АЭРОЭНЕРГОСТАТ НАЗЕМНО-ГЕНЕРАТОРНЫЙ
AEROENERGOSTAT GROUND-GENERATOR

Применяется для высотной генерации энергии атмосферных потоков на уровне скоростных ветров в электрическую энергию.
Настоящий аэроэнергостат относится к ветроэнергетическим установкам с радиально-лопастными турбинами, ось вращения которых совпадает с направлением ветра.
В ветроэнергетике известны устройства, в которых их радиально-лопастные турбины подняты на большую высоту и связаны при помощи гибкого вала через мультипликатор с генератором, находящимися в наземном положении. Этим достигается значительное уменьшение веса высотной части устройства на вес массивного генератора (65-70% от массы всего силового агрегата), что в установках, основанных на применении воздухоплавательных подъемных модулей, позволяет резко снизить объемы применения легких технических газов. Например, для размещения турбины на высоте скоростных ветров для генерации мощности в 150 кВт понадобится на 6000 м3 меньший объем аэростатного газонаполнителя. При этом, поскольку электрооборудование устройства значительно удалено от высотного модуля и его аэростатной оболочки, ее наполнение без ущерба для пожаробезопасности может быть осуществлено водородом, что на российском рынке технических газов в семь раз дешевле гелия и который может производиться электролитическим способом непосредственно на месте размещения аэроэнергостата.
Среди аэростатов ветроэнергетического назначения с наземными генераторами имеют место патентные разработки с применением скоростных ортогонально-лопастных роторов (патенты SU 1237789 А1, 15.06.1986; 1509560 А1, 23.09.1989; патент RU 2638237 С1, 12.12.2017) и пилотный проект ветрогенераторного аэростата M.A.R.S. американской компании Mogenn Power. В их воздухоплавательных модулях без значительных технических проблем достигается синтез аэростатных оболочек и горизонтальных виндроторов с осями вращения перпендикулярными ветру. Такие системы являются единственно работоспособными в восходящих потоках воздуха, что преобладают в предгорных районах, встречаются на территориях со сложным рельефом, вблизи высотных сооружений. Вместе с тем на равнинах и морских шельфах виндроторы имеют самый низкий КПД среди всех прочих ветродвигателей. На лопасти виндроторов воздействуют знакопеременные нагрузки, вследствие чего воздухоплавательные модули подвержены вибрациям. На высоких скоростях вращения, им органически свойственным, видроторы обладают высоким лобовым сопротивлением, при котором напор ветра на них действует так, что прижимает воздухоплавательные модули к земле. Такой отрицательный эффект может быть подавлен увеличением подъемной силы аэростата, которое достижимо при больших удорожающих объемах аэростатного газа и габаритах оболочки, имеющих свой прочностной предел.
Известна аэростатная система, в которой вращение на наземный электрогенератор передается через гибкий вал от воздухоплавательного модуля с тихоходной радиально-лопастной турбиной (патенты RU 2612492 С1, 09.03.2017; US 4470563 А, 11.09.1984). Поскольку турбина имеет ось вращения совпадающую с направлением ветра, ее бесконтактная совместимость в одной конструкции с аэростатной оболочкой допускает ограниченное число технических решений, которые однако дают существенный результат, поскольку КПД ветряной генерации от таких турбин на 30-35 процентов превышает аналогичный показатель ветроэнергетических аэростатов с виндроторами.
Во всех упомянутых устройствах гибкий вал от воздухоплавательного модуля до наземного генератора провисает под углом к земной поверхности и имеет под собственным весом неустранимый прогиб, что при вращении вала дает визуальное восприятие его, как быстро вращающегося веретена. Чем больше прогиб, возрастающий с увеличением скорости вращения наклонного гибкого вала, имеющего для достижения уровня скоростных ветров длину в несколько сотен метров, тем значительнее реактивный момент и величина биения до разрушительных значений, что распространяется на весь воздухоплавательный модуль, нарушает оптимальную ориентацию модуля на ветер, изнашивает и выводит из строя его узлы, крепеж между ними. Итоговый вывод для всех систем ветряной генерации, общим признаком которых является наличие вращающегося гибкого вала, если этот вал имеет наклон к земной поверхности, состоит в том, что такие устройства будут иметь ограниченную практическую применимость, обусловленную высокой степенью аварийности.
