Energia eoliană aeriană - Airborne wind energy

Energia eoliană aeriană ( AWE ) este utilizarea directă sau generarea de energie eoliană prin utilizarea dispozitivelor de ridicare aerodinamice sau aerostatice. Tehnologia AWE este capabilă să recolteze vânturi de mare altitudine , spre deosebire de turbinele eoliene , care utilizează un rotor montat pe un turn.

Termenul putere eoliană la mare altitudine (HAWP) a fost folosit pentru a se referi la sistemele AWE. Cu toate acestea, semantic HAWP ar putea include și sisteme de conversie a energiei eoliene care sunt cumva poziționate la o înălțime mare de la sol sau de la suprafața mării.

Diferite mecanisme sunt propuse pentru captarea energiei cinetice a vântului , cum ar fi zmee , kytoons , aerostate , planoare , planoare cu turbine pentru regenerare, creșterea planoare cu turbine, sau alte suprafețe portante, inclusiv mai multe puncte sau exploatații-Building - teren activat. Odată ce energia mecanică este derivată din energia cinetică a vântului, atunci sunt disponibile multe opțiuni pentru utilizarea acelei energii mecanice: tracțiune directă, conversie la electricitate în sus sau la stația de la sol, conversie la laser sau cuptor cu microunde pentru transmiterea de energie către alte aeronave sau receptoare la sol. Energia generată de un sistem de înălțime mare poate fi utilizată în sus sau trimisă la suprafața solului prin conducerea cablurilor, forța mecanică printr-o ancoră, rotația buclei nesfârșite, mișcarea substanțelor chimice schimbate, fluxul de gaze de înaltă presiune, fluxul de gaze sub presiune sau fascicule de putere cu laser sau cu microunde.

Vânt de mare altitudine în scopuri energetice

Vânturile la altitudini mai mari devin mai constante, mai persistente și cu o viteză mai mare. Deoarece puterea disponibilă în vânt crește pe măsură ce cubul vitezei (legea cubului vitezei), presupunând că alți parametri rămân aceiași, dublarea vitezei vântului dă 2 3 = 8 ori puterea; triplând viteza se obține 3 3 = 27 ori puterea disponibilă. Cu vânturi mai constante și mai previzibile, vântul la înălțime mare are un avantaj față de vântul din apropierea solului. Posibilitatea de a localiza HAWP la altitudini efective și de a folosi dimensiunea verticală a spațiului aerian pentru agricultura eoliană aduce un avantaj suplimentar folosind vânturile de mare altitudine pentru a genera energie.

Generatoarele eoliene la mare altitudine pot fi reglate în înălțime și poziție pentru a maximiza returul de energie, ceea ce nu este practic cu generatoarele eoliene fixe în turn.

În fiecare gamă de altitudini există preocupări specifice altitudinii care sunt abordate de cercetători și dezvoltatori. Pe măsură ce altitudinea crește, legăturile cresc în lungime, temperatura aerului se schimbă și vulnerabilitatea la fulgere atmosferice se schimbă. Odată cu creșterea altitudinii, expunerea la pasive crește, costurile cresc, expunerea la turbulență se modifică, probabilitatea ca sistemul să zboare în mai multe straturi direcționale de vânt crește și costurile operațiunii se modifică. Sistemele HAWP care sunt zburate trebuie să urce prin toate altitudinile intermediare până la altitudinile de lucru finale - fiind la început un dispozitiv de joasă și apoi de mare altitudine.

Un atlas al resursei eoliene de mare altitudine a fost pregătit pentru toate punctele de pe Pământ. Un atlas similar de evaluare globală a fost dezvoltat la Joby Energy.

Metode de captare a energiei cinetice a vânturilor de mare altitudine

Energia poate fi capturat de vânt de zmee, kytoons , nacela planoare , nacela planoare , aerostate (sferice precum kytoons fasonate), turbine cu lame, suprafețe portante, matrice aerofolia, drogues, drogues variabile, suprafețe portante în spirală, turbine Darrieus, Magnus-efect Blimps VAWT, complexe cu rotori multipli, zmee din țesături Jalbert-parafoil, turbine uni-lamă, flipwings, tethers, frâi, bucle de șir, lame de flotare, forme ondulate și materiale piezoelectrice și multe altele.

