RU2662101C1 - Wind powered balloon - Google Patents

Wind powered balloon Download PDF

Info

Publication number
RU2662101C1
RU2662101C1 RU2017143110A RU2017143110A RU2662101C1 RU 2662101 C1 RU2662101 C1 RU 2662101C1 RU 2017143110 A RU2017143110 A RU 2017143110A RU 2017143110 A RU2017143110 A RU 2017143110A RU 2662101 C1 RU2662101 C1 RU 2662101C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
wind
balloon
cable
frame
leeward
Prior art date
Application number
RU2017143110A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Владимирович Губанов
Original Assignee
Александр Владимирович Губанов
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Александр Владимирович Губанов filed Critical Александр Владимирович Губанов
Priority to RU2017143110A priority Critical patent/RU2662101C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2662101C1 publication Critical patent/RU2662101C1/en
Priority to PCT/RU2018/000735 priority patent/WO2019117751A1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64BLIGHTER-THAN AIR AIRCRAFT
    • B64B1/00Lighter-than-air aircraft
    • B64B1/40Balloons
    • B64B1/50Captive balloons
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03DWIND MOTORS
    • F03D9/00Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70Wind energy
    • Y02E10/72Wind turbines with rotation axis in wind direction
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

FIELD: power engineering.
SUBSTANCE: invention relates to the field of high-altitude wind energy. Wind-powered balloon contains a radial-blade turbine, which axis of rotation coincides with wind direction and which is a part of a wind power unit of a multiplier and generator in a nacelle body, and a frame with a horizontal bar. Suspension of the wind-powered unit is carried out with the help of an assembly including a liner, lost in the center of the horizontal bar, below a vertical post that ends with the connection to the nacelle. Strength of the horizontal bar is reinforced with a trussed arch, the rigidity of the frame is reinforced with the connection of the sidewalls with one spacer bar. Balloon can be equipped with an electric aircraft engine operating with variable draft, directed against the wind, and installed on a shelf on a leeward side of the balloon.
EFFECT: invention is aimed at reinforcing the rigidity and strength of the suspension assembly and minimizing the production area for placing the balloon.
3 cl, 3 dwg

Description

Применяется для генерации энергии ветра в электроэнергию промышленных мощностей, достигаемых на высоте скоростных слоев атмосферы.It is used to generate wind energy in electricity of industrial capacities, achieved at the height of high-speed layers of the atmosphere.

Настоящее энергетическое устройство относится к ветряным установкам, радиально-лопастная турбина которых имеет ось вращения, совпадающую с направлением ветра.The present power device relates to wind turbines, the radial-blade turbine of which has an axis of rotation that coincides with the direction of the wind.

После того, как достижения в технологиях и материалах сделали возможным дозаправку воздухоплавательных аппаратов с периодичность не чаще, чем через год и даже существенно реже, новым средством подъема ветросиловых блоков на большие высоты скоростных от 20 м/с ветров стали привязные аэростаты (патент RU 2602650 С1, 26.01.2016; WO 2017131551, 03.08.2017). Мобильность этих систем, легкость, простота подъема ветряного оборудования и его спуска с рабочей высоты от 300-600 метров к наземным причальным узлам при помощи газонаполненных гелием либо водородом аэростатных оболочек, несущих ветросиловые блоки, заметно снижают непомерные затраты на строительство, снимают тяжелые эксплуатационные проблемы, характерные для ВЭУ на высотных башенных опорах. Однако аэростаты, при их использовании для получения от ветра электроэнергии промышленных мощностей, нагружены значительным весом генерирующих агрегатов, что повышает требования к прочности всех элементов и узлов, составляющих воздухоплавательные модули.After advances in technology and materials made it possible to refuel aeronautics with a frequency of no more than a year or even much less, tethered balloons became a new way to raise wind power blocks to high altitudes of speeds from 20 m / s (patent RU 2602650 C1 , 01/26/2016; WO 2017131551, 08/03/2017). The mobility of these systems, the ease, simplicity of lifting the wind equipment and its descent from a working height of 300-600 meters to the ground berth nodes using gas-filled helium or hydrogen aerostat shells carrying wind-power blocks, significantly reduce exorbitant construction costs, remove difficult operational problems, characteristic for wind turbines on high-rise tower supports. However, balloons, when used to obtain industrial power from wind, are loaded with a significant weight of generating units, which increases the strength requirements of all the elements and components that make up the aeronautical modules.

