Змей вращает барабан
Идея поднять ветровую турбину в воздух с помощью летательного аппарата, избавившись от башни, выглядит очень заманчиво - ведь на большой высоте ветер стабильнее и сильнее, чем вблизи земной поверхности, а кинетическая энергия ветра возрастает пропорционально величине его скорости, возведённой в куб. Но ещё интереснее оказалось решение, при котором турбины вообще нет - или можно сказать, что её роль выполняет сам летательный аппарат.
Аэроветроэнергетическая (англ. Airborne Wind Energy, AWE) система обычно состоит из двух частей - наземной и воздушной, - соединённых тросом. Отказаться от троса теоретически возможно, но тогда придётся решать проблему передачи выработанной энергии на землю. Например, в 2010 году венгерский изобретатель Габор Добош получил международный патент на ветроэнергетическую установку, состоящую из автономного планера с оборудованием для сжижения воздуха на борту и наземной станции для приёма заправленных баллонов. Однако на практике эта концепция, насколько известно, реализована не была - слишком сложно.
Рынок готовится к взлёту
Установки с тросом можно разделить на две группы в зависимости от типа летательного аппарата: легче или тяжелее воздуха. В первую попадут решения на основе аэростатов и дирижаблей, во вторую - на основе воздушных змеев, планеров (форма может быть разной), гирокоптеров и т. п. Конструировались также системы с использованием «кайтунов» (англ. kytoon, из kite + balloon), то есть воздушных змеев, имеющих ёмкость, наполненную лёгким газом. Ещё один способ классификации - по положению электрогенератора: наверху (в случае аппаратов легче воздуха возможно только так) или внизу, на земле.
Самый популярный вариант технического решения с генератором на земле часто называют «турбина типа "воздушный змей"» (kite type turbine), хотя классической турбины в смысле ротора с лопатками в нём нет: змей просто летит и разматывает трос, заставляя вращаться барабан на установленной внизу лебёдке, который соединён с генератором. После того как трос оказывается полностью выбранным, включается обратный ход лебёдки и змей возвращается в исходное положение. Поскольку поднимается змей по длинной сложной траектории вроде «лежачей восьмёрки» или спирали, а спускается почти по прямой, на спуск тратится существенно меньше энергии, чем было выработано. Затем весь цикл повторяется. Согласно данным, опубликованным в 2013 году, именно такие решения показали наибольший количественный рост в период 2008-2012, а в актуальном списке разработок в сфере аэроветроэнергетики они составляют порядка трёх четвертей. Рассмотрим несколько проектов.
«Классические» змеи
Нидерландский стартап Kitepower сделал ставку на создание мобильной простой в использовании малой системы для индивидуальных покупателей - что, впрочем, не уникально. Разрабатываемая сейчас модель имеет номинальную мощность 100 кВт. (Это круглое число мы найдём ещё у ряда разработчиков.) Воздушная часть конструкции представляет собой змея с надуваемой передней кромкой (мягкое крыло, тот же тип, что используется для серфинга). На нём установлена система дистанционного управления, включающая вычислительный модуль, сервомоторы, которые непосредственно регулируют натяжение нитей уздечки, и небольшую бортовую турбину для электропитания всего комплекта оборудования. Основной генератор находится внизу и приводится в движение барабаном лебёдки. Трос змея изготовлен из высокомолекулярного полиэтилена.
На конференции по аэроветроэнергетике AWEC (Airborne Wind Energy Conference), прошедшей в 2019 году в Глазго, немецкая компания EnerKite впервые, по её словам, смогла продемонстрировать «стабильный контроль воздушного змея, описывающего круги на длинном тросе, при запуске и посадке». Это была исключительно сложная задача, так как змей EnerKite не имеет системы дистанционного управления - им управляют с земли с помощью строп. Однако в штатном режиме он движется по замкнутой траектории - сначала поднимается, описывая несколько «горизонтальных восьмёрок», затем снижается по короткой дуге и вновь начинает набирать высоту, так что ему не нужно всякий раз приземляться в конце цикла и взлетать в начале. Компания уже выпускает коммерческие системы: EK200 мощностью 100 кВт с рабочей высотой полёта 200 м и площадью крыла 30 м2, и EK1M мощностью 500 кВт с рабочей высотой полёта 300 м и площадью крыла 125 м2.
Планеры-самолёты
В системе с наземным генератором другой нидерландской компании, Ampyx Power, используется летательный аппарат жёсткой конструкции, по виду похожий на самолёт с двумя фюзеляжами. В воздушном потоке он парит как планер, а взлетает и садится как самолёт - с работающими пропеллерами. На сегодня близка к готовности или даже уже готова демонстрационная модель AP3, которая должна летать на высоте 250-400 м, вырабатывая мощность порядка 150 кВт.
На предыдущих прототипах отработаны полностью автоматизированные взлёт и посадка - это предмет особой гордости разработчиков. Они зарегистрировали своё детище в национальном реестре воздушных судов и сертифицировали траекторию полётов будущей коммерческой модели AP4 в Европейском аэрокосмическом агентстве EASA. Это «восьмёрка», как и у Kitepower.
«Воздушный змей» норвежской компании Kitemill, которую я упоминала в статье о ярмарке стартапов Slush, - тоже самолёт, правда, меньшего размера и с одним фюзеляжем. Это сознательный выбор разработчиков: испытав кайт, они пришли к выводу, что мягкое крыло ведёт себя слишком непредсказуемо для автоматического управления.
Дрон
О швейцарском разработчике Twingtec наша газета рассказывала меньше года назад, но тогда речь шла о прототипах малой мощности, а сейчас компанией Twingtec представлена уже рабочая модель - TT100, «первая в мире контейнерная мобильная ветроэнергосистема».
Летательный аппарат с размахом крыльев 15 м стартует и приземляется как мультикоптер, а летит как воздушный змей, раскручивая барабан лебёдки, подсоединённой к наземному генератору. Длина троса - 500 м, а высота подъёма аппарата не превышает 300 м, но этого вполне хватает, чтобы обеспечить среднюю за цикл мощность 100 кВт.
Карусель
Итальянская компания KiteGen предложила оригинальную конструкцию с наземным генератором, работающую не по циклам, а в непрерывном режиме. Это карусель (установка так и называется - Carousel), которую вращают несколько воздушных змеев типа «мягкое крыло», летящих по круговой траектории на постоянной высоте. Скорость вращения карусели (и вырабатываемую мощность) можно регулировать, меняя длину тросов. По оценке компании, карусельный аэроветрогенератор с диаметром круга облёта порядка одного километра позволит получить мощность около 100 МВт. Стоимость энергии при этом оценивается в три евроцента за киловатт-час. Впрочем, пока KiteGen продвигает более скромные по размеру и мощности генераторы Stem на базе одного воздушного змея и лебёдки.
