RU2729306C1 - Catamaran aeroenergostat - Google Patents
Catamaran aeroenergostat Download PDFInfo
- Publication number
- RU2729306C1 RU2729306C1 RU2020107004A RU2020107004A RU2729306C1 RU 2729306 C1 RU2729306 C1 RU 2729306C1 RU 2020107004 A RU2020107004 A RU 2020107004A RU 2020107004 A RU2020107004 A RU 2020107004A RU 2729306 C1 RU2729306 C1 RU 2729306C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- shells
- wind
- platforms
- ballonets
- module
- Prior art date
Links
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 13
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 claims abstract description 6
- 230000000284 resting effect Effects 0.000 claims description 7
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000009434 installation Methods 0.000 abstract description 10
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 abstract description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 4
- 238000005457 optimization Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 abstract 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 7
- 238000011161 development Methods 0.000 description 4
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 2
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 2
- 239000003643 water by type Substances 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 241000341910 Vesta Species 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03D—WIND MOTORS
- F03D13/00—Assembly, mounting or commissioning of wind motors; Arrangements specially adapted for transporting wind motor components
- F03D13/20—Arrangements for mounting or supporting wind motors; Masts or towers for wind motors
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
- B64B—LIGHTER-THAN AIR AIRCRAFT
- B64B1/00—Lighter-than-air aircraft
- B64B1/40—Balloons
- B64B1/50—Captive balloons
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
- B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
- B64C31/00—Aircraft intended to be sustained without power plant; Powered hang-glider-type aircraft; Microlight-type aircraft
- B64C31/06—Kites
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03D—WIND MOTORS
- F03D9/00—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
- F03D9/30—Wind motors specially adapted for installation in particular locations
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
- F05B2240/00—Components
- F05B2240/90—Mounting on supporting structures or systems
- F05B2240/91—Mounting on supporting structures or systems on a stationary structure
- F05B2240/917—Mounting on supporting structures or systems on a stationary structure attached to cables
- F05B2240/9176—Wing, kites or buoyant bodies with a turbine attached without flying pattern
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
- F05B2240/00—Components
- F05B2240/90—Mounting on supporting structures or systems
- F05B2240/92—Mounting on supporting structures or systems on an airbourne structure
- F05B2240/922—Mounting on supporting structures or systems on an airbourne structure kept aloft due to buoyancy effects
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/70—Wind energy
- Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/70—Wind energy
- Y02E10/728—Onshore wind turbines
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Aviation & Aerospace 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)
- Power Engineering (AREA)
- Wind Motors (AREA)
Abstract
Description
Предназначен к использованию для генерации энергии ветра в электроэнергию больших промышленных мощностей, получаемых на высоте скоростных атмосферных потоков.It is intended for use for generating wind energy into electricity of large industrial capacities obtained at the height of high-speed atmospheric flows.
Предлагаемое ветроэнергетическое устройство относится к системам воздушного базирования, радиально-лопастная турбина которых имеет ось вращения, совпадающую с направлением ветра.The proposed wind power device refers to airborne systems, the radial-blade turbine of which has an axis of rotation that coincides with the direction of the wind.
Рост размеров ветродвигателей в целях выработки все больших мощностей генерации - основной тренд развития ветроэнергетики, который позволяет снизить удельные капитальные затраты и стоимости единицы энергии. Все более крупные и мощные машины идут в серию, за последние двадцать лет их средняя производительность выросла в 50 раз. Вместе с тем в динамике развития систем наземного базирования наметилась стагнация (США), вплоть до резкой депрессии, что наблюдается в Германии. В этой стране, являющейся пионером в мировой ветроэнергетической отрасли, ввод в эксплуатацию наземных электростанций снизился за первое полугодие 2019 года на 82 процента, к концу года ожидается трехкратное падение прироста мощностей данного сектора возобновляемой энергетики. Замедление динамики развития наблюдается в целом по Европе с 3,3 до 2,9 ГВт годового запуска вновь установленных мощностей. Судя по всему, создав гигантскую установку Enercon-126 мощностью 7, 5 МВт, мировая ветроэнергетика в части систем наземного базирования перешагнула предел целесообразности, когда дальнейшее увеличение материалоемкости, габаритов и соответственно стоимости установок начинает расти быстрее, чем отдача от этого увеличения. А сам предел лежит намного раньше, где-то рядом с установленной мощностью одной ветростанции, равной 3, 5 МВт при диаметре радиально-лопастных турбин 130-140 метров. Такие технические характеристики еще не входят в противоречие с прочностью используемых материалов, возможностями и стоимостью транспортировки крупногабаритного оборудования - лопастей турбин упомянутых размеров и, прежде всего, стальных труб/колец диаметром до 4,3 в редком случае 4,6 метров к месту дислокации наземных ВЭУ, а также грузоподъемностью монтажной техники и ее способностью доставки элементов ветросиловых блоков на высоту 120-метровых опорных колонн. Кроме того в индустриальных странах близок к исчерпанию лимит свободных земельных участков под строительство ветрогенераторов (для ФРГ в свободном остатке 2-2,5% территории), а благоприятные зоны на суше, продуваемые скоростными ветрами по-существу окончательно задействованы.The growth in the size of wind turbines in order to generate more and