Перспективы и трудности высотной ветроэнергетики

Ветровые турбины являются ядром ветроэнергетики, охватывая весьма значительные, участки земли. Лопасти, как правило расположены на высоте около 100 метров над землей. Высоко? Да, но тем не менее, скорость ветра на этой высоте не так велика, как на высотах в 6 000 — 15 000 метров над уровнем земли. Чем выше мы поднимаемся, тем большую скорость имеет ветер и тем более постоянны воздушные потоки. На этой высоте, скорость ветра превышает показатель в 92 километра в час, а порой достигает отметки в 400 километров в час!

Исследователи обнаружили, что наиболее благоприятные регионы для сбора ветровой энергии сосредоточены в восточной части Соединенных Штатов и в Восточной Азии, в том числе, в таких городах как Токио, Нью-Йорк, Сан-Паулу, Сеул, Мехико. А в Нью-Йорке, сосредоточены наиболее плотные ветровые потоки — ветра там быстрее, чем в любом другом городе США.


Высотные струйные течения

Обыкновенная ветроэнергетика сталкивается с множеством препятствий, таких как непостоянство скорости ветра, требования к земельным участкам и противодействие местных жителей. Высотная ветроэнергетика имеет огромный, долгосрочный потенциал, но сталкивается с разнообразными инженерными и нормативными проблемами. Исследователям еще предстоит выяснить, как безопасно подвесить ветровые турбины на высоте десятков тысяч метров от земли, как держать их в воздухе в течение длительного периода времени при сильных ветрах, и как избежать взаимных помех для авиации.

И хотя, предстоит разрешить множество трудностей, высотная энергия ветра может в конечном итоге стать более простым и дешевым способом извлекать энергию из ветра, нежели развитие традиционной ветроэнергетики. Такая ситуация может возникнуть по той причине, что не будет никакой необходимости в гигантских стальных и бетонных башнях или в поворотном механизме, который переориентирует стандартные ветровые турбины по мере изменения направления ветра.

Высотная энергия ветра может стать самым дешевым источником энергии в мире. А в масштабах всего мира, высотная ветроэнергетика сможет обеспечить потребности всей планеты, обладая низкими затратами, используя специальные системы захвата ветра, которые будут парить на высотах, где сила ветра намного выше, чем она есть на уровне земли. Высокоэнергетические потоки ветров, находятся на высотах, далеко над нами, и недостаточно башен высотой всего несколько сотен метров, которыми обладают классические ветровые турбины.

Австралийский ученый Брайан Робертс уже давно убежден в том, что энергия ветра на большой высоте может быть захвачена и использована. Он решил доказать это, и уже давно продемонстрировал, что технология “Летающих Электрогенераторов” (Flying Electric Generator - FEG) работает на практике и должна работать на больших высотах. Брайан Робертс со своими коллегами уже продемонстрировали, что Летающие Электрогенераторы могут эффективно вырабатывать электричество на малых высотах, но при сильных порывах ветрах.


Рендер Летающего Электрогенератора

В стремлении извлечь пользу из высотных ветров, компания Altaeros Energies разработала плавающую ветряную турбину — нечто среднее между традиционным ветряком и дирижаблем. После ряда успешных тестов, команда Altaeros уверена, что этот новый левитирующий ветряк станет жизнеспособный вариантом получения чистой энергии для отдаленных деревень или военных объектов.

Конструкция высотной ветряной турбины Altaeros довольно проста. Надувная оболочка, заполненная гелием поднимает его на большую высоту, где ветры гораздо сильнее, нежели чем на уровне земли. Высотные турбины удерживаются с помощью мощных тросов, с помощью которых электроэнергия, вырабатываемая турбиной проследует обратно на землю. Прототип произвел в более чем два раза больше энергии на значительной высоте, чем это сделал бы обычный ветряк на привычной мачте. Ветровая турбина, которая плавает в верхних слоях атмосферы производит очень мало шума, а в случае, если ей понадобится обслуживание, ее можно легко спустить на землю для ремонта.


Демонстрация работы высотной ветряной турбины Altaeros Energies

Компания Makani Power разработала высотную ветровую турбину, которая по сути является огромным кайтом, который будет в состоянии использовать больший энергетический потенциал от ветров на больших высотах. Makani Power (Makani по гавайски означает “ветер”) является одной из нескольких компаний, которые разрабатывают кайты для захвата ветра высоко над землей.

