НАЗЕМНО - ГЕНЕРАТОРНЫЙ ВОЗДУХОПЛАВАТЕЛЬНЫЙ ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ
TERRESTRIAL AERONAUTICAL WIND TURBINE GENERATOR

Применяется для высотной генерации энергии атмосферных потоков на уровне скоростных ветров в электрическую энергию.
Энергетическое устройство относится к ветряным двигателям, радиально-лопастной ротор которых имеет ось вращения, совпадающую с направлением воздушного потока.
Последние достижения в технологиях и материалах воздухоплавания сделали возможным осуществление дозаправки газонаполняемых оболочек гелием не чаще одного раза в несколько лет, что повышает практические перспективы использования аэростатов в ветроэнергетических целях.
Вместе с тем при замене архаичного способа подъема силовых блоков ВЭУ до достигнутого ветроэнергетикой с помощью тяжелых башен и колонн на массивных фундаментах уровня в 198 м на способ размещения ветряных двигателей в зоне скоростных ветров на высоте от 300 и более метров с применением аэростатных модулей из оболочек, заполненных предпочтительно безопасным гелием, становится актуальным снижение необходимого для этого объема газового агента и соответствующее уменьшение массогабаритных параметров оболочек.
3
В этой перспективной области техники известно устройство (патент SU 8970 А1, 30.04.1929), аэростатный модуль которого представляет из себя газонаполненную оболочку сигарообразной формы. Роторы установлены в ферме, кольцом обхватывающим оболочку, их оси вращения совпадают с направлением ветра. Аэродинамическим поверхностями данная высотная установка не обладает. Аэростатный ветрогенератор (патент RU 2537664 С1, 04.02.2014) оснащен ротором вертикально-осевого вращения, имеет оболочку в форме плоско-выпуклой линзы с горизонтальным днищем, что способствует образованию аэродинамической подъемной силы. Тросовые связи, как и в аэровысотном ветрогенераторе (патент RU 2535427 С1, 24.12.2013), выполняют функции программного управления продольно-поперечной устойчивостью воздухоплавательной части устройства. Во всех упомянутых ветроэнергетических системах их генераторы подняты на высоту скоростных ветров. Вместе с тем масса генераторов составляет порядка 65-70% от веса силовых блоков в целом и требует для их аэростатического подъема, например при генерации мощности в 200 кВт, газонаполнения оболочек гелием в объеме по меньшей мере от 6 тыс м. Существенно утяжеляет силовые блоки тихоходных ВЭУ промышленной мощности необходимость их комплектации планетарными мультипликаторами с высоким повышающим передаточным число в пределах i=20-52.
В ветрогенераторных установках (патенты RU 2457358 С1, 27.07.2012, RU 2576103 C1, 27.01.2015) присутствуют две продольные газонаполненные оболочки, параллельные оси симметрии аэростатного модуля и раздвинутые от нее на равные расстояния. Компоновочная схема аэростатного модуля подобна катамарану, генераторы подняты в приземный слой атмосферы за одно со всей воздухоплавательной частью устройства.
Известна высотная ветряная турбина (патент SU 15467, 31.05.1930), роторные лопасти которой радиально направлены, помещены внутри и снаружи полого газонаполненного кольцевого тела, скреплены с ним, их ось совместного вращения совпадает с направление ветра. Это вращение через два гибких вала, зубчатые конические передачи и вертикальный вал поступает в генератор, что размещается на верхушке поворотной мачты или какой-либо иной земной части установки. Работоспособность такого устройства сомнительна. Часть энергии ветра расходуется не только на вращение ротора, но и газонаполненной оболочки. Гибкие валы изогнуты и в силу своей упругости стремятся выпрямиться, чем нарушают обязательное горизонтально-осевое положение оси вращения ротора в сборе с кольцевым телом, без чего эффективная и стабильная генерация не возможна. Отсутствие натяжения гибких валов ведет к опрокидыванию турбины на бок под напором ветра. Тот из гибких валов, что присоединен к ротору с подветренной стороны неизбежно зацепится за внешние лопасти и остановит вращение механизма. Аэродинамические поверхности, элементы ориентации на ветер в ветряной турбине не предусмотрены.
На основе общего принципа действуют высотные станции (патенты US 20130307274 А1, 21.11.2013 и RU 2467201 С2, 20.11.2012), где генераторы находятся в наземном положении, вращение в них подается от барабанов причальных лебедок, когда троса их стравливаются под действием подъемной силы, которой обладают воздухоплавательные модули таких конструкций. Однако после полного стравливания тросов модули достигают крайней верхней отметки, вращение барабанов при этом прекращается, генераторы останавливаются и возникает необходимость возвращения модулей в начальную низовую позицию. Последнее действие не возможно без зависимости от сторонних энергетических источников и наравне с цикличностью работы является главным недостатком станций, к которым следует причислить проблемы с прочностью и жесткостью конструкций, ориентацией на ветер, ненадежностью парашютных и парусных элементов.
