RU2703098C1 - Soft-balloon aeroenergostat - Google Patents

Soft-balloon aeroenergostat Download PDF

Info

Publication number
RU2703098C1
RU2703098C1 RU2019106033A RU2019106033A RU2703098C1 RU 2703098 C1 RU2703098 C1 RU 2703098C1 RU 2019106033 A RU2019106033 A RU 2019106033A RU 2019106033 A RU2019106033 A RU 2019106033A RU 2703098 C1 RU2703098 C1 RU 2703098C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
wind
module
rotation
unit
cylinders
Prior art date
Application number
RU2019106033A
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 RU2019106033A priority Critical patent/RU2703098C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2703098C1 publication Critical patent/RU2703098C1/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
    • F03D9/30Wind 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
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70Wind energy
    • Y02E10/728Onshore wind turbines

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Wind Motors (AREA)

Abstract

FIELD: power engineering.
SUBSTANCE: invention relates to wind-driven power plants, radial-blade turbines of which have axes of rotation coinciding with direction of wind. Soft-balloon aeroenergostat comprises aeronautical module of deltoid contour in horizontal projection, consisting of arched-bridge truss perpendicular to direction of wind, cylindrical cylinders filled with light gas, a wind-powered unit from a nacelle with an internal electric generator and a radial-vane turbine, whose axis of rotation, as well as longitudinal axes of the cylinders, coincides with the direction of the wind, vertically raised tail fins. Module is connected by flexible attachment elements with mooring assembly, in which there is concrete pedestal with central axis of rotation, around it rope-cable coil is rotated together with program-controlled drive mechanism. At least two parallel-spaced apart trusses are used in the module composition, which are connected as a whole to the bearing frame by rigid, transverse trusses, ribs, their lower edges resting on bent upper beams trusses arranged on them with equal pitch and formation of intercostal channels of the same profile and area in cross section. In the center of the channels there are sealed hose assemblies, on the sides and on top of which there are two soft gas-filled balloons, which are tightly covered from above with a composite body from elements that are attached to the upper edges of carcass ribs. Vertically raised tail unit is double-made, in the gap between them at the base there is a compressor, through the collector and automatic valves supplying compressed air into the hose from their leeward faces, and above installed is transmission mechanism of change of angle of attack to wind of axes of rotation of air-screw electric aero-engines of alternating thrust and opposite rotation, which are lifted above the set-up body of module and moved apart in symmetry from double tail fins.
EFFECT: invention is aimed at reduction of own weight of aeroenergostat aerostatic module, providing high strength and rigidity of module, sufficient for lifting to height of high-speed winds of massive wind-power unit of large industrial power.
1 cl, 4 dwg

Description

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

Настоящее устройство относится к ветроэнергетическим установкам, радиально-лопастные турбины которых имеют оси вращения, совпадающие с направлением ветра.This device relates to wind turbines, radial-blade turbines which have rotation axes that coincide with the direction of the wind.

В области мировой промышленной ветроиндустрии проявились негативные факторы, начинающие сдерживать развитие данного вида использования возобновляемых источников энергии. В научном журнале Energy опубликовано исследование Китайской академии наук и Университета Пердью в США, утверждающее что в Северном полушарии в период с 1979 по 2016 год замедляется скорость ветра в приземном атмосферном слое по данным 67% из 1000 метеорологических станций. В связи с уменьшением скорости приземного ветра, его потенциал на типичной высоте в 100-120 метров коммерческих ветряных турбин претерпел ветроэнергетические потери за последние четыре десятилетия более всего в Азии на 80%, затем в Европе (50%) и Северной Америки (30%). К сожалению данное исследование не установило причин выявленного процесса, ограничившись рядом предположений. Вместе с тем сам факт совместного участия китайских и американских ученых в проведении метеорологического мониторинга заслуживает пристального внимания, что признается специалистами ветроэнергетической отрасли, в том числе из числа тех, что критикуют исследование за слабость методологии и недостатки моделирования.Negative factors have appeared in the world industrial wind industry, which are starting to restrain the development of this type of use of renewable energy sources. A study by the Chinese Academy of Sciences and Purdue University in the United States has been published in the scientific journal Energy by claiming that in the Northern Hemisphere, wind speed in the surface atmospheric layer slows down from 1979 to 2016, according to 67% of 1,000 weather stations. Due to the decrease in surface wind speed, its potential at a typical altitude of 100-120 meters of commercial wind turbines has suffered wind energy losses over the past four decades, most of all in Asia by 80%, then in Europe (50%) and North America (30%) . Unfortunately, this study did not establish the causes of the identified process, limiting itself to a number of assumptions. At the same time, the very fact of the joint participation of Chinese and American scientists in conducting meteorological monitoring deserves close attention, which is recognized by experts in the wind energy industry, including those who criticize the study for the weakness of the methodology and modeling flaws.