Этот кайт представляет собой 30-метровое крыло из углеродного волокна, на котором установлены ветровые турбины. Оно способно летать на высоте между 250 и 600 метров над землей и генерировать 600 кВт энергии. Полученная энергия передается в электросети через длинный трос, ведущей вниз к земле или к морским буям. Кайт будет летать петляя под прямым углом к ветру, имитируя путь вращающихся лопастей турбины, в то время как направляющие на крыле будут управлять траекторией полета. Кстати, эту компанию в середине 2013 года приобрел гигант Google, для своего подразделения Google X, которое специализируется на инновационных проектах.


Демонстрация полностью автономного полета высотной ветровой турбины Makani Power

Стартап KiteGen из Турина имеет подход, который отличается от обычных методов извлечения энергии из ветра — вырабатывать электроэнергию на большой высоте, а затем переправлять еще с помощью тросов на землю. Подход Kite Gen заключается в том, чтобы оставить все генерирующее оборудование на земле, экономя вес в воздушной части конструкции, и вместо этого передавать физическую тягу кручения по тросу от кайта на землю для последующей выработки электроэнергии.

Чтобы воспользоваться увеличенной кинетической энергией высотной ветровой энергетики, проект KiteGen начинает с радикального изменения точки зрения на принцип работы ветряных турбин. Проект не использует статические ветряные фермы, которые используются для классической ветроэнергетики, но вместо этого он использует легкие, динамичные и умные технологии.

Чтобы извлечь энергию от ветра на высоте около 900 метров, энергетические кайты сделаны полужесткими и автоматически пилотируемыми. Все тяжелое оборудование для производства электроэнергии находится на земле. Для соединения воздушной и наземной систем, высокоустойчивые тросы передают тягу кайтов, одновременно с этим контролируя их направление и угол, относительно ветра.

Явное преимущество технологии KiteGen визуально можно увидеть на иллюстрации выше. Основная концепция сравнима с принципом работы ветровой турбины, чьи наиболее эффективные части лопастей (отмечены красным) встречаются с самым сильным ветром. Однако с технологией KiteGen, условная лопасть вращается только по траектории, где проходят наиболее быстрые воздушные потоки, в то время как генератор остается на земле. Полученная структура и базовая часть гораздо легче и дешевле традиционных решений. Кроме того, рабочая высота может быть скорректирована в соответствии с текущими ветровыми условиями.


Тестовый запуск KiteGen

Компания Joby Energy разрабатывает высотную ветровую турбину, которая будет работать на очень больших высотах. Их многокрылая конструкция поддерживает установку целого массива турбин. Турбины подключены к мотор-генераторам, которые производят тягу во время взлета и производство энергии в ходе полета перпендикулярно ветру. Ориентация в полете поддерживается за счет динамической компьютерной системы, которая управляет аэродинамическими поверхностями на крыльях и дифференциально контролирует скорость вращения ротора. Армированный композитный трос передает электроэнергию и удерживает систему над землей. Высокая избыточность конструкции массива турбин, позволяет даже в случае отказа нескольких элементов, оставаться в воздухе.

Для запуска на турбины подается питание, которое позволяет совершить вертикальный взлет. По достижении рабочей высоты, система использует силу ветра, чтобы летать по круговой траектории. Сильные скорости бокового ветра, в результате дают турбинам вращаться на высоких скоростях, устраняя необходимость в редукторах и иных способах повышения эффективности. Энергия передается на землю с помощью электрического троса. Во время редких периодов низкой ветряной активности, на турбины подается электричество и конструкция безопасно сажается на землю.


Визуализация концепта Joby Energy

Технологии использования высотных ветров исследовались в течение нескольких десятилетий, но все еще ​​находятся в стадии планирования или прототипов. По нашим оценкам, после ввода таких систем в эксплуатацию, стоимость высотной энергии ветра будет колебаться от двух до четырех центов за киловатт-час.

Публикации по теме:

09.11.2013
рубрики: Ветрогенераторы.
Метки: ветровые турбины, ветроэнергетика, высотная ветроэнергетика