RU2594827C1

RU2594827C1 - Aerostat wing for wind energy purposes

Info

Publication number: RU2594827C1
Application number: RU2015144191/06A
Authority: RU
Inventors: Александр Владимирович Губанов
Original assignee: Александр Владимирович Губанов
Priority date: 2015-10-15
Filing date: 2015-10-15
Publication date: 2016-08-20
Also published as: WO2017065638A1

Abstract

FIELD: energy.

SUBSTANCE: invention relates to wind power engineering. Aerostat wing of wind power appointment contains the aerostat module of a positive buoyancy of two gas-filled shell cylinders in the same level, wind rotor as a part of the wind wheel and generator, according to lifted above and lowered below the same cylinders, rope and rope-cable, freely rotating platform of mooring unit, two winches and rope-cable bay installed on it. At the same time the aerostat wing has a horizontal sweep frame, which axis of symmetry aligned with wind direction, divided along wind into equal one-row and more cells, inside each of them are laid horizontally and fixed identical small-sized cylinders, at least more than two; on the mentioned above axis on the center of mass of inertia aerostatic part of the device is located central axial wind rotor, at sides from it, having differently directed wind wheel rotations and being equally spaced, each of them in its cross-wind direction and in downwind positions, there are another two identical side wind rotors, their wind wheels are lowered below gas-filled bottles, and the generators are raised at least on one level with them.

EFFECT: invention is aimed at improvement of spatial stability, reliability and safety of using air wing for generation of energy at high-rise high-speed starting from 20-25 m/s winds at the level of 300 and more meters from a ground mooring pedestals.

1 cl

Description

Применяется для генерации энергии ветра в электроэнергию средних и больших мощностей, достигаемых в высотных скоростных слоях атмосферы.It is used to generate wind energy in electricity of medium and high power, achieved in high-altitude high-speed layers of the atmosphere.

Настоящее ветроэнергетическое устройство относится к виндроторам, работающим от ветра при вертикальном расположении оси вращения ветроколеса с ортогональными лопастями крыловидного профиля.The present wind energy device relates to wind rotors operating from the wind with a vertical axis of rotation of the wind wheel with orthogonal wing-shaped blades.

В ветроэнергетике промышленных мощностей существует серьезная проблема высокой стоимости подъема силовых блоков на уровень скоростных ветров с помощью наземных сооружений: тяжелых мачт, башен и колонн на массивных бетонных фундаментах. При строительстве ветрогенератора серии Enercon Е-126 мощностью 7,58 МВт, генерируемой на высоте 198 метров, понадобилось создать несущую башню весом 2,8 тыс. тонн на фундаменте почти той же массы. При этом сам силовой блок почти на три порядка легче, а именно, 712 тонн (http://5thelement.ru). В результате является актуальным разработка технических решений, основанных на применении иных средств размещения силовых блоков на максимально доступную высоту, в том числе при помощи аэростатных модулей из оболочек, наполненных газом легче воздуха, прежде всего безопасным гелием. Исследования с применением горизонтально-осевой турбины внутри аэростата в виде газонаполненного полого кольца (www.altaerosenergies.com) выявили, что начиная с высоты в 250-300 метров ветер достигает скоростных значений 20-25 м/с, далее начинается резкий и линейно стабильный прирост скорости ветра по мере дальнейшего подъема силового блока. Максимально достигнутая высота установки канадской турбины Altaeros составила 600 метров.In the wind energy industry, there is a serious problem of the high cost of raising power units to the level of high-speed winds using ground-based structures: heavy masts, towers and columns on massive concrete foundations. During the construction of the Enercon E-126 series wind generator with a capacity of 7.58 MW, generated at a height of 198 meters, it was necessary to create a supporting tower weighing 2.8 thousand tons on a foundation of almost the same mass. Moreover, the power block itself is almost three orders of magnitude lighter, namely, 712 tons (http://5thelement.ru). As a result, the development of technical solutions based on the use of other means of placing power blocks to the maximum available height, including using balloon modules from shells filled with gas lighter than air, especially safe helium, is relevant. Studies using a horizontal-axis turbine inside a balloon in the form of a gas-filled hollow ring (www.altaerosenergies.com) revealed that starting from a height of 250-300 meters, the wind reaches speeds of 20-25 m / s, then a sharp and linearly stable increase begins wind speed as the power unit continues to rise. The maximum installation height of the Canadian Altaeros turbine was 600 meters.