Вместе с этим перед разработчиками воздухоплавательных и летательных систем ветряной генерации стоит проблема выделения больших по площади территорий под безопасную эксплуатацию установок. Воздухоплавательные модули ветрогенераторного аэростата MARS американской компании Mogenn Power и аэростатной турбины ВАТ канадской компании Altaeros Energies обладают большой парусностью, что приводит при их подъеме на высоту скоростных ветров к смещению модулей под напором воздуха на расстояние в 600-1000 метров от причальных узлов, из чего следует соответствующий размер производственной зоны повышенной опасности в сто и более гектар под пространствами воздухоплавания названных ветроэнергетических комплексов. Создатели генератора Wing 7 (летающее крыло) компании Makani Power признали, что их аппарат будет вынужденно размещаться не на суши, а скорее всего над морскими поверхностями, где территориальный фактор значения не имеет. Такой же вывод следует сделать относительно энергетических «воздушных змей» от компании Joby Energy.At the same time, the developers of aeronautical and aircraft wind-generating systems are faced with the problem of allocating large areas for the safe operation of plants. The aeronautical modules of the MARS wind generator aerostat of the American company Mogenn Power and the BAT aerostat turbine of the Canadian company Altaeros Energies have a high windage, which leads to the displacement of the modules under the pressure of air at a distance of 600-1000 meters from the berth nodes when they rise to high-speed winds the corresponding size of the production zone of increased danger of one hundred or more hectares under the aeronautical spaces of the aforementioned wind energy complexes. The creators of the Makani Power Wing 7 (flying wing) generator admitted that their device would be forced to be placed not on land, but most likely above sea surfaces, where the territorial factor does not matter. The same conclusion should be made regarding energy "kites" from the company Joby Energy.

Наиболее распространенными видами привязных аэростатов являются наполненные легким газом шаровидные оболочки и их сигарообразные формы (соответственно патенты RU 2046734 С1, 13.06.1991 и US 20090152391 А1, 04.03.2006), к которым снизу при помощи гибких строп подвешены корзины (патент RU 2026238 С1, 21.11.1991), чаще всего под размещение систем видео наблюдения, метеорологических приборов, ретрансляторов и т. п. оборудования. Подвеска ветросилового блока с радиально-лопастной турбиной, ось вращения которой должна совпадать с направлением ветра, к аэростату в форме газонаполненного шара с помощью гибких строп использована в устройстве (CN 104895744 А, 09.09.2015). Применение при этом гибких строп является причиной раскачивания ветросилового блока под порывами ветра, условие оптимального совпадения оси вращения турбины и направления ветра не исполняется, эффективность ветряной генерации утрачивается. При изменении направленности ветра привязной трос будет скручиваться и разрушаться. Аналогично и с тем же отрицательным результатом на гибких раздвинутых стропах подвешены к дирижаблю (патент US 4470563 А, 11.09.1984) две радиально-лопастные турбины. При встречном вращении турбин будут гаситься их реактивные моменты, причальный узел дирижабля обладает ориентацией на ветер, но этим все достоинства такого устройства исчерпываются.The most common types of tethered balloons are spherical shells filled with light gas and their cigar-shaped shapes (respectively, patents RU 2046734 C1, 06/13/1991 and US 20090152391 A1, 03/04/2006), to which baskets are suspended from below using flexible slings (patent RU 2026238 C1, 11/21/1991), most often for the placement of video surveillance systems, meteorological instruments, repeaters, etc. equipment. Suspension of a wind-driven block with a radial-blade turbine, the axis of rotation of which must coincide with the direction of the wind, to the balloon in the form of a gas-filled ball using flexible lines is used in the device (CN 104895744 A, 09/09/2015). The use of flexible slings in this case causes the power unit to swing under gusts of wind, the condition for the optimal coincidence of the axis of rotation of the turbine and the direction of the wind is not fulfilled, the efficiency of wind generation is lost. When the wind direction changes, the tethered cable will twist and collapse. Similarly, with the same negative result, two radial-vane turbines are suspended on flexible, extended slings from the airship (patent US 4470563 A, 09/11/1984). When the turbines rotate in the opposite direction, their jet moments will be extinguished, the mooring unit of the airship is oriented towards the wind, but all the advantages of such a device are exhausted.

Пространственной неустойчивостью по причине использования гибких строп для подвески балки с ветросиловым блоком, поднятых в воздух двумя аэростатами, обладает высотный генератор (KR 20120013682 А, 15.02.2012). В данном устройстве применен ряд средств по обеспечению совпадения оси вращения радиально-лопастной турбины с направленностью ветра, в том числе воздушные рули на наветренном конце балки, стабилизирующее оперение на ее подветренном конце, перемещение груза в полости балки и другие технические решения, которые однако работают исключительно если направленность ветра незначительно на ±15-20° меняет свой угол наклона к земле, но не дают желаемого результата если ветряной поток преобразуется в боковой ветер.The spatial instability due to the use of flexible slings for suspension of a beam with a wind-powered block, lifted into the air by two balloons, is possessed by a high-altitude generator (KR 20120013682 A, 02.15.2012). This device uses a number of means to ensure that the axis of rotation of the radial blade turbine coincides with the direction of the wind, including air rudders at the windward end of the beam, stabilizing plumage at its leeward end, moving cargo in the cavity of the beam, and other technical solutions that however work exclusively if the wind direction slightly by ± 15-20 ° changes its angle of inclination to the ground, but does not give the desired result if the wind flow is converted into crosswind.

