[1]Изобретение относится к авиации, в частности к воздухоплаванию, а именно, к устройству привязных аэростатных комплексов, предназначенных для подъема ветроэнергетических установок и обеспечения их работы на больших высотах.
[2]Модуль высотной лопастной ветровой энергетической установки (ВЭУ), поднимаемый в составе аэростатного комплекса на высоты 2000-5000 м и имеющий рабочее положение соосных винтов под углом атаки к набегающему ветровому потоку, обладает важным преимуществом. Оно заключается в том, что помимо выработки электроэнергии модуль создает вертикальную составляющую вектора подъемной силы, которая позволяет компенсировать вес относительно тяжелого привязного кабель-троса, сданного от лебедки. Поэтому при расчете потребной подъемной силы аэростата вес кабель троса, за исключением участка 150-200 м, не учитывается. В результате необходимый объем газовой оболочки получается наименьшим. Однако увеличение мощности единичного модуля высотной ВЭУ сдерживается ростом потребных диаметральных размеров винтов и, соответственно, их веса.
[3]Наращивание энергетической эффективности высотных ВЭУ может идти по пути создания многомодульных аэростатных комплексов. В этом случае кроме выработки электроэнергии нижний модуль ВЭУ своей составляющей подъемной силы компенсирует вес протяженного участка кабель-троса до лебедки, а каждый модуль ВЭУ выше крайнего нижнего компенсирует вес предыдущего и вес участка кабель-троса между ними, если он присутствует. Кроме того, установленную мощность такого комплекса в эксплуатации можно увеличивать по мере роста потребления электроэнергии путем периодического добавления очередного дополнительного модуля ВЭУ.
[4]Известна высотная ветровая энергетическая установка, содержащая аэростат и подвешенный на ферме под его нижней поверхностью лопастной ветряной двигатель, ось вращения которого расположена горизонтально или параллельна продольной оси аэростата. К нижней вершине фермы, к переднему узлу оси вращения ветряного двигателя и к носовой шайбе аэростата подсоединены ответвления общего кабель-троса, противоположный конец которого сдается или выбирается барабаном наземной лебедки (Б.Б. Кажинский, А.Г. Уфимцев. Патент СССР №8970 от 30.04.1929 г.).
[5]Такая конструкция имеет несколько недостатков:
[6]- невозможно использовать принцип многомодульности;
[7]- диаметр винта ограничен допустимыми габаритами фермы подвески;
[8]- реактивный момент на статоре генератора воспринимается моментом силы веса, приложенной в центре тяжести, на плече, создаваемым креном всего комплекса, что при постоянных изменениях электрической нагрузки приводит к колебаниям крена и раскачке всего аппарата;
[9]- подъемная сила аэростата должна быть больше суммы веса ветряного двигателя и привязного троса для заданной высоты стоянки;
[10]- суммарная сила сопротивления аэростата и ветряного двигателя в направлении оси его вращения создает повышенные нагрузки на привязной трос, способные привести к его обрыву.
[11]Известна высотная ветровая энергетическая установка (Книга. Герман Оберт «Энергетическая установка на воздушном змее» 1977 г.), у которой несколько змеев поднимаются в воздух на едином кабеле. Каждый змей поднимает один большой силовой ветроагрегат с горизонтальной осью вращения, предназначенный для генерирования электроэнергии. Змеи с ветроагрегатами распределены по вертикали. Отмечается, что на высотах между 3000 м и 10000 м можно установить порядка 27 таких силовых агрегатов. Для компенсации нехватки подъемной силы змеев и для удержания силовых агрегатов на нужных высотах (например, при уменьшении силы ветра) предложено на конце цепочки змеев закрепить шар, наполненный несущим газом. В этом случае подъемная сила всей системы складывается из аэродинамической подъемной силы змеев и аэростатической подъемной силы шара. Предусматривается, что вся система должна иметь блок регулирования, задачей которого является обеспечение нужных режимов работы всех агрегатов системы.
[12]По технической сущности указанная схема выбрана в качестве наиболее близкого прототипа. Основными недостатками прототипа являются:
[13]- чрезмерная нагрузка на кабель-трос, так как винтовые ветроагрегаты с горизонтальной осью вращения создают большую силу лобового сопротивления и не имеют составляющей подъемной силы, что в сочетании с большим количеством агрегатов, подвешенных на кабель-росе, критически осложняют задачу их подъема и удержания на заданной высоте;
[14]- отсутствие элементов конструкции, ориентирующих несущие поверхности змеев по направлению потока и углу атаки;
[15]- возможность попадания несущих поверхностей змея в срывные режимы обтекания с потерей подъемной силы;
[16]- неустойчивое положение несущей поверхности змея на тросе, сопровождающееся самовозбуждающимися колебаниями в поперечной плоскости.