Сущность изобретения состоит в том, что наиболее массивные элементы силового блока, а именно генератор и планетарный мультипликатор, выведены из состава воздухоплавательной части ветроэнергетической установки, опущены и размещены на совместной горизонтальной оси внутри стоек поворачивающейся платформы причального узла. Радиально-лопастной ротор силового блока, оставаясь поднятым аэростатным модулем на высоту скоростных ветров, перенесен на подветренную сторону арочно-мостовой опоры модуля, на наветренной поверхности которой закреплена специальная трех ступенчатая механическая коробка передач. Вращение роторной оси, совпадающей с направлением ветра, направляется в упомянутое механическое устройство, затем через гибкий вал фиксированной длины, натянутый в струну, и планетарный мультипликатор поступает в генератор. Выходной вал коробки передач, а также генератор за одно целое с мультипликатором имеют возможность свободно раскачиваться и, соответственно, гибкий вал беспрепятственно располагаться под таким углом к земле, что не мешает воздухоплавательной части установки занимать высоту переменной величины, зависящую от скоростного напора ветра на данную конструкцию.
Целью изобретения является снижение объема газонаполнения и массогабаритных параметров оболочек аэростатного модуля воздухоплавательной части высотного ветродвигателя.
Поставленная цель достигается тем, что состав силового блока, поднятого аэростатным модулем на заданный по высоте уровень, ограничен радиально-лопастным ротором на подветренной стороне их совместной арочно-мостовой опоры. Генератор за одно целое с планетарным мультипликатором базируются в подветренном положении на поворачивающейся платформе причального узла. Коммуникация вращения от роторной оси, совпадающей с направлением воздушного потока, к наземным мультипликатору и генератору осуществляется с помощью гибкого вала фиксированной длины, натянутого благодаря положительной плавучести аэростатного модуля в струну и который может располагаться к поверхности земли под углом, позволяющим воздухоплавательной части устройства описывать круги на разных высотах и оптимально ориентироваться на ветер. Беспрепятственный наклон гибкого вала под любым необходимым углом достигается за счет того, что генератор совместно с мультипликатором свободно раскачиваются внутри стоек, опирающихся на поворачивающуюся платформу причального узла, и при наличии конструктивной особенности 3-х ступенчатой механической коробки передач вращения от оси ротора к гибкому валу, которая состоит в том, что выходной вал упомянутой коробки также имеет возможность свободно раскачиваться. Ввиду низового размещения массивных генератора с мультипликатором, обе соосные лебедки переставлены на наветренную сторону поворачивающейся платформы причального узла, опора платформы на наземную тумбу усилена наличием неприводных рольгангов.
На фиг. 1 показан общий вид наземно-генераторного воздухоплавательного ветродвигателя; на фиг. 2 - вид на воздухоплавательную часть того же ветродвигателя со стороны ветра; на фиг. 3 - кинематическая схема 3-х ступенчатой механической коробки передач, входящей в состав устройства; на фиг.4 - вид сверху на причальный узел.
Ветродвигатель включает в себя воздухоплавательную часть устройства с аэростатным модулем и причальный узел, что связаны между собой гибким валом 1 и тросами 2. Аэростатный модуль содержит взаимосвязанные газонаполненные баллоны 3, из которых концевые оболочки имеют киль 4. Модуль уложен поперек и закреплен на дуге арочно-мостовой опоры 5, имеет на корме горизонтально-плоскостной стабилизатор 6. На середине упомянутой опоры располагается подветренный радиально-лопастной ротор 7, а на ее наветренной стороне в том уровне установлена 3-х ступенчатая механическая коробка передач 8. Вращение ротора, поступив в коробку передач через входной вал 9, последовательно проходит первую зубчато-коническую ступень 10, вторую зубчато-цилиндрическую ступень 11 и третью зубчато-коническую ступень 12 с выходным валом 13, через разъем соединенным с верхним концом гибкого вала. Корпус коробки выполнен из двух П-образных скоб, где верхняя скоба 14 своей полкой неподвижно соединена с арочно-мостовой опорой в ранее упомянутом месте. Нижняя скоба 15 имеет возможность раскачиваться, так как боковины скоб встречно направлены и насажены на общую горизонтальную ось 16, являющуюся также валом второй ступени передаточного механизма. В состав причального узла входят наземная бетонная тумба 17 с неприводными рольгангами 18, на которые опирается поворачивающаяся платформа 19. На ней установлен внутри стоек 20 подветренный генератор 21, раскачивающийся на горизонтальной поперечной оси совместно с мультипликатором 22, входной вал которого через разъем соединен с нижним концом гибкого вала. Здесь же размещены в наветренном положении две соосные лебедки 23.
