RU2537664C1

RU2537664C1 - Balloon-borne wind generator

Info

Publication number: RU2537664C1
Application number: RU2014103556/06A
Authority: RU
Inventors: Александр Владимирович Губанов
Original assignee: Александр Владимирович Губанов
Priority date: 2014-02-04
Filing date: 2014-02-04
Publication date: 2015-01-10

Abstract

FIELD: power industry.

SUBSTANCE: balloon-borne envelope of positive buoyancy has the shape of a hollow plano-convex lens, the flat bottom of which is located horizontally and directed downwards; the envelope has a through-type central-axial channel to which a cylindrical housing with bearing supports of the shaft, which has rigid connections to the envelope frame, is installed, on the upward projecting end of which an orthogonal turbine is put, and the downward projecting end of the shaft is interconnected through a coupling with the generator; an electrical cable from the generator hangs down to a ground bay in vertical direction and coincides with the corresponding symmetry axis of the device. The same result can be enhanced by installation of solar batteries on a convex side of the balloon-type envelope, by application onto it of a heat-absorbing layer and availability of a flat bottom from heat-insulating material.

EFFECT: obtaining electric power of heavy duties from wind in high-altitude fast layers of atmosphere above intercontinental regions.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение применяется для генерации энергии ветра в электроэнергию больших и крупных мощностей (от 200 до 1000 и более кВт), достигаемых в высотных скоростных слоях атмосферы с преимущественным использованием во внутриконтинентальных регионах.The invention is used to generate wind energy in electricity of large and large capacities (from 200 to 1000 and more kW), achieved in high-altitude high-speed layers of the atmosphere with predominant use in the inland regions.

Настоящий ветрогенератор относится к энергетическим установкам, работающим от ветра при вертикальном расположении оси вращения ортогональной турбины (виндроторы).This wind generator refers to power plants operating from the wind with a vertical axis of rotation of the orthogonal turbine (wind rotors).

Из развития техники известны ветрогенерирующие установки, для которых в целях достижения большей вырабатываемой мощности применяется размещение турбинно-генераторных блоков в более высоких и скоростных слоях атмосферы. К таким устройствам следует отнести ветросиловые установки с применением аэростатов нейтральной и положительной плавучести. В типичной для них конструкции (патент SU №8970) горизонтально-осевые турбины и генераторы на большой высоте подвешены снизу или вокруг аэростата. Ориентация на ветер данного устройства не является достаточной для устойчивой работы турбин и обеспечивается лишь каплевидной формой аэростата. Лобовое сопротивление воздушных винтов на высоких скоростях ветра резким скачком возрастает, затем неизбежно последует потеря аэростатом оптимальной высоты, вплоть до соударения с грунтом. Турбины, установленные в кольцевой ферме, работают в разноскоростных потоках воздуха, особенно те, что расположены ниже и выше оболочки, аэростат будет раскачиваться, турбины - терять свое положение, оптимальное только при полном совпадении осей их вращения с направлением ветра. Электрический кабель от генераторов подвешен к причальному тросу(ам), при плановых спусках аэростата на землю вместе с тросами наматывается на барабаны лебедок, подвергаясь тем самым изгибам и износу, либо свободно ложится на грунт, где создает помехи и может быть непроизвольно поврежден.Wind turbines are known from the development of technology for which, in order to achieve greater power output, turbine-generating units are used in higher and high-speed atmospheric layers. Such devices include wind power plants using neutral and positive buoyancy balloons. In a typical construction for them (patent SU No. 8970), horizontal-axis turbines and generators are suspended at high altitude from below or around the balloon. Orientation to the wind of this device is not sufficient for the stable operation of the turbines and is provided only by a teardrop-shaped balloon. The frontal resistance of propellers at high wind speeds increases sharply, then inevitably there will be a loss of the optimum height by the balloon, up to a collision with the ground. Turbines installed in a ring farm operate in different speeds of air flow, especially those located below and above the shell, the balloon will swing, the turbines will lose their position, optimal only when their rotation axes completely coincide with the direction of the wind. The electric cable from the generators is suspended from the mooring cable (s), during planned launches of the aerostat to the ground, along with the cables, it is wound on the drums of the winches, thereby being subjected to bending and wear, or it lies freely on the ground, where it interferes and can be accidentally damaged.

