Кіріспе

Аэродинамикалық немесе аэростатикалық көтергіш құрылғыларды пайдалану арқылы жел энергиясын тікелей пайдалану немесе өндіру Аэроэнергиялық жел энергиясы (AWE) - бұл аэродинамикалық немесе аэростатикалық көтергіш құрылғыларды пайдалану арқылы жел энергиясын тікелей пайдалану немесе өндіру. AWE технологиясы жел турбиналарынан айырмашылығы, биіктіктен соққан желді жинауға қабілетті, бұл жел турбиналары мұнараға орнатылған роторды қолданады. АВЕ жүйелеріне жоғары биіктіктегі жел қуаты (HAWP) термині қолданылған. Алайда, семантикалық тұрғыдан алғанда, HAWP жел энергиясын түрлендіру жүйелерін де қамтуы мүмкін, олар жер бетінен немесе теңіз бетінен үлкен биіктікте орналастырылған. Желдің кинетикалық энергиясын жинауға арналған түрлі механизмдер ұсынылады, мысалы, желкендер, китондар, аэростаттар, планерлер, регенеративті көтерілу үшін турбиналары бар планерлер, турбиналары бар желқойлар немесе басқа да аэрофондар, соның ішінде бірнеше нүктелі ғимараттар немесе жер бедері бойынша. Механикалық энергия желдің кинетикалық энергиясынан алынғаннан кейін, бұл механикалық энергияны пайдалану үшін көптеген нұсқалар бар: тікелей сүйреу, электр энергиясына айналу немесе жердегі станцияда, басқа ұшақтарға немесе жердегі қабылдағыштарға электр қуатын беру үшін лазерлік немесе микротолқынды айналу. Биіктіктегі жүйеден алынған энергия жоғарыда пайдаланылуы немесе жер бетіне кәбілдерді өткізу, арқан арқылы механикалық күш, шексіз желілік циклдің айналуы, өзгерген химиялық заттардың қозғалысы, жоғары қысымды газдар ағыны, төмен қысымды газдар ағыны немесе лазерлік немесе микротолқынды электр сәулелері арқылы жіберілуі мүмкін.

Электр энергиясын өндіру үшін жоғары биіктіктегі жел

Биіктікте жел тұрақты, тұрақты және жылдам болады. Желде қол жетімді қуат жылдамдықтың кубигі (жылдамдықтың кубикалық заңы) ретінде өседі, сондықтан басқа параметрлер бірдей болады деп есептегенде, желдің жылдамдығын екі еселеу 23 = 8 есе қуат береді; жылдамдықты үш еселеу 33 = 27 есе қол жетімді қуат береді. Жел тұрақты және болжамды болғандықтан, биік жерлердегі желдің жер астындағы желге қарағанда артықшылығы бар. Жел шаруашылығы үшін әуе кеңістігінің тік өлшемін пайдалану және ЖЖТҚ-ны тиімді биіктікке орналастыру мүмкіндігі энергия өндіру үшін биіктіктегі желдерді пайдаланудың қосымша артықшылығын береді. Биіктіктегі жел генераторларын биіктігі мен орнын энергияны барынша арттыру үшін реттеуге болады, бұл тұрақты мұнараға орнатылған жел генераторларымен практикалық емес. Әр биіктік диапазонында зерттеушілер мен әзірлеушілер тарапынан ерекше мәселелерге көңіл бөлінуде. Биіктік өскен сайын, арқанның ұзындығы артады, ауа температурасы өзгеріп, атмосфералық найзағайдың өзгеруімен ауысады. Биіктік ұлғая берген сайын, міндеттемелерге бейімділік артады, шығындар артады, турбуленттік әсері өзгереді, жүйенің желдің бірден көп бағыттағы қабаттарында ұшу ықтималдығы артады және пайдалану шығындары өзгереді. HAWP жүйелері барлық аралық биіктіктерден бастап соңғы жұмыс биіктігіне дейін көтерілуі керек, алдымен төмен, содан кейін жоғары биіктіктегі құрылғы. Жер бетіндегі барлық нүктелер үшін биіктіктегі жел энергиясының ресурсының атласы дайындалды. Joby Energy компаниясында да осындай ғаламдық бағалау атласы жасалды.