По данным Американской ассоциации ветроэнергетики (AWEA) в 2017-18 годах в Штатах имел место всего лишь шестой результат прироста мощностей ветровых электростанций за всю историю освоения энергии ветров системами наземного базирования. Близкой к этому является общая картина. Так по сведениям Глобального совета ветроэнергетики (GWEC) снижение установленных мощностей в мире за 2018 год составило 3,6%, прежде всего из-за падения показателей в Европе на 37%, что является худшим результатом текущего десятилетия. Опережая упомянутую информацию, Министерство энергетики США сделало заявление о близком исчерпании пространств страны с сильными низовыми ветрами, благоприятными для инвестирования в промышленные ветроэнергетические объекты и станции. В этой связи были намечены два направления технологической модернизации: - создание на суше воздухоплавательных турбин ветроэнергетического назначения (AWE); - реализация программы ATLANTIS по применению на море летательных энергосистем (FOWT).According to the American Wind Energy Association (AWEA), in 2017-18 in the United States there was only the sixth result of an increase in the capacity of wind power plants in the entire history of the development of wind energy by ground-based systems. Close to this is the overall picture. Thus, according to the Global Wind Energy Council (GWEC), the decrease in installed capacities in the world in 2018 amounted to 3.6%, primarily due to a 37% drop in Europe, which is the worst result of the current decade. Ahead of the above information, the US Department of Energy made a statement about the near exhaustion of the country with strong lower winds favorable for investing in industrial wind power facilities and stations. In this regard, two areas of technological modernization were outlined: - creation of land-based wind energy turbines (AWE); - Implementation of the ATLANTIS program for the use of marine power systems (FOWT) at sea.

При этом, принимая во внимание, что ряд частных американских и одна канадская компании, уже провели пилотные испытания на суше ветроэнергетических аппаратов воздушного базирования на высоте 300-600 метров, но не смогли развить достигнутых успехов до уровня промышленной значимости, ограничившись генерацией малой мощности до 15 кВт, не решили главную проблему высотных технологий, что заключается в большом смещении воздухоплавательных и особенно летательных ветросиловых блоков от наземных узлов привязки с неприемлемыми при этом затратами земельных ресурсов, министерство передало решение данной проблемы NASA, поручив Агентству отбор пилотных проектов AWE мощностью не менее 150 кВт с минимизированными ресурсными издержками.At the same time, taking into account that a number of private American and one Canadian companies have already conducted pilot tests on land of air-based wind power devices at an altitude of 300-600 meters, but could not develop the achieved successes to the level of industrial significance, limiting themselves to generating low power up to 15 kW, did not solve the main problem of high-altitude technologies, which consists in a large displacement of aeronautical and especially flying wind power units from ground anchor points with unacceptable costs of of raw materials, the Ministry handed over the solution to this problem to NASA, instructing the Agency to select AWE pilot projects with a capacity of at least 150 kW with minimized resource costs.

Что касается летательных установок ВИЭ-генерации электроэнергии от ветра, то от них практически отказались на суше и рассматривают их использование исключительно в варианте морского базирования, где территориальный фактор значения не имеет, но существует ограничение, делающее их возможными исключительно на мелководных шельфах, которых не так много по береговой линии мирового океана. Например, глубины вдоль тихоокеанского побережья Северной и Южной Америк, с восточной стороны Японии резко уходят вниз на 100 и более метров, что обязывает технически решить для летательных ВЭУ проблему надежной привязки по месту дислокации над водной поверхностью без строительной опоры на морское дно.As regards the aircraft RES-generation power generation from the wind, they were practically abandoned on land and consider their use exclusively in the option of sea-based, where the territorial factor does not matter, but there is a limitation that makes them possible only on shallow shelves, which are not so a lot along the coastline of the oceans. For example, the depths along the Pacific coast of North and South America, on the eastern side of Japan, sharply go down by 100 meters or more, which obliges us to technically solve the problem of reliable attachment to a place of deployment above a water surface without building support on the seabed for flying wind turbines.

В значительной мере земельную проблему ВЭУ воздушного базирования решает аэростат ветроэнергетический (патент RU 2662101 С1, 11.12.2017), в воздухоплавательной модуле которого использованы воздушно-винтовые электрические электродвигатели переменной тяги, направленной против ветра, чем уменьшается смещение модуля от наземного причального узла в 2-3 раза. Авиадвигатели закреплены между флюгерами на подветренной стороне шаровидной газонаполненной оболочки, форма которой является его достоинством в виду предельно минимизированной площади поверхности и уменьшенного расхода тканепленочного материала при создании аэростатного ветрогенератора. Вместе с тем эта форма оболочки имеет большую парусность и, поскольку удельный напор на поверхность при скорости ветра 25-30 м/с достигает 15-20 кгс/м2, авиадвигатели потребляют лишком много энергии, расход которой можно уменьшить в 5-6 раз, применив оболочку продольно-вытянутой обтекаемой формы.To a large extent, the land-based problem of air-based wind turbines is solved by a wind-driven aerostat (patent RU 2662101 C1, 12/11/2017), in the aeronautical module of which variable-thrust air-propelled electric motors are used, directed against the wind, which reduces the module’s displacement from the ground berthing site by 2- 3 times. Aircraft engines are fixed between the weathercocks on the leeward side of a spherical gas-filled shell, the shape of which is its advantage in view of the extremely minimized surface area and reduced consumption of fabric film material when creating an aerostatic wind generator. However, this shape of the shell has a large windage and, since the specific pressure on the surface at a wind speed of 25-30 m / s reaches 15-20 kgf / m2, aircraft engines consume too much energy, the consumption of which can be reduced by 5-6 times by applying longitudinally elongated streamlined shell.