[17]Задачей изобретения является синтез комплексного технического решения, позволяющего получить многомодульную высотную ветровую энергетическую установку с улучшенными параметрами по весу, габаритам и надежности, которая способна эффективно осуществлять преобразование энергии ветра в электрическую мощность, приспосабливаясь к изменениям скорости ветрового потока и уровню потребления электроэнергии.
[18]Задача изобретения решается тем, что предложено использовать привязной аэростатный комплекс, в состав которого входят по меньшей мере два модуля установки с соосными винтами, шарнирно подвешенными на кабель-тросе, причем углы атаки винтов по отношению к набегающему ветровому потоку и углы крена могут регулироваться системой управления.
[19]Полученный технический результат характеризуется следующими существенными признаками:
[20]- на кабель-тросе по высоте подъема последовательно подвешены по меньшей мере два модуля ветряного двигателя, каждый из которых включает соосные винты, расположенные под углом атаки к набегающему потоку, причем углы атаки соосных винтов и их наклон влево или вправо может регулироваться системой управления совместно с углами атаки винтов остальных модулей;
[21]- по меньшей мере три модуля подвешены на кабель-тросе на разных расстояниях друг от друга, с таким расчетом, чтобы частоты их собственных колебаний на кабель-тросе были максимально отдалены от частот собственных колебаний на кабель-тросе остальных модулей.
[22]На Фиг. 1 показана схема многомодульной высотной ветровой энергетической установки, у которой модули ветряных двигателей шарнирно подвешены через промежуточные участки несущего кабель-троса.
[23]На Фиг. 2 показана схема многомодульной высотной ветровой энергетической установки, у которой модули ветряных двигателей шарнирно подвешены непосредственно друг за другом.
[24]Устройство высотной ветровой энергетической установки по Фиг. 1, 2 включает:
[25]Корпус аэростата (1) оптимальной формы, например «ПФ», с вертикальными (2) и боковыми (3) стабилизаторами в хвостовой части. Стропы (4) узла привязи (5), к которому шарнирно подвешен первый модуль ветряного двигателя, включающий соосные винты (6), расположенные под углом атаки αв к набегающему ветровому потоку W и блок генератора электрической энергии (7), состоящий из генератора и исполнительного устройства системы управления (8). Каждый модуль содержит вспомогательную килевую поверхность (9). Снизу через шарнирный узел к ветряному двигателю подсоединен привязной трос (10). Ось вращения соосных винтов имеет заданное исполнительным устройством системы управления (8) положение относительно линии примыкающего участка троса. W - скорость воздушного потока, набегающего на ветровую энергетическую установку. R - полная аэродинамическая сила. Y - аэродинамическая подъемная сила. X - сила аэродинамического сопротивления, α - угол дифферента аэростата, αв - угол атаки диска винта, ϕт - угол отклонения привязного троса.
[26]Устройство высотной ветровой энергетической установки работает следующим образом (Фиг. 1, 2):
[27]Как и в случае с одним модулем ВЭУ, основное отличие предлагаемого решения устройства многомодульной высотной ВЭУ от установок с горизонтальной осью винта состоит в том, что винты каждого модуля работают на углах атаки к набегающему ветровому потоку, образуя вектор полной аэродинамической силы, который может быть разложен на две составляющие - вертикальную аэродинамическую подъемную силу Y и горизонтальную силу аэродинамического сопротивления X (Фиг. 1, 2). Поэтому помимо крутящего момента на валу генератора каждый модуль может поднимать служебный груз, например вес кабель-троса, сдаваемого с лебедки или вес подвешенного ниже смежного модуля. В результате потребный объем несущей оболочки аэростата принимает наименьшее значение и не изменяется при любом количестве поднимаемых на высоту модулей ВЭУ. В то время как полная аэродинамическая сила ветровых энергетических установок с горизонтальной осью направлена по оси вращения и выражает собой только силу полного аэродинамического сопротивления X. Полезная составляющая подъемной силы Y отсутствует и для поднятия многомодульного аэростатного комплекса на высоту стоянки требуется большой потребный объем несущей оболочки, причем добавление в комплекс дополнительно одного или нескольких модулей ВЭУ в этом случае требует замены оболочки аэростата на больший несущий объем.
