Могут ли воздушные змеи питать ваш дом энергией?

Любой ребенок, который когда-либо запускал воздушного змея, усвоил урок: как только вы сможете поднять воздушного змея над землей высоко в воздух, то скорее всего, найдете постоянный ветер, который будет держать его в воздухе.

Зарождающаяся ветроэнергетическая отрасль усваивает этот урок, применяя это свойство в своих разработках. Запуская огромные воздушные змеи на высоту 200 и более метров над землей. Компании используют найденный там ветер для выработки электроэнергии.

jacobs favorite kite 1

Воздушные змеи могут позволить строить ветряные электростанции на земле, которая недостаточно ветреная для обычных башен ветряных турбин.

По меньшей мере 10 фирм в Европе и США разрабатывают варианты такого типа. Если им это удастся, то воздушные змеи позволят строить ветряные электростанции на земле, которая не подходит для обычных башен ветряных турбин. Воздушные змеи также могут быть лучшим выбором для оффшорной ветроэнергетики, и однажды они даже смогут заменить по крайней мере некоторые используемые сейчас закрепленные на якоре мачты.

«Это дешевле в производстве, дешевле в транспортировке, а также имеет более высокую эффективность», — говорит Флориан Бауэр, со-генеральный директор и главный технический директор Kitekraft, мюнхенской компании, разрабатывающей систему питания воздушных змеев. По его словам, углеродный след также намного меньше. «Если у вас есть все эти преимущества, зачем кому-то строить обычный ветряк?»

Но чтобы стать широко распространенным источником электроэнергии, ветряная энергия, как ее еще называют, должна преодолеть ряд технологических и коммерческих препятствий. Ему нужно будет продемонстрировать, что он безопасен, не наносит вреда дикой природе, не создает невыносимого шума и визуальных помех для соседей.

На данный момент мощность кайта находится в зачаточном состоянии. Большинство компаний работают над относительно небольшими пилотными проектами, и ни одна из них не расширяла свои технологии до мегаваттного диапазона, который сделал бы их сопоставимыми с обычными ветряными турбинами. Но маленькие версии уже есть на рынке.

В 2021 году SkySails Power из Гамбурга стала первой компанией, предложившей коммерческий продукт. Его серийная модель состоит из мягкого управляемого воздушного змея площадью до 180 квадратных метров. Воздушный змей привязан 800-метровым тросом к наземной станции, находящейся в транспортном контейнере.

В процессе работы воздушный змей рисует в небе большие изящные восьмерки и питает наземный генератор средней мощностью 80 киловатт — этого достаточно, чтобы обеспечить электричеством около 60 средних американских домов. Это немного по сравнению с типичной ветряной турбиной мощностью 2,75 мегаватт, но по масштабу сопоставимо со многими портативными промышленными дизельными генераторами. Устройство предназначено для использования в удаленных от электросети местах.

В конце концов, компании хотят создавать более крупных воздушных змеев, способных генерировать мегаватты энергии, сгруппированных вместе на ветряных электростанциях, обеспечивающих электричеством сеть.

Источник Максимальная мощность Количество домов, которые могут быть запитаны
Существующие SkySails PN-14 80 кВт 60
Типичный ветряк 2,75 МВт 2,160
Предлагаемый коммерческий змей 3,5 МВт 2,800
Малый ядерный реактор 582 МВт 465,600

Обуздание быстрых ветров

Ветер у земли имеет тенденцию замедляться из-за трения о деревья, здания и холмы, а также о саму землю. Таким образом, чем выше вы поднимаетесь, тем быстрее может двигаться ветер — на высоте 500 метров ветер дует в среднем на 3–7 километров в час быстрее, чем на высоте 100 метров. За последние несколько десятилетий было сделано несколько предложений по использованию преимуществ этих более быстрых, приподнятых ветров, включая отправку турбин на летательные аппараты легче воздуха или подвешивание их к стационарным воздушным змеям. Но большинство компаний, таких как SkySails, используют подход, в котором используются управляемые воздушные змеи с компьютерным управлением, которые летают по заданным траекториям в воздухе, чтобы собрать больше энергии.

Бортовые ветроэнергетические системы используют два основных способа выработки электроэнергии. Наземные подходы, такие как SkySails, используют «насосную мощность» для запуска генератора на земле. Наземный конец троса наматывается на лебедку, и когда воздушный змей летит по ветру, он натягивает трос и разматывает лебедку, приводя в действие генератор, вырабатывающий электричество. Затем воздушному змею позволяют плавать, пока он снова наматывается, и цикл начинается снова.

