Добыча электроэнергии с помощью «летающих электростанций»30.06.2021 12:47

Силы природы намного превосходят те мощности, которыми обладает человечество. Вулканические извержения, сила ветра, тепло солнечного излучения, приливы и отливы, молнии — все эти факторы сосредотачивают в себе колоссальную мощь, разлитую вокруг нас.

В этой же статье мы попытаемся рассказать о нестандартных ветрогенераторах, которые для использования силы ветра — в буквальном смысле парят в воздухе!

Неслучайно, в течение многих веков, человечество использовало силы природы себе во благо, особенно в те периоды, когда оно ещё не обладало мощью механизмов и двигателей.

Особенно это применимо к силе ветра, той невидимый природный мощи, которая окружает всех нас. Сила ветра с давних времен использовалась человечеством как для приготовления пищи (например, для размалывания зерен в муку, мельницами), так и для передвижения, — когда моря бороздили сотнями веков парусные суда.

Несмотря на то, что современное время дает человечеству новые возможности по добыче энергии иными способами, в том числе самыми высокотехнологичными, среди которых можно назвать ядерную энергетику, человечество каждый раз с надеждой посматривает на ту природную мощь, которая до сих пор остается по большей мере незадействованный, — силу ветра.

Именно поэтому предпринимаются все новые и новые попытки по освоению этого неисчерпаемого океана, для чего применяются разнообразные ветрогенераторы.

Компании создают разнообразные технологии и подходы к проектированию генераторов, что позволяет создавать генераторы как быстроходные, так и работающие на малых оборотах, но тем не менее, — обладающие высокой эффективностью. Первый тип генераторов используется в случае, если он планируется к установке в местности, обладающей быстрыми и мощными ветрами; второй тип предназначен для освоения медленных источников энергии, — например, горных полноводных рек.

Возвращаясь к энергии ветра, можно сказать, что основной проблемой данных генераторов является то, что ветер у земной поверхности является весьма нестабильной субстанцией. Он постоянно меняет свою силу и направление. Из-за этого, генераторы, установленные у земной поверхности, не могут достичь стабильной выработки электроэнергии и их мощность постоянно колеблется.

С этим пробуют бороться разнообразными методами, среди которых можно назвать:

• установка генераторов на больших открытых пространствах, например, недалеко от берега, прямо в море;
• подъём генератора на максимально допустимую современными технологиями высоту.

Источник картинки: www.wikipedia.org

Однако несмотря на все ухищрения, всё равно скорость ветра в приземном слое является плавающей величиной, поэтому ученые ищут разнообразные подходы для стабилизации отдачи от существующих генераторов.

Весьма перспективным в этом направлении является добыча энергией ветра с высот более 200 метров. Хотя, как можно видеть на приложенной картинке ниже, исследование белорусских ученых показывает, что на высоте уже в 160 метров происходит удвоение скорости ветра по сравнению с высотой в 10 метров.

Согласно некоторым исследованиям, скорость ветра на высотах 400 — 500 метров достигает 16–17 м/с летом, что соответствует по шкале Бофорта — шторму; зимой же, скорость ветра усиливается до 18–19 м/с, что по шкале Бофорта соответствует — сильному шторму.

Согласно исследованиям компании KiteGen, Землю окружают две полосы ветрового потока. Один находится в южном полушарии на широте Патагонии, а другой — в северном полушарии над Европой. Высота потока колеблется от 800 до 10 000 метров, а ширина — от 4 000 до 5 000 км. Средняя мощность ветра составляет около 2 кВт на квадратный метр.

Высотный ветер гораздо более сильный и постоянный, чем ветер на уровне земли, который интенсивен в очень немногих местах и ​​на полной скорости всего около 1700 — 1800 часов в год, что ограничивает годовое производство энергии.

Причём, в отличие от приземных ветров, ветра на данной высоте являются достаточно стабильными и дуют постоянно.

Было бы обидно не попытаться использовать такую мощь, находящуюся прямо над нашими головами!