Негативные последствия от применения подвесок на гибких стропах устранены в аэростатном ветродвигателе (патент RU 2657589 С1, 05.12.2017), в котором ветросиловой блок виндроторного типа размещен ниже аэростата на горизонтальной перекладине Н-образной рамы, при этом аэростатная оболочка, притянутая к ней меридианными лентами, кольцевая крепежная база, упомянутая рама выполнены за одно целое, а привязные троса натянуты вниз к причальному узлу от нижних оконечностей боковин все той же рамы. Но быстроходные ортогонально-лопастные роторы, при свойственном им низком КПД, имеют к тому же большую парусность, что требует увеличения подъемной силы аэростата дабы воздухоплавательный модуль под напором воздуха не был перемещен ниже уровня скоростных ветров и прибит ближе к земле.The negative consequences of the use of hangers on flexible slings were eliminated in a balloon wind turbine (patent RU 2657589 C1, 12/05/2017), in which the wind-driven wind-driven block is placed below the balloon on the horizontal crossbar of the H-shaped frame, while the balloon is drawn by meridian ribbons , the annular mounting base, the said frame are made in one piece, and the tethered cables are pulled down to the mooring unit from the lower extremities of the sidewalls of the same frame. But high-speed orthogonal-vane rotors, with their inherent low efficiency, also have a high windage, which requires an increase in the lift of the aerostat so that the aeronautical module under pressure is not moved below the level of high-speed winds and is nailed closer to the ground.

Тихоходные радиально-лопастные турбины отличаются высоким КПД и меньшей парусностью, но сложнее сочетаются с аэростатными оболочками, требуют установки на горизонтальных балках, имеющих большой пролет между опорами, в следствии чего изгибаются под тяжестью массивных ветросиловых блоков, если таковые предназначены для выработки энергии промышленных мощностей. В аэростатном ветрогенераторе (патент RU 2602650 С1, 26.01.2016) турбиной диаметром 12-25 и более метров для генерации промышленных мощностей от 150 кВт массивные ветросиловые блоки опираются на арочную ферму, способную выдержать многотонные нагрузки. Близкое техническое решение в тех же целях использовано в высотной ветроэнергетической установке (патент RU 2576103 С1, 27.02.2016).Low-speed radial-vane turbines are characterized by high efficiency and lower windage, but are more difficult to combine with aerostat shells, require installation on horizontal beams with a large span between the supports, as a result of which they are bent under the weight of massive wind power blocks, if they are designed to generate energy from industrial facilities. In a balloon wind generator (patent RU 2602650 C1, 01/26/2016) with a turbine with a diameter of 12-25 meters or more for generating industrial capacities from 150 kW, massive wind power units are supported by an arched truss capable of withstanding multi-ton loads. A close technical solution for the same purposes was used in a high-altitude wind power installation (patent RU 2576103 C1, 02.27.2016).

Сущность технического решения состоит в том, что ветросиловой блок с подветренной радиально-лопастной турбиной, мультипликатором и генератором в корпусе гондолы, поднят в составе воздухоплавательного модуля на высоту скоростных ветров, подвешен под аэростатом и имеет возможность свободно раскачиваться, неизменно сохраняя при этом под собственной тяжестью оптимальную пространственную ориентацию оси вращения турбины, совпадающую с направлением ветра. Эффект пространственной стабильности усиливается весом трос-кабеля, отклонения могут корректироваться управляемым программно собственным механическим приводом кабельной бухты, относящейся к поворотной платформе наземного причального узла. Для достижения установкой высотно-ветряной генерации промышленных мощностей применен массивный ветросиловой блок, узлу подвеске которого к аэростату приданы большая жесткость и прочность. Если существует потребность сузить пространство воздухоплавания и уменьшить площадь территории под ним, как обширной производственной зоны повышенной опасности, высотный модуль устройства дополняется по меньшей мере одним электрическим авиадвигателем переменной тяги, направленной против ветра и не дающей модулю под напором воздуха далеко сместиться в сторону от причального узла. Такой частный результат может быть улучшен при помощи аэродинамических крыльев, располагаемых под днищем аэростатной оболочки.The essence of the technical solution lies in the fact that the wind power unit with a leeward radial-blade turbine, a multiplier and a generator in the nacelle body is raised as a part of the aeronautical module to the height of high-speed winds, suspended under a balloon and has the ability to swing freely, while always maintaining its own weight optimal spatial orientation of the axis of rotation of the turbine, coinciding with the direction of the wind. The effect of spatial stability is enhanced by the weight of the cable, the deviations can be corrected by a software-controlled mechanical drive of the cable bay, related to the rotary platform of the land mooring site. To achieve the installation of high-altitude-wind generation of industrial capacities, a massive wind-power block was used, the suspension unit of which was given greater rigidity and strength to the balloon. If there is a need to narrow the aeronautics space and reduce the area under it, as an extensive production zone of increased danger, the high-altitude module of the device is supplemented by at least one variable-thrust electric aircraft engine, which is directed against the wind and does not allow the module to move far away from the berth . This particular result can be improved with aerodynamic wings located under the bottom of the balloon.