Când scopul unei scheme este de a propulsa nave și bărci, obiectele plasate în vânt vor avea tendința de a avea cea mai mare parte a energiei captate în tensiune utilă în legătura principală. Corpurile de lucru înalte vor fi operate pentru a menține tensiunea utilă chiar și în timp ce nava se deplasează. Aceasta este metoda pentru sporturile de powerkiting. Acest sector al HAWP este cea mai instalată metodă. Folclorul sugerează că Benjamin Franklin a folosit metoda de tracțiune a HAWP. George Pocock a fost lider în tractarea vehiculelor.

Controale

Avioanele HAWP trebuie controlate. Soluțiile din sistemele construite au mecanisme de control situate diferit. Unele sisteme sunt pasive, sau active, sau un mix. Când o unitate de direcție a zmeului (KSU) este înălțată, KSU poate fi robotizată și autonomă; un KSU poate fi acționat de la sol prin radio-control de către un operator uman în direct sau prin programe inteligente de computer. Unele sisteme au construit senzori în corpul aeronavei care raportează parametri precum poziția, poziția relativă la alte părți. Unitățile de control al zmeului (KCU) au implicat mai mult decât direcția; Vitezele și direcțiile de derulare a legăturii pot fi ajustate ca răspuns la tensiunile și nevoile sistemului de legare în timpul unei faze de generare a energiei sau a fazei de revenire-ne-generare a energiei. Părțile de control ale zmeilor variază foarte mult.

Metode de conversie a energiei

Energia mecanică a dispozitivului poate fi convertită în căldură , sunet , electricitate , lumină , tensiune , împingeri, tracțiuni , laser , cuptor cu microunde , schimbări chimice sau compresie de gaze. Tracțiunea este o mare utilizare directă a energiei mecanice ca și în remorcarea navelor de marfă și a kiteboarderilor. Există mai multe metode de a obține energia mecanică din energia cinetică a vântului. Aerostatele ancorate mai ușor decât aerul (LTA) sunt utilizate ca ridicatoare de turbine . Grele decat aerul (ETM) nacela suprafețe portante sunt folosite ca lifters sau turbinele în sine. Combinații de dispozitive LTA și HTA într-un singur sistem sunt construite și pilotate pentru a captura HAWP. Chiar și o familie de dispozitive aeriene cu zbor liber sunt reprezentate în literatura de specialitate care captează energia cinetică a vânturilor la mare altitudine (începând cu o descriere din 1967 de Richard Miller în cartea sa Fără mijloace vizibile de sprijin ) și o cerere de brevet contemporană a lui Dale C. Kramer , concurent în creștere al planorului, inventator.

O cercetare cu privire la inovațiile tehnologice ale turbinei eoliene aeropurtate arată că tehnica „AWT de tip Kite”, cel mai comun tip, are un domeniu de dezvoltare ridicat în viitor; a contribuit pentru aproximativ 44% din energia eoliană totală în aer în perioada 2008-2012. AWT-urile de tip zmeu extrag energie prin turbine eoliene suspendate la altitudini mari folosind zmee precum zmeu cu mai multe legături, zmeu și ventilator circular cu scop dublu, zmee cu aripi rotative etc.

Poziția generatorului electric într-un sistem HAWP

Generarea de energie electrică este doar una dintre opțiunile pentru captarea energiei mecanice; cu toate acestea, această opțiune domină atenția profesioniștilor care doresc să furnizeze cantități mari de energie comerțului și utilităților. O gamă lungă de opțiuni secundare includ tractarea turbinelor de apă , pomparea apei sau comprimarea aerului sau a hidrogenului. Poziția generatorului electric este o caracteristică distinctivă între sisteme. Zborul generatorului se face într-o varietate de moduri. Păstrarea generatorului în zona de ancorare este o altă opțiune de proiectare mare. Opțiunea într-un singur sistem al unui generator în sus și la stația de la sol a fost utilizată în cazul în care un generator mic funcționează dispozitive electronice în sus, în timp ce generatorul de la sol este marele lucrător care produce electricitate pentru sarcini semnificative.

Generator de carusel

Configurația „Carusel” mai multe zmee zboară la o înălțime constantă și la altitudini mai mari, trăgând în rotație un generator care se deplasează pe o șină circulară largă. Pentru un sistem Carusel mare, puterea obținută poate fi calculată ca de ordinul GW, expunând o lege care vede puterea atinsă în funcție de diametrul ridicat la a cincea putere, în timp ce creșterea costului generatorului este liniară.