[28]Следовательно, в предложенном устройстве многомодульной высотной ветровой энергетической установки достаточно принять такой объем несущей оболочки (1), который бы с некоторым запасом компенсировал собственный вес аэростата, вес частей первого модуля ВЭУ (6), (7), (8), (9) и небольшой участок веса кабель-троса. Это дает возможность осуществить подъем первого модуля комплекса на небольшую начальную высоту, где в стартерном режиме работы генератора и под воздействием ветрового потока соосные винты первого модуля ВЭУ раскручиваются до рабочих оборотов, создавая подъемную силу, позволяющую продолжить подъем комплекса до уровня начала раскрутки в стартерном режиме второго модуля ВЭУ. После выхода на режим второй модуль ВЭУ позволяет поднять на уровень запуска третий модуль ВЭУ и т.д. В итоге весь аэростатный комплекс ВЭУ под действием большого избытка подъемной силы тяги (генераторный режим модулей отключен) ускоренно поднимается на рабочую высоту стоянки, где система управления с учетом силы ветровых потоков и уровнем нагрузки от потребителей включает генераторный режим работы всех модулей и задает необходимый угол атаки винтам ВЭУ, непрерывно контролируя и поддерживая необходимый баланс потребных и располагаемых электрических мощностей.
[29]При сдавании троса с лебедки воздушный поток непрерывно обтекает корпус аэростата, хвостовое оперение и соосные винты ветряного двигателя со скоростью W. Угол дифферента аэростата α, который обычно находится в пределах α=5-10 градусов, принимает значения, близкие к расчетным. Возникающая при этом аэродинамическая подъемная сила оболочки аэростата помогает системе управления удерживать комплекс на заданной высоте.
[30]Одновременно с подъемом на высоту, ветровой воздушный поток увеличивает снос комплекса за счет горизонтальной составляющей силы лобового сопротивления X оболочки аэростата и модулей ВЭУ. В свою очередь, снос комплекса приводит к изменению угла наклона троса ϕт и, следовательно, к увеличению угла атаки плоскостей вращения винтов αв. Полная аэродинамическая сила R винтов модулей ВЭУ увеличивается, комплекс продолжает подниматься вверх сначала ускоренно, а затем замедленно по мере уменьшения угла наклона троса ϕт и угла атаки αв. На высоте равновесия общая подъемная сила модулей ветровых двигателей ВЭУ сравняется с весом поднятого участка кабель-троса. В результате, комплекс автоматически займет такую высоту стоянки, которая будет обусловлена сданной длиной кабель-троса и силой ветра, воспринимаемой модулями ВЭУ на равновесной высоте.
[31]Бортовое или наземное оборудование системы управления в автоматическом режиме поддерживает параметры работы комплекса с использованием сигналов датчиков давления и температуры среды, скорости ветра, высоты и сноса, измеренных на уровне рабочей высоты каждого модуля ВЭУ. При достижении предельных значений скорости ветра система управления автоматически уменьшает угол атаки винтов модулей ВЭУ, контролируя установленный предельный порог вырабатываемой электрической мощности и ветровую нагрузку на оболочку аэростата.
[32]Предложенная многомодульная высотная ветровая энергетическая установка, в которой для решения задачи изобретения использован привязной аэростатный комплекс, имеющий по меньшей мере два модуля ВЭУ, позволила:
[33]- достигнуть минимального и постоянного потребного объема аэростата за счет использования подъемной силы винтов модулей ВЭУ для компенсации веса примыкающего снизу ВЭУ и кабель-троса;
[34]- обеспечить хороший доступ к агрегатам ветряного двигателя и винтам при обслуживании за счет распределения модулей ВЭУ на кабель-тросе;
[35]- создать хорошие условия для охлаждения генераторов в свободном воздушном потоке;
[36]- уменьшить общее аэродинамическое сопротивление комплекса за счет уменьшения миделя аэростата и снижения сопротивления модулей ВЭУ;
[37]- обеспечить технические условия для независимого и точного управления углом атаки винтов каждого модуля ВЭУ;
[38]- обеспечить автоматическую ориентацию комплекса по направлению ветра,
[39]- создать возможность наращивания мощности комплекса без изменения объема аэростата путем простого добавления очередного модуля ВЭУ;
[40]- реализовать конструктивные мероприятия, предотвращающие наступление резонанса колебаний кабель-троса.