Целью изобретения является усиление жесткости и прочности узла подвески к аэростату ветросилового блока из подветренной радиально-лопастной турбины, чья ось вращения совпадает с направлением ветра, мультипликатора и генератора, являющегося для достижения ветряной генерации промышленной мощности наиболее массивным элементом воздухоплавательного модуля, поднятого до уровня скоростных атмосферных потоков, в частном случае - уменьшение площади территории под пространством воздухоплавания аэростата ветроэнергетического, что относится к производственной зоне повышенной опасности.The aim of the invention is to increase the stiffness and strength of the suspension unit to the aerostat of the wind-driven block from the lee radial-blade turbine, whose rotation axis coincides with the direction of the wind, the multiplier and the generator, which is the most massive element of the aeronautical module raised to the level of high-speed atmospheric air to achieve wind generation of industrial power flows, in the particular case - a decrease in the area under the aeronautics space of a wind energy balloon, which relates I'm to the hazardous area.

Поставленная цель достигается тем, что массивный ветросиловой блок промышленной мощности с подветренной радиально-лопастной турбиной, мультипликатором и генератором в корпусе гондолы раскачивается под аэростатом так, что сохраняет постоянство эффективной ориентации оси вращения турбины на ветер, будучи подвешенным на горизонтальной перекладине рамы, свисающей в жестком соединении через крепежную базу с аэростатной оболочкой и плоскости перпендикулярной ветру. Узел подвески включает в себя втулку, свободно одетую по центру перекладины, ниже расположенную вертикальную стойку, заканчивающуюся соединением с гондолой. Необходимую прочность упомянутой перекладине придает арочная ферма, а жесткость рамы усилена еще одной распорной перекладиной, размещенной ниже площади, ометаемой лопастями турбины. Устройство может быть дополнено по меньшей мере одним электрическим авиадвигателем переменной тяги, направленной против ветра, размещаемым на полке, соединяющей кронштейны с флюгера, выдвинутыми от крепежной базы в подветренную сторону от аэростата. На последнем условии наличия электрического авиадвигателя с указанным направлением переменной тяги, могут быть применены полые крылья аэродинамического профиля, выдвинутые от крепежной базы в обе стороны симметрично и поперек ветряному потоку.This goal is achieved by the fact that a massive industrial-power wind-power unit with a lee radial-blade turbine, a multiplier and a generator in the nacelle body swings under the aerostat so that it maintains a constant effective orientation of the axis of rotation of the turbine in the wind, being suspended on a horizontal beam of the frame hanging in a rigid connection through a mounting base with a balloon shell and a plane perpendicular to the wind. The suspension unit includes a sleeve, loosely dressed in the center of the crossbar, below a vertical strut, ending with a connection to the nacelle. The arched truss gives the required strength to the said crossbar, and the frame stiffness is reinforced by another spreader bar located below the area swept by the turbine blades. The device can be supplemented with at least one electric aircraft engine of variable thrust directed against the wind, placed on the shelf connecting the brackets with the weather vane, extended from the mounting base to the leeward side of the balloon. On the last condition of the presence of an electric aircraft engine with the indicated direction of variable thrust, hollow wings of an aerodynamic profile can be applied, extended from the mounting base in both directions symmetrically and across the wind flow.

На фиг. 1 показан общий вид аэростата ветроэнергетического (далее аэроэнергостат); на фиг. 2 - вид на воздухоплавательный модуль того же устройства с подветренной стороны; на фиг. 3 - вид снизу на воздухоплавательный модуль аэроэнергостата (ветросиловой блок условно не показан).In FIG. 1 shows a general view of a wind power balloon (hereinafter referred to as an aerostat); in FIG. 2 is a view of the aeronautical module of the same device from the leeward side; in FIG. 3 is a bottom view of the aeronautical balloon aerostat module (wind power unit is not conventionally shown).

Аэроэнергостат состоит из воздухоплавательного модуля и наземного причального узла, соединенных привязными тросами 1 и трос-кабелем 2. В состав модуль входят полужесткий аэростат, имеющий внутренний каркас и мягкую аэростатную оболочку 3, которая вместе с крепежной базой 4, прижатой к днищу аэростата меридианными лентами 5, отходящими от базы подветренными кронштейнами с флюгерами 6 и рамой 7, чья плоскость перпендикулярна ветру, выполнены за одно целое. На горизонтальной перекладине 8, усиленной арочной фермой 9, упомянутой рамы подвешен ветросиловой блок из подветренной радиально-лопастной турбины 10, ось вращения которой совпадает с направлением ветра, мультипликатора и генератора в корпусе гондолы 11. Узел подвести блока включает в себя втулку 12, свободно одетую по центру перекладины, ниже расположенную вертикальную стойку 13, заканчивающуюся соединением с гондолой. За пределами площади, ометаемой лопастями турбины, боковины рамы соединены еще одной распорной перекладиной 14. Привязные троса протянуты от оконечностей рамных боковин к двум соосным лебедкам 15, а трос-кабель свисает от гондолы до кабельной бухты 16. Лебедки находятся на подветренной стороне поворотной платформы 17 наземного причального узла, туда же смещена кабельная бухта и ее собственный механический привод. Опорным элементом наземного причального узла является бетонная тумба 18.Aeroenergostat consists of an aeronautical module and a ground mooring unit, connected by safety ropes 1 and cable-cable 2. The module includes a semi-rigid aerostat having an internal frame and a soft balloon 3, which, together with the mounting base 4, are pressed onto the bottom of the aerostat by meridian ribbons 5 extending from the base leeward brackets with weathercocks 6 and frame 7, whose plane is perpendicular to the wind, made in one piece. On a horizontal beam 8, reinforced by an arched truss 9, of the aforementioned frame, a wind power unit from a leeward radial-vane turbine 10 is suspended, the axis of rotation of which coincides with the direction of the wind, the multiplier and the generator in the nacelle housing 11. The assembly unit includes a sleeve 12, freely dressed in the center of the crossbar, located below the vertical strut 13, ending with a connection to the gondola. Outside the area swept by the turbine blades, the sidewalls of the frame are connected by another spacer bar 14. The tie ropes are stretched from the ends of the frame sidewalls to two coaxial winches 15, and the cable-cable hangs from the nacelle to the cable bay 16. The winches are located on the leeward side of the turntable 17 land mooring unit, the cable bay and its own mechanical drive are also shifted there. The supporting element of the land mooring unit is a concrete pedestal 18.