Прототипом изобретения является аэростатно-плавательный ветродвигатель (патент RU 2602650 С1, 26.01.2016, РСТ публикация WO 2017131551, 03.08.2017), положительную плавучесть воздухоплавательному модулю которого создают газонаполненные баллоны, взаимосвязано уложенные поперек арочно-мостовой фермы, перпендикулярной направленности ветра, так что образуют выгнутую вверх конструкцию, имеющую в горизонтальной проекции дельта-видный контур. Ветросиловой блок закреплен на горизонтальной балке фермы и имеет радиально-лопастную турбину, чья ось вращения совпадает с направлением ветра. Ветродвигатель обладает хорошей обтекаемостью и способностью планировать в потоках воздуха. Однако устройство не предполагает использования мягких цилиндрических оболочек, с которыми модуль имел бы меньший собственный вес. Из-за точечного соединения баллонов с верхней выгнутой балкой единственной фермы, крепежные узлы работают под тяжестью ветросилового блока промышленной мощности со значительными нагрузками, которые могут деформировать и даже разорвать тонкостенные оболочки жестких баллонов. Для получения от ветра электроэнергии промышленных мощностей, требующих применения многотонных ветрогенераторов, такая конструктивно-силовая схема воздухоплавательного модуля совершенно не подходит. Ветродвигатель не обладает средствами решения земельной проблемы воздухоплавательных аппаратов энергетического назначения, не в состоянии устранять большое смещение высотного модуля от наземного причального узла.The prototype of the invention is a balloon-floating wind turbine (patent RU 2602650 C1, 01/26/2016, PCT publication WO 2017131551, 08/03/2017), the positive buoyancy of the aeronautical module of which is created by gas-filled cylinders interconnected across the arch bridge bridge, perpendicular to the wind direction, so that form an upwardly curved structure having a delta-shaped contour in horizontal projection. The wind power unit is mounted on the horizontal beam of the farm and has a radial-blade turbine, whose axis of rotation coincides with the direction of the wind. The wind turbine has good streamlining and the ability to plan in air currents. However, the device does not involve the use of soft cylindrical shells, with which the module would have a lower dead weight. Due to the point-wise connection of the cylinders with the upper curved beam of a single truss, the fastening units operate under the weight of a wind power unit of industrial capacity with significant loads that can deform and even break the thin-walled shells of rigid cylinders. To obtain electric power from the wind of industrial capacities that require the use of multi-ton wind generators, such a structural-power circuit of the aeronautical module is completely inappropriate. The wind turbine does not have the means to solve the land problem of energy-based aeronautical apparatuses, and is not able to eliminate the large displacement of the high-altitude module from the ground berth unit.

В воздухоплавательных аппаратах форма мягких и полужестких оболочек окончательно формируется и поддерживается, достигается натяжение и гладкость поверхности оболочек при помощи внутренних герметичных баллонетов, которые после заполнения их сжатым воздухом создают в оболочках избыточное давление (патент US 20110101692 А, 05.05.2011; патент RU 2679060 С1, 15.02.2018). Однако нахождение баллонетов внутри оболочек создает эксплуатационные трудности при их осмотрах, ремонте и замене.In aeronautical apparatuses, the shape of soft and semi-rigid shells is finally formed and maintained, the tension and smoothness of the surface of the shells are achieved using internal sealed balloons, which, after filling them with compressed air, create excess pressure in the shells (patent US 20110101692 A, 05.05.2011; patent RU 2679060 C1 02/15/2018). However, the location of the ballonet inside the shells creates operational difficulties during their inspection, repair and replacement.