Известно устройство (патент SU 8970 A1, 30.04.1929), аэростатный модуль которого отличен от упомянутой турбины и представляет из себя горизонтальную газонаполненную оболочку сигарообразной формы. Оси вращения турбин совпадают с направлением ветра и установлены в ферме, кольцом обхватывающим оболочку. В высотной системе (патент US 20130307274 A1, 21.11.2013) аэростатный модуль имеет в своем составе две, находящиеся на одной уровне газонаполненные оболочки каплевидной формы, занимающие вертикальное положение.A device is known (patent SU 8970 A1, 04/30/1929), the balloon module of which is different from the aforementioned turbine and is a horizontal gas-filled cigar-shaped shell. The rotation axes of the turbines coincide with the direction of the wind and are installed in the truss ring enveloping the shell. In a high-altitude system (patent US 20130307274 A1, 11/21/2013), the aerostat module includes two drop-shaped gas-filled shells that are at the same level and occupy a vertical position.

Второй вариант надземной ветрогенераторной системы (RU 2457358 C1, 27.072012) содержит два раздвинутых газонаполненных оболочковых баллона, находящихся на одном уровне. Оси баллонов параллельны и совпадают с направлением ветра, а в канале между ними установлены горизонтально-осевые ветроколеса с лопастями Савониуса.The second version of the above-ground wind generator system (RU 2457358 C1, 07/27/2012) contains two extended gas-filled shell cylinders located at the same level. The axes of the cylinders are parallel and coincide with the direction of the wind, and horizontally axial wind wheels with Savonius blades are installed in the channel between them.

Все перечисленные устройства действуют при наличиии аэростатической подъемной силы, аэродинамическими качествами не обладают, что не содействует их пространственной устойчивости на уровне скоростных ветров.All of these devices operate in the presence of aerostatic lifting force, do not possess aerodynamic qualities, which does not contribute to their spatial stability at the level of high-speed winds.

Сущность изобретения состоит в том, что ветроэнергетический блок, включающий центрально-осевой виндротор с ветроколесом вертикального вращения и ортогональными лопастями, поднимается на значительную высоту скоростных от 20-25 м/с ветров при помощи аэростатного модуля положительной плавучести. Устройство приобретает аэродинамическое качество, вместе с этим лучшую пространственную устойчивость на высоте своего подъема за счет укладки в одном уровне одинаковых, многочисленных и потому малогабаритных газонаполненных оболочковых баллонов в продольные ветру равновеликие ячейки горизонтальной стреловидной рамы. Суммарный объем легкого газа, которым обладает аэростатный модуль в целом и обеспечивается его необходимая подъемная сила, делится между многочисленными баллонами, массогабаритные параметры которых резко снижены в сравнении с громоздкими оболочками иных воздухоплавательных систем ветроэнергетического назначения, чем упрощается практическая реализация устройства и гарантируется большая безопасность эксплуатации, когда воздухоплавательная часть установки на определенных условиях не теряет плавучести при нештатной разгерметизации части газонаполненных баллонов. Для еще большей пространственной устойчивости воздухоплавательной части устройства, погашения реактивного момента от вращения ветроколеса, установка дополнительно комплектуется двумя идентичными боковыми виндроторами с ветроколесами одинакового встречного вращения относительно вращения центрально-осевого ветроколеса.The essence of the invention lies in the fact that the wind power unit, including a central-axial wind rotor with a vertical rotor and orthogonal blades, rises to a considerable height of wind speeds from 20-25 m / s using a positive buoyancy balloon module. The device acquires aerodynamic quality, along with this the best spatial stability at the height of its rise due to the laying of identical, numerous and therefore small-sized gas-filled shell cylinders in the longitudinal wind, equal size cells of a horizontal swept frame. The total volume of light gas possessed by the balloon module as a whole and provided with its necessary lifting force is divided between numerous cylinders whose mass and size parameters are sharply reduced in comparison with bulky shells of other aeronautical wind energy systems, which simplifies the practical implementation of the device and guarantees greater operational safety, when the aeronautical part of the installation under certain conditions does not lose buoyancy in case of emergency depressurization and parts of gas cylinders. For even greater spatial stability of the aeronautical part of the device, the suppression of the reactive moment from the rotation of the wind wheel, the installation is additionally equipped with two identical side wind rotors with wind wheels of the same counter rotation relative to the rotation of the central-axial wind wheel.

Целью изобретения является улучшение пространственной устойчивости аэровысотной установки ветроэнергетического назначения, надежности и безопасности применения, упрощение практической реализации устройства.The aim of the invention is to improve the spatial stability of an aerial installation for wind energy, reliability and safety of application, simplifying the practical implementation of the device.