В частном случае кронштейны с флюгерами соединяются полкой 19, на которой размещается по меньшей мере один электрический авиадвигатель 20 переменной тяги, направленной против ветра. Для улучшения результата в частном случае в обе стороны симметрично от крепежной базы и поперек ветряного потока могут быть установлены полые крылья 21 аэродинамического профиля.In the particular case, the brackets with weathervanes are connected by a shelf 19, on which at least one variable-thrust electric aircraft engine 20 is placed, directed against the wind. To improve the result in a particular case, hollow wings 21 of an aerodynamic profile can be installed on both sides symmetrically from the mounting base and across the wind flow.

Работа настоящего аэроэнергостата осуществляется следующим образом. Мягкая оболочка полужесткого аэростата заполняется легким газом в объеме до достижения подъемной силы, необходимой для отрыва от земли, подъема в верх воздухоплавательного модуля и натяжения его тросовых и трос-кабельных связей с наземным причальным узлом. Привязные троса и трос-кабель синхронно стравливаются с барабанов лебедок и кабельной бухты до достижения модулем уровня сильных ветров, имеющих скорость 20-30 м/с. В процессе подъема модуля и по достижению им заданной высоты (на большинстве внутри континентальных территорий от 300 до 600 метров) он разворачивается воздушным потоком по круговой траектории вокруг наземного причального узла и фиксируется так, что продольная ось симметрии модуля, ось вращения подветренной радиально-лопастной турбины и трос-кабель совпадают с направлением ветра. Скоростной напор ветра вращает турбину, механическая энергия поступает в мультипликатор, а затем в генератор, где преобразуется в электрическую энергию, направляемую по трос-кабелю через контроллер, аккумуляторную батарею и инвертор к потребителям. При изменении направленности воздушного потока его напор воздействует на наветренную боковую поверхность аэростата и флюгера, что увлекает за собой весь воздухоплавательный модуль и разворачивается его так, что направление привязных тросов и трос-кабеля, оси вращения турбины совпадут с новым направлением ветра.The work of this aeroelectric power is as follows. The soft shell of a semi-rigid balloon is filled with light gas in the volume until the lifting force necessary to lift it off the ground, lift it to the top of the aeronautical module and pull its cable and cable ties to the ground mooring unit. Tether cables and cable cables are simultaneously bleed from the winch drums and cable bay until the module reaches the level of strong winds having a speed of 20-30 m / s. In the process of lifting the module and when it reaches a predetermined height (from 300 to 600 meters in most of the continental territories), it unfolds in an air flow along a circular path around the land mooring site and is fixed so that the longitudinal axis of symmetry of the module, the axis of rotation of the lee radial-blade turbine and cable coincide with the direction of the wind. The high-speed pressure of the wind rotates the turbine, mechanical energy is supplied to the multiplier, and then to the generator, where it is converted into electrical energy sent via a cable through the controller, the battery and the inverter to consumers. When the direction of the air flow changes, its pressure acts on the windward side surface of the aerostat and weather vane, which entrains the entire aeronautical module and turns it around so that the direction of the tethered cables and cable, the axis of rotation of the turbine coincides with the new direction of the wind.

Когда скорость ветра внезапно усилится, а длинна привязных тросов и трос-кабеля останется неизменной, то под напором атмосферного потока воздухоплавательный модуль потеряет начальную высоту. При этом троса и трос-кабель расположатся под более острым углом к земле. Однако ветросиловой блок, поскольку подвешен на вертикальной стойке через свободно одетую втулку к горизонтальной перекладине рамы, под действием сил собственной тяжести, тяжести трос-кабеля неизменно занимает положение, при котором ось вращения подветренной радиально-лопастной турбины не отклонятся от направленности ветра. При ослаблении силы ветра ниже номинального значения будет иметь место аналогичный результат, только троса и трос-кабель натянутся под большим углом к поверхности земли.When the wind speed suddenly increases, and the length of the tethered cables and cable cable remains unchanged, then under the pressure of the atmospheric flow, the aeronautical module will lose its initial height. In this case, the cable and cable-cable will be located at a sharper angle to the ground. However, the wind-power unit, since it is suspended on a vertical strut through a freely dressed sleeve to the horizontal beam of the frame, under the influence of gravity and gravity of the cable, invariably occupies a position in which the axis of rotation of the leeward radial-blade turbine does not deviate from the direction of the wind. If the wind force is weakened below the nominal value, a similar result will occur, only the cable and cable cable will be tensioned at a large angle to the surface of the earth.