При выборе типа турбины для внутриконтинентальных регионов, где ветра имеют переменчивую направленность и не стабильны по всем иным аэродинамическим параметрам, решающим является ее способность не требовать ориентации на ветер и работать в широком скоростном и турбулентном диапазоне. Такими качествами обладают только турбины виндроторов.When choosing the type of turbine for inland regions where the winds are variable and are not stable in all other aerodynamic parameters, the decisive factor is its ability to not require orientation to the wind and work in a wide speed and turbulent range. Only wind turbine turbines have such qualities.

Из теории аэродинамического крыла (Житомирский Г.И. Конструкция самолетов. - М., Машиностроение, 1995, с.63) следует, что плоско-выпуклые профили имеют большую подъемную силу, существенно проще в изготовлении.From the theory of the aerodynamic wing (Zhitomirsky G.I. Aircraft Design. - M., Mashinostroenie, 1995, p. 63), it follows that plane-convex profiles have a large lifting force, which is much simpler to manufacture.

Сущность технического решения состоит в том, что турбинно-генераторный блок устройства поднят в скоростные слои атмосферы посредством связанной с ним через клеть из обхватывающих прутьев и ремней аэростатной оболочки в форме полой плоско-выпуклой линзы, плоское днище которой расположено горизонтально и обращено к земле, а по вертикальной оси симметрии имеет сквозной канал, где расположен цилиндрический корпус и вал, установленный в подшипниках, с насаженной на него ортогональной турбиной, передающей вращение к генератору. Причальные функции выполняют тросы, идущие от тех прутьев клети, что обхватывают оболочку снизу, со стороны плоского днища, до барабанов наземных лебедок. Электрический кабель свисает от генератора свободно и соосно устройству, будучи нижним незадействованным концом намотан на наземную бухту. Положительной плавучести и жесткой фиксации устройства в заданных координатах воздушного пространства призваны служить дополнительные меры в виде нагрева инертного газа внутри оболочки от теплопоглощающего покрытия и солнечных батарей с теплоизоляцией газового объема при помощи двойного днища.The essence of the technical solution lies in the fact that the turbine-generator unit of the device is raised into the high-speed atmosphere by means of a hollow plane-convex lens in the form of a hollow plane-convex lens connected to it through a cage made of sweeping rods and belts, the flat bottom of which is located horizontally and faces the ground, and the vertical axis of symmetry has a through channel where a cylindrical housing and a shaft mounted in bearings are located, with an orthogonal turbine mounted on it, transmitting rotation to the generator. Mooring functions are performed by cables going from those rods of the cage that encircle the shell from below, from the flat bottom, to the drums of ground winches. The electric cable hangs from the generator freely and coaxially to the device, being the lower unused end wound on a ground bay. Additional buoyancy in the form of heating an inert gas inside the shell from a heat-absorbing coating and solar panels with thermal insulation of the gas volume using a double bottom are intended to serve as positive buoyancy and rigid fixation of the device in the given coordinates of the airspace.

Целью изобретения является улучшение пространственной устойчивости конструкции для получения электроэнергии больших и крупных мощностей от ветра в высотных скоростных слоях атмосферы над внутриконтинентальными территориями.The aim of the invention is to improve the spatial stability of the structure for generating electricity of large and large power from the wind in high-altitude high-speed layers of the atmosphere over inland areas.

Поставленная цель является результатом того, что аэростатная оболочка устройства выполнена в виде полой плоско-выпуклой линзы с горизонтально расположенным плоским днищем, обращенным вниз, имея таким образом самый благоприятный аэродинамический профиль. Турбина вертикального класса является ортогональной с увеличенными линейными размерами крыловидных лопастей и достаточной площадью ометания, подшипниковые опоры ее вала разнесены по высоте и установлены в прочном цилиндрическом корпусе, вставленном в сквозное центрально-осевое отверстие аэростатной оболочки и имеющем жесткую связь с прутьями клети, обхватывающими оболочку. Узел преобразования кинетической энергии ветра во вращение турбины поднят над оболочкой в скоростные слои воздуха, а генератор помещен под ее днище, собственным весом, а также весом свисающего по оси симметрии устройства электрического кабеля, смещая центр тяжести ветрогенератора в оптимальное положение - ближе к земле. Незадействованный конец того же кабеля намотан на наземную бухту и может с нее стравливаться при подъеме устройства на большую высоту. Предусмотрена возможность применения дополнительно к аэростатной и аэродинамической подъемным силам термического фактора - теплопоглощающего покрытия и энергии от солнечных батарей на нагрев газового объема с его теплоизоляцией при помощи второго днища.The goal is the result of the fact that the aerostat shell of the device is made in the form of a hollow flat-convex lens with a horizontally located flat bottom facing down, thus having the most favorable aerodynamic profile. The vertical-class turbine is orthogonal with increased linear dimensions of the pterygoid blades and a sufficient throwing area, the bearing supports of its shaft are spaced apart in height and installed in a sturdy cylindrical housing inserted into the through central axial bore of the aerostat shell and having a rigid connection with the cage rods encircling the shell. The unit for converting the kinetic energy of the wind into rotation of the turbine is raised above the shell in high-speed layers of air, and the generator is placed under its bottom, by its own weight, and also by the weight of the electric cable hanging along the axis of symmetry, shifting the center of gravity of the wind generator to the optimal position - closer to the ground. The idle end of the same cable is wound on a ground bay and can be etched off when lifting the device to a high height. It is possible to use, in addition to the aerostat and aerodynamic lifting forces of the thermal factor - a heat-absorbing coating and energy from solar panels to heat a gas volume with its thermal insulation using the second bottom.