Другой подход заключается в выработке электроэнергии на борту воздушного змея. Бортовая генерация использует жесткий воздушный змей, похожий на крыло самолета, который поддерживает небольшие ветряные турбины. Когда воздушный змей летит, ветер запускает турбины, а электричество, вырабатываемое аппаратом, передается по тросу на наземную станцию.

Kitekraft, компании Бауэра, использует бортовой метод, который позволяет использовать лопасти турбины двойного назначения. Во время запуска и посадки лопасти приводятся в действие двигателем и становятся пропеллерами, которые позволяют воздушному змею летать и парить, как дрон в воздухе. Как только воздушный змей оказывается на нужной высоте, турбины переключаются на выработку энергии ветра.

Воздушные ветроэнергетические змеи генерируют электроэнергию двумя основными способами. «Насосная мощность» использует тянущее движение воздушного змея, чтобы вращать барабан на земле, который приводит в действие генератор, вырабатывающий электричество.

Воздушные змеи предлагают потенциальное преимущество перед сегодняшними ветряными башнями с точки зрения используемого материала. Башни ветряных турбин требуют бетонных фундаментов и стальных конструкций только для того, чтобы удерживать турбины на нужной высоте. В системах на основе воздушных змеев конструкции заменяются относительно небольшой наземной станцией и легким тросом. Исследование проведенное торговой ассоциацией Airborne Wind Europe, показало, что ферма воздушных змеев мощностью 50 мегаватт будет использовать 913 метрических тонн материала в течение 20-летнего срока службы по сравнению с 2868 метрическими тоннами для типичной фермы ветряных башен. Использование меньшего количества материала может сделать системы на основе воздушных змеев более экологичными и дешевыми в производстве.

Воздушные змеи также могут оказаться полезными для глубоководной морской ветроэнергетики. Сегодня, когда вода слишком глубока для строительства фундамента, ветряные турбины вместо этого плавают на массивных конструкциях, похожих на баржи, которые должны выдерживать вес турбин и сохранять их устойчивость. Поскольку воздушные змеи менее массивны, они могут использовать более легкие и дешевые баржи.

Но эти преимущества достигаются за счет сложности. Чтобы воздушные змеи имели экономический смысл, они должны работать в течение длительного времени и практически без присмотра человека. Это представляет собой сложную компьютеризированную проблему управления, говорит Крис Вермилион, директор Лаборатории управления и оптимизации возобновляемых источников энергии и энергоэффективности в Университете штата Северная Каролина и советник Windlift, компании, занимающейся технологиями воздушных змеев.

Воздушные змеи не просто пассивно парят в воздухе. Вместо этого они используют аэродинамику, чтобы летать по схеме «боковой ветер», немного похоже на лодку, лавирующую взад и вперед по ветру. Летя перпендикулярно направлению ветра, их крылья создают подъемную силу и еще сильнее тянутся к тросу. Эта дополнительная подъемная сила преобразуется в дополнительную скорость, которая может либо тянуть трос с большей силой для наземной генерации, либо преобразовываться в большую воздушную скорость для более быстрого вращения бортовых турбин. В любом случае доступная мощность увеличивается как минимум на порядок по сравнению с полетом без бокового ветра. Полет с боковым ветром увеличивает скорость и, следовательно, потенциальную энергию, которую воздушный змей может получить от ветра.

Но такие хитрые маневры требуют постоянной настройки и контроля воздушных змеев либо со стороны пилота, либо с компьютера. Жесткие воздушные змеи управляются путем регулировки компонентов рулевого управления, таких как закрылки и рули, так же, как летают самолеты. Мягкими воздушными змеями управляют, регулируя длину строп, подобно тому, как управляется парашют.

Самые передовые кайт-системы на сегодняшний день способны летать под компьютерным управлением в течение нескольких часов или дней, используя как бортовые, так и наземные компьютеры для постоянной корректировки рулевого управления. Как правило, они работают очень хорошо, пока ветер остается стабильным, говорит Вермилион.

Но чтобы стать популярными, кайты должны быть в состоянии надежно справляться с внезапными и непредсказуемыми изменениями, такими как сильные порывы ветра. Они также должны будут иметь возможность автоматически взлетать и приземляться. Чтобы они могли снижаться в плохую погоду и подниматься вверх при подходящем ветре.

Существует также проблема масштаба. Воздушные змеи меньшего размера дешевле в изготовлении и проще в разработке. Но поскольку вес и сопротивление троса увеличиваются с высотой, маленькие воздушные змеи не так хорошо работают на высоте 300 метров и выше, где ветер, как правило, самый сильный. Компании хотят перейти на более крупные и эффективные воздушные змеи, которые могут летать выше и производить мегаватты энергии. Но это сопряжено с расходами и риском.

Эта история первоначально появилась в Knowable Magazine.

Вас могут заинтересовать: