stringtranslate.com

Энергия ветра в воздухе

Воздушная ветроэнергетика ( AWE ) — это прямое использование или генерация энергии ветра с помощью аэродинамических или аэростатических подъемных устройств. Технология AWE позволяет собирать высотные ветры , в отличие от ветряных турбин , которые используют ротор, установленный на башне.

Термин «высотная ветроэнергетика» (HAWP) использовался для обозначения систем AWE. [1] Однако семантически HAWP может также включать системы преобразования ветровой энергии, которые каким-то образом расположены на большой высоте от земли или поверхности моря.

Предлагаются различные механизмы для захвата кинетической энергии ветра, такие как воздушные змеи , kytoons , аэростаты , планеры , планеры с турбинами для регенеративного парения, [2] планеры с турбинами или другие аэродинамические профили, включая многоточечные удержания, поддерживаемые зданиями или рельефом местности. [3] После того, как механическая энергия получена из кинетической энергии ветра, доступно множество вариантов использования этой механической энергии: прямая тяга, [4] [5] преобразование в электричество на высоте или на наземной станции, преобразование в лазер или микроволны для передачи энергии на другие самолеты или наземные приемники. Энергия, вырабатываемая высотной системой, может использоваться на высоте или отправляться на поверхность земли с помощью проводящих кабелей, механической силы через трос, вращения бесконечной петли линии, перемещения измененных химикатов, потока газов высокого давления, потока газов низкого давления или лазерных или микроволновых энергетических лучей.

Высотный ветер для энергетических целей

Ветры на больших высотах становятся более устойчивыми, более постоянными и более скоростными. Поскольку мощность, доступная в ветре, увеличивается как куб скорости (закон куба скорости), [6] [7] при условии, что другие параметры остаются прежними, удвоение скорости ветра дает 2 3 =8 раз больше мощности; утроение скорости дает 3 3 =27 раз больше доступной мощности. При более устойчивых и более предсказуемых ветрах высотный ветер имеет преимущество перед ветром у земли. Возможность размещения HAWP на эффективных высотах и ​​использование вертикального измерения воздушного пространства для ветроэнергетики дает дополнительное преимущество использования высотных ветров для выработки энергии.

Высотные ветрогенераторы можно регулировать по высоте и положению для максимального увеличения отдачи энергии, что нецелесообразно в случае ветрогенераторов, установленных на стационарных башнях.

В каждом диапазоне высот существуют проблемы, связанные с высотой, которые решают исследователи и разработчики. С увеличением высоты увеличивается длина тросов, изменяется температура воздуха и изменяется уязвимость к атмосферным молниям. С увеличением высоты увеличивается подверженность обязательствам, увеличиваются затраты, изменяется подверженность турбулентности, увеличивается вероятность того, что система будет летать в более чем одном направленном слое ветра, и изменяются затраты на эксплуатацию. Системы HAWP, которые запускаются, должны подниматься через все промежуточные высоты до конечных рабочих высот — сначала будучи низковысотным, а затем высоковысотным устройством.

Подготовлен атлас ресурсов ветроэнергетики на большой высоте для всех точек Земли. [8] Аналогичный атлас глобальной оценки [9] был разработан в Joby Energy.

Методы улавливания кинетической энергии высотных ветров

Энергию из ветра могут получать воздушные змеи [10] , kytoons , привязные планеры [11] , привязные планеры , аэростаты (как сферические, так и фигурные kytoons), лопастные турбины, аэродинамические профили, аэродинамические матрицы, плавающие парашюты, переменные плавающие парашюты, спиральные аэродинамические профили, турбины Дарье, дирижабли с эффектом Магнуса VAWT, многороторные комплексы, тканевые воздушные змеи Jalbert-parafoil, однолопастные турбины, флипвинги, фалы, уздечки, веревочные петли, развевающиеся лопасти, волнообразные формы и пьезоэлектрические материалы [12] и многое другое. [13]

Когда целью схемы является приведение в движение кораблей и лодок, [14] [15] объекты, размещенные на тросе на ветру, будут иметь тенденцию иметь большую часть захваченной энергии в полезном натяжении в главном тросе. Высотные рабочие органы будут работать для поддержания полезного натяжения даже во время движения корабля. Это метод для спорта пауэркайтинга. Этот сектор HAWP является наиболее установленным методом. Фольклор предполагает, что Бенджамин Франклин использовал тяговый метод HAWP. Джордж Покок был лидером в буксировке транспортных средств с помощью тяги. [16]