Поставленная цель достигается использованием горизонтальной стреловидной рамы - жесткого крыла, чья ось симметрии совпадает с направлением ветра. Площадь рамы разделена вдоль ветра стяжками на равновеликие, выстроенные в один и более ряд, ячейки, в каждую из которых уложены в одном уровне одинаковые малогабаритные, по меньшей мере больше двух, оболочковые баллоны, наполненные гелием. По оси симметрии рамы и в центре масс воздухоплавательной части устройства помещается центрально-осевой виндротор, его ветроколесо с ортогональными лопастями приподнято над газонаполненными баллонами, а генератор опущен вниз, смещая туда же центр тяжести всей высотной конструкции. Дополнительной стабилизирующей мерой является встраивание в состав устройства еще двух виндроторов. Оба одинаково смещены каждый в свою противоположную боковую сторону и от ветра относительно центрально-осевого виндротора, идентичны по габаритам и вращению ветроколес, которое направленно иначе, чем у ветроколеса центрально-осевого виндротора. Кроме того ветроколеса данных боковых виндроторов опущены ниже газонаполненных баллонов, а их генераторы соответственно подняты по меньшей мере на уровень указанных аэростатных элементов.The goal is achieved using a horizontal swept frame - a rigid wing, whose axis of symmetry coincides with the direction of the wind. The area of the frame is divided along the wind by screeds into equal, arranged in one or more rows, cells, in each of which identical small-sized, at least more than two, shell cylinders filled with helium are stacked at the same level. A central-axis wind rotor is placed along the symmetry axis of the frame and in the center of mass of the aeronautical part of the device, its wind wheel with orthogonal blades is raised above gas-filled cylinders, and the generator is lowered down, shifting the center of gravity of the entire high-rise structure there. An additional stabilizing measure is the incorporation of two more windrotors into the device. Both are equally offset each to its opposite side and away from the wind relative to the central-axial wind rotor, identical in size and rotation of the wind wheels, which is directed differently than the wind wheel of the central-axial wind rotor. In addition, the wind wheels of these lateral wind rotors are lowered below gas-filled cylinders, and their generators are respectively raised at least to the level of these aerostatic elements.

На фиг. 1 показан общий вид аэростатного крыла ветроэнергетического назначения (далее сокращенно «Ветроэнергокрыл»), на фиг. 2 - вид сверху на то же устройство.In FIG. 1 shows a General view of the aerostat wing of the wind energy destination (hereinafter abbreviated as “Wind energy wing”), in FIG. 2 is a top view of the same device.

«Ветроэнергокрыл» состоит из воздухоплавательной части и причального узла, соединенных тросами 1 и трос-кабелем 2. В свою очередь, воздухоплавательная часть включает в себя аэростатный модуль из горизонтальной стреловидной рамы 3, в которой использованы полые прокатные профили, разделенной продольными 4 и поперечными стяжками 4.1 на равновеликие ячейки, где уложены в одном уровне и закреплены ремнями одинаковые малогабаритные баллоны 5, чьи мягкие оболочки заполнены гелием. Основной силовой блок аэростатного модуля является центрально-осевым виндротором 6 с ветроколесом из ортогональных лопастей 6.1, что поднят над баллонами, и генератором 6.2, что находится ниже тех же баллонов. У боковых виндроторов 7, 8, оба встречного вращения относительно центрально-осевого виндротора, ветроколеса 7.1 и 8.1 опущены ниже газонаполненных баллонов, их генераторы 7.2 и 8.2 расположены по меньшей мере на одном уровне с ними. Причальный узел устройства имеет бетонную наземную тумбу 9 со свободно вращающимися осью 10 и платформой 11, на которой размещены две соосные лебедки 12, диаметрально расположенная к ним трос-кабельная бухта 13.“Wind energy wing” consists of an aeronautic part and a mooring unit connected by ropes 1 and a cable-cable 2. In turn, the aeronautical part includes an aerostat module from a horizontal swept frame 3, in which hollow rolling profiles are used, separated by longitudinal 4 and transverse ties 4.1 on equal-sized cells, where identical small-sized cylinders 5 are laid at the same level and secured with straps, whose soft shells are filled with helium. The main power unit of the aerostat module is a central-axis wind rotor 6 with a wind wheel made of orthogonal blades 6.1, which is raised above the cylinders, and a generator 6.2, which is located below the same cylinders. For lateral wind rotors 7, 8, both counter-rotation relative to the central-axial wind rotor, wind wheels 7.1 and 8.1 are lowered below gas-filled cylinders, their generators 7.2 and 8.2 are located at least at the same level with them. The mooring unit of the device has a concrete ground curbstone 9 with a freely rotating axis 10 and a platform 11 on which two coaxial winches 12 are placed, a cable-cable bay 13 diametrically located to them.

