Безбашенные ветряки
На большой высоте ветер, как правило, сильнее и стабильнее, чем непосредственно у поверхности земли. Это соображение играет не последнюю роль в постоянном увеличении высоты и размаха лопастей ветроэнергетических установок (ВЭУ). Но циклопические стальные башни современных мощных ВЭУ высотой 150 м и более с установленными на их вершинах многотонными гондолами, поддерживающими стометровые лопасти, наводят на мысли о тупиковой ветви эволюции. Мало того, что они чрезвычайно дороги. Они ещё требуют выделения специальных земельных участков, закладки мощных бетонных фундаментов, применения специальных средств доставки и монтажа и так далее. Помимо прочего, могут возникать шумы, вибрации и сейсмические колебания в районах ветропарков. А самое обидное, что в зоне стабильных сильных ветров при этом оказывается далеко не весь ротор, а лишь концевые участки лопастей при их верхнем положении. В этом смысле более выигрышным представляется использовать ВЭУ с вертикальной ориентацией оси вращения. Но им присущи другие недостатки, общие для всех ВЭУ башенного типа.
Кто потеснит динозавров?
Конструкторы давно задумывались о том, как преодолеть эти проблемы и поднять турбины на высоты, недостижимые для стационарных ВЭУ. И вот сравнительно недавно хорошие идеи подсказала конструкторам известная с незапамятных времён детская забава - воздушный змей (по-английски «кайт» - kite). Надо сказать, что воздушные змеи применялись ещё в древнем Китае для измерения расстояний, определения направления ветра, подачи сигналов и даже поднятия грузов. В Европу их, предположительно, завёз в конце XIII века знаменитый путешественник Марко Поло.
способен собирать энергию ветра
В 1972 г. англичанин Питер Пауэлл изобрёл двухстропную пилотажную систему для воздушного змея, положив начало новому виду спорта - кайтингу. Возможно, именно это событие подтолкнуло инженера Ливерморской национальной лаборатории (шт. Калифорния) Майлза Лойда к идее использовать кайт для выработки электроэнергии. Сама идея гениально проста: зачем строить высоченные тяжёлые башни, если можно для подъёма лёгкого механизма ВЭУ использовать силу самого ветра, как это происходит при запуске воздушного змея? В своей статье "Crosswind Kite Power" («Генерация электроэнергии с помощью воздушного змея при боковом скольжении»), опубликованной в 1980 г. в журнале Journal of Energy, Лойд показал, что привязанный тросом к земле кайт, парящий по круговой или напоминающей восьмёрку траектории, способен при тех же скорости ветра и площади охватываемой поверхности выработать в 3-20 раз больше энергии, чем стационарная ветровая турбина.
филигранно управлять воздушным змеем
Лойд предложил два варианта устройства такой ВЭУ. Первый, более очевидный, - установка на летающий кайт турбогенераторов с пропеллерами. Благодаря боковому скольжению змея скорость ветра увеличивается в несколько раз, а потому пропеллеры могут быть небольшими. Однако, помимо того, что в этом варианте необходимы токопроводящие привязные тросы, эффективность уменьшается из-за того, что пропеллеры и генераторы ухудшают аэродинамические свойства крыла. Второй вариант устройства основан на том, что на кайт действует подъёмная сила, значительно превосходящая необходимую для его удержания в воздухе. Эта сила используется для разматывания троса с барабана, который через редуктор соединён с электрогенератором. На нисходящем участке траектории подъёмная сила невелика, поэтому трос сматывается в исходное положение с небольшими затратами мощности. Достоинства этого варианта - отсутствие каких-либо электрических и механических элементов на самом кайте, а также необходимости в токопроводящих привязных тросах, поскольку всё энергетическое оборудование находится на земле.
Улёт на базу
Как нередко случается с исследованиями, опередившими своё время, работы Лойда не были оценены по достоинству. Лишь в середине 2000-х годов несколько групп инженеров в разных странах занялись практическим воплощением его идей. Результат - появление новой ветви энергетики на основе ВИЭ - ветроэнергетики воздушного базирования (Airborne Wind Energy, AWE). Разнообразие решений здесь очень велико - от классических двух вариантов Лойда до воздушного ротора MARS и обычной ветровой турбины, поднимаемой на большую высоту аэростатом (см. ниже).
