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可再生能源

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空中风能的承诺和挑战

06 Dec 2019 玛格丽特哈里斯
从2019年12月起拍摄的 物理世界,它在标题下出现在“利用风”的标题下。物理研究所成员可以享受全部问题 通过这一点 物理世界 app.

从加勒比群岛到北欧的挡风雪沿岸,一种发电可再生能源的新方式正在形成。但它会达到主流吗? 玛格丽特哈里斯 评估用风筝,无人机和其他空中装置利用风的前景

Makani’s kite

库拉科岛熊都有热带天堂的所有标志。这是一个城市大小的土地在较小的安提斯,拥有沙滩,珊瑚礁和一个名为“蓝色边缘”的海底悬崖,吸引了来自世界各地的水肺潜水员。曾经带来帆船(以及不幸,奴隶交易员)的贸易风也会赋予荷兰殖民地的船只。 12月的温度徘徊在27°C左右,阳光平均每年270天闪耀。

但是,仔细看,库拉索有其挑战。虽然比其大多数加勒比邻居更丰富,而且较少的孤立,但这里的生活成本很高。 Curacao的150,000名居民进口了大量必需品,包括生成大部分电力的化石燃料。依赖进口燃料是讽刺的,也是昂贵的。由于其主要港口附近的巨大的炼油厂,到2014年,Curacao拥有世界上任何国家的第二最高碳排放 - 这不是海平面上升威胁的低洼岛屿。

Johannes Peschel.,Curacao的碳宽度的答案在于它最大的自然资源:风。 Curacao是风力发电的早期采用者,到2017年商业风电场产量为其能量的30%。但是,德国企业家的德国企业家和浓密的胡须和冲浪者的悠闲热情,想要推动这个数字,他的计划不涉及将更多的涡轮机添加到海岸线上。相反,他和他当地的合作伙伴在一部分历世历史上的技术上捕获了他们的希望:巨型,巨头的丝束风筝,因为它们通过蓝色加勒比天空翱翔而产生能量。

让我们去风筝

对于peschel和其他人 小但成长 空中风能(AWE)社区,风电的未来看起来与熟悉的三刃涡轮机散落在山丘和欧洲沿岸。这个新生的领域的研究人员正在举办令人眼花缭乱的设备,包括风筝,翅膀,无人机,甚至一套旋转的天空传播的篮球,这些篮球被称为苏格兰公司 风吹和有趣。在所有情况下,目标是以更便宜的方式利用高海拔风,而不是竖立钢和混凝土的宽大柱。

Wind energy systems

对于像克拉索这样的岛屿的居民,以及没有传统电网的区域的社区,AWE提供了实质性的优势。 Peschel - 谁的公司 KitePower 纺出了一个研究组 涂代尔夫特 在荷兰 - 指出其最大的风筝,面积100米2 发电量为100 kW,适合大冲浪袋,可以在20分钟内由两个人发射。固定翼敬畏系统是笨重的,但不是很多。 rolf luchsinger,谁会带来瑞士敬畏的公司 Twingtec.当他在英国格拉斯哥的最近的行业会议上欣赏奇异的杂音,当时他展示了坐在标准涡轮机(20吨)旁边的Twingtec的无人机和地面站(总质量:1吨)的照片。这两个系统,露川手指观察,产生了可比的能量量 - 但只有Twingtec将适合运送服务器。

Twingtec,Kitepower和一个类似的公司的离合器(Enerkite., Kitemill., Skysails Power., 冒风兰 等等)正在追求传统可再生能源遵循的市场的相同途径。通过为远程位置提供小型10-100千瓦的客户,其中每千路的成本高,主要替代品是脏的,嘈杂的柴油发电机 - 他们的目标是在缩放它之前,他们的技术可以改进他们的技术并证明其价值。