Полужесткое исполнение аэростата с применением внутреннего каркаса позволяет оболочке из легкого тканепленочного материала устойчиво удерживать сферическую объемную форму, обладающую хорошей обтекаемостью, что уменьшает расстояние, на которое под напором ветра воздухоплавательный модуль смешается от наземного причального узла. Однако в частном случае, когда выделение большого участка земли под воздухоплавательный или летательный аппарат является проблемой, что имеет место в густонаселенных регионах, индустриальных областях и районах активного земледелия, такая мера является недостаточной. Здесь становится актуальным создание системы воздушного напора на аэростат, направленного против давления на нее высотного переменно-скоростного ветряного потока. Именно такой системой является дополнение предлагаемого устройства по меньшей мере одним электрическим авиадвигателем, работающим с переменной тягой, действующей против ветра. Двигатель крепится подветренно от аэростата на полке, соединяющей существующие кронштейны под флюгера. В этой связи интересно использование электрических авиамоторов концерна Siemens, которые при весе всего в 50 кг. развивают мощность в 260 кВт и скорость вращения воздушного винта до 2500 об/мин. Положительный результат от работы такой системы, если она надежно поддерживает наклон привязных тросов к земле не менее 60° против 30-45° у аналогов, выражается в 3-9 кратном сокращении площади землеотвода для производственной зоны повышенной опасности под любой действующую ветроэнергетический аэростат.The semi-rigid design of the aerostat using the inner skeleton allows the shell of lightweight fabric material to stably hold a spherical volumetric shape with good streamlining, which reduces the distance by which the aeronautical module is mixed from the ground berth unit under the pressure of the wind. However, in the particular case when the allocation of a large plot of land for a balloon or aircraft is a problem, which occurs in densely populated regions, industrial regions, and areas of active agriculture, such a measure is insufficient. Here, it becomes relevant to create a system of air pressure on a balloon directed against the pressure on it of a high-speed variable-speed wind flow. Such a system is the addition of the proposed device with at least one electric aircraft engine operating with variable thrust acting against the wind. The engine is mounted downwind from a balloon on a shelf connecting existing brackets for a weather vane. In this regard, it is interesting to use Siemens electric aircraft engines, which weigh only 50 kg. develop a power of 260 kW and a rotor speed of up to 2500 rpm. A positive result from the operation of such a system, if it reliably maintains the slope of the safety ropes to the ground at least 60 ° versus 30-45 ° for analogs, is expressed in a 3-9-fold reduction in the area of land allocation for the production zone of increased danger for any existing wind energy balloon.

Улучшению результата в описанном частном случае могут служить полые крылья, выдвинутые от крепежной базы в обе стороны симметрично и поперек ветряного потока. Пространственно выстроенные таким образом крылья, имея аэродинамический профиль, создают дополнительную подъемную силу, воздействующую на воздухоплавательный модуль аэроэнергостата. В качестве материала крыльев желательно использовать легкий пластик, армированный углеродным волокном. Вместе с тем дополнение воздухоплавательного модуля предлагаемого устройства аэродинамическими крыльями дает свой эффект только при наличии признака изобретения, что состоит в применении электрического авиадвигателя, создающего тягу противоположную ветряному напору.Improving the result in the described particular case can serve as hollow wings extended from the mounting base in both directions symmetrically and across the wind flow. Spatially arranged wings in this way, having an aerodynamic profile, create additional lifting force acting on the aeronautical module of the aeroelectrostat. As the material of the wings, it is desirable to use lightweight plastic reinforced with carbon fiber. However, the addition of the aeronautical module of the proposed device with aerodynamic wings gives its effect only if there is a sign of the invention, which consists in the use of an electric aircraft engine, which creates a thrust opposite to the wind pressure.

В вихревых потоках бухту трос-кабеля полезно оснастить собственным механическим приводом, программно управляемым так, что трос-кабель натягивается и возвращает стойке вертикальное положение, одновременно восстанавливая совпадение направленности оси вращения турбины с движением ветра. По прекращению вихря трос-кабель стравливается с бухты и возвращается в режим свободного свисания под воздухоплавательным модулем.In vortex flows, it is useful to equip the cable-cable bay with its own mechanical drive programmatically controlled so that the cable-cable is stretched and returns the rack to a vertical position, while restoring the coincidence of the direction of the axis of rotation of the turbine with the movement of the wind. Upon termination of the vortex, the cable-cable is discharged from the bay and returns to the free-hanging mode under the aeronautical module.

