Введение

Прямая эксплуатация или производство энергии ветра с использованием аэродинамических или аэростатических подъемных устройств Воздушная энергия ветра (AWE) - это прямое использование или производство энергии ветра с использованием аэродинамических или аэростатических подъемных устройств. Технология AWE способна собирать ветры на большой высоте, в отличие от ветряных турбин, которые используют ротор, установленный на башне. Термин "высокогорная ветроэнергетика" (HAWP) используется для обозначения систем AWE. Однако семантически HAWP может также включать в себя системы преобразования энергии ветра, которые каким-то образом расположены на большой высоте от земли или морской поверхности. Предлагаются различные механизмы захвата кинетической энергии ветров, такие как воздушные змеи, китоны, аэростаты, планеры, планеры с турбинами для регенеративного взлета, планерные самолеты с турбинами или другие профили, включая многоточечное строительство или терраны. Как только механическая энергия получается из кинетической энергии ветра, тогда есть много вариантов использования этой механической энергии: прямая тяга, преобразование в электричество в воздухе или на наземной станции, преобразование в лазер или микроволновую для передачи энергии другим самолетам или наземным приемникам. Энергия, генерируемая высокоуровневой системой, может использоваться в воздухе или отправляться на поверхность земли путем провода кабелей, механической силы через привязку, вращения бесконечной петли линии, движения измененных химических веществ, потока газов высокого давления, потока газов низкого давления или лазерных или микроволновых пучков.

Высокогорный ветер для энергетических целей

Ветер на больших высотах становится более устойчивым, более постоянным и более быстрым. Поскольку мощность, доступная в ветре, увеличивается по мере увеличения кубика скорости (закон скорости в кубике), при условии, что другие параметры остаются неизменными, удвоение скорости ветра дает 23=8 раз мощность; утроив скорость дает 33=27 раз доступную мощность. Благодаря более устойчивым и предсказуемым ветрам, высокогорный ветер имеет преимущество перед ветром вблизи земли. Возможность размещения ВВП на эффективных высотах и использование вертикального измерения воздушного пространства для ветропарков приводит к дополнительному преимуществу использования высоковысотных ветров для производства энергии. Высокоуровневые ветрогенераторы могут регулироваться по высоте и положению для максимизации энерговозврата, что нецелесообразно для установленных на башне ветрогенераторов. В каждом диапазоне высоты есть высота специфические проблемы, которые рассматриваются исследователями и разработчиками. По мере увеличения высоты увеличивается длина шнуров, изменяется температура воздуха и уязвимость к изменениям атмосферных молний. С увеличением высоты возрастает риск возникновения рисков, возрастают затраты, изменяется риск воздействия турбулентности, возрастает вероятность того, что система будет летать в более чем одном направленном слое ветров, и изменяются затраты на эксплуатацию. Системы HAWP, которые летают, должны подниматься на все промежуточные высоты до окончательных рабочих высот, сначала на низкой, а затем на высоте. Атлас высокогорных ветроэнергетических ресурсов был подготовлен для всех точек Земли. Аналогичный атлас глобальной оценки был разработан в Joby Energy.

Методы захвата кинетической энергии ветров на большой высоте

Энергию из ветра можно получить с помощью воздушных змеев, китонов, привязанных планет, привязанных планерных самолетов, аэростатов (сферических, а также сформированных китонов), турбин с лопастями, аэродинамических планет, матриц аэродинамического планета, дрогов, переменных дрогов, спиральных аэродинамических планет, турбин Darrieus, воздушных змеев с эффектом Magnus VAWT, многократных роторных комплексов, тканевых парафольных воздушных змеев Jalbert, однолопастных турбин, флипвингов, шнуров, узлов, веревочных петлей, пластин, волнистых форм и пьезоэлектрических материалов и многого другого. Когда целью схемы является движение судов и лодок, привязка объектов, помещенных в ветер, будет иметь тенденцию к тому, чтобы большая часть захваченной энергии находилась в полезном напряжении в основном привязи. Рабочие корпуса на высоте будут работать так, чтобы поддерживать полезное напряжение даже в то время, когда корабль движется. Это метод для спортивных силовых змеев. Этот сектор HAWP является наиболее установленным методом. Фольклор предполагает, что Бенджамин Франклин использовал метод тяги HAWP. Джордж Покок был лидером в тяге транспортных средств с помощью тяги.

Контроль

Самолеты с высоким давлением на воздух должны быть под контролем. Решения в построенных системах имеют механизмы управления, расположенные в различных местах. Некоторые системы пассивны, активны или смешаны. Когда управляющий элемент воздушного змея (KSU) поднят на лофт, KSU может быть роботизированным и автономным; KSU может управляться с земли с помощью радиоуправления живым человеком-оператором или умными компьютерными программами. Некоторые системы встроены в корпус самолета датчики, которые сообщают параметры, такие как положение, относительное положение к другим частям. Устройства управления воздушным змеем (KCU) включают в себя нечто большее, чем управление; скорости и направления катушек могут быть скорректированы в соответствии с напряжением катушек и потребностями системы во время фазы генерации энергии или возвращения не генерирующей энергии. Части управления воздушным змеем сильно различаются.