В ряде высотных ветродвигателей (патент US 4470563 А, 11.09.1984) для передачи вращения используются гибкие связи от ведущих шкивов на осях радиально-лопастных турбин в составе воздухоплавательного модуля до ведомых шкивов на осях наземных электрогенераторов. Такой механизм при больших перепадах высот между шкивами не в состоянии работать надежно в виду невозможности стабильного натяжения гибких связей, их неизбежного большого прогиба и перехлеста. Похожий принцип действия заложен в аэростате с ортогональными лопастями (патент KR 101214277 В1, 01.07.2011), вместе с тем отличающийся конструкцией наземного узла, где имеется кольцевая монорельсовая колея, на которую двумя колесами опирается диаметральная балка, поворачивающаяся с еще одной третьей опорой на центральную ось вращения. Колеса и генераторы с их ведомыми шкивами располагаются на концах диаметральной балки. Подобная кольцевая колея входит в состав наземной части ветроэнергетической установки (патент SU 1211449 А1, 15.02.1986), по ней поворачивается с опорой на колесные пары шестигранник, собранный из мостовых ферм. Массивность шестигранного соединения ферм такова, что только исключительно мощный напор высотного атмосферного потока на воздухоплавательный модуль установки способен сдвинуть и повернуть сооружение так, чтобы продольные оси двух аэростатных баллонов и они же оси вращения ортогонально-винтовых лопастей совпали с направлением ветра.
Аэроплавательный виндротор (патент RU 2572469 С1, 10.01.2016) имеет наземную тележку с лебедкой, что в ручную и свободно перемещается на фундаментной плите ВЭУ, отодвинута в сторону во время работы установки в режиме ветряной генерации, служит и используется лишь при подъеме и для спуска вниз воздухоплавательного модуля.
Известны ветроэнергетические установки (патенты RU 2372519 С2, 10.11.2009; 2253040 С1, 27.05.2005), внутри турбинных гондол которых находится зубчато-коническая передача, которая преобразует горизонтально-осевое, совпадающее с направлением ветра, вращение турбин в вертикально-осевое вращение ведомого вала, выступающего снизу из корпуса гондол.
К аэростатной оболочке в ветроэнергетических устройствах (патенты CN 104061125 А, 24.09.2014; 104895744 А, 09.09.2015) подвешен на гибких стропах электрогенератор с радиально-лопастной турбиной, ось вращения которой должна совпадать с направлением ветра. В местах соединения строп с оболочкой возникают значительные напряжения, вызванные большой суммарной массой ветросилового блока, вес которого при генерации 150 кВт достигает по меньшей мере семи тонн. Однако причиной износа и разрушений крепежных узлов является скорее колебания нагрузки на элементы крепежа в следствии хаотичных и независимых раскачиваний оболочки и не жестко подвешенного к ней ветросилового блока.
Сущность изобретения состоит в том, что гибкий вал, который передает вращения от радиально-лопастной турбины, что входит в состав воздухоплавательного модуля и чья ось вращения совпадает с направлением ветра, к наземному силовому блоку из мультипликатора и генератора, неизменно вертикален, что дает возможность натянуть его аэростатической подъемной силой, силой собственной тяжести без больших прогибов и биения, вызывающего износ и разрушение основных узлов и элементов аэроэнергостата. Вертикальность гибкого вала является следствием его совместной вертикально-соосной ориентации с валами, которые он соединяет, а именно, верхним валом от механизма воздухоплавательного модуля и нижним валом к механизму мультипликатора. В свою очередь эта совместная вертикальная соосность обеспечивается и поддерживается конструктивными отличиями изобретения. Соединение аэростатной оболочки и крепежного базового кольца, от которого отходит вниз опорная рама гондолы с упомянутой турбиной горизонтально-осевого вращения, может быть более жестко зафиксировано при помощи решетчатого ограждения, устанавливаемого на кольце и обхватывающего нижнюю часть оболочки.