more generating capacities is the main trend in the development of wind energy, which allows to reduce the specific capital costs and the cost of an energy unit. Larger and more powerful machines are being produced in series; over the past twenty years, their average productivity has increased 50 times. At the same time, in the dynamics of the development of ground-based systems, there has been stagnation (USA), up to a sharp depression, which is observed in Germany. In this country, which is a pioneer in the global wind energy industry, commissioning of onshore power plants decreased by 82 percent in the first half of 2019, and growth in renewable energy capacity is expected to drop threefold by the end of the year. A slowdown in the development dynamics is observed in Europe as a whole from 3.3 to 2.9 GW of the annual launch of newly installed capacities. Apparently, having created a giant Enercon-126 installation with a capacity of 7.5 MW, the world wind energy in terms of land-based systems has stepped over the limit of expediency, when a further increase in material consumption, dimensions and, accordingly, the cost of installations begins to grow faster than the return on this increase. And the limit itself lies much earlier, somewhere near the installed capacity of one wind farm, equal to 3.5 MW with a diameter of radial blade turbines of 130-140 meters. Such technical characteristics do not yet come into conflict with the strength of the materials used, the possibilities and cost of transporting large-sized equipment - turbine blades of the mentioned sizes and, above all, steel pipes / rings with a diameter of up to 4.3 in the rare case of 4.6 meters to the location of ground-based wind turbines , as well as the carrying capacity of the installation equipment and its ability to deliver the elements of wind power units to a height of 120-meter support columns. In addition, in industrialized countries, the limit of free land plots for the construction of wind generators is close to exhaustion (for Germany, the free balance is 2-2.5% of the territory), and favorable zones on land, blown by high-speed winds, are essentially finally used.
В связи с перечисленными ограничениями не преодолимой силы мировая ветроиндустрия направила свой потенциал на создание и прогресс в секторе морской (офшорной) генерации, где созданы 8-мегаваттные энергетические машины MHI Vestas V164, от Adwen AD-180 и Siemens SWT-8.0-154 8MW. Однако столь мощные силовые агрегаты не могут быть установлены на якорных привязках, а требуют массивных фундаментов на морском дне. В результате область их применения ограничивается мелководными шельфами, которые в свою очередь не распространены повсеместно, а скорее являются исключением в территориальных водах малого числа стран, например, берега которых омывают воды Северного и Норвежского морей. Кроме того вынос ветростанций и ферм в море в связи с дефицитом свободных и продуваемых сильными ветрами площадей на суше, в целях использования наилучшего ветрового потенциала требует затрат по созданию дополнительных сетей транспортировки возобновляемой электроэнергии к потребителям. Эти дополнительные расходы могут нивелировать выгоды от ВЭУ морского базирования.In connection with the listed limitations of unavoidable force, the global wind industry directed its potential to the creation and progress in the offshore (offshore) generation sector, where the 8-megawatt MHI Vestas V164 power machines were created, from Adwen AD-180 and Siemens SWT-8.0-154 8MW. However, such powerful power units cannot be anchored, but require massive foundations on the seabed. As a result, the area of their application is limited to shallow-water shelves, which, in turn, are not widespread, but rather are an exception in the territorial waters of a small number of countries, for example, whose shores are washed by the waters of the North and Norwegian Seas. In addition, the removal of wind farms and farms into the sea due to the lack of free and strong winds on land, in order to use the best wind potential, requires the cost of creating additional networks for transporting renewable electricity to consumers. These additional costs could offset the benefits of a sea-based wind turbine.
На стадии пилотных проектов началось формирование третьего сектора ветроэнергетики - систем воздушного базирования (AWE), когда силовые блоки поднимаются воздухоплавательными модулями на высоту 300-600 метров до уровня сильных и стабильных ветров, имеющих скорость перемещения 20-25 м/с, что ниже критических 45 м/с, но с потенциалом коммерческим, недостижимым иными средствами и способами. Данные системы снимают территориальные ограничения, когда наземные ВЭУ эффективны только при дислокации в местах, где в приземном слое атмосферы действуют сильные ветра, что обуславливает их концентрацию главным образом на благоприятных береговых линиях мирового океана. Высотное воздушное базирование делает ветроэнергетику рентабельной в глубине слабо продуваемых на высотах до 100-120 метров континентальных пространств всех материков планеты, позволяет ей с большей успешностью распространяться за пределами западных побережий Северной Америки и Европы, освоить внутренние провинции Индии и Китая, не морские державы.At the stage of pilot projects, the formation of the third sector of wind energy - airborne systems (AWE) began, when the power units are raised by aeronautical modules to a height of 300-600 meters to the level of strong and stable winds with a movement speed of 20-25 m / s, which is below the critical 45 m / s, but with commercial potential, unattainable by other means and methods. These systems remove territorial restrictions when ground-based wind turbines are effective only when deployed in places where strong winds operate in the surface layer of the atmosphere, which causes their concentration mainly on favorable coastlines of the world's oceans. High-altitude airborne power makes wind power profitable in the depths of continental spaces of all continents of the planet that are poorly blown at heights of up to 100-120 meters, allows it to spread more successfully beyond the western coasts of North America and Europe, to develop the inner provinces of India and China, not maritime powers.
В последнем секторе использования ветряного ВИЭ с учетом требования к максимально возможной мощности каждой отдельной энергоустановки особый интерес вызывают конструкции, в которых воздухоплавательные модули состоят из по меньшей мере двух аэростатных оболочек, что позволяет задействовать большие объемы легкого газа, с их помощью достигнуть несравненно большей подъемной силы, способной доставить на высоту скоростных ветров утяжеленные силовые блоки, массогабаритные характеристики которых обеспечивают коммерчески значимую производительность. Такой результат будет получен с меньшими издержками, чем имели место при практическом воплощении однокорпусных аэростата PEGASE, дирижаблей SKYSHIP и Cargo Airship с объемами газонаполнения 270, 800 и 930 тыс.м3 соответственно, при чем эти объемы для ветроэнергетических целей могут быть уменьшены в 2-3 и даже 5 раза.In the latter sector of the use of wind renewable energy, taking into account the requirement for the maximum possible power of each individual power plant, of particular interest are designs in which aeronautical modules consist of at least two balloon shells, which allows using large volumes of light gas, with their help to achieve incomparably higher lifting force capable of delivering weighted power units to the height of high-speed winds, the weight and size characteristics of which provide commercially significant performance. Such a result will be obtained at lower costs than in the practical implementation of a single-hull PEGASE balloon, SKYSHIP and Cargo Airship airships with gas filling volumes of 270, 800 and 930 thousand m3, respectively, and these volumes for wind energy purposes can be reduced by 2-3. and even 5 times.
Уместно упомянуть в этой связи надземную ветрогенераторную систему (WO/2009/131278, опубл. 11.07.2008), которая содержит две оболочки в одном уровне и канал между ними, где размещены горизонтально-осевые роторы с лопастями Савониуса, что имеют самый большой вес и самое высокое лобовое сопротивление воздушному потоку из всех известных ветровых устройств. Оболочки соединены по катамаранной схеме поперечными горизонтальными пластинами. Установка низко эффективна, поскольку основная масса ветра будет обтекать препятствие на своем пути, каковым в данном случае является сравнительно узкий канал с роторными устройствами упомянутого отрицательного свойства. Увеличить габариты канала, вместе с этим нарастить площадь, ометаемую роторами, не имеет смысла, все равно канал остается полностью перекрытым лопастями Савониуса, к тому же значительно раздвинуть оболочки невозможно в следствии неизбежного прогиба скрепляющих их пластин и осей тяжеловесных роторов. На основе аналогичных решений и принципов действует способ использования ветровой энергии и работает устройство для применения этого способа (патент DE 10240890, 20.03.2003) с вытекающими из этого недостатками.It is pertinent to mention in this regard the aboveground wind turbine system (WO / 2009/131278, publ. 11.07.2008), which contains two shells in one level and a channel between them, where horizontal-axial rotors with Savonius blades are placed, which have the largest weight and the highest drag to air flow of all known wind devices. The shells are connected according to the catamaran scheme by transverse horizontal plates. The installation is low efficient, since the bulk of the wind will flow around the obstacle in its path, which in this case is a relatively narrow channel with rotor devices of the mentioned negative property. It makes no sense to increase the dimensions of the channel, at the same time to increase the area swept away by the rotors, all the same, the channel remains completely covered by the Savonius blades, moreover, it is impossible to significantly expand the shells due to the inevitable deflection of the plates that hold them together and the axes of heavy rotors. On the basis of similar solutions and principles, a method of using wind energy operates and a device for applying this method (patent DE 10240890, 20.03.2003) operates with the resulting disadvantages.
Информационный поиск выявил, что в качестве прототипа заявленного изобретения может быть назван аэростатно-плавательный ветрогенератор (WO/2016/122348, опубл. 04.08.2016). Обе продольно-вытянутые оболочки этого устройства имеют жесткие днища, являющиеся базовыми платформами, связанными между собой по меньшей мере одной поперечной мостовой фермой, по центру нижнего непрямого (ломанного или эллиптического) пояса которой подвешена гондола с электрогенератором, вращение в него передается через вал в подшипниковых опорах от скоростного ортогонально-лопастного ротора, расположенного над фермой и имеющего вертикальную ось вращения, перпендикулярную направлению ветра. Данное устройство менее эффективно, чем ветродвигатели с тихоходными радиально-лопастными турбинами, ось вращения которых совпадает с направлением ветра. Высокая частота вращения роторов, возникающие при этом знакопеременные нагрузки создают вибрации оборудования, ускоряют их износ и разрушение. Сильный скоростной напор высотных ветров, нагруженность воздухоплавательного модуля ветросиловым блоком повышенной массогабаритности делают необходимым применение утяжеленных аэростатных оболочек с жесткими корпуса из твердых листовых материалов или полужестком варианте с внутренним каркасом, недоступным для операционного обслуживания. При этом аэростатическая подъемная сила оболочек расходуется не только полезно для доставки ветросилового блока на заданную высоту, но и нерационально на преодоление тяжести самих оболочек. Имеют место трудности операционного обслуживания внутри оболочковых баллонетов, когда таковые применяются. Ветровой напор сильно сносят высотный модуль ветрогенератора от наземного причального узла, такое устройство не способно решить главную земельную проблему систем воздушного базирования, состоящую в необходимости отводить под них свободные территории большой площади.Information search revealed that a balloon-swimming wind generator (WO / 2016/122348, publ. 08/04/2016) can be named as a prototype of the claimed invention. Both longitudinally-elongated shells of this device have rigid bottoms, which are basic platforms interconnected by at least one transverse bridge truss, in the center of the lower indirect (broken or elliptical) belt of which a nacelle with an electric generator is suspended, rotation is transmitted to it through the shaft in bearing supports from a high-speed orthogonal-blade rotor located above the truss and having a vertical axis of rotation perpendicular to the direction of the wind. This device is less efficient than wind turbines with low-speed radial-blade turbines, the axis of rotation of which coincides with the direction of the wind. The high rotational speed of the rotors, the resulting alternating loads, create vibrations of the equipment, accelerate their wear and tear. The strong high-speed pressure of high-altitude winds, the loading of the aeronautical module with a wind power unit of increased weight and size make it necessary to use weighted balloon casings with rigid bodies made of solid sheet materials or a semi-rigid version with an internal frame that is inaccessible for operational maintenance. In this case, the aerostatic lifting force of the shells is consumed not only useful for delivering the wind power unit to a given height, but also irrationally to overcome the gravity of the shells themselves. There are operational maintenance difficulties inside the shell ballonets when they are used. The wind pressure strongly demolishes the high-altitude module of the wind generator from the land-based berthing unit, such a device is not able to solve the main land problem of airborne systems, which consists in the need to allocate free territories of a large area for them.
Важнейшая земельная проблема высотной ветроэнергетики решена в аэроэнергостате (патент RU 2703863 С1, 22.10.2019) с тихоходной радиально-лопастной турбиной, чья ось вращения совпадает с направлением ветра, Признаки этого устройства, относящиеся к системе устойчивого зависания воздухоплавательного модуля непосредственно над наземным причальным узлом без сбоев в перестроении модуля на боковой ветер, а именно, оснащение устройства датчиками давления ветра на аэростатную оболочку, процессором и реверсивным исполнительным механизмом в составе причального узла, целесообразно в целом ряде случаев модифицировать под совместимость и конструктивные особенности предлагаемого устройства.The most important land problem of high-altitude wind power is solved in an air power station (patent RU 2703863 C1, 10/22/2019) with a low-speed radial-blade turbine, whose rotation axis coincides with the direction of the wind. failures in rebuilding the module to the crosswind, namely, equipping the device with wind pressure sensors on the balloon envelope, a processor and a reversible actuator as part of the berthing unit, it is advisable in a number of cases to modify it for compatibility and design features of the proposed device.
Сущность предлагаемых технических решений состоит в том, что в аэроэнергостате, собранном по катамаранной конструктивно-силовой схеме, используется тихоходная радиально-лопастная турбина, ось вращения которой совпадает с направлением ветра, что повышает эффективность преобразования энергии ветра на 17-33 процента, улучшает ресурсные показатели. Однако поскольку данного средства недостаточно для достижения задачи получения максимально большой промышленной мощности генерации, воздухоплавательный модуль доставляется на уровень сверхскоростных ветров и оснащается ветросиловым блоком с повышенными массогабаритными характеристиками, что создает увеличенные нагрузки на модуль под ветряным напором и силами тяжести. Сущность мер по обеспечению необходимой прочности воздухоплавательного модуля состоят в том, что легковесные мягкие аэростатные оболочки сигарообразной формы, уложенные на композитные платформы, помещаются в клети, каждая из которых образованна по всей длине оболочек верхним гребнем прокатного профиля и равномерно распределенными по длине оболочек жесткими обхватывающими оболочки дугами, в своих вершинах соединенными с гребнем, а концами опирающимися на кромки платформы. При этом может упрощаться операционного обслуживания баллонетов, для чего они извлекаются из оболочек и помещаются определенным образом снаружи их мягких корпусов в предназначенные для этого желоба композитных платформ. При необходимости настоящий аэроэнергостат может адаптироваться для использования известной системы устойчивого зависания воздухоплавательного модуля непосредственно над наземным причальным узлом для чего в конструкцию на корме модуля вносится частное изменение в виде скобы, выгнутой вверх и опирающейся на близлежащие кромки платформ.The essence of the proposed technical solutions lies in the fact that a low-speed radial-blade turbine is used in the aero-power stat, assembled according to a catamaran structural-power scheme, the rotation axis of which coincides with the wind direction, which increases the efficiency of wind energy conversion by 17-33 percent, improves resource indicators ... However, since this means is not enough to achieve the task of obtaining the maximum industrial power generation, the aeronautical module is delivered to the level of super-high winds and is equipped with a wind power unit with increased weight and size characteristics, which creates increased loads on the module under wind pressure and gravity. The essence of the measures to ensure the necessary strength of the aeronautical module is that lightweight soft balloon shells of a cigar-shaped shape, laid on composite platforms, are placed in stands, each of which is formed along the entire length of the shells by the upper ridge of the rolling profile and uniformly distributed along the length of the shells by rigid enclosing shells arcs, at their tops connected to the ridge, and the ends resting on the edges of the platform. In this case, the operational maintenance of the ballonets can be simplified, for which they are removed from the shells and placed in a certain way outside their soft bodies in the troughs of the composite platforms intended for this. If necessary, the present aero-energostat can be adapted to use the known system of stable hovering of the aeronautical module directly above the ground mooring unit, for which a particular change is made in the structure at the stern of the module in the form of a bracket curved upward and resting on the adjacent edges of the platforms.