Первый вариант Лойда с «активным» крылом использован несколькими компаниями. Среди них Sky WindPower, которая предлагает «летающий электрический генератор» (Flying Electric Generator, FEG), - своеобразный вертолёт без кабины с четырьмя винтами. Компания Makani Power разработала Wing 7 - летающее крыло с пропеллерами, посаженными на оси обратимых электрических машин (о нём мы уже писали в «Энерговекторе», см. № 4/2011, с. 13). В режиме подъёма аппарата они работают как двигатели, а после выхода на круговую «орбиту» на заданной высоте превращаются в генераторы, передающие энергию на землю по токопроводящим тросам. Makani Power даже смогла заручиться финансовой поддержкой Министерства энергетики США, Google и других инвесторов.
По второму из указанных Лойдом путей пошли такие компании, как WindLift и Ampryx Power. Первая разработала передвижную электростанцию с пассивным кайтом, всё оборудование которой умещается в обычном трейлере. Ampryx Power в декабре прошлого года объявила об успешном испытании аппарата PowerPlane в автономном полёте более 50 минут. Аппарат представляет собой планер с полностью автоматическим управлением, вытягивающий привязной трос, который соединяет его с электрическим генератором на земле. Планер с размахом крыльев 5,5 м во время испытательного полёта вырабатывал мощность в среднем 6 кВт, в отдельные моменты - до 15 кВт. Испытания проводились при сравнительно низкой скорости ветра, а при более сильном ветре прототип должен генерировать до 50-60 кВт. По словам Волберта Алаарта, генерального директора компании, после аэродинамической оптимизации система будет производить столько же энергии, сколько традиционная ветровая турбина средних размеров с ротором около 50 м, причём по более низкой цене. «Общий вес башни и лопастей традиционной ветровой турбины среднего размера составляет около 120 т, что в данном случае заменяется на планер с тросом весом менее 400 кг», - объясняет Алаарт. После ещё одного этапа усовершенствования модели компания обещает достичь уровня стоимости, позволяющего системе без субсидий соперничать с угольными и газовыми электростанциями.
Есть и более экзотические проекты, например, упомянутый выше MARS (Magenn Power Air Rotor System) канадской компании Magenn Power. MARS - это наполненный гелием аэростат цилиндрической формы с рёбрами-лопастями, поднимаемый на высоту от 200 до 330 м. Он сам является ротором ВЭУ, вращаемым вокруг своей горизонтальной оси ветровыми потоками. Генератор подвешивается на горизонтальной оси аппарата, а вырабатываемая им электрическая энергия передаётся на землю по токопроводящим тросам. Преимущество систем такого типа - лёгкость конструкции, которая позволит вырабатывать энергию даже при низких скоростях ветра (от 1 м/с). Благодаря недорогим материалам и простоте транспортировки, монтажа и эксплуатации стоимость электроэнергии должна быть невысокой. Немаловажно также, что подобный аппарат абсолютно безопасен для птиц, которые порой гибнут в винтах ветровых турбин.
Обыкновенная левитация
Компания Altaeros Energies, созданная выпускниками американских университетов, разработала ветровую турбину воздушного базирования (Airborne Wind Turbine, AWT). Здесь стандартная ветровая турбина в виде трёхлопастного пропеллера с генератором размещена в центре тороидального заполненного гелием аэростата, который поднимается на токопроводящих тросах на высоту до 330 м. Аппарат разворачивается из обычного трейлера, подъём и спуск проходят в полностью автоматическом режиме.
Учитывая сложность и относительную дороговизну подобных моделей, без значительных инвестиций довести проекты по их разработке до логического завершения непросто. То же самое можно сказать и об индустрии AWE в целом. Практически по всем направлениям она пока не продвинулась дальше этапа создания прототипов или уменьшенных моделей, малопригодных для реального коммерческого использования. По мнению экспертов, без серьёзной государственной поддержки индустрия сможет достичь установленной AWE-мощности 1 ГВт не раньше, чем через 20 лет. А при относительно умеренных государственных инвестициях в 100 млн долл. в год эту планку можно взять менее чем за 10 лет. Однако, за исключением отдельных компаний-счастливчиков, большинство предпринимателей в этой области находятся на уровне стартапов и держатся на чистом энтузиазме. Об использовании скоростных воздушных потоков на высоте в несколько километров пока можно лишь мечтать. Даже на высоте в 300 м массовое размещение таких аппаратов затруднено всевозможными нормативами, так как в воздушном пространстве уже достаточно тесно из-за самолётов и высотных сооружений.