HAWP bazat pe aerostat

O metodă de menținere a sistemelor HAWP în funcțiune este utilizarea aerostatelor plutitoare, indiferent dacă generatorul electric este ridicat sau lăsat pe pământ. Aerostatele sunt de obicei, dar nu întotdeauna, modelate pentru a obține un efect de ridicare a kitingului. Reîncărcarea gazului de ridicare scurs primește diverse soluții. În cazul vânturilor productive, aerostatele sunt în mod obișnuit aruncate de tracțiunea aerodinamică aplicată pe suprafața largă și inevitabilă Reynolds, excluzându-le de facto din categoria HAWP.

  • WR Benoit Brevetul SUA 4350897 Mai ușor decât sistemul de conversie a energiei eoliene de către William R. Benoit, depus la 24 octombrie 1980 și eliberat: 21 septembrie 1982.
  • Sistemul TWIND (cererea de brevet internațional PCT / W02010 / 015720 ) se bazează pe utilizarea unei suprafețe a velelor ridicată de forța de urcare a unui balon aerostatic conectat la sol printr-un cablu utilizat și pentru transmiterea energiei. Vântul prezent la altitudini mari creează o împingere orizontală pe velă care, prin mișcarea sa, transmite această energie la sol prin cablul de conectare. La sfârșitul mișcării sale înainte, suprafața velei este redusă, permițându-i să se deplaseze în direcția vântului, cu risipa de energie redusă.
  • Aerostatul Magenn este o turbină eoliană cu axă verticală ținută cu axa orizontală prin trecerea axei în direcția vântului astfel încât ridicarea cu efect Magnus să obțină în timpul autorotației; electricitatea este generată cu generatoare de butuc final.
  • LTA Windpower PowerShip folosește liftul atât de la aerostat, cât și de la aripi. Funcționează aproape de flotabilitate neutră și nu necesită troliu. Puterea este generată de turbine cu elicele pe marginea din spate a aripilor. Sistemul este conceput pentru a putea decola și ateriza nesupravegheat.
  • Airbine propune ridicarea turbinelor eoliene în aer prin utilizarea de aerostate; electricitatea se va întoarce la încărcăturile la sol prin intermediul unei legături conductoare.
  • Turbina de putere a dirijabilului de William J. Mouton, Jr. și David F. Thompson: sistemul lor a integrat turbina în porțiunea centrală a unui aerostat aproape toroidal, cum ar fi punerea unei turbine în orificiul unei gogoși de aerostat.
  • Sistemul HAWE este dezvoltat din ideea lui Tiago Pardal. Acest sistem constă dintr-un ciclu de pompare similar cu cel al sistemelor de zmeu. În faza de generare, forța de tragere crește de 5-10 ori datorită efectului Magnus al unui cilindru rotitor (platformă aeriană). La fel ca un zmeu, forța de tragere produsă de platforma aeriană va derula cablul și va genera electricitate la sol. În faza de recuperare, derulează cablul fără efect Magnus pe platforma aeriană.

Sisteme non-aeriene

Din punct de vedere conceptual, doi munți adiacenți (naturali sau pe teren) sau clădiri sau turnuri artificiale (urbane sau artificiale) ar putea avea o turbină eoliană suspendată între ei prin utilizarea cablurilor. Când HAWP este cablat între două vârfuri de munte de-a lungul unei văi, dispozitivul HAWP nu este aerian, ci suportat de sistemul de cablu. Nu se știe că astfel de sisteme sunt folosite, deși brevetele învață aceste metode. Atunci când podurile necablate sunt fundamentul pentru menținerea turbinelor eoliene deasupra solului, atunci acestea sunt grupate cu turbine convenționale turnate și se află în afara intenției HAWP, unde legarea unui sistem aerian este fundamentală.

Siguranță

Trăsnetul , traficul aeronavelor , procedurile de urgență, inspecțiile sistemului, marcarea vizibilității părților sistemului și a legăturilor acestuia, siguranța electrică , procedurile cu aripi fugare, controalele de supraalimentare, ancorarea adecvată și multe altele formează mediul de siguranță pentru sistemele HAWP.