Биіктіктегі желдің кинетикалық энергиясын жинау әдістері

Энергияны желден желкендер, китондар, байланған планерлер, байланған желқойлар, аэростаттар (сфералық, сондай-ақ пішінді китондар), қанатлы турбиналар, аэродромдар, аэродром матрицалары, препараттар, айнымалы препараттар, спиральді аэродромдар, Дарриус турбиналары, Магнус эффектісі VAWT дирижабльдері, бірнеше ротор кешендері, мата Jalbert парафоль желкендері, бір қанатлы турбиналар, флипвингтер, тіректер, тіреуіштер, жіптік бұралар, желкенді қанат, толқынды нысандар және пьезоэлектрлік материалдар және басқалар алады. Егер схеманың мақсаты кемелерді және қайықтарды қозғалтқанда, желге орналастырылған нысандар тіреуішінде жиналған энергияның көпшілігі негізгі тіреуіште пайдалы кернеуде болады. Жоғарыдағы жұмыс органдары кеменің қозғалуы кезінде де пайдалы кернеуді сақтау үшін жұмыс істейді. Бұл - спорттық күш-қуатты пайдалану әдісі. HAWP-тің бұл секторы ең көп орнатылған әдіс болып табылады. Фольклор Бенджамин Франклиннің HAWP тартым әдісін қолданғанын айтады. Джордж Покок көліктерді сүйреудің жетекшісі болды.

Бақылау

HAWP ұшақтарын бақылау қажет. Құрылыстағы жүйелерде әртүрлі орналасқан басқару механизмдері бар. Кейбір жүйелер пассивті, белсенді немесе аралас. Қанат басқару блогы (KSU) көтерілген кезде KSU роботты және өзін-өзі қамтитын болуы мүмкін; KSU жер бетінен радио арқылы тікелей адам операторымен немесе ақылды компьютерлік бағдарламалармен басқарылуы мүмкін. Кейбір жүйелерде ұшақ корпусына сенсорлар орнатылған, олар басқа бөлшектерге қатысты орналасуы мен орналасуы сияқты параметрлерді көрсетеді. Ауаны басқару блоктары (АБО) рульді басқарудан басқа да жұмыстарды қамтиды; электр қуатын өндіру кезеңінде немесе электр қуатын өндіруге жатпайтын кезеңге оралғанда, электр қуатын тарту кернеулері мен жүйе қажеттіліктеріне сәйкес, арқанның қозғалу жылдамдығы мен бағытын реттеуге болады. Қанат басқару бөлшектері әр түрлі.

Электр генераторының HAWP жүйесіндегі орны

Электр энергиясын өндіру механикалық энергияны жинаудың бір ғана нұсқасы болып табылады, алайда бұл нұсқа сауда мен коммуналдық қызметтерге көп мөлшерде энергия жеткізуді көздейтін мамандардың назарында басым. Екінші реттік нұсқалардың қатарына су турбиналарын тарту, суды сорғылау немесе ауа мен сутегін қысыу жатады. Электр генераторының орналасуы жүйелердің арасындағы ерекшелік болып табылады. Генераторды жоғары көтеру әр түрлі жолмен жүзеге асырылады. Генераторды сүйрейтін аймақта ұстау тағы бір үлкен жобалау нұсқасы болып табылады. Бір жүйеде генератордың жоғары және жердегі станциясында шағын генератордың жоғарыда электрондық құрылғыларды жұмыс істейтіні, ал жер генераторы үлкен жұмысшы болып табылады.

Карусель генераторы

"Карусель" конфигурациясы бірнеше желкендер тұрақты биіктікте және жоғары биіктікте ұшып, кең дөңгелек рельсте қозғалатын генераторды айналдыра тартады. Үлкен карусельдік жүйе үшін алынған қуатты GW-тың тәртібімен есептеуге болады, бұл қол жетімді қуатты диаметрдің бесінші қуатқа көтерілген функциясы ретінде көретін заңдылықты көрсетеді, ал генератордың құнының өсуі сызықтық.

