RU2656521C1

RU2656521C1 - Aerial high-attitude wind power plant with double wind-rotor

Info

Publication number: RU2656521C1
Application number: RU2017124277A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Георгиевич Антониади; Сергей Анатольевич Попов
Priority date: 2017-07-07
Filing date: 2017-07-07
Publication date: 2018-06-05

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: invention relates to wind driven power plants. Aerial high-altitude wind power plant consists of a turbine-generator unit raised above the surface by an aerostat shell of positive buoyancy in the form of a hollow horizontally located biconvex lens, connected by flexible cable ties with fixed on the surface of the winches. In the central part of the balloon shell there is a through symmetrical hole with respect to its vertical axis, where the generator is fixed symmetrically relative to the longitudinal and vertical axis of the balloon shell, which has two shaft outputs with fixed on each of them symmetrically with respect to the electric generator by orthogonal turbines, the upper ends of the flexible cable ties are attached to the edge of the oval bottom of the balloon shell and are coaxial with the lower ends of the flexible cable ties with the winches fixed to the surface symmetrically with respect to its vertical axis, and the number of flexible cable ties with fixed on the surface of the winches is not less than three.

EFFECT: invention is aimed at increasing the amount of wind generated electricity in high-altitude velocity layers of the atmosphere.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение применяется для преобразования энергии ветра в электроэнергию промышленных мощностей в высотных скоростных слоях атмосферы с ветрами переменчивой направленности как на материковой территории, так на территории морей и океанов (на стационарных, морских и других видах нефтяных платформ). Настоящее устройство относится к энергетическим установкам, работающим от ветра при вертикальном расположении оси вращения сдвоенных ортогональных турбин с лопастями крыловидного профиля (виндроторы).The invention is used to convert wind energy into electricity of industrial capacities in high-altitude high-speed atmospheric layers with variable winds both on the mainland and in the seas and oceans (on stationary, offshore and other types of oil platforms). This device relates to power plants operating from the wind with a vertical axis of rotation of twin orthogonal turbines with wing-shaped blades (wind rotors).

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 высотным устройствам следует отнести ветросиловые установки с применением аэростатов нейтральной и положительной плавучести. В них имеют место варианты размещения горизонтально-осевых турбин и генераторов на большой высоте подвешенными только снизу (веб-сайт: http://fimip.ru/proiect/199), снизу или вокруг аэростата (патент SU №8970). Вместе с тем первое из устройств полностью лишено ориентации турбин на ветер, статично повернуто навстречу преобладающему ветронаправлению своей боковой поверхностью, обладающей максимальным лобовым сопротивлением. Если скорость ветра превысит определенное критическое значение, аэростат будет прибит к земле, рама с вставленными в нее генераторами и турбинами будет разрушена. Ориентация на ветер второго устройства не является достаточной для устойчивой работы турбин и обеспечивается лишь каплевидной формой аэростата. Известно, что лобовое сопротивление пропеллерно-лопастных турбин на высоких скоростях ветра резким скачком возрастает, что приводит к упомянутым выше негативным последствиям. Турбины, установленные в кольцевой ферме, работают в разноскоростных потоках воздуха, особенно те, что расположены ниже и выше оболочки, аэростат будет раскачиваться, а турбины - терять свое положение, оптимальное только при полном совпадении осей их вращения с направлением ветра.Wind generating installations are known for which, in order to achieve greater power output, turbine-generating units are used in higher and high-speed atmospheric layers. Such high-altitude devices include wind power plants using neutral and positive buoyancy balloons. They have options for placing horizontal-axis turbines and generators at high altitude suspended only from below (website: http://fimip.ru/proiect/199), from below or around the balloon (patent SU No. 8970). At the same time, the first of the devices is completely devoid of the orientation of the turbines towards the wind, is statically turned towards the prevailing wind direction with its lateral surface, which has maximum drag. If the wind speed exceeds a certain critical value, the balloon will be nailed to the ground, the frame with the generators and turbines inserted into it will be destroyed. Orientation to the wind of the second device is not sufficient for the stable operation of the turbines and is provided only by a teardrop-shaped balloon. It is known that the frontal resistance of propeller-blade turbines at high wind speeds increases sharply, which leads to the negative consequences mentioned above. The turbines installed in the ring farm operate in different speeds of air flow, especially those located below and above the shell, the balloon will swing, and the turbines will lose their position, optimal only when their rotation axes coincide completely with the direction of the wind.