Wind energy system

其他公司从一开始就针对大规模的发电。基于第二次荷兰的初创公司, ampyx权力,正在开发一个可束缚的飞机,可以在远离大海的浮动平台上起飞和降落。其最新模式具有300千瓦的额定功率,首席执行官 Richard Ruiterkamp. 该公司表示,该公司将在明年的某个时候开始在梅奥县的专用测试场所飞行。 8月,美国公司 Makani. 在挪威峡湾测试了600千瓦风筝,收集了关于风筝系列浮标系统(见上图)在真实条件下的行为行为的数据。两家公司都设想了一个大型多风筝农场的未来,将数百兆瓦的低碳能量提供给电网。 “我真的热衷于将可再生能源带到全球各地的越来越多的人,”马达尼的技术方案经理Doug Mcleod说。 8月测试是,他说,“一个令人兴奋的时刻”。

最高的高度

简脑已被用来以古代以来拉动负荷,但它们的发力产生潜力并未完全赞赏,直到相对最近。在20世纪70年代后期的石油危机期间,美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的工程师在线,开始研究一种新手风筝转移者学习艰难方式的现象:垂直于风的风筝比固定更难地拉动风筝有风背面。这是因为风筝的空气动力升力力与其表观空速的平方。在跨风飞行中,这种明显的空速可以容易地高于相对于地面的风速的数量级。

Loyd的贡献是计算出在风中快速绕过风吹的风筝不会产生足够的电梯,不仅可以支持自己,而且还产生了有用的功率 - 数百次功率,实际上,而不是静态飞行中的风筝。利用翼面积,风速和升力比率的现实数字,Loyd估计单个“交叉风”风筝可以产生多达45兆瓦。这远远高于Loyd日的涡轮机,即使现在仍然竞争。截至2019年世界上最强大的商业风力涡轮机,Vestas V164,最多8.8兆瓦。

油价下跌一些闪耀从Loyd的想法中占据了一些闪耀,并且他的近似近似在家里是在毛无摩擦的表面和介绍物理课程的球形奶牛中的含义。在估计最大功率输出时,Loyd忽略了风筝系列系统的质量和系绳上的空气动力学阻力。近似是有效的,第二个是特别是令人震惊的。露川, 通过培训的物理学家据说,对于像Twingtec的无人机这样的小型工艺,系绳上的拖动大于机翼上的拖动。即便如此,Loyd的工作仍然有影响力。大多数敬畏公司都在建造风筝,使用这两种方法之一提出的三种方法(见盒子),发电。

发送它飙升

Kite figure

在他的精英纸上(J. Energy. 4 106),Miles Loyd提出了两种制作穿越风筝的方法做了有用的工作。一种方法 - 他称之为“提升模式” - 是使用风筝的空气动力学升力在地面上拉动负荷,例如通过将系绳缠绕在滚筒周围,使其允许滚筒,并使用鼓的旋转来驱动电动发电机。替代称为“拖动模式” - 是将涡轮机连接到横向风筝,在板上产生电力并通过导电系绳将其传递到地。

在提升模式下操作的风筝必须定期丢失升力并在系绳松弛时卷起。实际上,这些风筝像巨型,慢动作,空气传播的溜溜球,在他们的路上产生了很多能量,并在途中失去了一点。(Kitepower 罗兰schmehl.更像是更像是将“泵送”过程与往复式发动机的热力学循环。

AWE系统,在拖动模式下运行在不太复杂的模式中,其板载涡轮机可以发电机,使能垂直起飞和着陆。 Makani的风筝产生能量,因为它在风吹过圈子,并在着陆前徘徊在叫做HACDRAGE-1的浮动浮标之前(名称意味着挪威的“海洋风筝”和“海洋龙”)。另一家公司冒险,正在开发一个拖延模式的武装系统,提供来自美国军队的资金。它的首席执行官Rob Creighton,如果风松弛,可以在动力飞行中仍然可以在动力飞行中保持高处 - 对于可能不希望阻止其他活动在短时间内登陆风筝的客户的大优势。缺点是导电,直径越大,而且经历更多拖动。