На фиг.1 показан общий вид аэростатного ветрогенератора (далее АВГ); на фиг.2 - вид на устройство сверху.Figure 1 shows a General view of a balloon wind generator (hereinafter referred to as AUG); figure 2 is a top view of the device.

Устройство АВГ состоит из аэростатной оболочки 1, заключенной в клеть из гибких ремней 2 и жестких прутьев 3, связанных с цилиндрическим корпусом 4, где в подшипниках 5 вращается вал 6, на который сверху насажена ортогональная турбина 7, а снизу он же через муфту 8 передает вращение на генератор 9 со свисающим электрическим кабелем 10, чей свободный конец намотан на наземную бухту 11. Связь с фундаментом и регулировку высоты расположения установки осуществляют причальные тросы 12 с помощью наземных лебедок 13. В состав конструкции могут быть включены теплопоглощающее покрытие 14, солнечные батареи 15 и теплоизолирующее второе днище 16.The AVG device consists of an aerostat shell 1 enclosed in a crate of flexible belts 2 and rigid rods 3 connected to a cylindrical housing 4, where a shaft 6 rotates in bearings 5, on which an orthogonal turbine 7 is mounted on top, and from below it transfers through a coupling 8 rotation on the generator 9 with a hanging electric cable 10, whose free end is wound on the ground bay 11. Communication with the foundation and adjusting the height of the installation is carried out by mooring cables 12 using ground winches 13. The structure may include s heat absorbing coating 14, solar panels 15 and the second thermal insulating bottom 16.

Аэростатный ветрогенератор работает следующим образом. Balloon wind generator operates as follows.

После сборки устройства на грунте оболочка 1 заполняется газом легче воздуха в количестве, обеспечивающем ее положительную плавучесть под действием аэростатической подъемной силы. Затем тросы 12 стравливаются с барабанов синхронно работающих наземных лебедок 13 до тех пор, пока установка не поднимется на заданную высоту, где подъемная сила умножается аэродинамической формой оболочки. Достигнут уровня высокоскоростных ветров, турбина 7 вращается с частотой, необходимой для выработки генератором 9 электроэнергии больших и крупных мощностей. Эффективность ветрогенерации повышается, если в составе турбины использовать вогнутые траверсы крыловидного сечения (патент RU №2485345). Ток от АВГ передается потребителям по кабелю 10, что подвешен к генератору 9 соосно устройству. В режиме технического ремонта и обслуживания, включая дозаправку оболочки газом, вновь включаются в работу лебедки 13, которые наматывают на свои барабаны тросы 12 и тем самым притягивают АВГ к земле.After assembling the device on the ground, the shell 1 is filled with gas lighter than air in an amount that ensures its positive buoyancy under the influence of aerostatic lifting force. Then the cables 12 are pushed from the drums of the synchronously operating ground winches 13 until the installation rises to a predetermined height, where the lifting force is multiplied by the aerodynamic shape of the shell. The level of high-speed winds is reached, the turbine 7 rotates with the frequency necessary for the generation of electricity of large and large capacities by the generator 9. The efficiency of wind generation is increased if concave wing-shaped traverses are used in the turbine (patent RU No. 2485345). The current from the AVG is transmitted to consumers via cable 10, which is suspended from the generator 9 coaxially to the device. In the mode of technical repair and maintenance, including refueling the shell with gas, winches 13 are again included in the work, which winding cables 12 onto their drums and thereby attracting the AWG to the ground.