Целью изобретения является минимизация отдельных причин износа и разрушения высотного ветроэнергетического устройства, в котором вращение от радиально-лопастной турбины с осью вращения, совпадающей с направлением ветра и входящей в состав воздухоплавательного модуля, передается гибким валом к наземным мультипликатору и генератору.
Поставленная цель достигается конструктивными отличиями аэроэнергостата наземно-генераторного и состоят в том, что, будучи поднятой в составе воздухоплавательного модуля на высоту скоростных ветров, турбинная гондола содержит зубчато-коническую передачу, преобразующую горизонтально-осевое, совпадающее с направлением ветра, вращение турбины в вертикально-осевое вращение ведомого вала. Вертикальные стойки, внутри которых свободно раскачивается силовой блок из мультипликатора и генератора, перенесены на тележку, которая является самоходной, установлена и перемещается по наземной кольцевой колее вокруг причальной тумбы с поворотной платформой и закрепленными на ней двумя соосными лебедками. Ведомый вал, выступающий вниз из корпуса гондолы, гибкий вал и вал мультипликатора имеют совместную вертикально-соосную ориентацию, устойчивость которой поддерживается компьютерной программой, управляющей работой лебедок, самоходной тележки и авиадвигателя. Прочность соединений аэростатной оболочки и базового крепежного кольца, что являются не отъемными элементами воздухоплавательного модуля, может быть усилена фиксацией данного узла при помощи решетчатого ограждения.
На фиг. 1 показан общий вид аэроэнергостата наземно-генераторного; на фиг. 2 - вид со стороны ветра на воздухоплавательный модуль того же устройства; на фиг. 3 - зубчато-коническая передача в корпусе турбинной гондолы.
Аэроэнергостат состоит из воздухоплавательного модуля и причального узла, соединенных провисающими привязными тросами 1 и натянутым вертикально гибким валом 2. В состав модуля входят выполненные за одно целое аэростатная оболочка 3, крепежное базовое кольцо 4, прижатое к днищу оболочки меридианными лентами 5, отходящий от базы подветренный кронштейн 6 с авиадвигателем 7 переменной тяги, опорная рама 8, к ее горизонтальной перекладине, усиленной арочной фермой, подвешена гондола 9 с радиально-лопастной турбиной 10. Ось вращения турбины совпадает с направлением ветра и является ведущим валом 11 зубчато-конической передачи 12, размещенной в корпусе гондолы. Ведомый вал 13 зубчато-конической передачи выступает вертикально вниз из корпуса гондолы, соединен с верхним концом гибкого вала. Причальный узел включает в себя причальную тумбу 14 и вокруг нее кольцевую колею 15, по которой перемещается самоходная тележка 16 с установленными вертикально стойками 17, внутри которых свободно раскачивается силовой блок из мультипликатора 18 и генератора 19. Вал мультипликатора 20 соединен с нижним концом гибкого вала. На причальной тумбе расположена поворачивающаяся платформа 21 с размещенными на ней двумя соосными лебедками 22. Надежность соединений аэростатной оболочки и подвешенных к ней крепежного базового кольца с прочими элементами воздухоплавательного модуля может быть повышена установкой решетчатого ограждения 23, обхватывающего нижнюю часть оболочки.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. В месте дислокации аэроэнергостата сооружается причальный узел, на поворотной платформе причальной тумбы монтируются лебедки, а на кольцевой колее устанавливается самоходная тележка с вертикальными стойками, внутри которых размещается силовой блок из мультипликатора и генератора. К валу мультипликатора присоединяется конец гибкого вала, который свободно ложится на грунт. Далее рядом с причальным узлом собирается воздухоплавательный модуль, к которому от лебедок присоединяются привязные троса и свободный конец гибкого вала. Аэростатная оболочка наполняется легким газом (гелием или водородом) в объеме, при котором возникает подъемная сила, способная поднять в небо воздухоплавательный модуль и привязные троса, распрямить на всю длину гибкий вал. Привязные троса синхронно стравливаются с барабанов лебедок и воздухоплавательный модуль поднимается до уровня скоростных ветров на высоте 300-600 метров, заранее ограниченного длинной гибкого вала, который натягивается аэростатной подъемной силой и силой собственной тяжести. Модуль разворачивается так, что ось вращения турбины совпадает с направлением ветра. Работой лебедок, авиадвигателя и перемещением самоходной тележки достигается вертикально-соосное положение вала мультипликатора, гибкого вала и ведомого вала, относящегося к гондоле. При этом провисания и прогиб гибкого вала по существу устраняются. Под скоростным напором ветра турбина начинает свое горизонтально-осевое вращение, которое через зубчато-коническую передачу преобразуется в вертикальное вращение ведомого вала, выступающего вниз из корпуса гондолы, передается гибким валом, биения которого минимизированы, на вал мультипликатора и поступает в генератор. Получаемая электроэнергия после контроллера, аккумуляторной батареи и инвертора подается потребителям.
