Новая высота: как воздушные змеи расширяют возможности ветроэнергетики

Любой ребенок, который когда-либо запускал воздушного змея, знает: как только змей набирает высоту, у него больше шансов найти устойчивый ветерок, который удержит его в воздухе. И развивающаяся отрасль ветряной энергетики хорошо усвоила этот урок. Запуская массивных воздушных змеев на высоте от 200 м над землей, компании используют ветер для выработки электроэнергии.

«Они дешевле в производстве и транспортировке, а также более эффективны», — говорит Флориан Бауэр, со-CEO и технический директор Kitekraft, мюнхенской компании, разрабатывающей энергетическую систему на основе воздушных змеев. По его словам, углеродный след также намного меньше.

Но чтобы энергия ветра получила широкое распространение, придется преодолеть ряд технологических и коммерческих препятствий. Этому посвящена статья Бауэра и его коллег, которая выйдет в ежегоднике Annual Review of Control, Robotics and Autonomous Systems 2022 года. Также придется продемонстрировать, что технология безопасна, не причинит вреда дикой природе и не создаст невыносимого шума и визуальных помех для соседей.

На данный момент она находится в зачаточном состоянии. Большинство компаний работают над относительно небольшими пилотными проектами, и ни одна из них не представила модель, которая бы вырабатывала несколько МВт и была сопоставима с обычными ветряными турбинами. Но небольшие версии уже есть на рынке.

В 2021 году гамбургская SkySails Power стала первой компанией, предложившей коммерческий продукт. Его серийная модель — воздушный змей нежесткой конструкции, размеры которого можно регулировать, увеличивая площадь до 180 кв. м. Он прикреплен 800-метровым тросом к наземной станции, находящейся в транспортном контейнере.

Воздушный змей делает большие, изящные восьмерки в небе и питает наземный генератор, способный вырабатывать в среднем 80 кВт — этого достаточно, чтобы обеспечить электроэнергией около 60 среднестатистических домохозяйств США. Это мало по сравнению с типичной ветряной турбиной мощностью 2,75 МВт, но сопоставимо со многими портативными дизельными генераторами.

Устройство предназначено для использования в удаленных местах вдали от электросети.

Со временем компании хотят создавать более крупные конструкции, способные вырабатывать мегаватты энергии, — кластеры из сотен воздушных змеев.

Управлять стихией

Ветер, дующий близко к земле, имеет тенденцию замедляться из-за трения о деревья, здания и холмы, а также о саму землю. Таким образом, чем выше от поверхности, тем быстрее будет скорость ветра — на высоте 500 м он движется в среднем от 3 до 7 км в час быстрее, чем на высоте в 100 м.

За последние несколько десятилетий появилось несколько идей, как использовать преимущества ветра, например устанавливать турбины на летательных аппаратах или подвешивать их к стационарным воздушным змеям. Но большинство компаний, таких как SkySails, предпочитают использовать управляемых компьютером воздушных змеев, которые движутся так, чтобы собирать больше энергии.

Системы ветряной энергетики используют два подхода.

• Первый (его придерживается SkySails) предусматривает наземную генерацию: конец троса наматывается на лебедку, и когда воздушный змей летит поперек ветра, он натягивает трос и раскручивает лебедку, приводя в действие генератор. Затем змей вновь начинает движение, пока лебедка не намотается обратно, и цикл начинается снова.
• Другой подход заключается в выработке электроэнергии на борту воздушного змея. Для этого используются жесткие конструкции, похожие на крыло самолета с небольшими ветряными турбинами. Когда змей летит, ветер приводит в действие турбины, и электричество, вырабатываемое воздушным змеем, передается по тросу на наземную станцию.

Kitekraft, компания Bauer, использует второй метод, который позволяет ей использовать лопатки турбины в двух направлениях. Во время запуска и посадки лопасти приводятся в действие двигателем и становятся пропеллерами, которые позволяют воздушному змею двигаться в воздухе, как беспилотный летательный аппарат. Как только воздушный змей оказывается на нужной высоте, турбины переключаются на выработку энергии из ветра.

Воздушные змеи предлагают потенциальное преимущество перед современными ветряными вышками с точки зрения используемого материала. Башни ветряных турбин требуют бетонных фундаментов и стальных конструкций только для того, чтобы поддерживать турбины на нужной высоте. В системах, основанных на воздушных змеях, конструкции заменяются относительно небольшой наземной станцией и легким тросом.

Исследование, проведенное торговой ассоциацией Airborne Wind Europe, показало, что за 20 лет эксплуатации воздушная ферма на 50 МВт будет использовать 913 т материала, а типичная ветряная электростанция — 2 868 т. Использование меньшего количества материалов может сделать системы на основе воздушных змеев более экологичными и дешевыми в изготовлении.

Воздушные змеи также могут оказаться полезными для морской ветрогенерации. Сейчас, если дно участка слишком глубокое для строительства фундамента, турбины располагают на массивных, похожих на баржи конструкциях, которые должны выдерживать их вес и поддерживать их устойчивость. Воздушные змеи менее массивны, и для них потребовались бы более легкие и дешевые платформы.

Но эти преимущества имеют и обратную сторону – сложность технологии. Чтобы использование воздушных змеев было экономически оправдано, они должны работать в течение длительного времени и практически без присмотра со стороны человека.

Это представляет собой сложную проблему компьютерного управления, говорит Крис Вермиллион, директор Лаборатории контроля и оптимизации возобновляемых источников энергии и энергоэффективности в Университете штата Северная Каролина и советник Windlift, технологической компании, производящей воздушные змеи.

Воздушные змеи не просто пассивно парят в воздухе. Вместо этого они используют аэродинамику и боковой ветер, примерно как лодки, которые могут двигаться вперед и назад против ветра. Когда змей движется перпендикулярно направлению ветра, его крылья создают подъемную силу и еще сильнее натягивают трос.

Эта дополнительная подъемная сила преобразуется в дополнительную скорость, которая может либо тянуть трос с большей силой для наземной генерации, либо быть преобразована в большую воздушную скорость для ускорения работы бортовых турбин.

Полет с боковым ветром увеличивает скорость и, следовательно, потенциальную энергию, которую воздушный змей может получить от ветра.

Но такие сложные маневры требуют постоянной настройки и управления воздушными змеями либо пилотом, либо компьютером. Жесткие конструкции управляются примерно так же, как и самолеты, за счет регулирования компонентов рулевого управления, таких как закрылки и элементы хвоста. Взаимодействие с нежесткими воздушными змеями похожа на использование парашюта: регулировка осуществляется с помощью рулевых тросов.

Самые современные системы воздушных змеев сегодня способны летать под компьютерным управлением в течение нескольких часов или дней подряд, используя бортовые и наземные компьютеры для внесения постоянных поправок в рулевое управление. По словам Вермиллиона, они, как правило, работают очень хорошо, пока ветер остается устойчивым.

Однако чтобы получить широкое распространение, воздушные змеи должны быть способны надежно справляться с внезапными и непредсказуемыми изменениями, например сильными порывами ветра. Потребуется и возможность автоматически взлетать и садиться, чтобы они могли снижаться в плохую погоду и подниматься при попутном ветре.

«Необходимо проделать дополнительную работу, чтобы довести технологию до уровня, при котором срок службы устройств составляет порядка лет и десятилетий, в отличие от демонстраций, которые длятся дни и недели», — говорит Вермиллион.

Существует также проблема масштаба. Меньшие воздушные змеи дешевле в изготовлении и проще в разработке. Но поскольку вес и сопротивление троса увеличиваются с высотой, маленькие воздушные змеи не работают так хорошо на высоте 300 м или выше, где ветер, как правило, сильнее всего. Более крупные конструкции могут летать выше и вырабатывать мегаватты энергии, но их создание сопряжено с расходами и риском.

Kitekraft предпочитает создавать кластеры из крошечных мобильных ветряных мельниц, которые сами обеспечивают взлет и посадку. Пока проект находится на стадии прототипа, но в будущем он позволит строить ветряные электростанции в большем количестве мест или обеспечить питанием локации, удаленные от электросетей.

Источник.

Фото на обложке: Soloviova Liudmyla / Shutterstock