При выборе типа турбины для любого ветрогенератора решающим является ее способность не требовать ориентации на ветер. Таким качеством обладают только турбины виндроторов. Для получения электроэнергии промышленных мощностей от ветра виндроторные турбины должны обладать взаимоисключающими качествами, между которыми следует достигнуть оптимального баланса, а именно иметь по возможности меньший вес и как можно большую поверхность рабочих лопастей.When choosing the type of turbine for any wind generator, its ability to not require orientation to the wind is decisive. Only wind turbine turbines have this quality. To obtain industrial power from wind, wind rotor turbines must have mutually exclusive qualities, between which an optimal balance should be achieved, namely, have the lowest possible weight and the largest possible surface of the working blades.

К крупногабаритным устройствам большой мощности относится зонтично-каркасный виндротор (патент RU №2476717) с ортогональными лопастями, в котором вращение к центрально-осевому генератору передается через длинномерные траверсы, утяжеляющие турбину.Large-sized large-capacity devices include an umbrella-frame windrotor (patent RU No. 2476717) with orthogonal blades, in which the rotation to the central-axis generator is transmitted through long traverses that make the turbine heavier.

В орбитальной ветротурбине (патент US №20110018280) траверсы отсутствуют, но турбина нагружена весом опорных роликов и, особенно существенно, закрепленным на ней генератором, масса которого для промышленных установок будет превышать, возможно в 2-3 и более раза, вес собственно турбины. Опорные ролики каркаса в виндроторе имеют одну степень свободы по вертикали, а опорные ролики турбины в орбитальной конструкции не имеют и этого признака. При больших габаритах обоих устройств, что необходимы для достижения значительных размеров обдуваемой площади рабочих лопастей, возникают неизбежные и нарастающие отклонения форм турбинных ободов от идеальной окружности и плоскости, которые создают в крупногабаритном варианте исполнения ортогональных турбин труднопреодолимые проблемы в работе опорно-направляющих узлов.In the orbital wind turbine (US patent No. 201110018280) there are no traverses, but the turbine is loaded with the weight of the support rollers and, especially substantially, with a generator mounted on it, the mass of which for industrial plants will exceed, possibly by 2-3 times or more, the weight of the turbine itself. The supporting rollers of the frame in the windrotor have one degree of freedom vertically, and the supporting rollers of the turbine in the orbital structure do not have this feature either. With the large dimensions of both devices, which are necessary to achieve significant sizes of the blown area of the working blades, inevitable and increasing deviations of the shapes of the turbine rims from the ideal circumference and plane arise, which create in the large-sized embodiment of the orthogonal turbines difficult problems in the operation of the supporting-guide assemblies.

Данные конструкции не решают проблему стабильного пространственного положения устройств в высотных скоростных слоях воздуха при переменчивой направленности ветров или решают ее не в полной мере.These designs do not solve the problem of a stable spatial position of devices in high-altitude high-speed layers of air with variable winds or do not fully solve it.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является аэровысотный ветрогенератор (патент РФ №2535427, опуб. бюл. №34 от 10.12.2014 г.), состоящий из турбинно-генераторного блока, поднятого над землей аэростатной оболочкой положительной плавучести, заключенной в клеть из прутьев и ремней, привязанную к месту тросами напрямую и через наземные лебедки, при этом оболочка представляет собой по меньшей мере одну полую и горизонтально расположенную двояковыпуклую линзу; прутья клети, обхватывающие ее, жестко связаны снизу с внешне-опорным каркасом турбины Дарье вертикального вращения, крыловидные лопасти которой выгнуты эллиптически; колонны упомянутого каркаса в свою очередь выгнуты по эллиптическим кривым так, что их большая ось совпадает с горизонтальной осью симметрии упомянутой турбины, чей вал вращается в подшипниках, размещенных на вершинах малой оси эллиптически выгнутых колонн каркаса, а к нижней вершине того же каркаса подвешен электрогенератор.The closest in technical essence to the claimed invention is an air-altitude wind generator (RF patent No. 2535427, publ. Bulletin No. 34 of 12/10/2014), consisting of a turbine-generator unit raised above the ground by a positive buoyancy balloon enclosed in a crate of rods and belts, tied to the place by ropes directly and through ground winches, while the shell is at least one hollow and horizontally located biconvex lens; the rods of the cage wrapping around it are rigidly connected from below to the outer supporting frame of the Daria turbine of vertical rotation, the wing-shaped blades of which are elliptically curved; the columns of the said frame, in turn, are curved along elliptic curves so that their major axis coincides with the horizontal axis of symmetry of the turbine, whose shaft rotates in bearings located on the vertices of the minor axis of the frame's elliptically curved columns, and an electric generator is suspended from the lower vertex of the same frame.

