Дирижабль з вітроенергетичною установкою

Реферат: Дирижабль з вітроенергетичною установкою містить циліндричний газонаповнений корпус, звужений на кінцях та оснащений горизонтальним та вертикальним рулями управління польотом, гондолою для розміщення в ній людей і обладнання. Гандола додатково забезпечена накопичувачем енергії, виконаним у вигляді набору акумуляторів, які є одночасно баластом дирижабля, а також корпус дирижабля виконаний у вигляді тороїда з утворенням у центральній частині поздовжньої крізної аеродинамічної труби, в порожнині якої розміщена вітроенергетична установка крильчастого типу, електрично пов'язана з накопичувачем енергії, передня частина каркаса корпусу дирижабля виконана у вигляді конфузора, рулі управління польотом розташовані співвісно вихідному отвору аеродинамічної труби корпусу дирижабля. Діаметр аеродинамічної труби поза вітроенергетичної установки стрибкоподібно збільшений для утворення ефекту розрядження повітря, що викликає прискорення просування повітря у аеродинамічній трубі перед вітроенергетичною установкою. UA 117578 U (54) ДИРИЖАБЛЬ З ВІТРОЕНЕРГЕТИЧНОЮ УСТАНОВКОЮ UA 117578 U UA 117578 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до авіаційної промисловості, а саме до виробництва літальних апаратів, легших за повітря, і може бути використана при виготовленні дирижаблів, оснащених силовою установкою, що працює у двох режимах як двигун для забезпечення заданого поступального рушення у польоті і як вітроенергетична установка під час стоянки. Відома система літальних апаратів легше за повітря, яка призначена для вироблення електроенергії за рахунок використання енергії вітру. Система літальних апаратів містить два аеростати з вітрилами, ширяючих в небі на безпечній відстані один від одного. Аеростати сполучені між собою міцним канатом довжиною в десятки, сотні метрів. Канат перекинутий через блок, що сидить на осі електрогенератора, а електрогенератор встановлений на вершині горба або на даху будинку. Аеростати парять, але на одному з них розкрите вітрило, а на іншому складено. Вітер надуває розкрите вітрило, несе аеростат, той тягне канат за собою, і канат обертає шків на осі електрогенератора, одночасно підтягаючи до нього другий аеростат, зі складеним вітрилом. Коли перший аеростат вибере всю довжину каната, його вітрило складається, а на другому, що виявилося поблизу електрогенератора, - розкривається. Тепер під дією вітру від блока віддаляється другий аеростат, а канат підтягає до електрогенератора перший аеростат. Таким чином, забезпечується безперервне обертання ротора генератора і вироблення електроенергії. Якщо вітер змінить напрям, вся система повернеться по вітру як флюгер. Якщо трапиться повне безвітря, то аеростати просто будуть парити в повітрі нерухомо. Звичайно, змінюватися може і сила вітру, а отже, і частота обертання ротора електрогенератора, але компенсувати ці обурення справа лише техніки [див. статтю: Гольберг Б. Електростанція на повітряних зміях // Винахідник і раціоналізатор. - 1992. - № 9-10. - С. 14]. Одним з недоліків відомого аеростата цієї системи є те, що він не містить в своїй конструкції двигуна для примусового польоту і органів управління напрямом польоту. Отже, він не може використовуватися як автономний літальний апарат з керованим польотом, що суттєво обмежує його технічні і експлуатаційні можливості. Іншим недоліком цієї системи є те, що вітроенергетична установка встановлюється на даху будівлі або на горбі. За суттю, не літальний апарат оснащений вітряком, а вітряк забезпечений приводом електрогенератора, виконаним у вигляді двох аеростатів. Таке розділення системи надто не вигідне, якщо вийде з ладу хоча б один аеростат, то вітроенергетична установка залишається без приводу, що виключає можливість вироблення електроенергії незалежно від наявності чи відсутності вітру. А якщо ж електрогенератор вийде з ладу, то аеростати виявляться безкорисними. Ще одним недоліком відомої системи є те, що вона буквально прив'язана до певного місця розташування, тобто, до місця знаходження електрогенератора. Розміщення останніх на дахах будівель, змушує парити аеростати безпосередньо над населеним пунктом, а це не завжди безпечно, по-перше, і, по-друге, якщо встановити багато електрогенераторів, то все небо над населеним пунктом буде закрите аеростатами, що малоприємно для мешканців, а також підвищується імовірність заплутування