За энергией в небеса

Будущее летающих ветроэнергетических систем зависит от их безопасности и эффективности
22.05.2022
Жап Бош

В прошлом десятилетии разработчики летающих ветрогенераторов добились большого прогресса. Компании надеются произвести революцию в ветроэнергетике, используя вместо громоздких башен и лопастей привязанные тросом к земле беспилотные летательные аппараты (БПЛА). Технология ещё не достигла зрелости, но быстро развивается: в Европе уже размещаются прототипы полностью автоматических крылатых систем, которые можно масштабировать до мегаваттных мощностей.

По отношению к традиционным ветровым турбинам с горизонтальной осью вращения электрогенерирующие БПЛА обещают очевидные коммерческие преимущества. Они позволяют резко увеличить ометаемую площадь (читай: генерируемую мощность), задействовать быстрые высотные потоки, исключить затраты на строительство фундаментов и башен, заменив их на компактные взлётно-посадочные платформы, которые к тому же легко демонтировать по окончании срока службы.

Стартапы, бросившие вызов традиционной ветроэнергетике, сталкиваются с непростыми задачами. Для запуска коммерческой генерации летательные аппараты должны пройти сертификацию в органах авиационной безопасности, не говоря уже о хорошей экономике энергопроизводства, необходимой для привлечения инвесторов.

На высоте прогресса

В традиционных ветровых турбинах эффективно собирают энергию только кончики лопастей, а все остальные внешние элементы (в том числе огромные бетонные и стальные несущие конструкции) выполняют вспомогательные роли. Технология летающих ветряков заменяет эти элементы тонким компьютерным управлением, позволяющим аппарату держаться в воздухе на энергии ветра. Например, демонстрационный БПЛА Ampyx Power AP-3 оборудован высокопроизводительной масштабируемой вычислительной платформой, которая обеспечивает автоматическую работу, безопасность и предсказуемые характеристики.

Упрощённая схема работы системы Ampyx Power

Прототип системы AP-3, разрабатываемый с 2009 года, включает автономный БПЛА, соединённый с наземным генератором прочным долговечным тросом. Во время работы аппарат описывает в воздухе восьмёрки, двигаясь поперёк ветра, и тянет за собой трос, который приводит во вращение электрогенератор. При полном разматывании катушки БПЛА планирует ближе к месту запуска, а трос снова начинает наматываться на барабан. Затем цикл повторяется.

Летательный аппарат имеет два фюзеляжа, так что при крутых манёврах привязанный к крылу трос не будет ни за что задевать. Два электродвигателя с воздушными винтами обеспечат начальный подъём и набор высоты, однако БПЛА способен вернуться на базу и совершить посадку с одним работающим винтом, даже если трос отсоединится или оборвётся посередине. Заряд батарей рассчитан на подъём и аварийную посадку аппарата.

Взлётно-посадочная платформа

Конструкция оптимизирована для выработки максимальной мощности. При этом крылья обеспечивают тягу, в восемь раз превышающую вес аппарата. При генерации электроэнергии угол атаки крыла близок к критическому, за которым начинается срыв воздушного потока. Профиль крыла выбран исходя из максимальной безопасности полётов. Основная нагрузка приходится на лонжероны из углепластика, а обшивка крыльев и фюзеляжа не является несущей и способна без разрушения выдерживать сильные удары и град.

Слагаемые безопасности

Летающий ветрогенератор Ampyx Power рассчитан на применение в труднодоступных районах со слабым или вовсе отсутствующим воздушным движением. Тем не менее он относится к самолётам и потому перед запуском в коммерческую эксплуатацию должен пройти строгие процедуры сертификации.

Вычислитель FORCE2C, поставленный компанией Abaco Systems, рассчитан на сертификацию по строгим стандартам безопасности для коммерческих авиалайнеров. Система управления БПЛА полностью троекратно резервирована и способна определить отказ любого узла и заменить его на резервный. Каждый из трёх встроенных компьютеров имеет свой набор датчиков, включая трёхосевые акселерометры, лазерный гироскоп, двухсистемный навигационный приёмник, термометры, измерители воздушных скоростей и углов. Для подстраховки предусмотрена находящаяся в ждущем режиме независимая система посадки, готовая в любой момент полностью взять управление на себя.

Вычислительный блок полностью готов

Коммерческий вариант БПЛА, который последует за демонстрационным, разрабатывается в расчёте на работу в составе ветропарка со SCADA-системой общего управления. Она будет с помощью радиолокационной станции отслеживать возможные угрозы и при необходимости давать команды на посадку аппаратов. В ветропарках летающие генераторы смогут работать синхронизированно на расстоянии 400-500 метров друг от друга.

Ради удешевления

Компания Ampyx приняла решение использовать готовую сертифицированную вычислительную платформу с открытой архитектурой, разработка которой уже окупилась в других проектах. В металлическом корпусе размещены процессоры, интерфейсы и схемы поддержки шин авионики. Компания лишь дополняет систему необходимыми программными модулями, ускоряя вывод ветрогенератора на рынок. Поскольку используемый вычислительный блок уже проходил авиационную сертификацию, есть надежда ускорить и удешевить эту процедуру.

Усилия разработчиков во многом направлены на снижение размеров систем и массы БПЛА, поскольку чем легче аппарат, тем проще им управлять и повышать эффективность ветрогенерации.

На рынок

Сегодня компания проектирует коммерческий вариант системы, AP-4. Это будет ветрогенератор мегаваттного класса с площадью крыла 80 м2 - в семь раз больше, чем у AP-3. Авионика, архитектура и большинство технических решений, включая систему взлёта и посадки, заимствуются у модели AP-3. Компания планирует сертифицировать БПЛА в Европейском агентстве авиационной безопасности.

Основной рынок для Ampyx AP-4 - удалённые территории со слаборазвитой сетевой инфраструктурой, где электроэнергия стоит дорого. Летающие ветрогенераторы могут применяться в гористой местности и на островах, куда проблематично доставить элементы традиционных ветровых турбин, материалы для строительства фундаментов и высотные краны.

В 2030-х компания планирует выпустить более крупные летающие генераторы (AP-5 и AP-6) для масштабной наземной и морской генерации.

Об авторе: Жап Бош - директор Ampyx Power по развитию бизнеса.

Источник: Ampyx Power

Читайте другие наши материалы