Положение генератора электроэнергии в системе высокого давления на воздух

Производство электроэнергии - это лишь один из вариантов захвата механической энергии; однако этот вариант доминирует в фокусе внимания специалистов, стремящихся поставлять большие объемы энергии для торговли и коммунальных услуг. К широкому спектру вторичных вариантов относятся водотурбины, насос воды или сжатие воздуха или водорода. Положение электрического генератора является отличительной чертой между системами. Полет генератора в воздух осуществляется различными способами. Еще один большой вариант - держать генератор в районе причалов. В одной системе применяется вариант генератора в воздухе и на наземной станции, где небольшой генератор управляет электронными устройствами в воздухе, в то время как наземный генератор является крупным рабочим, который производит электричество для значительных нагрузок.

Генератор каруселей

Конфигурация "Карусель" несколько воздушных змеев летают на постоянной высоте и на больших высотах, поворачивая генератор, который движется по широкой круговой рельсе. Для большой карусельной системы полученная мощность может быть рассчитана в порядке ГВт, выявляя закон, который рассматривает достижимую мощность как функцию диаметра, поднятого до пятой степени, в то время как прирост стоимости генератора является линейным.

Аэростатное повышение температуры воздуха

Один из методов поддержания работоспособных систем HAWP в воздухе - использование плавучих аэростатов, независимо от того, поднят ли электрический генератор или остался на земле. Аэростаты обычно, но не всегда, имеют форму, позволяющую добиться эффекта подъема воздушного змея. Пополнение утечки подъемного газа получает различные решения. В случае сильного ветра аэростаты обычно сбрасываются с воздуха из-за аэродинамического сопротивления, воздействующего на широкую и неизбежную поверхность Рейнольдса, что фактически исключает их из категории HAWP. W. R. Benoit US Patent 4350897 Система преобразования энергии ветра легче воздуха Уильяма Р. Бенуа, поданная 24 октября 1980 года и выпущенная: 21 сентября 1982 года. Система TWIND (международная патентная заявка PCT/W02010/015720) основана на использовании парусного полотна, поднятого подъемной силой аэростатического воздушного шара, соединенного с землей кабелем, используемым также для передачи энергии. Ветер, присутствующий на больших высотах, создает горизонтальное толчок на паруса, который в своем движении передает эту энергию на землю через соединительный кабель. В конце движения вперед, парусная поверхность уменьшается, что позволяет ему двигаться против ветра с уменьшенной энергией. Аэростат Магнен - это ветровая турбина с вертикальной осью, удерживаемая с горизонтальной осью путем сдерживания поперечной оси к ветру, так что воздействие Магнуса получается во время авторотации; электричество генерируется генераторами конечного узла. LTA Windpower PowerShip использует подъем как от аэростата, так и от крыльев. Он работает почти на нейтральной плавучести и не требует лебеди. Мощность генерируется турбинами с пропеллерами на заднем краю крыльев. Система предназначена для взлета и посадки без постороннего наблюдения. Airbine предлагает поднять ветряные турбины в воздух с помощью аэростатов; электричество вернется к грузам на земле с помощью проводящей связи. Двигательная турбина воздушного судна Уильяма Дж. Мутона-младшего и Дэвида Ф. Томпсона: Их система интегрировала турбину в центральную часть почти тороидального аэростата, как если бы турбина была помещена в отверстие аэростатового пончика. Система HAWE разработана по идее Тиаго Пардаля. Эта система состоит из цикла насоса, аналогичного системе воздушных змеев. На этапе генерации сила тяги увеличивается в 510 раз из-за эффекта Магнуса вращающегося цилиндра (воздушная платформа). Как и воздушный змея, тяга, производимая воздушной платформой, разворачивает кабель и генерирует электричество на земле. На этапе восстановления кабель перемоткается без эффекта Магнуса в воздушной платформе. Wind Fisher разрабатывает шары с эффектом Магнуса, способные к перемещению ветра, которые генерируют электричество с наземными генераторами, работающими на цикле насоса с парой надутых гелия, более легких, чем воздух цилиндрических крыльев. Компания, базирующаяся недалеко от Гренобля, в настоящее время тестирует прототип с продольным пролётом 1,7 м, тяжелее воздуха. Концепция с открытым исходным кодом, выпущенная в 2023 году, предлагала наполненный гелием воздушный шар с прикрепленными парусами, которые создают давление и приводят к вращению системы вокруг горизонтальной оси. Кинетическая энергия передается генератору на земле через веревки в круговом движении.