Именно так и подумала компания Makani которая решила производить электроэнергию с помощью использования воздушных змеев:

Makani была основана в 2006 году Солом Гриффитом, Доном Монтегю и Корвином Хардхэмом. «Макани» в переводе с гавайского означает «ветер».

В декабре 2016 года Makani впервые эксплуатировала прототип мощностью 600 кВт с размахом крыла 28 метров.

С августа 2018 года Макани эксплуатирует испытательный полигон энергетических воздушных змеев на Большом острове Гавайи.

Для того, чтобы достичь цели получения дешевой возобновляемой энергии, кайт-энергетическая система использует автономные привязные крылья, которые летают по круговой траектории и генерируют электричество с помощью ветровых турбин, установленных на основную часть крыла.

В феврале 2020 года Alphabet закрыла Makani. Компания заявила: «Несмотря на значительный технический прогресс, путь к коммерциализации длиннее и рискованнее, чем предполагалось».

В сентябре 2020 года Makani выпустила Energy Kite Collection — отчет из трех частей и сопровождающую его коллекцию репозиториев с открытым исходным кодом, журналов полетов и технических видео по проекту. Она также выпустила документальный фильм об этом проекте » Власть с неба: история Макани» и взяла на себя обязательство не предъявлять претензии в отношении своего патентного портфеля, что позволяет любому использовать ее патенты, не опасаясь судебных преследований.

Но данная компания не является единственной в попытке покорения «небесных батарей».

Итальянскими исследователями был создан стартап, под названием KiteGen, основатель которого провел большое время в наблюдении за кайтсерферами, и ему пришла в голову мысль, что большая энергия ветра, которую используют серферы, может быть применена в целях генерации электроэнергии.

Результатом его размышлений стала система, которая представляет собой генератор, установленный на земле, а также один или несколько воздушных змеев, подобных тем, на которых катаются кайтсерферы.

Источник картинки: www.kitegen.com

Управление данными воздушными змеями происходит при помощи компьютера.

Вкратце, система представляет собой генератор, установленный на земле, выносную штангу, к которой прикреплён летящий в воздухе воздушный змей, движение которого позволяет вращать штангу и приводить в движение генератор, связанный с ней.

Источник картинки: www.kitegen.com

Источник картинки: www.kitegen.com

По расчетам данной компании, теоретически, система, состоящая из 20 воздушных змеев, управляемых централизованно, с помощью компьютера, могут приводить в движение турбину генератора, со скоростью до 15 оборотов час, диаметром 1600 метров. Данное движение позволяет генерировать порядка 1 гигаватт электроэнергии, что равносильно средней электростанции атомного типа.

Две рассмотренные компании не являются одинокими в своих попытках покорить воздушные просторы в поисках новых источников электроэнергии. Компания Altaeros рассматривает возможность получения электроэнергии с помощью аэростатов трубчатого типа, постоянно находящихся на высотах от 300 метров и выше.

Первый прототип компании, представлял собой надувной аэростат, с укрепленной в центре него крыльчаткой генератора. Данный аэростат должен был лететь на высоте в 2.000 футов (примерно 609 метров).

Источник картинки: www.nsf.gov

Данный прототип заполнялся гелием и был готов к работе, после 1 дня работ по его монтажу на месте. Транспортировка в удалённое место эксплуатации, например, нефтяное месторождение, должно было происходить в упакованном виде.

Система является автономной, для пополнения ее гелием, необходимо лишь спускать ее для регламентных работ, примерно раз в 3–4 месяца.

Как говорит руководство компании, как правило, от 30 до 50% стоимости любого ветрогенератора приходится на расходы, связанные со строительством башни для него.

Данный подход является неэффективным и компания предлагает отказаться от него с помощью использования надувных аэростатов.

Работы компании в данном направлении привели к созданию нового аэростата повышенной мощности, который предназначен для полетов на высоте в 300 метров, и должен вырабатывать до 30 кВт электроэнергии.

Не отстает от них и команда исследователей из Шотландии.
Они также пытаются освоить воздушные просторы с помощью воздушных змеев, которые у кайтсерферов называются «парафойлы». Данного типа воздушные змеи держат свою форму за счёт набегающего потока воздуха, который надувает ячейки, из которых состоит змей.