канатів, що також небезпечно. І останнім недоліком відомої системи енергозабезпечення складність приводу для обертання ротора одного електрогенератора через використання двох аеростатів, що, явно, нерентабельне. Така система має дуже високу вартість, що неминуче відіб'ється в гірший бік і на собівартості електроенергії, що виробляється нею. Відомий також літальна вітроенергетична установка, виконана у вигляді дирижабля з суцільним циліндричним корпусом, що звужується на кінцях і оснащеним рулями управління польотом, гондолою для розміщення в неї людей і обладнанням, а також двома вітродвигунами, встановленим на пілонах на зовнішніх бічних поверхнях дирижабля симетрично відносно його подовжньої осі Коли дирижабль зв'язаний зі щоглою, він знаходиться нерухомо. При цьому вітровий потік, що набігає, обертає повітряні гвинти вітроенергетичних установок (вітродвигунів), електрогенератори яких виробляють електричний струм, який по проводах передається на землю споживачам. На дирижаблі відсутня система накопичення електроенергії [див. авторське свідоцтво СРСР № 1413371 з класу F24F 5/00 яке опубліковане 30.07.1988 року у Бюл. № 28]. Основним недоліком відомої літальної вітроенергетичної установки є те, що її вітродвигуни не можуть бути використані для забезпечення примусової тяги під час польоту. Цей недолік зумовлений наступними двома причинами. По-перше, конструктивні особливості електрогенераторів не дозволяють їх ефективно використати як електродвигуни - потрібна дуже великі витрати енергії, що не рентабельно і, по-друге, навіть якщо їх і використати як електродвигуни, то буде потрібне постійне подання до них електричного струму, а такої можливості просто немає, оскільки у конструкції літального апарата не передбачений накопичувач електроенергії. 1 UA 117578 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Другим суттєвим недоліком відомої літальної вітроенергетичної установки є недосконалість конструкції її корпусу, а саме, - виконання його суцільним. У результаті цього вітродвигуни примусово розміщують на пілонах по обидві сторони від корпусу дирижабля, який створює "повітряну тінь", тобто порушує стабільність і напрям (прямолінійність) повітряного потоку, що набігає, а отже, знижує ефективність роботи вітродвигунів, оскільки на лопаті їх гвинтів поступає турбулентний вітровий потік, який, як відомо, не може утворювати високий тиск, тобто ефективно розкручувати повітряні гвинти вітродвигунів. З цієї ж причини - суцільність конструкції корпусу дирижаблю - необхідно використати не менш двох вітродвигунів, розміщуючи їх симетрично відносно подовжньої осі дирижабля, щоб виключити зміщення його центра ваги у будь-якому напрямі. Наявність двох вітродвигунів, природно, ускладнює конструкцію літального апарата та, відповідно, знижує його надійність, що є одним з головних чинників безпеки польотів і є третім недоліком відомої літальної вітроенергетичної установки. Четвертий недолік відомої літальної вітроенергетичної установки зумовлений все тією ж причиною - суцільністю конструкції корпусу дирижабля. Саме через таку його конструкцію необхідно використати рулі напряму і висоти польоту значних розмірів через створення корпусом дирижабля все тієї ж горезвісної "повітряної тіні", а це - додаткова витрата матеріалів, додаткова вага, що неминуче відіб'ється в гірший бік на собівартості дирижабля. Якщо ж використати рулі невеликих розмірів, то через "повітряну тінь" корпусу дирижабля, вони будуть малоефективні, - значно знизиться його маневреність, що створить проблеми під час керованого польоту по суворо заданому маршруту, під час польотів на малих висотах і під час здійснення посадки або зльоту. Найбільш близьким за своєю суттю та ефектом, що досягається, і який приймається за прототип, є дирижабль з вітроенергетичною установкою, який має циліндричний газонаповнений корпус звужений на кінцях та оснащений горизонтальним та вертикальним рулями управління польотом на задньому кінці, гондолою для розміщення в ній людей і обладнання, яка додатково забезпечена накопичувачем енергії, виконаним у вигляді набору акумуляторів, які є одночасно баластом дирижабля, а також корпус дирижабля виконаний у вигляді тороїда з утворенням у центральній частині поздовжньої крізної аеродинамічної труби, у порожнині якої розміщена вітроенергетична установка крильчастого типу, електрично пов'язана з накопичувачем енергії, причому передня частина каркаса корпусу дирижабля, що звужується, виконана зі змінним діаметром вхідного отвору аеродинамічної труби та, крім того, рулі управління польотом розташовані співвісно вихідному отвору аеродинамічноїтруби корпусу дирижабля [див. патент України № 58329 з класів В64В 1/06,1/24, F03D 9/02 який опублікований 15.07.2003 року у Бюл. № 7]. Основним конструктивним недоліком відомого дирижабля з вітроенергетичною установкою є низька продуктивність роботи вітроприймального крильчастого апарата (крильчатки), оскільки він розташований майже у центрі аеродинамічної труби. Оскільки передня частина аеродинамічної труби виконана у вигляді зрізаного конуса (конфузор), а далі йде прямолінійна циліндрична ділянка, вітровий потік, проходячи крізь крильчатку вітроенергетичної установки опиняється у циліндровій аеродинамічній трубі у стані турбулентності, через що швидкість просування повітря поздовж аеродинамічної труби сповільнюється, що викликає в трубі зростання тиску повітря, яке заважає перепусканню повітря через крильчатку, а це обмежує швидкість її обертання, а отже, й знижує продуктивність, тобто вироблення електроенергії вітроенергетичною установкою. В основу корисної моделі поставлена задача підвищення продуктивності вироблення електроенергії за рахунок підвищення швидкості руху вітрового потоку в зоні розташування крильчатки вітроенергетичної установки, шляхом зміни конструкції аеродинамічної труби із суцільної за діаметром на двоступеневу. Поставлена задача вирішується тим, що дирижабль з вітроенергетичною установкою, який має циліндричний газонаповнений корпус звужений на кінцях та оснащений горизонтальним та вертикальним рулями управління польотом, гондолою для розміщення в ній людей і обладнання, яка додатково забезпечена накопичувачем енергії, виконаним у вигляді набору акумуляторів, які є одночасно баластом дирижабля, а також корпус дирижабля виконаний у вигляді тороїда з утворенням у центральній частині поздовжньої крізної аеродинамічної труби, в порожнині якої розміщена вітроенергетична установка крильчастого типу, електрично пов'язана з накопичувачем енергії, причому передня частина каркаса корпусу дирижабля виконана у вигляді конфузора і, крім того, рулі управління польотом розташовані співвісно вихідному отвору аеродинамічної труби корпусу дирижабля, згідно з корисною моделлю, діаметр аеродинамічної труби поза вітроенергетичної установки стрибкоподібно збільшений для 2 UA 117578 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 утворення ефекту розрядження повітря, що викликає прискорення просування повітря у аеродинамічній трубі перед вітроенергетичною установкою. У відповідності до закону Бернуллі, при розширенні діаметра труби, тиск рухомого повітря, яке потрапляє на цю розширену ділянку з труби меншого діаметра обов'язково знижується. Завдяки розрядженню повітря у розширеній ділянці труби, у цю ділянку починає підсмоктуватися повітря з труби меншого діаметра, що збільшує в неї швидкість течії повітря. У нашому випадку аеродинамічна установка встановлена у аеродинамічній трубі меншого діаметра, припустимо, діаметра d. Одразу ж поза аеродинамічної установки діаметр аеродинамічної труби стрибкоподібно збільшується, припустимо, до діаметра D, який перевищує діаметр d, що викликає пришвидшення течії повітря у аеродинамічній трубі на ділянці діаметром d (у якій розташована вітроенергетична установка), що примушує обертатися крильчатку з більшою швидкістю, а це автоматично приводить до збільшення продуктивності вітроенергетичної установки. Таким чином, сукупність суттєвих ознак, отриманих завдяки внесенню принципових змін у конструкцію аеродинамічної труби, перетворюючи її з одноступеневої на двоступеневу, при розташуванні вітроенергетичної установки у вузькій частині труби у місці зміни її діаметра, дозволяє підвищити її продуктивність, а отже, досягти певного технічного результату, сформульованого у постановці задачі. Суть корисної моделі пояснює креслення. Запропонований дирижабль з вітроенергетичною установкою, який має циліндричний газонаповнений корпус 1 звужений на кінцях та оснащений горизонтальним та вертикальним рулями 2 управління польотом, розташованими позаду корпусу 1 дирижабля. Знизу під корпусом 1 розташована гондола 3 з кабіною, салоном і багажним відділенням для розміщення в них пілотів, пасажирів, вантажів, відповідно. Гондола 3 знизу додатково забезпечена