При изменении направленности воздушного потока его напор воздействует на наветренные боковые поверхности воздухоплавательного модуля, прежде всего его аэростатной оболочки. Под этим давлением воздухоплавательный модуль описывает дугу вокруг наземной причальной тумбы, увлекая в ровно такое же смещение через привязные троса поворотную платформу вместе с соосными лебедками. Одновременно гибкий вал наклоняется в сторону сместившего воздухоплавательного модуля и тянет в том же направление тележку, движущуюся вмести с силовым блоком на ней по кольцевой колее. Пространственное перестроение воздухоплавательного модуля заканчивается, когда ось вращения турбины совпадет с новым направлением ветра. Чтобы описываемый маневр надежно достигал своего результата и происходил более динамично на подветренной стороне аэростатного модуля могут быть установлены флюгера, так как они используются в ветродвигателе (патент RU 2637589 С1, 05.12.2017). По полному завершению перестроения модуля включается электрический привод тележки, которая на собственном ходу продолжает движение до тех пор, пока не окажется непосредственно под модулем и гибкий вал вновь станет вертикальным и соосным с ведомым валом, относящимся к гондоле, и валом мультипликатора.
Зависание воздухоплавательного модуля над кольцевой колеей и самоходной тележкой на ней устанавливается длиной привязных тросов, которая регулируется лебедками. Основной функцией авиадвигателя переменной тяги является поддержание ориентации оси вращения турбины на изменчивый по скорости ветер и соответственно вертикальности ведомого вала, относящегося к гондоле. Вместе с тем авиадвигатель содействует привязным тросам поддерживать воздухоплавательный модуль над кольцевой колеей и самоходной тележкой. В качестве авиадвигателя целесообразно использовать эксклюзивный электромотор компании Siemens, который при весе всего 50 кг развивает мощность переменной тяги до 260 кВт. Применение решетчатого ограждения нижней части аэростатной оболочки более всего целесообразно в местных атмосферно-климатических условиях, что отличаются чаще обычного сменами нормативного по скорости ветра на его резкие порывы.
Предварительный прогноз целесообразности воздухоплавательных систем ветроэнергетического назначения содержит вывод, что с их помощью подъем на 300-600 метров до уровня скоростных ветров возможен и обходится на 37-58% дешевле строительства колонн из стали и железобетона предельно достигнутой ими высоты в 150-200 метров. Вместе с тем это преимущество становится еще больше очевидным при наземно-генераторном исполнении установки, что позволяет резко, по меньшей мере в два раза, сократить объемы аэростатного газа. В отличие от известных патентных прототипов настоящий аэроэнергостат с вертикальным гибким валом делает систему не только практически применимой ограниченно, но и приобретает промышленный потенциал за счет устранения прежде всего главной причины - аварийности. Аэроэнергостат создает предпосылки безопасного применения водорода для газонаполнения аэростатной оболочки, что доступнее и дешевле использования гелия. Кроме того, аэроэнергостат может комплектоваться собственной электролитической установкой, вырабатывающей водород, что делает его полностью автономным от поставок легких технических газов и служит накопителем излишков ветряной энергии.