Данное устройство работает следующим образом. После монтажа и крепления на открытой местности причального узла, сборки воздухоплавательной части устройства баллоны 5 заполняются гелием до достижения положительной плавучести и совместно балансируются в горизонтальной плоскости, упомянутые узел и часть устройства соединяются тросами 1 и трос-кабелем 2, которые затем медленно стравливаются с лебедок 12 и бухты 13 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. В это же время, воздухоплавательная часть «Ветроэнергокрыла» 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 (предварительно не менее 7 м/с), возникает малая и по мере подъема возрастающая аэродинамическая подъемная сила. Скоростной напор ветра вращает ветроколесо 6.1, в противоположном направлении - ветроколеса 7.1 и 8.1, генераторы 6.2, 7.2 и 8.2 вырабатывают электроэнергию, направляемую потребителям через трос-кабель 2.This device operates as follows. After mounting and fastening in the open area of the mooring unit, assembling the aeronautical part of the device, the cylinders 5 are filled with helium until positive buoyancy is achieved and are balanced in the horizontal plane, the aforementioned node and part of the device are connected by cables 1 and cable 2, which are then slowly etched from winches 12 and bays 13 until, under the influence of aerostatic lifting force, the module with the power unit reaches the lifting height, where the average annual wind speeds are at least 20-25 m /from. At the same time, the aeronautical part of Vetroenergokryla rotates along a circular path with an air flow around the mooring site and is fixed so that its longitudinal axis of symmetry coincides with the direction of the wind. Starting from a height where the wind speed is sufficient for this (previously at least 7 m / s), a small and increasing aerodynamic lifting force arises as it rises. The high-pressure wind rotates the wind wheel 6.1, in the opposite direction - the wind wheels 7.1 and 8.1, generators 6.2, 7.2 and 8.2 generate electricity sent to consumers through the cable-cable 2.

При изменении направленности воздушного потока его напор воздействует на наветренные боковые поверхности баллонов 5 и ветроколеса 6.1, 7.1 и 8.1, которые все вместе под этим давлением стремятся переместиться туда же, куда стал дуть ветер. Данное движение через трос 1 и трос-кабель 2, лебедки 12 и бухту 13 передается платформе 111, свободно поворачивающейся на оси 10 относительно неподвижной наземной тумбы 9. Круговое перемещение воздухоплавательной части устройства и соответствующее вращение платформы причального узла 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 скручивание и разрушение тросов 1 и трос-кабеля 2.When the direction of the air flow changes, its pressure acts on the windward side surfaces of the cylinders 5 and the wind wheel 6.1, 7.1 and 8.1, which all together under this pressure tend to move where the wind began to blow. This movement through the cable 1 and cable 2, winches 12 and bay 13 is transmitted to the platform 111, freely turning on the axis 10 relative to the stationary ground curbstone 9. The circular movement of the aeronautical part of the device and the corresponding rotation of the platform of the mooring unit is completed at the moment when the longitudinal axis the symmetry of the aerostat module coincides with the direction of the wind and does not resume without new dynamic changes in the atmosphere. The synchronous nature of the movement of the considered structural elements eliminates twisting and destruction of the cables 1 and cable 2.

Для проведения ремонта и технического обслуживания установки, включая дозаправку баллонов 5 гелием, при штормовых предупреждениях об ожидаемом превышении скоростью ветра критического порога в 50 м/с тросы 1 и трос-кабель 2 наматываются соответственно на лебедки 12 и бухту 13, воздухоплавательная часть устройства снижается к земле, где становится легко доступной, или размещается на безопасной высоте нормативных ветров.To carry out repairs and maintenance of the installation, including refueling with 5 helium cylinders, during storm warnings about the expected exceeding of the critical threshold by the wind speed of 50 m / s, cables 1 and cable 2 are wound on winches 12 and bay 13, respectively, the aeronautical part of the device decreases to land where it becomes easily accessible, or located at a safe height of regulatory winds.