Сущность технического решения состоит в том, что в аэроэнергостате создан прочный несущий каркас из по меньшей двух, перпендикулярных направлению ветра, параллельно раздвинутых в один ряд арочно-мостовых ферм, верхние выгнутые балки которых соединены жесткими поперечными фермам ребрами с образованием межреберных каналов, куда вложены попарно элементы, наполняемые легким газом и накрытые наборным кузовом, что позволяет использовать мягкие цилиндрические баллоны из легких тканепленочных материалом. Устойчивость формы и гладкость поверхности газонаполненных баллонов достигается без применения внутренних баллонетов, а поддерживается, расположенными снизу парных баллонов, по всей длине и центру упомянутых межреберных каналов, пневморукавами, которые при их заполнении сжатым воздухом сдавливают снаружи оболочки баллонов, создавая в них избыточное давление. Аэроэнергостат может быть приспособлен к применению системы оптимального зависания воздухоплавательного модуля непосредственно над наземным причальным узлом со стабильной вертикальностью привязных трос-кабелей за счет дислокации воздушно-винтовых электрических авиадвигателей переменной тяги и встречного вращения снаружи двойного вертикально-поднятого хвостового оперения, внутри которого помещен общий для авиадвигателей трансмиссионный механизм.The essence of the technical solution consists in the fact that a strong supporting frame of at least two, perpendicular to the wind direction, parallel to the same row of arched bridge trusses, the upper curved beams of which are connected by rigid transverse trusses with ribs with the formation of intercostal channels, into which are inserted in pairs elements filled with light gas and covered with a stacked body, which allows the use of soft cylindrical cylinders of light fabric-textile material. The shape stability and surface smoothness of gas-filled cylinders is achieved without the use of internal balloons, and is supported by pneumatic hoses located below the pair of cylinders along the entire length and center of the said intercostal channels, which, when filled with compressed air, compress the outside of the cylinder shell, creating excessive pressure in them. Aeroenergostat can be adapted to use the system of optimal hovering of the aeronautical module directly above the ground mooring unit with stable verticality of tethered cable-cables due to the dislocation of air-screw electric aircraft engines of variable thrust and counter-rotation from the outside of a double vertically raised tail unit, inside of which is common for aircraft engines transmission mechanism.

Целью изобретения является уменьшение собственного веса воздухоплавательного модуля аэроэнергостата, обеспечение при этом высокой прочности и жесткости модуля, достаточными для подъема на высоту скоростных ветров массивного ветросилового блока большой промышленной мощности.The aim of the invention is to reduce the dead weight of the aeronautical aerostat module, while ensuring high strength and rigidity of the module, sufficient to lift high-speed winds of a massive wind power block of large industrial power.

Поставленная цель достигается тем, что в составе воздухоплавательного модуля аэроэнергостата создан несущий каркас, сформированный из по меньшей мере двух, перпендикулярных направления ветра, параллельно раздвинутых в один ряд, арочно-мостовых ферм, соединенных жесткими поперечными фермам ребрами, опирающимися нижними кромками на выгнутые верхние балки ферм, будучи расставлены на них с равным шагом и образованием межреберных каналов одинакового профиля и площади в поперечном сечении. По центру каждого межреберного канала уложены герметичные пневморукава, сверху и по бокам от которых помещаются два мягких газонаполняемых баллона. Загруженные таким образом каналы накрыты наборным кузовом, чьи элементы соединяются с верхними кромками каркасных ребер. На корме модуля предусмотрено двойное вертикально-поднятое хвостовое оперение, по центру которого у основания закреплен компрессор, подающий сжатый воздух через коллектор и автоматические клапана в пневморукава, а выше помещен трансмиссионный механизм и, связанные с ним, поднятые над наборным кузовом модуля, симметрично раздвинутые в обе стороны от оперения воздушно-винтовые электрические авиадвигатели переменной тяги и встречного вращения.This goal is achieved by the fact that as part of the aeronautical aeronautostat aeronautical module, a supporting frame is created, formed from at least two perpendicular wind directions, parallel spaced apart in one row, arch-bridge trusses connected by rigid transverse trusses with ribs resting lower edges on curved upper beams farms, being placed on them with equal pitch and the formation of intercostal canals of the same profile and area in cross section. Sealed pneumatic hoses are placed in the center of each intercostal canal, two soft gas-filled cylinders are placed on top and on the sides of them. The channels loaded in this way are covered by a stacked body, whose elements are connected to the upper edges of the frame ribs. A double vertically raised tail unit is provided at the rear of the module, in the center of which a compressor is fixed at the base, which supplies compressed air through the manifold and automatic valves to the pneumatic hose, and above is the transmission mechanism and, associated with it, raised above the module body of the module, symmetrically spaced apart both sides of the plumage are air-screw electric aircraft engines of variable thrust and oncoming rotation.

Авиадвигатели могут подключаться к системе управления компьютерным процессором оптимальной пространственной фиксацией высотного модуля, состоящей из датчиков давления ветра на поверхности модуля, зубчатой передачи от исполнительного механизма вращения на горизонтальную поворотную балку причального узла.Aircraft engines can be connected to the computer processor control system by the optimal spatial fixation of the altitude module, consisting of wind pressure sensors on the module surface, a gear from the rotational actuator to the horizontal rotary beam of the mooring unit.

На фиг. 1 показан вид со стороны ветра на воздухоплавательный модуль аэроэнергостата мягко-баллонного; на фиг 2 - вид со стороны ветра на наземный причальный узел того же устройства; на фиг. 3 - воздухоплавательный модуль в продольном сечении без компрессора и его коллектора с автоматическими клапанами; на фиг. 4 - вид снизу на тот же модуль без двойного хвостового оперения с трансмиссионным механизмом и авиадвигателями.In FIG. 1 shows a view from the side of the wind of the aeronautical module of the soft-balloon aeronerostat; in Fig.2 is a view from the side of the wind on the land mooring unit of the same device; in FIG. 3 - aeronautical module in longitudinal section without a compressor and its manifold with automatic valves; in FIG. 4 is a bottom view of the same module without double tail unit with a transmission mechanism and aircraft engines.

Аэроэнергостат мягко-баллонный состоит из воздухоплавательного модуля и наземного причального узла, соединенных привязными трос-кабелями 1. В свою очередь модуль включает в себя по меньшей мере две арочно-мостовые фермы 2, перпендикулярные направлению ветра, параллельно раздвинутые и выставленные в один ряд. К нижней горизонтальной балке наветренной фермы подвешен ветросиловой блок из гондолы 3 с внутри корпусным электрогенератором и радиально-лопастной турбиной 4, ось вращения которой совпадает с направлением ветра. Фермы и, соединяющие их, жесткие поперечные фермам ребра 5 формируют несущий каркас модуля. При этом ребра с равным шагом расставлены на верхних выгнутых балках ферм, опираются на них своими нижними кромками с образованием межреберных каналов одинакового профиля и площади в поперечном сечении. По всей длине и центру каждого такого канала уложены герметичные пневморукава 6, с боков и сверху которых помещаются два мягких газонаполненных баллона 7, плотно накрытые сверху элементами наборного кузова 8, что крепятся к верхним кромкам каркасных ребер. Образующие центрально-осевой межреберный канал каркасные ребра на подветренной стороне заканчиваются двойным вертикально-поднятым хвостовым оперением 9, внутри которого у его основания размещен компрессор 10, подающий сжатый воздух через коллектор 11 и автоматические клапана 12 в герметичные пневморукова. Там же над компрессором находится трансмиссионный механизм 13 изменения угла атаки на ветер осей вращения воздушно-винтовых электрических авиадвигателей 14 переменной тяги и встречного вращения, которые приподняты над наборным кузовом модуля и смещены симметрично в обе стороны от двойного хвостового оперения. На наветренных торцах верхней пары газонаполненных баллонов могут находится датчики давления ветра 15, такие же датчики 15.1 и 15.2 располагаться на обеих периферийных боковых поверхностях воздухоплавательного модуля. При этом наземный причальный узел состоит из бетонной тумбы 16 с центральной осью 17, на которую насажена горизонтальная поворачивающаяся балка 18, на оконечностях которой установлены трос-кабельные бухты 19, чьи приводные механизмы 20 управляются программно. Повороты балки причального узла осуществляются по командам от процессора исполнительным механизмом 21 через зубчатую передачу 22.The soft-balloon aeroelectric thermostat consists of an aeronautical module and a land mooring unit connected by tethered cable cables 1. In turn, the module includes at least two arch-bridge trusses 2, perpendicular to the direction of the wind, spaced apart and aligned in parallel. A wind power unit from a nacelle 3 is suspended from the bottom horizontal beam of the windward truss with an inside case electric generator and a radial-blade turbine 4, the axis of rotation of which coincides with the direction of the wind. The trusses and, connecting them, rigid ribs 5, transverse to the trusses, form the supporting frame of the module. In this case, the ribs with equal pitch are placed on the upper curved beams of the trusses, rest on them with their lower edges with the formation of intercostal channels of the same profile and area in cross section. Sealed pneumatic hoses 6 are laid along the entire length and center of each such channel, on the sides and on top of which are placed two soft gas-filled cylinders 7, which are tightly covered on top with elements of the typeset body 8 that are attached to the upper edges of the frame ribs. The frame ribs forming the central-axial intercostal canal on the leeward end with a double vertically raised tail unit 9, inside of which a compressor 10 is located at its base, supplying compressed air through the manifold 11 and automatic valves 12 to the airtight pneumatic hoses. There, above the compressor, there is a transmission mechanism 13 for changing the angle of attack of wind axes of rotation of variable-thrust and counter-rotation air-propelled electric aircraft engines 14, which are raised above the module body and are displaced symmetrically to both sides of the double tail. At the windward ends of the upper pair of gas-filled cylinders, wind pressure sensors 15 can be located, the same sensors 15.1 and 15.2 can be located on both peripheral lateral surfaces of the aeronautical module. In this case, the land mooring unit consists of a concrete pedestal 16 with a central axis 17, on which a horizontal swinging beam 18 is mounted, at the ends of which cable-cable coils 19 are installed, whose drive mechanisms 20 are programmatically controlled. Turns of the beam of the mooring unit are carried out by commands from the processor by the actuator 21 through the gear transmission 22.

Аэроэнергостат работает следующим образом. После сборки на местности воздухоплавательного модуля устройства и сооружения его наземного причального узла, мягкие баллоны аэроэнергостата заполняются легким газом до приобретения модулем положительной плавучести. Затем открываются автоматические клапана и включается компрессор, закачивающий через коллектор сжатый воздух в герметичные пневморукава, которые сдавливают стенки баллонов и создают в них избыточное давление. Баллоны получают законченную форму, натяжение и гладкость поверхности. Привязные трос-кабели синхронно стравливаются с барабанов кабельных бухт и воздухоплавательный модуль поднимается на высоту 300-600 метров до уровня ветров, имеющих скорость 25-30 м/с. Нагрузка от веса массивного ветросилового блока равномерно распределяется, не создавая в тканепленочных оболочках газонаполненных баллонов локальных разрушающих напряжений. В процессе подъема модуль, благодаря его боковой парусности и двойного хвостового оперения, способности балки причального узла поворачиваться вместе с оборудованием на ней, разворачивается так, что ось вращения радиально-лопастной турбины совпадает с направлением ветра. При этом работающие авиадвигатели не дают модулю сместиться от причального узла, а привязным трос-кабелям утратить вертикальность свисания, скрещиваться и скручиваться. Скоростной напор ветра вращает турбину, механическая энергия поступает в электрогенератор, где преобразуется в электрическую энергию промышленной мощности, направляемую по трос-кабелям в контроллер, аккумуляторную батарею и инвертор, после чего поступает к внешним потребителям. Небольшая часть выработанной энергии возвращается и обеспечивает работу электрооборудования аэроэнергостата.Aeroenergostat works as follows. After assembling the device’s aeronautical module on the ground and constructing its land mooring unit, the soft balloons of the aeroelectrostat are filled with light gas until the module acquires positive buoyancy. Then the automatic valves open and the compressor is turned on, pumping compressed air through the manifold into airtight pneumatic hoses, which compress the walls of the cylinders and create excess pressure in them. Cylinders get the finished shape, tension and smoothness of the surface. Tether cables are simultaneously pushed from the reels of cable bays and the aeronautical module rises to a height of 300-600 meters to the level of winds having a speed of 25-30 m / s. The load due to the weight of the massive wind-driven block is evenly distributed, without creating local destructive stresses in the fabric-film casings of gas-filled gas cylinders. In the process of lifting, the module, due to its lateral windage and double tail, the ability of the beam of the mooring unit to rotate with the equipment on it, is deployed so that the axis of rotation of the radial-blade turbine coincides with the direction of the wind. At the same time, working aircraft engines do not allow the module to move away from the mooring unit, and the tethered cables lose the verticality of the overhang, cross and twist. High-speed wind pressure rotates the turbine, mechanical energy is supplied to an electric generator, where it is converted into industrial power electric energy sent via cable cables to a controller, battery and inverter, after which it is supplied to external consumers. A small part of the generated energy is returned and ensures the operation of the electrical equipment of the aeroelectric power station.

При смене направления ветра начинает работать пространственная переориентация модуля на новые аэродинамические условия. Модуль благодаря двойному хвостовому оперению и связи с горизонтальной поворотной балкой причального узла самостоятельно перестраивается на боковой ветер. Однако при этом может произойти скручивание привязных трос-кабелей. Вероятность такого нежелательного эффекта может предотвращать система принудительного поворота балки наземного причального узла. Как только процессор установки получает сигналы, что давление ветра на датчики, установленные на наветренных торцах верхней пары баллонов становится равно или меньше, чем давление ветра на датчики с той или другой боковой стороны модуля, подается компьютерная команда на исполнительный механизм причального узла, который через зубчатую передачу поворачивает балку того же узла с оборудованием на ней в положение перпендикулярное новому направления ветра.When the wind direction changes, the spatial reorientation of the module to new aerodynamic conditions begins to work. Thanks to the double tail unit and the connection with the horizontal swivel beam of the mooring unit, the module is independently reconstructed to the side wind. However, this may cause twisting of the attached cable cables. The likelihood of such an undesirable effect can be prevented by a system for forcing the beam of a land mooring unit. As soon as the installation processor receives signals that the wind pressure on the sensors installed on the windward ends of the upper pair of cylinders becomes equal to or less than the wind pressure on the sensors on one or the other side of the module, a computer command is sent to the actuator of the mooring unit, which through the gear the transmission rotates the beam of the same assembly with the equipment on it to a position perpendicular to the new wind direction.

Модуль такого аэроэнергостата обладает приемлемой поперечной устойчивостью, которая может при необходимости корректироваться за счет программного управления приводными механизмами трос-кабельных бухт. Однако воздухоплавательные модули всех подобных устройств обладают продольной неустойчивостью, переменный напор ветра на турбину раскачивает корму аэростатов. Это явление гасят авиадвигатели, управляемые общим трансмиссионным механизмом изменения угла атаки на ветер. Они же могут быть подключены к системе стабильного зависания модуля над причальным узлом.The module of such an aeroenergostat has an acceptable lateral stability, which can be adjusted if necessary due to software control of the drive mechanisms of cable-cable bays. However, the aeronautical modules of all such devices have longitudinal instability, and the variable pressure of the wind on the turbine sways the stern of the balloons. This phenomenon is suppressed by aircraft engines controlled by a common transmission mechanism for changing the angle of attack on the wind. They can also be connected to a system of stable module hovering above the mooring unit.