Аэростатқа негізделген HAWP

HAWP жүйелерін жұмыс істеуге мүмкіндік беретін әдістердің бірі - электр генераторы көтерілген немесе жерде қалдырылған жағдайда да, жүзуге қабілетті аэростаттарды пайдалану. Аэростаттар әдетте, бірақ әрқашан емес, қайырымдылық көтеру әсерін алу үшін пішінделеді. Ашылған газды толтыруға әртүрлі шешімдер қабылданады. Жүрекке әсер ететін жел кезінде аэростаттар әдетте кең және болмай қалмайтын Рейнольдс бетінде қолданылатын аэродинамикалық соғу арқылы төмен қарай соғады, оларды факті бойынша HAWP санатынан шығарады. W. R. Benoit АҚШ Патенті 4350897 Уильям Р. Бенуаттың ауадан жеңіл жел энергиясын түрлендіру жүйесі, 1980 жылы 24 қазанда берілген және 1982 жылы 21 қыркүйекте берілген. TWIND жүйесі (PCT/W02010/015720 халықаралық патенттік өтінім) энергияны беру үшін де қолданылатын кабель арқылы жерге қосылған аэростатикалық шардың көтерілу күшімен көтерілген желкен бетін пайдалануға негізделген. Биіктіктегі жел желкенді көлденең түрткілейді, ал желкен бұл энергияны жалғау кабелі арқылы жерге жеткізеді. Алға қарай қозғалу соңында желкен беті төмендейді, бұл желге қарсы қозғалуға мүмкіндік береді. Маген аэростаты - жел турбинасы, ол желдің көлденең осімен тік осімен ұсталады, сондықтан Magnus әсері көтерілуі авторотация кезінде пайда болады; электр энергиясы соңғы хаб генераторларымен өндіріледі. LTA Windpower PowerShip әуеде ұшу үшін аэростат пен қанатты қолданады. Ол бейтарап суға көтермелілік деңгейінде жұмыс істейді және винк қажет емес. Қуаттылық турбиналар арқылы қанаттардың артқы шетіндегі винттермен беріледі. Жүйе бақылаусыз ұшып-қонуға арналған. Airbine жел турбиналарын аэростаттарды пайдалану арқылы ауаға көтеруді ұсынады; электр қуаты өткізгіш арқан арқылы жер жүктемелеріне қайтарылады. Уильям Дж. Мутон, Дж. және Дэвид Ф. Томпсонның әуе кемесі турбинасы: Олардың жүйесі турбинаны аэростаттың тесігіне турбинаны қоюға ұқсас, жақын тороидты аэростаттың орталық бөлігіне біріктірді. HAWE жүйесі Tiago Pardal идеясынан жасалған. Бұл жүйе желкен жүйелеріне ұқсас сорғылау циклін қамтиды. Өндіру кезеңінде тарту күші айналатын цилиндрдің (әуе платформасының) Магнус әсерінен 510 есеге артады. Ауада ұшып жүрген желкен сияқты, әуе платформасы шығарған тарту күші кабельді бұғаттап, жерде электр энергиясын өндіреді. Қалпына келтіру кезеңінде ол кабельді әуе платформасында Магнус әсерісіз кері бұрады. Wind Fisher желге қабілетті Magnus эффектті шарларын жасап жатыр, олар жердегі генераторлармен электр қуатын өндіреді, олар екі гелиймен толтырылған, ауадан жеңіл цилиндрлі қанаттары бар сорғылау циклін жүргізеді. Гренобль маңындағы компания қазіргі уақытта 1,7 метрлік ауадан ауыр прототипті сынап жатыр. 2023 жылы шыққан ашық бастапқы кодтық тұжырымдамаға сәйкес, гелийге толы шары мен бекітілген желкендер ұсынылды, олар қысым жасайды және жүйенің көлденең осьтің айнала айналуын басқарады. Кенетикалық энергия жер бетіндегі генераторға дөңгелек қозғалыстағы арқан арқылы беріледі.

Әуеде емес жүйелер

Тұжырымдамалық тұрғыдан, екі іргелес тау (табиғи немесе жер бедері) немесе жасанды ғимараттар немесе мұнаралар (қалалық немесе жасанды) арасында жел турбинасы кабельдерді қолдану арқылы ілінеді. HAWP екі тау шыңдары арасында аңғар арқылы сыммен жабдықталғанда, олар әдеттегі мұнаралы турбиналармен топтастырылады және HAWP-тің мақсатынан тыс, онда әуедегі жүйені бекіту негізгі болып табылады.

Қауіпсіздік

Найзағай, әуе кемелері қозғалысы, апаттық жағдайлар, жүйелерді тексеру, жүйе бөлшектерінің және оның тіректерінің көрінетіндігі, электр қауіпсіздігі, қашып ұшқан қанаттың процедуралары, қуаттандыруды басқару, тиісті сүйрелу және басқалары HAWP жүйелерінің қауіпсіз ортасын құрайды.

Жаңадан пайда болатын саланың қиындықтары

Қазіргі уақыттағы қызметтен бұрын HAWP-ге қызығушылықтың бірнеше кезеңі болды. Бірінші кезеңде көлікті жер үстінен тартуға және атмосфералық электр энергиясын және найзағайды адам пайдалану үшін ұстауға көп көңіл бөлінді. Екінші кезең 1970-1980 жылдары болды, онда зерттеулер мен инвестициялар өркендеді; мұнай бағасының төмендеуі жоғары энергиямен жұмыс істейтін қондырғылардың маңызды орнатылуына әкелмеді. Инвестицияның табысы (ROI) негізгі параметр болды; сол ROI қазіргі даму іс-әрекетінде назарда болады, ал артта кез келген жел энергиясын қолдайтын жаңартылатын және тұрақты энергия қозғалысы; бірақ HAWP ROI бойынша дәстүрлі мұнаралы шешімдермен бәсекелесуі керек. Норвегиядағы Листадағы сынақ орталығы зерттеулерді тәуелсіз тексеруді қамтамасыз етеді.