Целями изобретения являются оптимизация преобразования энергии ветра в электроэнергию и создание прочностных возможностей для повышения мощности высотной ветроэнергетической генерации катамаранной установкой с мягкими аэростатными оболочками; упрощение операционного обслуживание баллонетов; совместимость устройства с системой устойчивого зависания воздухоплавательного модуля непосредственно над наземным причальным узлом.The objectives of the invention are to optimize the conversion of wind energy into electricity and create strength capabilities for increasing the power of high-altitude wind power generation by a catamaran installation with soft balloon shells; simplification of operational maintenance of ballonets; compatibility of the device with the system of stable hovering of the aeronautical module directly above the ground mooring unit.
Поставленные цели достигаются применением конструктивных мер по использованию более эффективной радиально-лопастной турбины, чья ось вращения совпадает с направлением ветра, усилением прочности утяжеленного массогабаритным ветросиловым блоком воздухоплавательного модуля с мягкими аэростатными оболочками за счет помещения их в жесткие клети, образуемые из продольных гребней прокатного профиля, проложенных поверху и вдоль всей длинны оболочек, и поперечных обхватывающих оболочки жестких дуг, которыми гребни опираются на кромки композитных платформ, являющихся нижней опорной базой упомянутых газонаполненных оболочек. Оперативное обслуживание баллонетов может быть упрощено, для чего в композитных платформах создаются продольно-осевые желоба, баллонетам придается трубчатая форма, в таком виде они переносятся из мягких аэростатных оболочек наружу и укладываются в упомянутые желоба. При целесообразности дооборудования аэроэнергостата системой устойчивого зависания воздухоплавательного модуля непосредственно над наземным причальным узлом, в корме модуля близлежащие кромки композитных платформ соединяются выгнутой вверх скобой, на вершине которой устанавливается затем по меньшей мере один воздушно-винтовой электрический авиадвигатель с управляемыми переменными углом атаки и тягой, направленной против ветра.The set goals are achieved by using constructive measures to use a more efficient radial-blade turbine, whose axis of rotation coincides with the direction of the wind, increasing the strength of the aeronautical module with soft balloon shells, weighted by a weight and size wind power unit, by placing them in rigid stands formed from the longitudinal ridges of the rolling profile, laid on top and along the entire length of the shells, and transverse enclosing rigid arcs, with which the ridges rest on the edges of the composite platforms, which are the lower support base of the mentioned gas-filled shells. Operational maintenance of ballonets can be simplified, for which longitudinal-axial grooves are created in composite platforms, the ballonets are given a tubular shape, in this form they are transferred from the soft balloon shells to the outside and fit into the said grooves. If it is expedient to retrofit the air power station with a system of stable hovering of the aeronautical module directly above the ground mooring unit, in the stern of the module, the adjacent edges of the composite platforms are connected by an upwardly curved bracket, at the top of which at least one air-propeller electric aircraft engine with controlled variable angle of attack and thrust directed against the wind.
На фиг. 1 представлен вид с боку на воздухоплавательный модуль аэроэнергостата катамаранного (далее АэроЭСК); на фиг. 2 - сечение той же части устройства по А-А; на фиг. 3 показан его наземный причальный узел.FIG. 1 shows a side view of the aeronautical module of the catamaran aero-power station (hereinafter referred to as AeroESK); in fig. 2 - section of the same part of the device along A-A; in fig. 3 shows its surface mooring site.