Устойчивость конструкции улучшена применением комплекса технических мер, включающих применение полой плоско-выпуклой линзы в качестве аэростатной оболочки, которая при такой конфигурации профиля обладает улучшенными аэродинамическими характеристиками; опорой турбинного вала на разнесенные по высоте подшипники в простом и прочном цилиндрическом корпусе, связанном через прутья обхватывающей клети и соосно с аэростатной оболочкой, для чего последняя имеет соответствующее сквозное центральное осевое отверстие.The structural stability is improved by the use of a set of technical measures, including the use of a hollow plane-convex lens as an aerostat shell, which with this profile configuration has improved aerodynamic characteristics; bearing the turbine shaft on bearings spaced apart in height in a simple and strong cylindrical housing, connected through the bars of a grasping stand and coaxially with the aerostat shell, for which the latter has a corresponding through central axial hole.

Тот же результат и заявленные технологические параметры устройства лучше достигаются за счет различного расположения турбины и генератора относительно аэростатной оболочки, верхняя дислокация турбины способствует ее работе в более скоростных слоях ветра, а нижняя позиция генератора способствует устойчивости АВГ за счет смещения вниз центра тяжести установки, поскольку известно, что в существующих ветроэнергетических системах вес генераторов в 1,7-2,5 раза превышает вес турбин. Тому же результату способствует вес свободно и отдельно от причальных тросов свисающей части электрического кабеля, когда он отходит от генератора соосно устройству в целом, без нарушения вертикального равновесия АВГ. Наземная бухта под незадействованный конец кабеля позволяет избежать его повреждений, убирать, когда устройство опускается к земле, а также стравливать кабель при необходимости подъема АВГ на большую высоту.The same result and the claimed technological parameters of the device are better achieved due to the different location of the turbine and generator relative to the balloon shell, the upper turbine dislocation contributes to its operation in higher-speed wind layers, and the lower position of the generator contributes to the stability of the AWG due to the downward shift of the center of gravity of the installation, since it is known that in existing wind energy systems the weight of the generators is 1.7-2.5 times the weight of the turbines. The same result is facilitated by the weight freely and separately from the mooring cables of the hanging part of the electric cable when it moves away from the generator coaxially to the device as a whole, without disturbing the vertical balance of the AWG. The ground bay under the unused end of the cable allows you to avoid damage to it, remove it when the device goes down to the ground, and also clear the cable if you need to raise the AWG to a high height.

В особо возмущенных воздушных потоках требуется дополнительная оптимизация устойчивости АВГ, которой служит зависимый признак изобретения, состоящий в том, что на выпуклой стороне оболочки размещаются теплопоглощающее покрытие 14, солнечные батареи 15, а на ее плоской стороне имеется второе днище 16 из теплоизолирующего материала. Энергия от солнечных батарей подается на нагрев инертного газа, заполняющего оболочку, а теплопоглощающее покрытие и теплоизолирующее второе днище способствует парниковому эффекту, возникающему там же благодаря аккумуляции солнечного тепла и снижению теплопотерь от оболочки в окружающую среду. За счет разницы температур газа в оболочке и атмосферного воздуха положительная плавучесть устройства возрастает, его фиксация и устойчивость в пространстве улучшается.In particularly disturbed air flows, an additional optimization of AWG stability is required, which is a dependent feature of the invention, consisting in the fact that a heat-absorbing coating 14, solar panels 15 are placed on the convex side of the shell, and on its flat side there is a second bottom 16 of heat-insulating material. Energy from solar panels is supplied to heat the inert gas filling the shell, and the heat-absorbing coating and heat-insulating second bottom contribute to the greenhouse effect that occurs there due to the accumulation of solar heat and the reduction of heat loss from the shell into the environment. Due to the difference in gas temperatures in the envelope and atmospheric air, the positive buoyancy of the device increases, its fixation and stability in space improves.

Claims

1. An aerostat wind generator containing a turbine-generating unit, raised above the ground with a positive buoyancy aerostat shell enclosed in a cage of rods and belts, tied to a place by ropes through ground winches, characterized in that the shell is a hollow, flat-convex lens located horizontally and downward with its flat bottom, having a through central-axial channel in which a cylindrical body interfaced with the cage rods is placed, where a vertical shaft rotates with support from bearings; an orthogonal turbine is installed on the upper end of the shaft protruding from the body and the balloon envelope, and the lower end of the shaft communicates through the coupling with the generator rotor; the electric cable moves away from the generator so that its part freely hanging in the air coincides with the axis of symmetry of the device vertically, and its lower unused end is wound on a ground bay.

2. The aerostat wind generator according to claim 1, characterized in that a heat-absorbing coating is applied to the curved side of the aerostat shell and solar panels are installed, and on the flat side there is a second bottom made of heat-insulating material.