Система предназначена для генерации электроэнергии следующим образом: на земле находится специально оборудованный грузовик, который несет в своём кузове генератор электроэнергии, к которому прикреплен с помощью троса летящий на высоте в 450 метров воздушный змей.

Змей описывает на этой высоте траекторию в форме восьмерки. Стандартный типовой змей, в рамках данного проекта, имеет ширину порядка 40 метров, что позволяет ему вырабатывать до 3 мегаватт электроэнергии.

Компания планирует коммерциализировать данную технологию к 2023 году.
Но это всё достаточно большие проекты, которые требуют больших материальных затрат и фактически предназначены для обеспечения электроэнергией десятков и сотен домашних хозяйств. А как же обстоят дела с возможностью добывать электроэнергию локально, в небольших количествах, например, туристам в лесу?

Попробуем пофантазировать, как могла бы выглядеть данная система, в рамках попытки создания носимой мощной системы энергообеспечения.

В первую очередь, нам требуется поднять генератор на рабочую высоту. В качестве альтернативного вида конструкции, можно конечно оставить генератор и на земле, — данная конструкция тоже имеет право быть.

Сам воздушный змей должен быть поднят на рабочую высоту, которая находится в интервале от 300 до 600 метров. Очень желательно, чтобы выход воздушного змея на данную рабочую высоту происходил даже из любых осложненных условий, например из густого леса.

Любой, кто запускал в детстве воздушного змея, знает, что для того чтобы вывести его на требуемую высоту, необходимо с ним «досыта набегаться» по полю. В условиях густого леса, данные действия могут быть весьма затруднительны.

Поэтому видится целесообразным, наличие на данном воздушном змее некой системы вертикального взлёта.

В качестве такой системы может быть использован любой высокооборотистый двигатель, очень желательно, — независимый от аккумуляторного питания. В качестве такого двигателя, достаточно мощного и высокооборотистого, можно с лёгкостью использовать двигатель бензинового триммера для стрижки газонов.

Почему не электрический двигатель: так как выведение на рабочую высоту воздушного змея не должно зависеть от наличия нужного заряда в аккумуляторе, который весьма проблематично пополнить в условиях леса, видится целесообразным использование именно бензинового двигателя, в качестве средства выведения на целевую высоту.

Чтобы избежать паразитного закручивание самого змея, в сторону противоположную вращению винта, можно использовать крестообразную форму воздушного змея, которая позволит избежать необходимости устанавливать некие стабилизирующие устройства, вроде винта, вращающегося в другую сторону или второго «хвостового» винта как на вертолётах.

В середине самого воздушного змея можно установить электрогенератор, в качестве доступной версии которого может выступить любое мотор-колесо для электровелосипеда, скутера и другой подобной техники индивидуальной мобильности.

Алгоритм взлета данной системы обидится следующим: змей влетает строго вертикально, по мере набора высоты, — имеющиеся на его борту моторизованные катушки-намотчики, связанные с уздечками воздушного змея, начинают плавно натягивать их и устанавливать необходимый угол атаки для змея. Финальная установка угла атаки происходит при выходе на целевую высоту.

Конечно, данная концепция воздушного змея является всего лишь теоретической концепцией, и наверняка, внимательный и вдумчивый читатель найдет множество слабых моментов этой конструкции и предложит что-то своё, более продуманное.

Например, видится целесообразным создание следующей конструкции: когда количество и площадь лопастей ротора генератора является настолько большой, что, по сути, играет роль поверхности воздушного змея. В таком случае, необходимо всего лишь вывести данный ротор на целевую высоту и установить требуемый угол атаки.

Такая небольшая портативная конструкция может быть полезной как для туристов, так и для энергоснабжения оторванных от цивилизации мест проживания людей.

Дополнительным бонусом данной конструкции (летящего на высоте змея — электростанции) является возможность навесить на него телекоммуникационное оборудование и «раздавать» интернет на большие площади.