В конструкции используется ортогональная турбина с лопастями крыловидного профиля с возможностью применения нескольких двояковыпуклых аэростатных оболочек, и имеется ряд других отличительных особенностей, в том числе особая схема привязки поднятого на большую высоту ветросилового блока к месту дислокации устройства. Потери мощности, имеющие место при отклонениях оси вращения турбины от вертикального положения, должны устраняться через наземные лебедки, управляемые компьютерной программой и через тросы, непосредственно воздействующие на внешне-опорный каркас турбины Дарье.An orthogonal turbine with wing-shaped blades with the possibility of using several biconvex balloon shells is used in the design, and there are a number of other distinctive features, including a special scheme for linking a wind-driven unit raised to a high height to the location of the device. Power losses that occur when the axis of rotation of the turbine deviates from the vertical position must be eliminated through ground winches controlled by a computer program and through cables directly acting on the external support frame of the Darier turbine.

Недостатком данной конструкции является то, что расположенный на максимальном расстоянии от аэростатной оболочки электрогенератор турбинно-генераторного блока ухудшает аэродинамические свойства аэростата и его устойчивость. Это ведет к тому, что под напором сильных ветров турбинно-генераторный блок смещается в подветренную сторону, что ведет к потере мощности, возникающей при отклонениях оси вращения турбины от вертикального положения. При этом стабилизация пространственного положения данного устройства в высотных скоростных слоях воздуха при переменчивой направленности ветров решается за счет применения сложной системы управления, которая включает наземные лебедки, управляемые компьютерной программой, и через тросы, непосредственно воздействующие на внешне-опорный каркас турбины Дарье.The disadvantage of this design is that located at the maximum distance from the balloon shell, the generator of the turbine-generator unit affects the aerodynamic properties of the balloon and its stability. This leads to the fact that under the pressure of strong winds the turbine-generator unit is shifted to the leeward side, which leads to a loss of power that occurs when the axis of rotation of the turbine deviates from the vertical position. At the same time, stabilization of the spatial position of this device in high-altitude high-speed air layers with variable wind direction is solved by using a complex control system that includes ground winches controlled by a computer program and through cables directly affecting the external support frame of the Darier turbine.

Кроме этого дополнительным недостатком является то, что отсутствует упоминание о количестве тросов, фиксирующих аэростатную оболочку, и не конкретизировано их пространственное расположение относительно продольной оси на аэростатной оболочке и пространственное расположение на поверхности дислокации устройства, а эти факторы оказывают существенное влияние на его пространственную устойчивость.In addition, an additional drawback is that there is no mention of the number of cables fixing the balloon, and their spatial location relative to the longitudinal axis on the balloon and the spatial location on the surface of the device’s dislocation is not specified, and these factors have a significant effect on its spatial stability.

Увеличить вырабатываемую мощность в устройстве возможно путем увеличения геометрических размеров ортогональной турбины с лопастями крыловидного профиля. Однако увеличение геометрических размеров имеет ограниченные возможности, т.к. пропорционально увеличивается разрушающее механическое воздействие воздушных потоков, которое вынуждает усиливать механическую прочность конструкции и влечет за собой неоправданное увеличение ее массы и, соответственно, стоимостных показателей. Поэтому наличие только одной ортогональной турбины с лопастями крыловидного профиля имеет ограниченные возможности по увеличению вырабатываемой мощности.It is possible to increase the generated power in the device by increasing the geometric dimensions of the orthogonal turbine with wing-shaped blades. However, the increase in geometric dimensions has limited possibilities, because the destructive mechanical effect of air flows increases proportionally, which forces to strengthen the mechanical strength of the structure and entails an unjustified increase in its mass and, accordingly, cost indicators. Therefore, the presence of only one orthogonal turbine with wing-shaped blades has limited possibilities for increasing the generated power.

Заявляемое изобретение решает задачу увеличения вырабатываемой мощности при одновременном улучшении пространственной устойчивости и упрощении системы управления.The claimed invention solves the problem of increasing the generated power while improving spatial stability and simplifying the control system.

Технический результат заключается в увеличении количества вырабатываемой электроэнергии от ветра в высотных скоростных слоях атмосферы.The technical result consists in increasing the amount of generated electricity from the wind in high-altitude high-speed layers of the atmosphere.

Технический результат достигается тем, что аэровысотная ветроэнергетическая установка состоит из турбинно-генераторного блока, поднятого над поверхностью аэростатной оболочкой положительной плавучести в виде полой горизонтально расположенной двояковыпуклой линзы, соединенной гибкими тросовыми связями с зафиксированными на поверхности лебедками, при этом в центральной части аэростатной оболочки имеется сквозное симметричное относительно ее вертикальной оси отверстие, где неподвижно симметрично относительно продольной и вертикальной оси аэростатной оболочки закреплен электрогенератор, который имеет два выхода вала с закрепленными на каждом из них симметрично относительно электрогенератора ортогональными турбинами, причем верхние концы гибких тросовых связей прикреплены к кромке овального днища аэростатной оболочки и расположены соосно с нижними концами гибких тросовых связей с зафиксированными на поверхности лебедками симметрично относительно ее вертикальной оси, а количество гибких тросовых связей с зафиксированными на поверхности лебедками не менее трех.The technical result is achieved by the fact that the aerial high-altitude wind power installation consists of a turbine-generating unit raised above the surface by a positive buoyancy balloon in the form of a hollow horizontally arranged biconvex lens connected by flexible cable ties to winches fixed on the surface, while there is a through-hole in the central part of the aerostat a hole symmetrical about its vertical axis, where it is motionless symmetrically about the longitudinal and vertical the generator’s axis is fixed to the axis of the aerostat shell, which has two shaft outputs with orthogonal turbines mounted symmetrically relative to the generator on each of them, the upper ends of the flexible cable ties attached to the edge of the oval bottom of the aerostat shell and aligned with the lower ends of the flexible cable ties fixed to the surface winches are symmetrical about its vertical axis, and the number of flexible cable ties with winches fixed on the surface is not less PEX.

Гибкая тросовая связь состоит из одного или нескольких гибких проводов с расположенной вокруг каждого провода изоляцией, заключенных вместе в оболочку.A flexible cable connection consists of one or more flexible wires with insulation located around each wire, enclosed together in a sheath.

Улучшение пространственной устойчивости устройства происходит как за счет выравнивания его аэродинамических свойств из-за размещения электрогенератора во внутренней полости аэростатной оболочки и полной симметрии всех агрегатов и устройств относительно продольной и вертикальной оси аэростатной оболочки, так и за счет полной симметрии крепления верхних концов гибких тросовых связей к аэростатной оболочке и расположения их соосно с нижними концами гибких тросовых связей с зафиксированными на поверхности лебедками симметрично относительно ее вертикальной оси, при этом количество гибких тросовых связей с зафиксированными на поверхности лебедками не менее трех. Кроме этого улучшение пространственной устойчивости аэровысотной ветроэнергетической установки ведет к упрощению системы управления, то есть отпадает необходимость использования сложной системы управления.The spatial stability of the device is improved both due to the alignment of its aerodynamic properties due to the placement of the generator in the inner cavity of the balloon and the complete symmetry of all units and devices relative to the longitudinal and vertical axis of the balloon, and due to the complete symmetry of the attachment of the upper ends of the flexible cable ties to the aerostat shell and their alignment coaxially with the lower ends of the flexible cable ties with winches fixed on the surface symmetrically relative to itelno its vertical axis, not less than three while the number of flexible links with rope fixed winch at the surface. In addition, the improvement of the spatial stability of an air-height wind power installation leads to a simplification of the control system, that is, there is no need to use a complex control system.

Помимо этого наличие двух ортогональных турбин с лопастями крыловидного профиля позволяет не только улучшить пространственную устойчивость устройства, но и дает возможность использовать удвоенную поверхность турбин, что расширяет возможность увеличения вырабатываемой мощности по сравнению с прототипом.In addition, the presence of two orthogonal turbines with wing-shaped blades allows not only to improve the spatial stability of the device, but also makes it possible to use the doubled surface of the turbines, which expands the possibility of increasing the generated power in comparison with the prototype.

Все это, в конечном итоге, увеличивает количество вырабатываемой электроэнергии от ветра в высотных скоростных слоях атмосферы.All this, ultimately, increases the amount of generated electricity from the wind in high-altitude high-speed layers of the atmosphere.

На фиг. 1 показан общий вид аэровысотной ветроэнергетической установки.In FIG. 1 shows a general view of an aerial high-altitude wind power plant.

Аэровысотная ветроэнергетическая установка состоит из аэростатной оболочки 1 положительной плавучести в виде полой горизонтально расположенной двояковыпуклой линзы. В центральной части аэростатной оболочки 1 имеется сквозное отверстие 3, выполненное симметрично относительно ее вертикальной оси 2.Aero-altitude wind power installation consists of a positive buoyancy balloon 1 in the form of a hollow horizontally located biconvex lens. In the central part of the balloon shell 1 there is a through hole 3 made symmetrically with respect to its vertical axis 2.

Электрогенератор 4 турбинно-генераторного блока ветрогенератора неподвижно закреплен во внутренней полости сквозного отверстия 3 симметрично относительно продольной оси 5 и вертикальной оси 2 аэростатной оболочки 1.The generator 4 of the turbine-generator unit of the wind generator is fixedly mounted in the inner cavity of the through hole 3 symmetrically relative to the longitudinal axis 5 and the vertical axis 2 of the balloon 1.

Электрогенератор 4 имеет два выхода вала 6 и 7 с закрепленными на них симметрично относительно электрогенератора 4 ортогональными турбинами 8 и 9 с выгнутыми эллиптически крыловидными лопастями.The electric generator 4 has two shaft outputs 6 and 7 with orthogonal turbines 8 and 9 symmetrically mounted relative to the electric generator 4 with curved elliptical wing-shaped blades.

Крепежная часть устройства на местности содержит гибкие тросовые связи 10 переменной длины, изменяемые зафиксированными на поверхности лебедками 11.The mounting part of the device on the ground contains flexible cable ties 10 of variable length, variable fixed on the surface of the winch 11.

Гибкая тросовая связь 10 состоит из одного или нескольких гибких проводов с расположенной вокруг каждого провода изоляцией, заключенных вместе в оболочку.Flexible cable connection 10 consists of one or more flexible wires with insulation located around each wire, enclosed together in a sheath.

Верхние концы гибких тросовых связей 10 прикреплены к кромке овального днища 12 аэростатной оболочки 1 и расположены соосно с нижними концами гибких тросовых связей 10 с зафиксированными на поверхности лебедками 11 симметрично относительно ее вертикальной оси 2, при этом количество гибких тросовых связей 10 с зафиксированными на поверхности лебедками 11 не менее трех.The upper ends of the flexible cable ties 10 are attached to the edge of the oval bottom 12 of the aerostat shell 1 and are aligned with the lower ends of the flexible cable ties 10 with the winches 11 fixed on the surface symmetrically relative to its vertical axis 2, while the number of flexible cable ties 10 with the winches fixed on the surface 11 at least three.

Аэровысотная ветроэнергетическая установка работает следующим образом. Производится сборка аэростатной оболочки 1 в виде полой горизонтально расположенной двояковыпуклой линзы, в центральной части которой имеется сквозное отверстие 3, выполненное симметрично относительно ее вертикальной оси 2. При этом электрогенератор 4 турбинно-генераторного блока ветрогенератора неподвижно закреплен во внутренней полости сквозного отверстия 3 симметрично относительно продольной оси 5 и вертикальной оси 2 аэростатной оболочки 1.Aero-altitude wind power installation operates as follows. The aerostat shell 1 is assembled in the form of a hollow horizontally arranged biconvex lens, in the central part of which there is a through hole 3 made symmetrically relative to its vertical axis 2. At the same time, the generator 4 of the turbine-generator unit of the wind generator is fixedly mounted in the inner cavity of the through hole 3 symmetrically with respect to the longitudinal axis 5 and vertical axis 2 of the balloon 1.

После сборки производится заполнение аэростатной оболочки 1 газом легче воздуха в количестве, обеспечивающем ее положительную плавучесть и достаточную аэростатическую подъемную силу.After assembly, the balloon 1 is filled with gas lighter than air in an amount ensuring its positive buoyancy and sufficient aerostatic lift.

Затем гибкие тросовые связи 10 стравливаются с барабанов, зафиксированных на поверхности лебедок 11, до заданной точки в атмосфере, где имеют место высокоскоростные ветра. По достижении слоя атмосферы с ветрами требуемой скорости, ортогональная турбина 8 и ортогональная турбина 9 с выгнутыми эллиптически крыловидными лопастями начнут вращаться и приводить в движение через два выхода вала 6 и 7 электрогенератор 4. Вырабатываемая электрогенератором 4 электроэнергия будет передаваться по находящимся в гибких тросовых связях 10 гибким проводам с расположенной вокруг каждого провода изоляцией. При этом механическая прочность гибких тросовых связей 10 обеспечивается высокой механической прочностью их оболочек.Then, flexible cable ties 10 are pushed from the drums fixed on the surface of the winches 11 to a predetermined point in the atmosphere where high-speed winds occur. Upon reaching the atmospheric layer with the winds of the required speed, the orthogonal turbine 8 and orthogonal turbine 9 with curved elliptical wing-shaped blades will begin to rotate and set in motion through the two outputs of the shaft 6 and 7 the electric generator 4. The electricity generated by the electric generator 4 will be transmitted through flexible cable connections 10 flexible wires with insulation around each wire. In this case, the mechanical strength of the flexible cable ties 10 is ensured by the high mechanical strength of their shells.

Устойчивость устройства обеспечивают крепление верхних концов гибких тросовых связей 10 к кромке овального днища 12 аэростатной оболочки 1 и расположение соосно с нижними концами гибких тросовых связей 10 с зафиксированными на поверхности лебедками 11 симметрично относительно ее вертикальной оси 2.The stability of the device is provided by fastening the upper ends of the flexible cable ties 10 to the edge of the oval bottom 12 of the aerostat shell 1 and being aligned with the lower ends of the flexible cable ties 10 with the winches 11 fixed on the surface symmetrically with respect to its vertical axis 2.

При этом увеличение расстояния расположения фиксации на поверхности лебедок 11 от проекции аэростатной оболочки 1 приводит к увеличению устойчивости аэровысотной ветроэнергетической установки в пространстве.In this case, an increase in the distance of the fixation location on the surface of the winches 11 from the projection of the aerostat shell 1 leads to an increase in the stability of the air-height wind power installation in space.

Для спуска установки при обслуживании и ремонте оборудования, дозаправки аэростатной оболочки 1 газом используются гибкие тросовые связи 10, наматываемые на барабаны зафиксированных на поверхности лебедок 11.For the descent of the installation during maintenance and repair of equipment, gas balloon refueling 1 using flexible cable ties 10, wound on drums fixed on the surface of the winch 11.

Claims

1. Aerial high-altitude wind power installation, consisting of a turbine-generating unit, raised above the surface of a positive buoyancy balloon in the form of a hollow horizontally located biconvex lens connected by flexible cable ties with winches fixed on the surface, characterized in that there is a through symmetrical through part of the aerostat shell aperture relative to its vertical axis, where it is stationary symmetrically with respect to the longitudinal and vertical axis of the balloon An electric generator is fixed, which has two shaft outputs with orthogonal turbines mounted symmetrically with respect to the electric generator on each of them, the upper ends of the flexible cable ties attached to the edge of the oval bottom of the aerostat shell and aligned with the lower ends of the flexible cable ties with winches fixed on the surface symmetrically its vertical axis, and the number of flexible cable ties with winches fixed on the surface is at least three.

2. Aero-height wind power installation according to claim 1, characterized in that the flexible cable connection consists of one or more flexible wires with insulation located around each wire, enclosed together in a sheath.