Управление

Самолеты HAWP необходимо контролировать. Решения во встроенных системах имеют механизмы управления, расположенные по-разному. Некоторые системы являются пассивными, активными или смешанными. Когда блок управления воздушным змеем (KSU) поднимается, KSU может быть роботизированным и автономным; KSU может управляться с земли с помощью радиоуправления живым оператором-человеком или интеллектуальными компьютерными программами. Некоторые системы имеют встроенные датчики в корпусе самолета, которые сообщают такие параметры, как положение, относительное положение по отношению к другим частям. Блоки управления воздушным змеем (KCU) включают в себя больше, чем рулевое управление; скорости и направления наматывания троса могут регулироваться в ответ на натяжение троса и потребности системы во время фазы выработки энергии или фазы возврата без выработки энергии. Детали управления воздушным змеем сильно различаются. [17] [18]

Методы преобразования энергии

Механическая энергия устройства может быть преобразована в тепло , звук , электричество , свет , напряжение , толчки, тяги, лазер , микроволны , химические изменения или сжатие газов. Тяга — это большое прямое использование механической энергии, например, при буксировке грузовых судов и кайтбордеров. Существует несколько методов получения механической энергии из кинетической энергии ветра. Пришвартованные аэростаты легче воздуха (LTA) используются в качестве подъемников турбин . Привязные аэродинамические профили тяжелее воздуха (HTA) используются в качестве подъемников или самих турбин. Для захвата HAWP строятся и запускаются комбинации устройств LTA и HTA. В литературе представлено даже семейство свободнолетающих воздушных устройств, которые улавливают кинетическую энергию высотных ветров (начиная с описания, данного в 1967 году Ричардом Миллером в его книге « Без видимых средств поддержки »), а также современная патентная заявка Дейла С. Крамера, конкурента и изобретателя парящих планеров.

Принцип работы воздушного ветрогенератора Kite Airborne. Источник изображения: Kitesforfuture
Возможный маршрут полета воздушного змея ветровой турбины. Источник изображения: Kitesforfuture

Исследование инноваций в области технологий воздушных ветровых турбин показывает, что технология «воздушных змеев», наиболее распространенный тип, имеет большие перспективы роста в будущем; она внесла около 44% от общей энергии воздушного ветра в 2008–2012 годах. Воздушные змеи извлекают энергию с помощью ветровых турбин, подвешенных на большой высоте, с использованием воздушных змеев, таких как многопривязной воздушный змей, воздушный змей и двухцелевой круговой вентилятор, воздушные змеи с вращающимся крылом и т. д. [19]

Расположение электрогенератора в системе HAWP

Генерация электроэнергии — это всего лишь один из вариантов получения механической энергии; однако этот вариант доминирует в фокусе внимания профессионалов, стремящихся поставлять большие объемы энергии для торговли и коммунальных служб. Длинный ряд вторичных вариантов включает буксировку водяных турбин , перекачку воды или сжатие воздуха или водорода. Расположение электрогенератора является отличительной чертой среди систем. Подъем генератора на высоту осуществляется различными способами. Удержание генератора в районе швартовки — еще один большой вариант конструкции. Вариант в одной системе генератора на высоте и на наземной станции использовался, когда небольшой генератор управляет электронными устройствами на высоте, в то время как наземный генератор является большим рабочим, производящим электроэнергию для значительных нагрузок.

Генератор карусели

Конфигурация «Карусель» — несколько воздушных змеев летают на постоянной высоте и на больших высотах, приводя во вращение генератор, который движется по широкому круговому рельсу. Для большой системы «Карусель» полученная мощность может быть рассчитана как порядка ГВт, раскрывая закон, который видит достижимую мощность как функцию диаметра, возведенного в пятую степень, в то время как приращение стоимости генератора линейно. [20]

HAWP на базе аэростата

Одним из методов поддержания работоспособности систем HAWP в воздухе является использование плавучих аэростатов независимо от того, поднят ли электрогенератор или оставлен на земле. Аэростаты обычно, но не всегда, имеют форму, позволяющую достичь эффекта подъема кайта. Для перезарядки вытекшего подъемного газа предлагаются различные решения. В случае продуктивных ветров аэростаты обычно сдуваются аэродинамическим сопротивлением, приложенным к широкой и неизбежной поверхности Рейнольдса, что фактически исключает их из категории HAWP.

Небортовые системы

Концептуально, две соседние горы (естественные или созданные рельефом) или искусственные здания или башни (городские или искусственные) могут иметь ветряную турбину, подвешенную между ними с помощью тросов. Когда HAWP протянута между двумя вершинами гор через долину, [3] устройство HAWP не находится в воздухе, а поддерживается системой тросов. Известно, что такие системы не используются, хотя патенты учат этим методам. Когда нетросовые мосты являются основой для удержания ветряных турбин высоко над землей, [29] они группируются с обычными башенными турбинами и выходят за рамки намерения HAWP, где привязка воздушной системы является основополагающей.