Невоздушные системы

Концептуально, две смежные горы (естественные или местности) или искусственные здания или башни (городские или искусственные) могут иметь ветряную турбину, подвешенную между ними с помощью кабелей. Когда HAWP проводят между двумя горными вершинами через долину, они группируются с обычными турбинами с башнями и находятся за пределами HAWP, где связывание воздушной системы является фундаментальным.

Безопасность

Молния, воздушное движение, аварийные процедуры, системные инспекции, маркировка видимости частей системы и ее связки, электрическая безопасность, процедуры беглых крыльев, управления перегрузкой, соответствующее причаливание и многое другое составляют безопасную среду для систем HAWP.

Проблемы, с которыми сталкивается новая отрасль

До современной деятельности было несколько периодов высокого интереса к HAWP. Первый период был сосредоточен на перемещении поездов по земле и захвате атмосферного электричества и молнии для использования человеком. Второй период был в 1970-х и 1980-х годах, когда исследования и инвестиции процветали; падение цен на нефть не привело к значительным установкам ВАВП. Возврат инвестиций (ROI) был ключевым параметром; этот ROI остается в центре внимания в текущей деятельности по разработке, в то время как на заднем плане движение возобновляемых и устойчивых источников энергии, поддерживающее ветроэнергию любого вида; но HAWP должен конкурировать по ROI с традиционными высотными решениями. Испытательный центр в Листе, Норвегия, обеспечивает независимую проверку исследований.

Ранние ссылки на HAWP

В первые века летания на воздушных змеях было доказано, что змея - это вращающийся двигатель, который вращает свою часть привязки вокруг своей точки привязки и заставляет руки и руки двигаться из-за энергии, захваченной от более высоких ветров в механическое устройство. Напряжение в поднятых устройствах выполняет работу по поднятию и тяги частей тела и предметов. Воздушная энергия ветра (AWE) для HAWP появилась тысячи лет назад; название того, что произошло, и развитие подразумеваемых потенциалов привязанных самолетов для выполнения специальных работ - это то, что происходит в AWE HAWP. То, что для одних работников "низко", для других - "высоко". 1796 Джордж Покок использовал режим тяги для передвижения на автомобилях по сухопутным дорогам. 1827 г. была опубликована книга Джорджа Покока "Аэропластическое искусство" или "Навигация в воздухе с использованием воздушных змеев или плавучих парусов". Покок описал использование воздушных змеев для сухопутных и морских путешествий. Книга переиздавалась несколько раз. 1833 Джон Адольф Эцлер увидел, что HAWP расцветает, по крайней мере, для тяги. 1864 год? В главе "Кайт-корабли" хорошо описана ключевая динамика HAWP, используемой для буксировки кораблей с помощью воздушных змеев. Джон Гей: или Работа для мальчиков. Глава XVIII в Летнем томе. 1967 Ричард Миллер, бывший редактор журнала Soaring, опубликовал книгу "Без видимых средств поддержки", в которой описывается возможность свободного полета, связанного с неземными привязанными воздушными змеями, чтобы улавливать различия в ветровых слоях для перемещения по континентам; такой HAWP является предметом современной патентной заявки Дейла К. Крамера. 1973 год? Герман Оберт В приложении к своей книге "Правоучение для тех, кто хочет править" есть эскизы и фотография модели воздушной электростанции из музея Оберта. 1977 3 апреля 1977 изобретение объявлено. 21 сентября 1979 года Дуглас Сельсам нотариально заверял свою воздушную змею, поднятую бесконечной цепью аэродинамических профилей системы HAWP, общего типа, который позже будет показан в устройстве голландского астронавта Вуббо Оккельса под названием LadderMill, описанном в патенте 1997 года. Дуглас Сельсам создал свой автоориентированный воздушный трамвай 3 апреля 1977 года. На нотариально заверенном документе о изобретении Сельсама была помещена дата 20 сентября, в то время как нотариус поставил окончательную подпись 21 сентября 1979 года. 1979 Профессор Брайан Робертс начинает разработку гирокоптера типа гиромилл HAWP. 1980 Майлз Ллойд публикует статью о силе воздушных змеев при встречном ветре. 1986 Ротор AWE HAWP Брайана Робертса генерирует электричество и поднимается в привязанном полете. 1992 Free Rotor WO/1992020917 Free Rotor Джек, Колин, Хамфри, Брюс (один человек). Колин Джек. Колин Брюс. Многороторы обработаны. Привязанные к ним шнуры хорошо узнаваемы. 1992 год.

Авторотация

Авторотация является основой большого сектора технологии AWE. Высокоуровневые исследовательские и разработчические центры ветровой энергии часто зависят от авторотации лопастей: SkyMill Energy, Joby Energy, Sky Windpower, BaseLoad Energy, Magenn Power и Makani Power производят и тестируют воздушные системы преобразования ветровой энергии (AWECS), которые используют авторотацию лопастей для привода валов генераторов для производства электроэнергии на высоте и отправки электроэнергии на землю через проводящие связки.