HAWP-ге алғашқы сілтемелер

Құшқарды ұшудың алғашқы ғасырлары оның айналмалы қозғалтқышы екенін көрсетті. Ол өзінің тіреу бөлігін сүйрейтін нүктесі туралы айналдырады және жоғары желден механикалық құрылғыға түскен энергияның арқасында қол мен қолдарды қозғалтады. Көтерілген құрылғылардағы кернеу дене мүшелері мен заттарды көтеру мен тарту жұмысын орындайды. HAWP үшін әуедегі жел энергиясы (AWE) мыңдаған жыл бұрын пайда болды; AWE HAWP-де болып жатқан нәрселер - бұл болған жағдайды атау және арнайы жұмыстарды орындау үшін байланған ұшақтардың ықтимал әлеуетін дамыту. Кейбір жұмысшылар үшін "төмен" дегендер басқалары үшін "жоғары" болып табылады. 1796 жылы Джордж Покок көліктерде жер бетіндегі жолдармен жүру үшін сүйреу режимін қолданды. 1827 жылы Джордж Пококтың "Аэроплюстикалық өнер" немесе "Ауада желкендер немесе жүзу желкендерін пайдалану арқылы навигация" кітабы жарық көрді. Покок желкендерді құрлық пен теңізде саяхаттауға қолданған. Кітап бірнеше рет қайта басылып шықты. 1833 жылы Джон Адольф Эцлер HAWP гүлденгенін көрді, кем дегенде сүйреу үшін. 1864 жылы? Кітаптың "Кайт-Кілік" тарауында HAWP-тің негізгі динамикасы сипатталған. Джон Гейдің: немесе "Жігіттер үшін жұмыс". Жазғы томының XVIII тарауы. 1967 жылы Soaring журналының бұрынғы редакторы Ричард Миллер, құрлықтарды аралау үшін жел қабаттарының айырмашылығын түсіру үшін жермен байланыспаған желкендерді қосатын еркін ұшудың мүмкіндігін сипаттайтын "Қосымшаның көрінетін құралдары жоқ" кітабын жариялады; мұндай HAWP Дейл К. Кремердің қазіргі патенттік өтініші. 1973 жылы ма? Герман Оберт өзінің "Пионерге арналған басшылық" кітабының қосымшасында Оберт мұражайынан алынған "Кайт" электр станциясының эскиздері мен фотосуреті бар. 1977 жылы 3 сәуірде 1977 жылы өнертабыс жарияланды. 1979 жылы 21 қыркүйекте Дуглас Сельсам өзінің желкенді көтерген әуе профильдерінің шексіз тізбегі HAWP жүйесін нотариатқа куәландырды, бұл кейінірек 1997 жылы патентте сипатталған Голландиялық астронавт Вуббо Оккелстің LadderMill деп аталатын құрылғысында көрініс табатын жалпы типті. Дуглас Селсам өзінің автобағдарланған желді пайдалануды 1977 жылдың 3 сәуірінде жүзеге асырды. Селсамның нотариат куәлігімен куәландырылған ашылуының күні 20 қыркүйекке, ал нотариус соңғы қол қоюды 21 қыркүйек 1979 жылы белгіледі. 1979 жылы профессор Брайан Робертс гиромобильдік гирокоптер түріндегі HAWP жел генераторын әзірлеуді бастайды. 1980 жылы Майлз Лойд желдің қарсы күші туралы мақала жариялады. 1986 Bryan Roberts's AWE HAWP роторы электр қуатын өндіреді және өзі тігілген ұшу кезінде көтеріледі. 1992 Free Rotor WO/1992020917 Free Rotor JACK, Colin, Humphry, Bruce (бір адам) жасаған. Колин Джек. Колин Брюс. Көп роторлы құрылғылар өңделген. Жасалған тіреуіштер танылады. 1992 жыл.

Авторотация

Авторотация AWE технологиясының үлкен саласының негізі болып табылады. Биіктіктегі жел энергиясын зерттеу және дамыту орталықтары көбінесе кеспектің авторотациясына тәуелді: SkyMill Energy, Joby Energy, Sky Windpower, BaseLoad Energy, Magenn Power және Makani Power жел энергиясын конверсиялау жүйелерін (AWECS) жасап, сынақтан өткізеді.