Улучшение пространственной устойчивости «Ветроэнергокрыла» достигается прежде всего за счет обтекаемой (стреловидной) формы воздухоплавательного части устройства в плане и наличия развитых горизонтальных поверхностей, обращенных к земле, у газонаполненных баллонов. Возникающая от этого аэродинамическая подъемная сила не велика, мала для осуществления парения в воздухе, но вполне достаточна для указанной цели. Напор ветра на приподнятое ветроколесо центрально-осевого виндротора стремится наклонить корму воздухоплавательной части установки к земле, чему препятствует наличие опущенных ветроколес боковых виндроторов, напор ветра на которые производит обратное действие. Ветроколеса тех же боковых виндроторов, вращаясь одинаково против вращения ветроколеса центрально-осевого виндротора, гасят реактивный момент от действия последнего элемента конструкции.Improving the spatial stability of the "Wind Energy Wing" is achieved primarily due to the streamlined (arrow-shaped) form of the aeronautical part of the device in terms of and the presence of developed horizontal surfaces facing the ground in gas-filled cylinders. The aerodynamic lifting force arising from this is not large, small for the implementation of soaring in air, but quite sufficient for this purpose. The pressure of the wind on the elevated wind wheel of the central-axial wind rotor tends to tilt the stern of the aeronautical part of the installation to the ground, which is prevented by the presence of the lowered wind wheels of the side wind rotors, the pressure of the wind on which produces the opposite effect. Wind wheels of the same side wind rotors, rotating equally against the rotation of the wind wheel of the central-axial wind rotor, quench the reactive moment from the action of the last structural element.

Как правило, практическая реализация устройств с аэростатными модулями осложняется огромными габаритами мягких газонаполненных оболочек сложной объемной формы, что заставляет изготавливать их из воздухонепроницаемых прочных тканей (полиэстера или полиамида) со специальной силиконовой пропиткой путем сложного, трудоемкого раскроя и последующего сращивания кусков. Образуется большое число протяженных соединительных швов, ненадежность которых являющихся главной причиной разгерметизации оболочек и утечек гелия, аварийности аэро-высотных систем. Замена таких громоздких оболочек на большое число малогабаритных, простых по форме и исполнению газонаполненных баллонов снимает упомянутые проблемы практической реализации устройства, недостаточной надежности применения и эксплуатационной безопасности.As a rule, the practical implementation of devices with balloon modules is complicated by the enormous dimensions of soft gas-filled shells of complex volumetric shape, which forces them to be made of airtight durable fabrics (polyester or polyamide) with special silicone impregnation by complex, labor-intensive cutting and subsequent splicing of pieces. A large number of extended connecting seams are formed, the unreliability of which is the main reason for the depressurization of shells and helium leaks, the accident rate of aero-high-altitude systems. Replacing such bulky shells with a large number of small-sized, simple in shape and execution of gas-filled cylinders removes the aforementioned problems of the practical implementation of the device, insufficient reliability of use and operational safety.

Применение аэростатного модуля из многочисленных газонаполненных баллонов позволяет установить положительную плавучесть «Ветроэнергокрыла» с таким расчетом, что внештатная утечка газа из нескольких баллонов не приводит к резкому падению воздухоплавательной части устройства, а только к плавной потери ею рабочей высоты. Есть время для экстренного снижения до причального узла с последующими действиями по выявлению мест газовых утечек и их герметизации.The use of the aerostat module from numerous gas-filled cylinders allows us to establish the positive buoyancy of the “Wind Energokryla” in such a way that the abnormal gas leakage from several balloons does not lead to a sharp drop in the aeronautical part of the device, but only to its smooth loss of working height. There is time for an emergency reduction to the berth unit with subsequent actions to identify places of gas leaks and seal them.

Claims

A wind-driven aerostat wing containing a positive buoyancy balloon module of two gas-filled shell cylinders at the same level, a wind rotor consisting of a wind wheel and a generator, respectively raised above and lower below the same cylinders, ropes and a cable-cable, a freely rotating platform of the mooring unit, mounted on it has two winches and a cable-and-cable bay, characterized in that it has a horizontal swept frame, the axis of symmetry of which coincides with the direction of the wind, divided along wind row into equal or more cells within each of them horizontally and stacked fastened same small-sized, at least more than two cylinders; on the aforementioned axis, a central-axial wind rotor is located at the center of mass of the aeronautical part of the device, from the sides of it, having differently directed rotations of the wind wheels and being equally spaced, each in its own side transverse to the wind and downwind, there are two more identical side wind rotors, their wind wheels are lowered below gas-filled cylinders, and the generators are raised at least one level with them.