, и на нижние подвижные звенья 13, сращенные с шарнирными втулками 14 и заканчивающиеся креплениями с гондолы. При горизонтальном расположении нижних звеньев стоек ось вращения турбины перпендикулярна направлению ветра, а при их повороте на 90° в вертикальное положение - совпадает с направлением ветра. Эти изменения пространственной ориентации упомянутых элементов ветросилового блока осуществляются благодаря наличия скобы 15, которая соединяет втулки шарниров и стальным канатом 16 связана с барабаном бортовой лебедкой 17. Целесообразно иметь в конструкции модуля, подобно аэроэнергостату катамаранному (патент RU 2729306 С1, 14.02.2020), гребень прокатного профиля 18, выносной трубчатый баллонет 19 с компрессором 20 и систему прототипа, обеспечивающего стабильное зависание пришвартованного трос-кабелями 21 по месту ветроэнергетического использования модуля непосредственно над наземным причальным узлом 22, включающую кроме кормовых авиамоторов датчики давления ветра 23, процессор в составе удаленного пульта управления, исполнительный механизм 24. Когда модулю предстоит длительное и продолжительное перемещение по воздуху бортовая аккумуляторная батарея может подзаряжаться от энергии атмосферных потоков при помощи виндротора 25 с ортогональными лопастями в комплекте с контроллером 26.
Мобильный модуль перемещается и маневрирует в воздухе благодаря его нейтральной плавучести, схеме расположения и режима вращения авиамоторных винтов, подобных мультикоптеру. При этом модулю не требуется рулевой винт, поскольку винты носовых и кормовых авиамоторов на вертикальных осях вращения крутятся в противоположные стороны не только попарно, но и находясь на стороне одного и того же борта воздухоплавательного аппарата. Подъем модуля на заданную высоту осуществляется при равно высокой скорости вращения всех винтов. Для горизонтального плавания скорость вращения сбрасывается не одинаково, в меньшей степени у пары носовых авиамоторов и большей степени у авиамоторов кормовой пары Для снижения высоты перемещения модуля и его спуска к земле скорости вращения всех винтов вновь приводятся к одинаковому значению, после чего электродвигатели авиамоторов переключаются на реверсивный режим работы. При этом еще до начала плавания модуля его ветросиловой блок поворачивается в сторону кормы устройства и располагается под композитной платформой так, что лопасти турбины фиксируются в горизонтальной плоскости. Делается это при помощи бортовой лебедки, с барабана которой стальной трос захватывает и притягивает к себе скобу (фиг. 3), что входит в состав подвески ветросилового блока.
Модуль при нейтральной плавучести тем не менее обладает аэростатической подъемной силой, в следствие чего в процессе воздухоплавания устройство, не имея «попутных» ветров, использует энергию бортовой аккумуляторной батареи, расходуя ее только на преодоление сопротивления окружающей воздушной среды. Если модулю предстоит выполнить протяженный маршрут перемещения до пункта ветроэнергетического использования, устройство может быть дополнено виндротором с ортогональными лопастями, который генерирует энергию ветра любой направленности и через контроллер подпитывает ею бортовую аккумуляторную батарею.
По прибытию в пункт ветроэнергетического использования модуль снижается к наземному причальному узлу и соединяется с ним трос-кабелями. При работе модуля в составе аэроэнергостата становятся лишними и демонтируются носовая пара авиамоторов, аккумуляторная батарея, виндротор с контроллером. Освободившись от веса перечисленного оборудования модуль приобретает положительную плавучесть. Трос-кабели стравливаются с барабанов лебедок наземного причального узла ровно на столько, чтобы модуль поднялся для действий с ветросиловым блоком, которые состоят в том, что стальной трос стравливается с барабана бортовой лебедки, скоба подвески ветросилового блока занимает горизонтальное положение и турбины приводится в рабочее состояние, при котором ось ее вращения совпадает с направлением ветра (фиг. 4). Возобновляется подъем модуля на заданную высоту при указанных ориентации и режиме вращения авиамоторных винтов, при этом после переключения оставшегося электрооборудования модуля на питание от наземной аккумуляторной батареи, трансмиссионные механизмы поворачивают винты кормовых авиамоторов навстречу ветру, они начинают работать с тягой и под углом атаки на ветер, обеспечивающими устойчивое зависание модуля непосредственно над причальным узлом аэроэнергостата. Под напором высотных скоростных ветров лопасти турбины начинают крутиться, вращение через устройство без редукторной прямой передачи поступает в генератор, аэроэнергостат вырабатывает электрический ток, который через наземные контроллер, аккумуляторную батарею и инвертор направляется к потребителям.
Недостаточное натяжение трос-кабельных связей усиливается большей положительной плавучестью модуля. Этот результат может быть достигнут если днище газонаполненной оболочки и трубчатый баллонет будут эластичными. При этом баллонет сдувается и оседает, ранее вогнутое по вовнутрь дно оболочки опадает, освобождая пространство для дополнительного газонаполнения. Новая порция легкого газа закачивается в оболочку, увеличивая аэростатическую подъемную силу модуля. Подачей сжатого воздуха в баллонет, в меньшем чем ранее количестве (фиг. 6), восстанавливается форма и ровность поверхности оболочки.
Предлагаемая модификация модуля кроме основной цели изобретения упрощает поддержание аэроэнергостата в рабочем состоянии. Предварительно повернув блок к корме модуля, переведя турбину в горизонтальную плоскость и снизу прижав ее к композитной платформе можно примерно в два раза ближе к земле опустить модуль, чем это возможно для прототипа, сделав тем самым его более доступным для дозаправки легким газом, текущего обслуживания и ремонта. В особых случаях модуль может даже лечь на грунт без повреждения лопастей турбины.
Актуальность изобретения подтверждается данными Всемирного банка (ВБ), согласно которым около 1 млрд. человек по всему миру или 13% населения Земли до сих пор не имеют доступа к электричеству. При этом 87% энергетического дефицита приходится на сельские местности, прежде всего стран Африки, расположенных к югу от Сахары, с численностью населения 600-650 млн. чел, Центральной и Южной Азии, труднодоступные для подключения к сетевым источникам и проблемные при доставках оборудования ветровой энергетики по суши. Здесь ветростанции практически исключены из энергетического прогресса, который происходит через строительство солнечных ферм, однако имеющим свой предел, обусловленный ресурсом свободных неплодородных земель и в силу этого обстоятельства приемлемого лишь для немногих стран, таких как Индия, Бангладеш, Эфиопия и Кения. Динамика энергетики из возобновляемых источников показывает, что без вовлечения в процесс всех возможностей, задача, выдвинутая ООН по обеспечению к 2030 году электроэнергией всего населения Земли, может быть выполнена по оптимистическому сценарию ВБ только на 32,4%. Для регионов, не обладающих или исчерпавших хорошо продуваемые приземные пространства, в окончательном решении проблемы свою роль должны сыграть аэроэнергостаты с мобильными воздухоплавательными модулями, несущими ветросиловые блоки промышленно значимой мощности от 150 и более кВт.