Как отдельные базовые, так и новые элементы модуля, соединяющие арочно-мостовые фермы в несущий каркас, а также образующие наборный кузов, могут быть произведены из композитных материалов, частично в перфорированном исполнении, что снижает их вес на 20-30 и более процентов. Цели изобретения способствует также без редукторная передача вращения турбины к электрогенератору при помощи прямого привода (Direct Drive), что уменьшает вес ветросилового /блока и на 35-40% снижает потребности в аэростатном газе.Both individual basic and new module elements connecting arched bridge trusses to the supporting frame, as well as forming a stacked body, can be made of composite materials, partially in perforated design, which reduces their weight by 20-30 or more percent. The invention also contributes to the gearless transmission of the rotation of the turbine to the generator using a direct drive (Direct Drive), which reduces the weight of the wind power / unit and reduces the need for balloon gas by 35-40%.

Таким образом настоящий аэроэнергостат: - за счет создания прочного несущего каркаса и уменьшении собственного веса модуля благодаря применения мягких газонаполненных баллонов, способен поднять до скоростных атмосферных потоков массивные ветросиловые агрегаты, генерирующие большие промышленные мощности в несколько тысяч кВт электроэнергии, - обладает эксплуатационным преимуществом, не используя внутренних баллонетов, - может успешно решать земельную проблему ветроэнергетических аппаратов воздушного базирования, тем самым улучшив перспективы их практического применения.Thus, a real aeroenergostat: - by creating a solid supporting frame and reducing the module's own weight due to the use of soft gas-filled cylinders, is capable of raising massive wind power units generating high industrial capacities of several thousand kW of electricity to high-speed atmospheric flows - has an operational advantage without using internal ballonets, - can successfully solve the land problem of air-based wind power devices, thereby improving prospects for their practical application.

Claims (2)

1. Аэроэнергостат мягкобаллонный, содержащий воздухоплавательный модуль дельтавидного контура в горизонтальной проекции, состоящий из перпендикулярной направлению ветра арочно-мостовой фермы, цилиндрических баллонов, наполняемых легким газом, ветросилового блока из гондолы с внутрикорпусным электрогенератором и радиально-лопастной турбиной, чья ось вращения, как и продольные оси баллонов, совпадает с направлением ветра, вертикально-поднятого хвостового оперения, модуль соединен гибкими привязными элементами с причальным узлом, в составе которого имеются бетонная тумба с центральной осью вращения, вокруг нее поворачивается трос-кабельная бухта вместе с программно управляемым приводным механизмом, отличающийся тем, что в составе модуля используются по меньшей мере две параллельно раздвинутые в один ряд фермы, соединенные за одно целое в несущий каркас жесткими, поперечными фермам, ребрами, своими нижними кромками опирающимися на выгнутые верхние балки ферм, расставленными на них с равным шагом и образованием межреберных каналов одинакового профиля и площади в поперечном сечении, по центру каналов уложены герметичные пневморукава, с боков и сверху которых помещаются по два мягких газонаполненных баллона, сверху плотно накрытые наборным кузовом из элементов, что крепятся к верхним кромкам каркасных ребер; вертикально-поднятое хвостовое оперение исполнено двойным, в промежутке между ними у их основания размещается компрессор, через коллектор и автоматические клапана подающий сжатый воздух в пневморукава со стороны их подветренных торцов, а выше установлен трансмиссионный механизм изменения угла атаки на ветер осей вращения воздушно-винтовых электрических авиадвигателей переменной тяги и встречного вращения, поднятых над наборным кузовом модуля и раздвинутых в обе стороны симметрично от двойного хвостового оперения.1. A soft-balloon aeroelectric thermostat, containing a horizontal projection of the deltoid-shaped aeronautical module, consisting of an arched bridge truss perpendicular to the wind direction, cylindrical cylinders filled with light gas, a nacelle wind power unit with an internal electric generator and a radial-vane turbine, whose rotation axis is the longitudinal axis of the cylinders, coincides with the direction of the wind, vertically raised tail unit, the module is connected by flexible harness elements to the mooring unit, in which has a concrete pedestal with a central axis of rotation, a cable-cable bay rotates around it together with a program-controlled drive mechanism, characterized in that at least two trusses are parallelly spaced in one row, connected in a single unit to the supporting frame rigid, transverse trusses, ribs, their lower edges resting on curved upper truss beams, placed on them with equal pitch and the formation of intercostal canals of the same profile and area in pop a cross-section, in the center of the channels, sealed pneumatic hoses are laid, on the sides and on top of which are placed two soft gas-filled cylinders, tightly covered on top with a stacked body of elements that are attached to the upper edges of the frame ribs; the vertically raised tail unit is double, in the gap between them at the base of the compressor is located, through the manifold and automatic valves supplying compressed air to the pneumatic hose from the side of their leeward ends, and above the transmission mechanism for changing the angle of attack of the wind axes of rotation of the air-screw electric aircraft engines of variable thrust and oncoming rotation, raised above the typesetting body of the module and spaced in both directions symmetrically from the double tail. 2. Аэроэнергостат по п. 1, отличающийся тем, что на поверхностях модуля расставлены датчики давления ветра, взаимодействующие через процессор с исполнительным механизмом, который входит в состав причального узла и который через зубчатую передачу вращает насаженную на центральную ось горизонтальную поворотную балку с двумя трос-кабельными бухтами и их приводами, при этом бухты с оборудованием равновелико раздвинуты от оси вращения на противолежащие оконечности поворотной балки.2. Aeroenergostat according to claim 1, characterized in that wind pressure sensors are placed on the module surfaces, interacting through a processor with an actuator, which is part of the mooring unit and which rotates a horizontal rotary beam with two cable mounted on the central axis through a gear cable bays and their drives, while the bays with equipment are equally spaced from the axis of rotation to the opposite ends of the rotary beam.
RU2019106033A 2019-03-04 2019-03-04 Soft-balloon aeroenergostat RU2703098C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019106033A RU2703098C1 (en) 2019-03-04 2019-03-04 Soft-balloon aeroenergostat

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019106033A RU2703098C1 (en) 2019-03-04 2019-03-04 Soft-balloon aeroenergostat

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2703098C1 true RU2703098C1 (en) 2019-10-15

Family

ID=68280379

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019106033A RU2703098C1 (en) 2019-03-04 2019-03-04 Soft-balloon aeroenergostat

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2703098C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU227868U1 (en) * 2024-02-26 2024-08-07 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный нефтяной технический университет" AEROSTATIC-WIND POWER DEVICE

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4470563A (en) * 1981-03-13 1984-09-11 Engelsman Gijsbert J Airship-windmill
CA2639536A1 (en) * 2008-09-11 2010-03-11 Daniel J. Hunter Tethered balloon wind generator
GB2483705A (en) * 2010-09-17 2012-03-21 Peter Robert Goodall Microwave transmission from a lighter-than-air wind energy conversion device
RU2639419C1 (en) * 2017-01-10 2017-12-21 Александр Владимирович Губанов Aerostat-bound wind turbine

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4470563A (en) * 1981-03-13 1984-09-11 Engelsman Gijsbert J Airship-windmill
CA2639536A1 (en) * 2008-09-11 2010-03-11 Daniel J. Hunter Tethered balloon wind generator
GB2483705A (en) * 2010-09-17 2012-03-21 Peter Robert Goodall Microwave transmission from a lighter-than-air wind energy conversion device
RU2639419C1 (en) * 2017-01-10 2017-12-21 Александр Владимирович Губанов Aerostat-bound wind turbine

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU227868U1 (en) * 2024-02-26 2024-08-07 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный нефтяной технический университет" AEROSTATIC-WIND POWER DEVICE

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7129596B2 (en) Hovering wind turbine
AU2005331453B2 (en) Systems and methods for tethered turbines
US4450364A (en) Lighter than air wind energy conversion system utilizing a rotating envelope
US8148838B2 (en) Systems and methods for tethered wind turbines
RU2703863C1 (en) Aero-energystat
US9003631B2 (en) Power generation assemblies and apparatus
US7293960B2 (en) Power generation assemblies, and apparatus for use therewith
EP0045202A1 (en) Improvements in wind powered electric generators
US8578586B2 (en) Power generation assemblies, and apparatus for use therewith
RU2662101C1 (en) Wind powered balloon
WO2014036810A1 (en) A tethered airborne wind power generator system
KR20200038358A (en) Airship for hybrid power generation of sunlight & wind and combined power generation system based on airship for hybrid power generation of sunlight & wind
RU2535427C1 (en) Aero-high-altitude wind power generator
RU2703098C1 (en) Soft-balloon aeroenergostat
CN202300868U (en) Wing ring, wing ring mechanism, vertical take off and landing aircraft, opposite-pull aircraft and wind power generation mechanism
CN115653833A (en) High-altitude wind power balance system and balance method thereof
RU2602650C1 (en) Aerostatic balloon natatorial wind turbine
US9546643B2 (en) Revolving overhead windmill
RU2729306C1 (en) Catamaran aeroenergostat
RU2762471C1 (en) Mobile aeroenergostat module
RU2612492C1 (en) Terrestrial aeronautical wind turbine generator
CN115539313A (en) Carry on semi-submerged formula hull of marine turbogenerator
JP2023504854A (en) floating platform
CN116498494A (en) Large tethered high-altitude wind energy and solar power station
Martinez et al. Aerial wind turbine