Дополнение дистанционного управления аэроэнергостатом и взрывозащищенного исполнения его электрооборудования фиксированными габаритами производственной зоны повышенной опасности под воздухоплавательным модулем создает реальные условия для замены гелия в качестве газонаполнителя аэростатной оболочки на водород, в семь раз более дешевым по ценам на рынке технически газов России. Появляется возможность создать комплекс из аэроэнергостата и электролитической установки, позволяющий не только вырабатывать водород для дозаправки аэростатной оболочки, но и служить накопителем излишков ветряной энергии.The addition of the remote control of the aeroelectric power station and the explosion-proof performance of its electrical equipment with the fixed dimensions of the production zone of increased danger under the aeronautical module creates real conditions for the replacement of helium as a gas filler of an aerostat shell with hydrogen, seven times cheaper at prices on the Russian technically gas market. There is an opportunity to create a complex of aeroelectric power and electrolytic installation, which allows not only to produce hydrogen to refuel the balloon, but also serve as a store of surplus wind energy.

По известным причинам ветроэнергетика стремится всемерно наращивать мощности каждой отдельной ВЭУ, что ведет к применению все более тяжеловесных силовых агрегатов. В силу этого, а также особых условий работы оборудования на высоте скоростных ветров, первоочередное значение имеют жесткость и прочность ответственных и самых нагруженных узлов воздухоплавательных модулей. Без этого меры по улучшению ориентации турбин на ветер, минимизации производственных площадей, другие улучшения свойств и качеств аэроэнергостата, его известных прототипов не приведут к получению электроэнергии промышленно значимых мощностей.For well-known reasons, wind power seeks to comprehensively increase the capacity of each individual wind turbine, which leads to the use of increasingly heavyweight power units. Due to this, as well as the special operating conditions of the equipment at the height of high-speed winds, the stiffness and strength of the critical and most loaded nodes of aeronautical modules are of prime importance. Without this, measures to improve the orientation of the turbines in the wind, minimize production areas, and other improvements in the properties and qualities of the aerostat, its well-known prototypes will not lead to the generation of electricity of industrially significant capacities.

Аэроэнергостат предназначен, прежде всего, для использования за пределами благоприятных атмосферно-климатических условий с сильными низовыми ветрами стабильной направленности, а именно там, где эффективная работа ветросиловых блоков ВЭУ возможна лишь под напором высотных ветров на уровне по меньшей мере в 300-600 метров от земной поверхности. Кроме того установка настоящей турбины, не требующая создания массивных фундаментов и строительных опор, предпочтительна на легких грунтах, в вечной мерзлоте и на ледовых шельфах, в зонах пылевых бурь и сейсмической активности.The aeroenergostat is primarily intended for use outside of favorable atmospheric and climatic conditions with strong lower winds of a stable direction, namely, where the effective operation of wind power units of wind turbines is possible only under the pressure of high-altitude winds at a level of at least 300-600 meters from the earth surface. In addition, the installation of a real turbine, which does not require the creation of massive foundations and building supports, is preferable on light soils, in permafrost and on ice shelves, in areas of dust storms and seismic activity.

Claims (3)

1. Аэростат ветроэнергетический, содержащий выполненные за одно целое полужесткий аэростат из внутреннего каркаса и мягкой оболочки, крепежную базу, прижатую к днищу аэростатной оболочки меридианными лентами, подветренные кронштейны с флюгерами, раму, чья плоскость перпендикулярна ветру, с горизонтальной перекладиной, а также ветросиловой блок из мультипликатора и генератора в корпусе гондолы, подветренной радиально-лопастной турбины, чья ось вращения совпадает с направлением ветра, привязные троса, трос-кабель и наземный причальный узел, на поворотной платформе которого установлены две соосные лебедки и кабельная бухта, отличающийся тем, что ветросиловой блок подвешен к перекладине с помощью узла, включающего в себя втулку, свободно одетую по центру перекладины, ниже расположенную вертикальную стойку, заканчивающуюся соединением с гондолой; перекладина усилена арочной фермой, а ниже площади, ометаемой лопастями турбины, боковины рамы соединены еще одной распорной перекладиной.1. A wind energy balloon, comprising a semi-rigid balloon made of the inner frame and soft shell made in one piece, a mounting base pressed against the bottom of the balloon by meridian ribbons, leeward brackets with weathercocks, a frame whose plane is perpendicular to the wind, with a horizontal crossbeam, and from a multiplier and a generator in the gondola body, the leeward radial-blade turbine, whose axis of rotation coincides with the direction of the wind, tethered cables, cable-cable and ground berth green, on the rotary platform of which there are two coaxial winches and a cable bay, characterized in that the wind power unit is suspended from the crossbar using a node that includes a sleeve, freely dressed in the center of the crossbar, a lower vertical stand ending with a connection to the gondola; the crossbar is reinforced with an arched truss, and below the area swept by the turbine blades, the sidewalls of the frame are connected by another spacer bar. 2. Аэростат по п. 1, отличающийся тем, что подветренные кронштейны соединены полкой, на которой установлен по меньшей мере один электрический авиадвигатель, работающий с переменной тягой, направленной против ветра.2. A balloon according to claim 1, characterized in that the leeward brackets are connected by a shelf on which at least one electric aircraft engine is installed, operating with variable thrust directed against the wind. 3. Аэростат по п. 2, отличающийся тем, что от крепежной базы выдвинуты в обе стороны симметрично и поперек ветряному потоку полые крылья аэродинамического профиля.3. The balloon according to claim 2, characterized in that the hollow wings of the aerodynamic profile are extended symmetrically and across the wind flow from the mounting base in both directions.
RU2017143110A 2017-12-11 2017-12-11 Wind powered balloon RU2662101C1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017143110A RU2662101C1 (en) 2017-12-11 2017-12-11 Wind powered balloon
PCT/RU2018/000735 WO2019117751A1 (en) 2017-12-11 2018-11-12 Wind energy aerostat