АэроЭСК состоит из воздухоплавательного модуля и наземного причального узла, связанных привязными трос-кабелями 1. Модуль катамаранной конструкции включает две композитных платформы 2, соединенные по центру масс высотной части устройства в сборе поперечной фермой 3, несущей посередине своего нижнего непрямого пояса ветросиловой блок из электрогенератора в корпусе гондолы 4 и подветренную радиально-лопастную турбину 5 с ось вращения, совпадающую с направлением ветра. На платформы уложены идентичные по габаритам и сигарообразной конфигурации мягкие аэростатные оболочки 6, заключенные в клети, образованные верхними гребнями 7 прокатного профиля, опирающимися концами на выступы платформ 8.1 и 8.2 в носовой и кормовой частях аэростатных оболочек, а также на кромки платформ при помощи поперечных жестких дуг 9, обхватывающих оболочки. Платформы могут иметь продольно-осевые желоба, в которые под аэростатными оболочками помещаются баллонеты 10 трубчатой формы, наполняемые сжатым воздухом от компрессоров 11. Наземный причальный узел включает бетонную тумбу 12, вращающуюся вертикальную ось 13, на выступающий вверх конец которой насажена горизонтальной балкой 14. На равноудаленных концах балки установлены трос-кабельные бухты 15 с приводными программно управляемыми механизмами 16. При целесообразности использования системы устойчивого зависания воздухоплавательного модуля непосредственно над наземным причальным узлом, комплектация установки дополняется носовыми 17 и боковыми 18 датчиками давления ветра на аэростатные оболочки, процессором, реверсивным исполнительным механизмом 19, зубчатой передачей 20, по меньшей мере одним воздушно-винтовым электрическим авиадвигателем 21 с управляемыми переменными углом атаки и тягой, направленной против ветра. При этом авиадвигатель крепится на вершине скобы 22, выгнутой вверх и соединяющей композитные платформы и опирающейся своими концами на близлежащие кромки в кормовой части платформ.AeroESK consists of an aeronautical module and a ground mooring unit, connected by tethered
АэроЭСК работает следующим образом. После доставки оборудования, элементы которого являются вполне габаритными, и их первичной сборки по месту действия установки, мягкие аэростатные оболочки наполняются легким газом, а в трубчатые баллонеты закачивается сжатый воздух, после чего снизу воздухоплавательного модуля подвешиваются элементы ветросилового блока, сначала гондола с электрогенератором, а затем радиальные лопасти подветренной турбины. Трос-кабели начинают стравливаться с бухт наземного причального узла и модуль устройства поднимается на высоту скоростных ветров, смещаясь от причального узла и разворачиваясь относительно него по круговой траектории до тех пор пока продольная ось симметрии модуля и ось вращения турбины не совпадут с направлением ветра. Скоростной напор ветра вращает турбину, это вращение передается в электрогенератор, вырабатывающий энергию, направляемую через контроллер, аккумуляторную батарею и инвертор к потребителям. Если датчики давления ветра на аэростатные оболочки фиксируют скорость ветра, равную 80% от критических 45 м/с, процессор дает команду приводам трос-кабельных бухт и воздухоплавательный модуль оперативно спускается на нижние уровни атмосферы или непосредственно к земле, что исключает катастрофы и разрушения аэроэнергостатов.AeroESK works as follows. After the delivery of the equipment, the elements of which are quite dimensional, and their primary assembly at the site of the installation, the soft balloon shells are filled with light gas, and compressed air is pumped into the tubular ballonets, after which the elements of the wind power unit are suspended from the bottom of the aeronautical module, first a nacelle with an electric generator, and then the radial blades of the leeward turbine. Rope-cables begin to bleed off the bays of the ground berthing unit and the device module rises to the height of high-speed winds, shifting from the berthing unit and turning relative to it along a circular path until the longitudinal axis of symmetry of the module and the axis of rotation of the turbine coincide with the direction of the wind. The high-speed wind pressure rotates the turbine, this rotation is transmitted to the electric generator, which generates energy, directed through the controller, battery and inverter to consumers. If the wind pressure sensors on the balloon envelopes record the wind speed equal to 80% of the critical 45 m / s, the processor gives a command to the drives of the cable-cable bays and the aeronautic module promptly descends to the lower levels of the atmosphere or directly to the ground, which excludes catastrophes and destruction of the aero-power stations.
При наличии системы, работа которой подробно приведена в описании упомянутого аэроэнергостата (патент RU 2703863 С1, 22.10 2019), включенный в работу авиадвигатель при его наличии создает возвратное движение смещенного от причального узла воздухоплавательного модуля, поддерживает его зависание над местом привязки и его продольную устойчивость, вертикальность гибких связей с землей. Поперечная же устойчивость модуля программно управляется длиной и натяжением привязных трос-кабелей.In the presence of a system, the operation of which is described in detail in the description of the aforementioned aero-power station (patent RU 2703863 C1, 22.10 2019), the aircraft engine included in the operation, if available, creates a return movement of the aeronautical module displaced from the berthing unit, supports its hovering over the attachment point and its longitudinal stability verticality of flexible connections to the ground. The lateral stability of the module is programmatically controlled by the length and tension of the tethered cable cables.
Оптимизация преобразования кинетической энергии ветра в электроэнергию достигается отличной от прототипа пространственной ориентацией вала генератора, который приводится в горизонтальное положение и применением более эффективной радиально-лопастной турбины, чья ось вращения совпадает с направлением ветра.Optimization of the conversion of kinetic wind energy into electricity is achieved by the spatial orientation of the generator shaft, which is different from the prototype, which is brought to a horizontal position and by the use of a more efficient radial-blade turbine, whose rotation axis coincides with the direction of the wind.
Прочностные признаки изобретения, к которым относятся тихоходность используемой турбины, наличие гребней прокатного профиля, опирающиеся на носовые и кормовые выступы композитных платформ, а также на их кромки через жесткие поперечные дуги, обхватывающие оболочки, позволяют выдерживать нагрузки от массогабаритного ветросилового блока большой промышленной мощности, используя при этом мягкие аэростатные оболочки, уменьшающие собственный вес воздухоплавательного модуля в сборе и затраты легкого газа на придание ему положительной плавучести. Новыми признаками устройства являются трубчатая форма баллонетов, создание под них продольно-осевых желобов в композитных платформах, что дает возможность вынести баллонеты из внутренних объемов мягких аэростатных оболочек, чем упрощается их монтаж и операционное обслуживание.The strength features of the invention, which include the low speed of the turbine used, the presence of rolling profile ridges resting on the bow and stern protrusions of the composite platforms, as well as on their edges through rigid transverse arcs, enclosing the shells, make it possible to withstand the loads from a mass and size wind power unit of high industrial power, using at the same time, soft balloon shells, which reduce the own weight of the assembled aeronautical module and the consumption of light gas for imparting positive buoyancy to it. The new features of the device are the tubular shape of the ballonets, the creation of longitudinal-axial grooves under them in the composite platforms, which makes it possible to remove the ballonets from the internal volumes of the soft balloon shells, which simplifies their installation and operational maintenance.
Совместимости авиадвигателя и турбины АэроЭСК служит дополнительный элемент устройства - скоба, выгнутая вверх и опирающаяся концами на близлежащие кромки платформ в их кормовой части. Авиадвигатель крепится на вершине скобы над площадью, ометаемой турбиной, что гарантирует работу обеих механизмов без взаимных аэродинамических помех.The compatibility of the aircraft engine and the AeroESK turbine is provided by an additional element of the device - a bracket bent upwards and resting with its ends on the adjacent edges of the platforms in their aft part. The aircraft engine is mounted on the top of the bracket above the area swept by the turbine, which guarantees the operation of both mechanisms without mutual aerodynamic interference.
АэроЭСК может устанавливаться в любом месте земной и даже ледовой поверхности, не требует низкоуровневых сильно продуваемых пространств, поскольку работает на высоте неизменно активных перемещений воздушных масс. Снижены требования к коммуникациям, которые в меньшей степени или почти совсем не является препятствием для доставки оборудования, из которого исключены негабаритные трубы/кольца опорных колонн, лопасти могут ометать меньшую площадь, что делает их короче по длине и легче весу, мягкие аэростатные оболочки транспортируются в сложенном виде или по частям, сращиваемым на месте. В перспективе аэроэнергостаты могут войти в состав водородной энергетики, по-скольку современное пожаробезопасное электрооборудование и программное дистанционное управление высотной ветростанцией позволяет применять в качестве аэростатного газа водород, что в семь раз дешевле гелия и продолжает дешеветь, использовать избытки ветровой энергии в электролитических установках, пополняющих газовые хранилища и по мере необходимости удовлетворяющие собственные нужды в дозаправке газом ветровых энергосистем воздушного базирования. Аэроэнергостаты обладают уникальной в ветроэнергетики мобильностью, легко без разрушений демонтируются и устанавливаются в новом месте эксплуатации.AeroESK can be installed anywhere on the earth and even on the ice surface, does not require low-level, strongly blown spaces, since it operates at a height of invariably active movements of air masses. Requirements for communications have been reduced, which, to a lesser extent or almost not at all, is not an obstacle for the delivery of equipment, from which oversized pipes / rings of support columns are excluded, the blades can sweep a smaller area, which makes them shorter in length and lighter in weight, soft aerostatic shells are transported to folded or spliced in place. In the future, aero power stations can become part of hydrogen energy, since modern fire-safe electrical equipment and programmed remote control of a high-altitude wind farm allow using hydrogen as a balloon gas, which is seven times cheaper than helium and continues to fall in price, use excess wind energy in electrolytic installations that replenish gas storage facilities and, as required, satisfying their own needs in refueling air-based wind power systems. Air power stations have a unique mobility in wind energy, they can be easily dismantled and installed in a new place of operation without destruction.