Предлагаемый ветродвигатель работает следующим образом. После монтажа и крепления на открытой местности причального узла, сборки воздухоплавательной части устройства баллоны его аэростатного модуля заполняются гелием до достижения модулем положительной плавучести и совместно балансируются в горизонтальной плоскости, упомянутые узел и часть устройства соединяются гибким валом и тросами, которые затем медленно стравливаются с лебедок до тех пор пока под воздействием аэростатической подъемной силы модуль с силовым блоком не достигнет высоты подъема, где среднегодовые скорости ветра составляют не менее 20-25 м/с. Гибкий вал вытягивается в струну, после чего натяжением тросов программно устанавливается и в дальнейшем регулируется продольно-поперечная устойчивость модуля, горизонтальность оси вращения радиально-осевого ротора. Этими же тросами гасится реактивный момент, незначительный по величие, но, тем не менее, имеющий место вследствие вращения тихоходного ротора. Воздухоплавательная часть ветродвигателя разворачивается по круговой траектории воздушным потоком вокруг причального узла и фиксируется так, что ее продольная ось симметрии совпадает с направлением ветра. Начиная с высоты, где скорость ветра для этого достаточна, при наличии в устройстве соответствующих поверхностей - в данном случае жестких днищ концевых баллонов, возникает малая и по мере подъема возрастающая аэродинамическая подъемная сила. Скоростной напор ветра, вращает радиально-лопастной ротор, это вращение направляется сначала на входной вал коробки передач, а затем с ее выходного вала при помощи гибкого вала поступает через мультипликатор в электрогенератор. Генерируемая энергия после контроллера, аккумуляторной батареи и инвертора подается потребителям.
При изменении направленности воздушного потока его напор воздействует на наветренные боковые поверхности и киль аэростатного модуля и опору горизонтально-плоскостного стабилизатора, воздухоплавательная часть устройства под этим давлением стремится переместиться туда же, куда стал дуть ветер. Данное движение через натянутый в струну гибкий вал, мультипликатор с электрогенератор, их стойки передается свободно поворачивающейся платформе причального узла. Круговое перемещение воздухоплавательной части установки совместное с разворотом упомянутой платформы завершается в том момент, когда продольная ось симметрии аэростатного модуля совпадет с направлением ветра и не возобновляется без новых динамических изменений в атмосфере. Синхронный характер движения рассмотренных элементов конструкции исключает нежелательно резкие изгибы гибкого вала и скручивание тросов.
Для проведения ремонта и технического обслуживания ветрогенератора, включая дозаправку баллонов аэростатного модуля гелием, при штормовых предупреждениях об ожидаемом превышении скоростью ветра критического порога в 50 м/с гибкий вал отсоединяется от входного вала мультипликатора, троса наматываются на лебедки и воздухоплавательная часть устройства снижается к причальному узлу. Гибкий вал при этом произвольно ложится на грунт.
Для улучшения массогабаритных характеристик аэростатного модуля, уменьшения объема заправки его баллонов гелием мультипликатор и генератор перемещены в наземное положение и отнесены к причальному узлу. При этом должна осуществляться передача вращения от оси ротора, что поднят на уровень скоростных ветров, к наземному генератору при условиях, когда ротор в составе воздухоплавательной части установки описывает круги в атмосфере для ориентации на ветер и меняет высоту парения в зависимости от скорости воздушных потоков. Таким образом, использованный для коммуникации вращения гибкий вал обязан быть надежным и свободно изменять наклон к земле в самых широких пределах не создавая помех другим составным частям установки. Надежность гибкого вала обеспечивается тем, что при положительной плавучести воздухоплавательной части устройства исключаются его резкие изгибы, вал всегда натянут в струну. Беспрепятственной изменяемости угла наклона гибкого вала служит соединение его верхнего конца с выходным валом механической коробки передач, а нижнего конца - с входным валом мультипликатора. Оба вала в составе нижней скобы корпуса механической коробки передач и соответственно наземной части силового блока раскачиваются на имеющихся для этого горизонтальных осях, а мультипликатор с генератором еще и поворачивается вместе на подвижной платформе причального узла, где они занимают общее подветренное положение. Перехлест гибкого вала и тросов исключен изменением схемы крепления соосных лебедок, перенесенных на наветренную сторону платформенной базы.
Применение наземно-генераторного воздухоплавательного ветродвигателя особо актуально в климатических зонах, прежде всего континентальных, где среднегодовые скорости ветров на уровне приземного слоя атмосферы высотой до 100 метров слабы и недостаточны для генерации энергии воздушных потоков с получением бытовых и промышленных мощностей, а подъем силовых блоков до скоростных ветров (от 300 и более метров) на башенных опорах является делом исключительным по сложности и объему затрат на строительство и даже невозможным на легких грунтах. Ветродвигатель при его использовании на огромных пространствах тех регионов мира, что подвержены пыльным бурям уже при скорости ветра от 8-10 м/с, поднят за пределы приземного уровня в 70-150 метров с высокой плотностью абразивных частиц грунта в атмосфере, производящих быстрый износ ветроэнергетического оборудования.