Provocări ca industrie emergentă

Au existat mai multe perioade de mare interes pentru HAWP înainte de activitatea contemporană. Prima perioadă s-a concentrat foarte mult pe tragerea trăsurilor peste terenuri și captarea electricității atmosferice și a fulgerelor pentru uz uman. A doua perioadă a fost în anii 1970 și 1980, când cercetarea și investițiile au înflorit; o scădere a prețului petrolului nu a dus la instalări semnificative de HAWP. Rentabilitatea investiției (ROI) a fost parametrul cheie; că rentabilitatea investiției rămâne concentrată în activitatea de dezvoltare curentă, în timp ce în fundal se află mișcarea energiei regenerabile și durabile care susține energia eoliană de orice fel; dar HAWP trebuie să concureze pe rentabilitatea investiției cu soluții convenționale turned. Un centru de testare la Lista, Norvegia, asigură verificarea independentă a cercetării.

Referințe timpurii la HAWP

Primele secole de kiting au demonstrat că zmeul este un motor rotativ care își rotește partea de legătură în jurul punctului de ancorare și provoacă mișcarea mâinilor și brațelor din cauza energiei captate de vânturile mai mari în dispozitivul mecanic. Tensiunea în dispozitivele înălțate îndeplinește munca de ridicare și tragere a părților corpului și a lucrurilor. Energia eoliană în aer (AWE) pentru HAWP a fost născută în urmă cu mii de ani; numirea a ceea ce s-a întâmplat și dezvoltarea potențialelor implicite ale avioanelor legate pentru a face lucrări speciale este ceea ce se întâmplă în AWE HAWP. Ceea ce este „scăzut” pentru unii lucrători este „ridicat” pentru alții.

  • 1796 George Pocock a folosit modul de tracțiune pentru a călători în vehicule peste drumuri terestre.
  • A fost publicată cartea lui George Pocock „Arta aeropleustică” sau „Navigația în aer prin utilizarea zmeilor sau a pânzelor plutitoare”. Pocock a descris utilizarea zmeilor pentru călătorii pe uscat și pe mare. Cartea a fost republicată de mai multe ori.
  • 1833 John Adolphus Etzler a văzut HAWP înflorind cel puțin pentru tracțiune.
  • 1864? Capitolul cărții Kite-Ship descrie bine dinamica cheie a HAWP utilizată pentru tragerea navelor de zmei. John Gay's: sau Work for Boys. Capitolul XVIII din volumul de vară.
  • 1935 Aloys van Gries este un brevet puternic timpuriu al energiei eoliene la mare altitudine; a predat diverse sisteme de zmeu pentru a fi utilizate în generarea de electricitate în brevetul său DE 656194 C : Durch Drachen getragene Windkraftmaschine zur Nutzbarmachung von Hoehenwinden
  • 1943 Stanley Biszak a instruit utilizarea energiei potențiale în zbor liber pentru conversia vânturilor ambiante care au impact asupra turbinei pentru a acționa un generator electric pentru a încărca bateriile.
  • 1967 Richard Miller, fost editor al revistei Soaring , a publicat cartea Fără mijloace vizibile de sprijin care descrie fezabilitatea zmeilor cuplați fără zbor cuplați fără sol pentru a surprinde diferențele în straturile de vânt pentru a călători pe continente; un astfel de HAWP face obiectul cererii de brevet contemporane a lui Dale C. Kramer.
  • 1973? Hermann Oberth În apendicele cărții sale Primer pentru cei care ar guverna sunt schițe și o fotografie a unui model al centralei Zmeu de la Muzeul Oberth.
  • 1977 3 aprilie 1977, invenție declarată. La 21 septembrie 1979, Douglas Selsam și-a notarizat lanțul nesfârșit de sistem HAWP, tip generic care va fi prezentat ulterior în dispozitivul astronautului olandez Wubbo Ockels, numit LadderMill, descris într-un brevet din 1997. Douglas Selsam a conceput auto-orientat Wind Exploatarea tramvaiului aerian înfloritor pe 3 aprilie 1977. Pe divulgarea notarială a invenției Selsam a fost plasată o dată de 20 septembrie, în timp ce notarul a plasat semnătura finală pe 21 septembrie 1979. note și desene .
  • 1979 Profesorul Bryan Roberts începe dezvoltarea unui generator eolian HAWP de tip girocopter giromill.
  • 1980 Miles Loyd publică un articol despre puterea zmeului din vânt.
  • Rotorul AWE HAWP din 1986 al lui Bryan Roberts generează electricitate și se ridică în zbor legat.
  • 1992 Free Rotor WO / 1992020917 Free Rotor de JACK, Colin, Humphry, Bruce (un singur om). Colin Jack. Colin Bruce. Multi-rotori sunt tratați. Teters carenate sunt recunoscute. 1992.

Vezi si

Referințe

linkuri externe