накопичувачем енергії 4, виконаним у вигляді набору акумуляторів, які є одночасно баластом дирижабля. Корпус дирижабля виконаний у вигляді тороїда з утворенням у центральній частині поздовжньої крізної двоступеневої аеродинамічної труби. У вузькій ділянці 5 (перший ступінь меншого діаметра) аеродинамічної труби, співвісно їй, розміщена вітроенергетична установка 6 крильчастого типу, яка прикріплена до корпусу 1, наприклад, за допомогою пілонів 7. Вітроенергетична установка 6 електрично пов'язана з накопичувачем енергії 4. Передня частина каркаса корпусу 1 дирижабля виконана у вигляді конфузора 8. Поза вітроенергетичної установки 6 аеродинамічна труба стрибкоподібно збільшує свій діаметр, тобто має збільшену ділянку 9 (другий ступінь) для утворення позаду вітроенергетичної установки 6 ефекту розрядження повітря. Накопичувач енергії 4, виконаний у вигляді набору окремих акумуляторів, служить одночасно і баластом запропонованого дирижаблю з вітроенергетичною установкою 6. У разі необхідності вони можуть бути частково скинуті для зменшення загальної ваги дирижабля. Безумовно, в цьому випадку, ємність накопичувача енергії 4 зменшується, однак, у екстрених ситуаціях, цим можна нехтувати. Як електрогенератор 10 вітроенергетичної установки 6 доцільно використовувати електродвигун постійного струму, який може ефективно працювати в двох режимах: як генератор електричного струму, та і як електродвигун. Каркас корпусу 1 дирижабля утворений набором кільцевих шпангоутів 11, зовнішні та внутрішні контури яких огинає еластична оболонка 12, яка і утворить (формує) кокон з центральною подовжньою двоступеневою (ділянка 5 та ділянка 9) аеродинамічною трубою, тобто тороїд. Рулі 2 управління польотом розташовані у задній частині корпусу 1 дирижабля, навпроти вихідного отвору аеродинамічної труби, співвісно йому. Завдяки такому розташуванню рулів 2 управління польотом (на виході з аеродинамічної труби), повітряний потік, що проходить крізь аеродинамічну трубу, впливає на горизонтальні і вертикальні площини рулів 2, оскільки в цьому випадку відсутній ефект "затінення" повітряного потоку, характерного для дирижаблів зі суцільним корпусом. З цієї причини, розміри (площа) рулів 2 управління польотом можуть бути значно зменшені, а маневреність дирижаблю при цьому зростає за рахунок впливу на рулі 2 прямолінійного повітряного потоку, що виходить з аеродинамічної труби. Подальша суть запропонованого технічного рішення пояснюється спільно з принципом роботи дирижаблю з вітроенергетичною установкою. Акумулятори накопичувача енергії 4 заздалегідь (перший раз) заряджені електричним струмом для забезпечення роботи електрогенератора 10, для якого, як вже зазначалося, використовується електродвигун постійного струму. Для забезпечення направленого переміщення дирижабля у повітряному просторі, електрогенератор 10 працює в режимі двигуна 3 UA 117578 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 постійного струму, що забезпечує тягу для примусового переміщення дирижабля. Після завершення посадки пасажирів в гондолу 3 дирижаблю або завантаження гондоли 3 необхідним вантажем, пілот включає електрогенератор 10, який для своєї роботи споживає електричний струм, заздалегідь запасений в накопичувачі енергії 4. При роботі електрогенератора 10 в режимі електродвигуна, його ротор обертається, примусово обертаючи вітроколесо (крильчатку) вітроенергетичної установки 6. Завдяки цьому, у центральному отворі аеродинамічної труби на вузькій її ділянці 5 виникає направлений рух повітряного потоку від конфузора 8 вітроенергетичної установки 6. Крильчатка вітроенергетичної установки 6, що обертається, примусово засмоктує повітря у аеродинамічну трубу, та виштовхує на рулі 2 управління польотом. Цей штучно створений повітряний потік у аеродинамічній трубі забезпечує тягу дирижаблю для його переміщення в повітряному просторі. За допомогою рулів 2 управляють напрямом і висотою польоту. При польоті дирижабля у потоці супутнього вітру, електрогенератор 10 можна відключити від джерела енергії - накопичувача енергії 4. У цьому випадку політ здійснюється без витрати енергії. У аварійній ситуації, за необхідність, частина накопичувача енергії 4 (акумуляторів) може бути скинута з дирижабля для зниження його загальної ваги. Після посадки дирижаблю, під час стоянки його використовують як наземну повітряну вітроелектростанцію для підзарядки акумуляторів