Безопасность

Молнии , движение воздушных судов , аварийные процедуры, проверки систем, маркировка видимости частей системы и ее привязей, электробезопасность , процедуры при разгоне крыла, управление избыточной мощностью, правильная швартовка и многое другое формируют безопасную среду для систем HAWP.

Проблемы как развивающейся отрасли

До современной деятельности было несколько периодов повышенного интереса к HAWP. Первый период был сосредоточен на протягивании вагонов по земле и захвате атмосферного электричества и молний для использования человеком. [30] Второй период пришелся на 1970-е и 1980-е годы, когда исследования и инвестиции процветали; падение цен на нефть привело к отсутствию значительных установок HAWP. Возврат инвестиций (ROI) был ключевым параметром; этот ROI остается в центре внимания в текущей деятельности по развитию, в то время как на заднем плане находится движение за возобновляемую и устойчивую энергетику, поддерживающее ветроэнергетику любого вида; но HAWP должен конкурировать по ROI с традиционными решениями с башнями. Испытательный центр в Листе, Норвегия, обеспечивает независимую проверку исследований. [31]

Ранние упоминания HAWP

Ранние века кайтинга продемонстрировали, что кайт — это роторный двигатель, который вращает свою привязную часть вокруг точки крепления и заставляет руки и кисти двигаться из-за энергии, захваченной более сильным ветром в механическое устройство. Натяжение в поднятых устройствах выполняет работу по подъему и вытягиванию частей тела и вещей. Воздушная ветровая энергия (AWE) для HAWP родилась тысячи лет назад; наименование того, что произошло, и разработка подразумеваемых потенциалов привязных летательных аппаратов для выполнения специальных работ — это то, что происходит в AWE HAWP. То, что «низко» для одних рабочих, «высоко» для других.

Авторотация

Авторотация является основой большого сектора технологий AWE. Научно-исследовательские и опытно-конструкторские центры в области высотной ветроэнергетики часто зависят от авторотации лопастей: SkyMill Energy, Joby Energy, Sky Windpower, BaseLoad Energy, Magenn Power и Makani Power создают и испытывают бортовые системы преобразования ветровой энергии (AWECS), которые используют авторотацию лопастей для приведения в действие валов генераторов для производства электроэнергии на высоте и отправки электроэнергии на землю через проводящие тросы. [41]

Смотрите также

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Воздушная ветроэнергетика» .