如果穿越飞行的发电潜力有助于敬畏地面,其他优点可能对保持宽松的同时似乎同样重要。该技术的一个关键部分的吸引力是风筝可以收集传统涡轮机不能的风能。典型的1.5兆瓦涡轮机高100米高,其净容量因素 - 由于风的间歇性,通常不到50%,所产生的实际能量分开。相比之下,风筝可以在高达500米的海拔地点飞行,风越强,更加一致。

然而,敬畏系统的最大景点是他们的低质量。能量风筝是汽机剥离到其发电精华的涡轮机,不需要诸如底座和塔的重型部件。 Kitepower的联合创始人 罗兰schmehl.是Tu Delft的研究员,将其与一组飞行器提示进行比较。原则上,质量的急剧减少应降低成本,使风能更有可能被利用。据CEDRIC Philibert,国际能源机构(IEA)的可再生能源专家,欧洲水域的传统风力涡轮机每年可以产生2600-6000 TWHR,或欧盟目前的80-180%的需求 - 但只需成本€55-70 / mwhr。法国的当前价格是Philibert Notes,€44 / MWHR。

敬畏倡导者说他们的设备将使其设备可以利用更多的地球风能。一个合并的太阳能和敬畏农场,风筝铸造微小的瞬态阴影,因为它们圈出高于光伏板上,是一种可能性。 KitePower的Curacao项目,其中公司计划在现有的传统风电场上运营三到五个100千瓦风筝,是另一个。然而,最诱人的前景是,敬畏可以解锁风中的“搁浅的资源”,水在水太深,无法将传统的涡轮机塔固定到海底。与浮动涡轮机相比,浮动令人敬畏的平台需要更少的抗衡抵抗,以保持暴风雨中的直立。

前方湍流

所有这些优势都是价格的,而Ampyx Power的Ruiterkamp将其与井合。 “获得第一个系列工作的门槛高于其他风能的地区,”他在格拉斯哥讲述了他的同事。 “我们正在研究内在的系统不稳定的系统。如果出现问题,我们立即处于需要处理的情况。“

使用设备作为能量风筝复杂,可能出错的东西列表是广泛的。在Glasgow会议上的另一个谈话中,Kitemill技术经理 罗德肉罐 响起了一连串的问题,即他的挪威的团队克服了他们当前的刚性原型。薄弱的联系突破。电气连接器不符合工业标准。被证明太脆弱或重的系绳和翼材料。虽然本身很小,但佐利州解释说,这些问题有助于投资者将敬畏技术视为不成熟的恶性循环,因此不值得过资金 - 这意味着公司努力获得所需的飞行经验,他们需要改进他们的飞行经验系统。

与涡轮机不同,最令人敬畏的设备没有帮助,当风条件差时需要降落。着陆和发射难以自动化,每个人都会引发灾难性失败的风险。 Lorenzo Fagiano. - 意大利副教授 Politecnico di Milano 谁对敬畏的博士研究有所研究 - 指出,即使一个单独的风筝直接飞过两天,也是每年有300个这样的风筝的大型AWE农场仍然会遇到每年54,000个起飞和着陆活动。他警告说:“必须被证明是以极高概率的任何错误证明。

在离岸操作中,安全发射和着陆的酒吧更高。每个贡献系统必须在远程和恶劣的环境中工作,维护最少,一般没有监督。在这方面,行业的第一个离岸测试都是一个令人印象深刻的里程碑,仍然有多少工作。 Landing Makani在移动浮标上的风筝是McLeod观察,“就像试图并行公园一辆车一样,而路缘上下和来回移动,也旋转良好的措施”。虽然登陆成功,但测试以风筝的丧失结束。

在下面留意

在一个新技术的年轻产业中,这种事故是不可避免的。它们也是敬畏的原因,目前仅限于轻微的人口稠密的地区。在格拉斯哥会议上,代表们的达成广泛的一致意外 - 例如与飞机碰撞的风筝,或者与地面上的人 - 会伤害整个部门,无论哪家公司都有责任。但如何规范敬畏的问题激起了一个罕见的公众争议,以这个友好的常规社区的牺牲品,有时挣扎回答:这是天空中的这些奇怪的新物品是什么?

为了 尼尔兰克纳,马达尼的首席行动官员和前F / A-18飞行员,答案很简单。 “我们正在谈论风力涡轮机,而不是飞机,”他宣称。 “从飞行员的角度来看,你不会指望能量风筝在一瞬间,另一个部分是在下一个部分。”风筝的系绳失败,Rickner认为,应该像传统涡轮机的叶片中的失败一样对待。 “我们需要想象一个系统高度可靠的未来,因此在同一程序下运行,因为[传统风]行业正在使用今天,”他得出结论。

一些里克纳的同伴小组成员不太说服力。 Michiel Kruijff.ampyx权力的技术负责人,阐述了其风筝在船上的能量存储,因此如果它的系绳断裂,它可以返回其平台。这意味着它必须遵循航空规则,尽管Kruijff表示,ampyx希望谈判一些调整。但在他的观点中,甚至没有这些限制的公司也需要面对一些事实。 “我们都承认我们主要开发一种能源发电装置,”他说。 “但我们不能否认它中有一个不像风力涡轮机的元素。”转向兰克纳,他修辞地问道:“当你在空中看你的美丽系统时,你说,'看起来有多漂亮旋转'?或者,你说,'看起来有多漂亮'?“

Kite

除了语义和监管纠纷之外,关于如何保持能量风筝安全的问题可能比关于如何使它们足够可靠的商业运营的问题更易于回答。要求命名敬畏最困难的问题, 露丝沼泽,在加入Makani作为其产品和系统领先的情况下,在传统的风能工作15年,看起来很周到。 “有很多难题,”她说。然后在美国宇航局 - 一位前航空工程师,一个偏僻的年轻人和男性的领域中的罕见的退伍军人妇女 - 提供比喻。

在太阳能电池板中,她说,结构和发电组件是分开的。它们可以独立优化。在传统的涡轮机,结构和功率相互作用中,因此它们必须一起优化。但能量风筝有很多活动部件,所有这些都必须最佳地工作,以便系统在其峰值处执行。随着技术的成熟,沼泽表明,观看的最重要数字将是电力生产,净容量因素和能源的稳定成本 - 最终将确定敬畏行业是否起飞。

飞高,增长大

在接下来的几年里,Awe开发人员希望在更长的时间内飞行他们的设备,较少人为的干预。库拉索岛的Kitepower的迷你Awe公园将在代尔夫特的Technicians的Technician人员的观察中自动运行,他们将使用传感器数据来决定何时将风筝降落,并由当地地面船员重新启动。另一家公司Skysails Power已在由环境慈善机构运营的双体船上部署其风筝作为辅助发电机, 种族水。 2020年,计划提供高达500千瓦的商业,地面的“即插即用”敬畏单位。

对于在这个发展阶段的公司来说,最先进的是自动飞行的日子或几周。长期目标,特别是对于离岸应用,是推动到几个月甚至多年的完全自主权。这是一个雄心勃勃的目标,并且在(如果有的话)将会满足。 Fagiano指出,自动驾驶汽车和机器人系统面临类似的挑战,正在获得数十亿欧元的资金。因为敬畏,他说,那个支持水平“可能永远不会在那里”。

空中风能背后的物理是声音,它具有罕见的捕捉想象力

尽管如此,敬畏背后的物理是声音,它有难以捕捉想象力的难得。 “像风筝一样的人,他们喜欢绿色能量,” Joep Breuer.,Kitepower的技术经理。 “这是一个非常可爱的技术。”到2027年,IEA预测风将是欧盟能量的数字 - 一个来源,但即使这也不足以满足严格的排放目标。 Alexander Bormann.,Enerkite的首席执行官,同意。 “有些人认为空中风是疯狂的东西,”他说。 “你知道我的想法是疯狂的吗?在可再生能源中安装更少的容量。我们今天需要节省二氧化碳的二氧化氮,而不是明天。我们需要飞得很高,变大。“

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