накопичувача енергії 4 електричним струмом (накопичення енергії для майбутніх польотів) і для електропостачання аеродрому. Щоб природний повітряний потік, який має місце у вітряну погоду, попадав у аеродинамічну трубу, корпус 1 дирижабля необхідно розвернути носовою частиною назустріч вітру. Такий розворот корпусу 1 дирижабля відбувається самостійно природним чином, завдяки тому, що корпус 1 кріпиться до місця парковки, зазвичай, за допомогою троса, прикріпленого до носової частини дирижабля. При такому кріпленні корпусу 1, останній, чинячи опір вітру, завжди буде сам встановлюватися "на вітер" без додаткової допомоги. Прискорений розширеною ділянкою 9 повітряний потік, потрапляючи всмоктуючись у звужену ділянку 5 з конфузора 8, приводить у прискорене обертання крильчатки вітроенергетичної установки 6. Оскільки крильчатка кінематично пов'язана з валом електрогенератора 10, то ротор останнього, обертаючись, буде виробляти електричний струм. Електричний струм, що виробляється, передається до накопичувана енергії 4, заряджаючи його акумулятори. Після повної зарядки акумуляторів, електричний струм, що виробляється, електрогенератором 10 надходить в енергосистему аеродрому для забезпечення електричним струмом його об'єктів. Відомо, що при збільшенні відстані від поверхні землі, швидкість вітру зростає. Тому для підвищення ефективності роботи вітроенергетичної установки 6, корпус 1 дирижабля доцільно розташовувати під час стояння не на землі, а в атмосфері на певній висоті. Для цього, у вітряну погоду, довжину троса збільшують до необхідних розмірів, при цьому корпус 1 дирижабля підіймається вгору і парить в повітряному потоці. Вироблення електроенергії вітроенергетичною установкою 6 відбувається так само, як і при паркуванні дирижабля на землі, тільки з більшою ефективністю завдяки збільшенню потужності вітрового потоку у верхніх шарах атмосфери. Таким чином, запропонований дирижабль з вітроенергетичною установкою 6 може експлуатуватися в двох режимах: безпосередньо як транспортний засіб і як наземна або ширяюча вітроелектростанція для вироблення електроенергії, при цьому використовуючи для різних режимів експлуатації, одну й ту ж саму вітроенергетичну установку 6. Суттєва відмінність заявленого об'єкта від раніше відомих, полягає в тому, що аеродинамічна труба виконана двоступеневою зі стрибкоподібною зміною ступенів, а вітроенергетична установка розташована у вузькій ділянці труби на границі зміни діаметра аеродинамічної труби. Вказані відмінності, у сукупності, дозволяють прискорити вітровий потік у зоні розташування крильчатки вітроенергетичної установки, а отже, збільшити продуктивність останній. Жодний дирижабль з вітроенергетичною установкою не може володіти вказаними властивостями, оскільки вони не містять у своєму складі всіх суттєвих ознак, притаманних заявленому технічному рішенню. До технічних переваг запропонованого технічного рішення, у порівнянні з прототипом, можна віднести наступне: можливість прискорення повітряного потоку у аеродинамічній трубі за рахунок виконання її двоступеневою; підвищення продуктивності вітроенергетичної установки за рахунок розташування її на границі ступенів аеродинамічної труби. 4 UA 117578 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 Дирижабль з вітроенергетичною установкою, що містить циліндричний газонаповнений корпус, звужений на кінцях та оснащений горизонтальним та вертикальним рулями управління польотом, гондолою для розміщення в ній людей і обладнання, яка додатково забезпечена накопичувачем енергії, виконаним у вигляді набору акумуляторів, які є одночасно баластом дирижабля, а також корпус дирижабля виконаний у вигляді тороїда з утворенням у центральній частині поздовжньої крізної аеродинамічної труби, в порожнині якої розміщена вітроенергетична установка крильчастого типу, електрично пов'язана з накопичувачем енергії, причому передня частина каркаса корпусу дирижабля виконана у вигляді конфузора, рулі управління польотом розташовані співвісно вихідному отвору аеродинамічної труби корпусу дирижабля, який відрізняється тим, що діаметр аеродинамічної труби поза вітроенергетичної установки стрибкоподібно збільшений для утворення ефекту розрядження повітря, що викликає прискорення просування повітря у аеродинамічній трубі перед вітроенергетичною установкою. Комп’ютерна верстка О. Гергіль Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5