Ссылки

  1. ^ Робертс, Брайан Р.; Шепард, Дэвид Х.; Калдейра, Кен; Кэннон, М. Элизабет; Экклс, Да Г.; Гренье, Альберт Дж.; Фрейдин, Джонатан Ф. (2007). «Использование высотной ветроэнергетики». Труды IEEE по преобразованию энергии . 22 (1): 136–144. Bibcode : 2007ITEnC..22..136R. doi : 10.1109/TEC.2006.889603. S2CID  1833299.
  2. ^ Полет без топлива - Исследование осуществимости регенеративного парения
  3. ^ ab Ветровые турбины на креплениях
  4. ↑ SkySails Архивировано 05.01.2010 на Wayback Machine
  5. ^ Энн Кемере, Oceankite и экстремальные погодные условия
  6. ^ Кривые мощности ветра Архивировано 2008-12-09 на Wayback Machine
  7. ^ Сила ветра: куб скорости ветра, Датская ассоциация ветроэнергетики. Архивировано 31 октября 2009 г. на Wayback Machine.
  8. ^ Глобальная оценка высотной ветроэнергетики
  9. ^ Моделирование и анализ ресурсов ветра на больших высотах, Арчан Падманабхан
  10. ^ Windswept and Interested Ltd. с помощью наборов вращающихся воздушных змеев, использующих передачу вращательной силы растяжения.
  11. ^ Makani Power, Inc. сообщила, что у них есть прогресс в создании привязного кругового турбинного планера, который иногда включается, а иногда отключается во время выработки энергии. Доклад был представлен на конференции HAWP 2009 в Cleanteach Innovation Center в ноябре 2009 года.
  12. ^ Пьезоэлектрические материалы
  13. ^ Joby Energy Архивировано 20 апреля 2017 г. на Wayback Machine
  14. ^ KiteShip - Инновации в Привязном Полете Архивировано 2010-03-05 на Wayback Machine
  15. ^ ab John Gay's Work for Boys. Четыре тома. В летнем томе была глава XVIII под названием Kite-Ship, которая хорошо описывала динамику перетягивания воздушного змея HAWP.
  16. ^ Механика классического кайт-багги или как мистер Покок разогнался до 9 м/с с помощью своего Чарволанта. Архивировано 10 августа 2011 г. на Wayback Machine
  17. ^ SwissKitePower; дизайнером KCU был Кори Хоул.
  18. ^ Управление проектом KiteGen как ключевая технология для качественного скачка в ветрогенераторах М. Канале, Л. Фаджиано, М. Миланезе и М. Ипполито.
  19. ^ "Воздушные ветровые турбины – Технический отчет". Scope e-Knowledge Center Pvt Ltd. 2013. Архивировано из оригинала 24-09-2015.
  20. ^ "KiteGen: раунды инвестиций, главные клиенты, партнеры и инвесторы | i3 Connect". i3connect.com . Получено 10 сентября 2018 г.
  21. ^ TWIND Архивировано 16 декабря 2009 г. на Wayback Machine
  22. ^ Magenn Power, Inc. Архивировано 11 декабря 2008 г. на Wayback Machine
  23. ^ LTA Ветроэнергетика
  24. ^ Заявка на патент на самолет с турбиной воронкообразного типа Патентная заявка: Pub. No.: US 2008/0290665 A1, Дата публикации: 27 ноября 2008 г. Изобретатель: Линн Поттер из Барстоу, Калифорния (США). [ постоянная неработающая ссылка ]
  25. ↑ Турбина для дирижабля, патент США 4166596, авторы Уильям Дж. Мутон-младший и Дэвид Ф. Томпсон, подан 28 апреля 1978 года.
  26. ^ "HAWE system Omnidea". Архивировано из оригинала 2015-02-26 . Получено 2015-02-26 .
  27. ^ "LinkedIn Post by Garrett Smith" . Получено 2022-11-11 .
  28. ^ Michailidis, Giannis (2023-01-09), High-Altitude-Wind-Turbine-Concept , получено 2023-02-22
  29. ^ Всемирный торговый центр Бахрейна является примером завершенного моста, удерживающего ветряные турбины высоко над землей; поскольку турбины не закреплены на ветру, это пример двухбашенной не закрепленной на тросах конструкции, не находящейся в воздухе.
  30. ^ «Аэроплеустическое искусство» Покока, архив 2011-07-23 на Wayback Machine
  31. ↑ Рамсдал, Роальд (22 сентября 2017 г.). «Проведите международный конкурс для нового норвежского центра тестирования для Flyvende Vindkraft». Технический Укеблад . Проверено 23 сентября 2017 г.
  32. ^ Аэроплеустическое искусство. Архивировано 09.12.2006 на Wayback Machine.
  33. ^ Рай, доступный всем людям без труда. Тома 1-2 Джона Адольфуса Эцлера. «Мы могли бы распространить применение [ветровой] силы до высот облаков с помощью воздушных змеев».
  34. ↑ Патент США 2368630, поданный 3 июня 1943 года.
  35. ^ «БЭА — Будущее человечества».
  36. ^ Использование ветра на большой высоте, «лестница» воздушных змеев рассматривается как источник энергии. Архивировано 15 июля 2006 г. на Wayback Machine
  37. ^ Инновации Селсама
  38. ^ BBC News, SciTech.
  39. ^ J. Energy, 1980, т. 4, № 3.
  40. ^ Фотография Роберта Rotorcraft эксперимента в Австралии. PJ Shepard указывает год на 1986, насколько он помнит. Брайан Робертс вспоминает, что фотография была сделана на его сессии в мае 1986 года. На фотографии аппарат с двигателем находился почти в режиме авторотации; фактическая генерация электроэнергии была выполнена в течение короткого времени в другом тесте. Доступно видео, на котором производилась генерация электроэнергии. Показанный аппарат имел две вращающиеся ступицы; на каждой ступице излучалась подъемная лопасть ротора и более короткая обтекаемая лопасть с уравновешивающей массой на конце Профессор планирует летающую электростанцию; общий вес аппарата составил 64 фунта. Слева направо люди: Хассо Ниббе, Алан Фьен, Грэм Левитт и Брайан Робертс; все были сотрудниками Сиднейского университета. Место: ферма Маунт-Плезант в Марулане в Новом Южном Уэльсе. Ветер: приблизительно 15 узлов. Изобретатель AWECS Дэвид Х. Шепард после долгой переписки наконец встретился лицом к лицу в 2006 году Профессор Брайан Робертс; таковы части основ компании Sky WindPower, входящей в HAWPA.
  41. ^ Энергокайтсистемы

Библиография

Внешние ссылки