Парижское соглашение по климату не может быть исполнено без прогресса в области освоения возобновляемых источников энергии, что в секторе ветроиндустрии требует технологического прорыва, преодолевающего ограниченность эффективного применения наземных ВЭУ немногочисленными приморскими полуанклавами с сильными низовыми ветрами. Этот позитивный результат способны дать в любых географических координатах генераторные системы воздушного базирования, такие как предлагаемый АэроЭСК и подобные ему силовые машины.The Paris climate agreement cannot be implemented without progress in the development of renewable energy sources, which in the wind industry requires a technological breakthrough that overcomes the limited effective use of ground-based wind turbines by a few coastal semi-enclaves with strong downwind winds. Air-based generator systems, such as the proposed AeroESK and similar power machines, can give this positive result in any geographic coordinates.
Claims (3)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020107004A RU2729306C1 (en) | 2020-02-14 | 2020-02-14 | Catamaran aeroenergostat |
PCT/RU2020/000556 WO2021162577A1 (en) | 2020-02-14 | 2020-10-19 | Catamaran aeroenergostat |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020107004A RU2729306C1 (en) | 2020-02-14 | 2020-02-14 | Catamaran aeroenergostat |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2729306C1 true RU2729306C1 (en) | 2020-08-05 |
Family
ID=72085958
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020107004A RU2729306C1 (en) | 2020-02-14 | 2020-02-14 | Catamaran aeroenergostat |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2729306C1 (en) |
WO (1) | WO2021162577A1 (en) |
Cited By (1)
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 (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2007085807A1 (en) * | 2006-01-26 | 2007-08-02 | Peter Robert Goodall | A flying wind energy conversion apparatus |
CA2639536A1 (en) * | 2008-09-11 | 2010-03-11 | Daniel J. Hunter | Tethered balloon wind generator |
WO2016122348A1 (en) * | 2015-01-27 | 2016-08-04 | Александр Владимирович ГУБАНОВ | Aerostatic floating wind turbine |
RU2602650C1 (en) * | 2016-01-26 | 2016-11-20 | Александр Владимирович Губанов | Aerostatic balloon natatorial wind turbine |
RU2639419C1 (en) * | 2017-01-10 | 2017-12-21 | Александр Владимирович Губанов | Aerostat-bound wind turbine |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2703863C1 (en) * | 2019-02-01 | 2019-10-22 | Александр Владимирович Губанов | Aero-energystat |
-
2020
- 2020-02-14 RU RU2020107004A patent/RU2729306C1/en active
- 2020-10-19 WO PCT/RU2020/000556 patent/WO2021162577A1/en active Application Filing
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2007085807A1 (en) * | 2006-01-26 | 2007-08-02 | Peter Robert Goodall | A flying wind energy conversion apparatus |
CA2639536A1 (en) * | 2008-09-11 | 2010-03-11 | Daniel J. Hunter | Tethered balloon wind generator |
WO2016122348A1 (en) * | 2015-01-27 | 2016-08-04 | Александр Владимирович ГУБАНОВ | Aerostatic floating wind turbine |
RU2602650C1 (en) * | 2016-01-26 | 2016-11-20 | Александр Владимирович Губанов | Aerostatic balloon natatorial wind turbine |
RU2639419C1 (en) * | 2017-01-10 | 2017-12-21 | Александр Владимирович Губанов | Aerostat-bound wind turbine |
Cited By (1)
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 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2021162577A1 (en) | 2021-08-19 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7129596B2 (en) | Hovering wind turbine | |
US7602077B2 (en) | Systems and methods for tethered wind turbines | |
US7750491B2 (en) | Fluid-dynamic renewable energy harvesting system | |
US9000605B2 (en) | Lighter-than-air craft for energy-producing turbines | |
EP0045202A1 (en) | Improvements in wind powered electric generators | |
US20210197949A1 (en) | High altitude gravity energy storage | |
RU2576103C1 (en) | Floating wind generator | |
RU2703863C1 (en) | Aero-energystat | |
US8578586B2 (en) | Power generation assemblies, and apparatus for use therewith | |
CN102177335A (en) | Airborne stabilized wind turbines system | |
RU2662101C1 (en) | Wind powered balloon | |
RU2535427C1 (en) | Aero-high-altitude wind power generator | |
RU2729306C1 (en) | Catamaran aeroenergostat | |
WO2014022770A1 (en) | Lighter-than-air craft for energy-producing turbines | |
RU2602650C1 (en) | Aerostatic balloon natatorial wind turbine | |
Gulabani et al. | Review on Unconventional Wind Energy. | |
RU2638237C1 (en) | Ground-generator wind engine | |
RU2594827C1 (en) | Aerostat wing for wind energy purposes | |
RU2762471C1 (en) | Mobile aeroenergostat module | |
RU2703098C1 (en) | Soft-balloon aeroenergostat | |
RU2612492C1 (en) | Terrestrial aeronautical wind turbine generator | |
RU2656521C1 (en) | Aerial high-attitude wind power plant with double wind-rotor | |
WO2016020709A1 (en) | Improvements in or relating to wind turbines | |
Nambiar et al. | Methodology for Conceptual sizing of a Turbine Aerostat for Electrical power generation | |
WO2018111153A2 (en) | Aerostatic floating wind motor with wind rotors |