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017143110A RU2662101C1 (en) 2017-12-11 2017-12-11 Wind powered balloon

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2662101C1 true RU2662101C1 (en) 2018-07-23

Family

ID=62981678

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017143110A RU2662101C1 (en) 2017-12-11 2017-12-11 Wind powered balloon

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2662101C1 (en)
WO (1) WO2019117751A1 (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2703863C1 (en) * 2019-02-01 2019-10-22 Александр Владимирович Губанов Aero-energystat
RU2712468C1 (en) * 2019-03-22 2020-01-29 ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ КАЗЕННОЕ ВОЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого" МИНИСТЕРСТВА ОБОРОНЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Aerial and ground targets detection system
RU2721014C1 (en) * 2019-11-08 2020-05-15 Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Московской области "Университет "Дубна" (Государственный университет "Дубна") Method of wind and energy air flows energy conversion at medium altitudes in troposphere and device for its implementation
CN113602510A (en) * 2021-08-31 2021-11-05 扬州尚源智能交通科技有限公司 Aerial article mounting device based on wind power
RU2783564C1 (en) * 2022-07-20 2022-11-14 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" Air platform

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104061125A (en) * 2013-03-19 2014-09-24 宋少如 Balloon, airship and lifting kite aerial power generating device
CN104895744A (en) * 2015-06-18 2015-09-09 洛阳创知电子科技有限公司 Floating wind driven generator
RU2576103C1 (en) * 2015-01-27 2016-02-27 Александр Владимирович Губанов Floating wind generator
US9321518B1 (en) * 2014-05-06 2016-04-26 Peter Rabbino Vertically stable aerial platform

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104061125A (en) * 2013-03-19 2014-09-24 宋少如 Balloon, airship and lifting kite aerial power generating device
US9321518B1 (en) * 2014-05-06 2016-04-26 Peter Rabbino Vertically stable aerial platform
RU2576103C1 (en) * 2015-01-27 2016-02-27 Александр Владимирович Губанов Floating wind generator
CN104895744A (en) * 2015-06-18 2015-09-09 洛阳创知电子科技有限公司 Floating wind driven generator

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2703863C1 (en) * 2019-02-01 2019-10-22 Александр Владимирович Губанов Aero-energystat
RU2712468C1 (en) * 2019-03-22 2020-01-29 ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ КАЗЕННОЕ ВОЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого" МИНИСТЕРСТВА ОБОРОНЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Aerial and ground targets detection system
RU2721014C1 (en) * 2019-11-08 2020-05-15 Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Московской области "Университет "Дубна" (Государственный университет "Дубна") Method of wind and energy air flows energy conversion at medium altitudes in troposphere and device for its implementation
CN113602510A (en) * 2021-08-31 2021-11-05 扬州尚源智能交通科技有限公司 Aerial article mounting device based on wind power
RU2783564C1 (en) * 2022-07-20 2022-11-14 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" Air platform

Also Published As

Publication number Publication date
WO2019117751A1 (en) 2019-06-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2662101C1 (en) Wind powered balloon
US9327845B2 (en) Spar buoy platform
US11370522B2 (en) High altitude gravity energy storage
US9030038B2 (en) Tethered airborne wind power generator system
RU2703863C1 (en) Aero-energystat
RU2576103C1 (en) Floating wind generator
US9732731B2 (en) Pivoting perch for flying wind turbine parking
US9321518B1 (en) Vertically stable aerial platform
WO2010007466A1 (en) Systems and methods for tethered wind turbines
NO812544L (en) WIND DRIVE ELECTRIC POWER GENERATOR.
WO2010006433A1 (en) Airborne wind powered generator
CN104986319B (en) A kind of installation method of vector propulsion device, dirigible and vector propulsion device
RU2535427C1 (en) Aero-high-altitude wind power generator
RU2602650C1 (en) Aerostatic balloon natatorial wind turbine
RU2572469C1 (en) Aerofloating windrotor
RU2594827C1 (en) Aerostat wing for wind energy purposes
RU2612492C1 (en) Terrestrial aeronautical wind turbine generator
RU2671667C1 (en) Aeroenergostat ground-generator
RU2638237C1 (en) Ground-generator wind engine
RU2656521C1 (en) Aerial high-attitude wind power plant with double wind-rotor
RU2637589C1 (en) Wind mill aerostat-floating engine
RU2762471C1 (en) Mobile aeroenergostat module
RU2703098C1 (en) Soft-balloon aeroenergostat
RU2729306C1 (en) Catamaran aeroenergostat
CN106762434A (en) A kind of floating air bag of high altitude wind power generator