Енергийни хвърчила: въздушен вятър

Погледнете една модерна вятърна турбина и повечето от това, което виждате не е частта, която произвежда енергия. Кулата, основата и вътрешната половина на лопатките са там, за да държат върховете на бързо движещите се лопатки във вятъра. Накрайниците измиват външната част на ротора със скорост от около 80 метра в секунда и там се улавя по-голямата част от енергията. Въздушната вятърна енергия задава прост въпрос: какво ще стане, ако запазим само бързо движещата се част, прехвърлим я на въже и я оставим да се изкачи там, където вятърът е по-силен?

Снимката по-горе е отговор, изготвен в светлина. Проследяващата лампа на хвърчилото записва един пълен цикъл през нощта: плътни кръгове с осмица, които издърпват въжето от барабана и завъртат генератора, след което дълго, спокойно връщане, докато хвърчилото се връща обратно. Тази страница обяснява как работи, какво е постигнала и защо след двадесет години сериозни усилия никоя система за въздушно вятърно производство все още не е продала електричество в мащаб. **Скора версия: физиката е добра и спестяването на материали е реално, но поддържането на летяща машина безопасна и работеща в продължение на двадесет години, без надзор, при всякакви атмосферни условия, е нерешен проблем. Никой не е публикувал независимо измерена годишна продукция от търговска единица. **

Какво е това?

Въздушната система за вятърна енергия се състои от три части: крило, което лети, въже, което го държи и наземна станция. Има две основни семейства.

• Наземно генериране, “помпване” или “йо-йо” хвърчило. Хвърчилото лети по бързи кръгове на страничен вятър, които дърпат здраво за въжето. Каишката се развива от барабан на земята, а барабанът задвижва генератор. Когато въжето е достатъчно дълго, хвърчилото се насочва в позиция, където дърпа много малко и се връща обратно, което струва малка част от произведената енергия. Всички използват този принцип, с хвърчила от мека материя или твърди планери.
• Бордово генериране, “летящата турбина”. Твърдо крило носи малки ротори. При полет на страничен вятър роторите действат като турбини, а електричеството тече по проводящ кабел. За излитане и кацане същите ротори работят като витла, а крилото се носи като дрон. Това е бил планът на Макани.


И в двата случая крилото изпълнява функцията на върха на лопатката на турбината: то се движи по вятъра много по-бързо от самия вятър и оттам идва силата.

Как работи

Силата на вятъра. Вятърът носи енергия през всеки квадратен метър, който е обърнат към него. ½ ρ v³, където ρ е плътността на въздуха (около 1,2 кг на кубичен метър близо до земята) и v е скоростта на вятъра. Кубът има значение: удвоявайки скоростта на вятъра, мощността се увеличава осем пъти. При 7 м/с един квадратен метър носи около 210 В; при 10 м/с, около 610 В.

Защо височината помага. Близо до земята, триенето със земята, дърветата и сградите забавя вятъра. Общото инженерно правило казва, че скоростта се увеличава с надморската височина като v = v_ref × (h / h_ref)^α, където експонентата α е около 0.10 над открито море, 0.14 над открити селскостопански земи и 0.25 или повече над горите и градовете. Вземете 7 м/сек при 100 м главина. На 400 м правилото дава 8,0 м/с над морето, 8,5 над обработваема земя и 9,9 над груб терен, така че мощността на квадратен метър е 1,5, 1,8 и 2,8 пъти по-висока. Правилото е грубо: на няколкостотин метра надморска височина вятърът често се държи по различен начин, с ниски струи през нощта и по-спокойни слоеве през деня. И все пак посоката е ясна, а по-устойчивите ветрове на височина също би трябвало да означават по-малко часове без нищо за събиране.

Защо хвърчилото може да улови толкова много. През 1980 г. инженерът Майлс Лойд изчислява колко енергия може да извлече едно завързано крило, летящо срещу вятъра (София, 1980). На прост език: крило, летящо в страничен вятър, достига скорост от около две трети от скоростта на вятъра умножена по съотношението му на въздухозадържане. С коефициент на въздухоотблъскване от 5 при вятър от 10 м/с, което е около 33 м/с или 120 км/ч; Kitepower цитира средна скорост на полет от 110 км/ч за своя хвърчило (Kitepower). Тъй като аеродинамичната сила нараства с квадрата на тази скорост, крилото може да дърпа много по-силно, отколкото предполага неговият размер. Максимумът на Лойд е

P = (4/27) × ½ ρ v³ × A × C_L × (C_L / C_D)²

където A е площта на крилото, C_L неговият коефициент на въздухоплавателна способност и C_L / C_D съотношението между въздушното съпротивление и въздушната подемност. Факторът след вятърната енергия, (4/27) × C_L × (C_L/C_D)², показва колко квадратни метра вятър крилото ефективно изхвърля за всеки квадратен метър от собствената си площ. За мек хвърчило с коефициент на издигане от 1 и съотношение на издигане към драг от 5, това е около 3.7. За твърдо крило със съотношение на системата от въздух-въздух близо до 9, включително и съпротивлението на въжето, то може да бъде между 10 и 17. Наземният генератор достига този оптимум, когато въжето се навива при една трета от скоростта на вятъра.

Загубите, които Лойд пропуска. Истинските хвърчила не летят право надолу по вятъра от наземната станция, а под ъгъл на надморска височина, обикновено между 25 и 35°. Само частта от вятъра по дължината на въжето дърпа върху него, а силата пада с куба на косинуса на този ъгъл: при 30° остават само 65%. Каишката добавя съпротивление, което расте с дължината си. Помпеният хвърчило прекарва част от всеки цикъл в лебедката; системата на Kitepower прекарва около 80% от 100-секундния цикъл, генерирайки до 130 кВт и 20%, изтегляйки около 20 кВт за да издърпа хвърчилото обратно (Мощност на хвърчилото). След това идват обичайните загуби на генератора, скоростната кутия и конвертора, както и енергията, изразходвана за поддържане на крилото в полет при лек вятър.

Защо връзката е цялата история. Кулата на турбината трябва да издържа пълния ход на ротора като огъващ момент в основата си, поради което кулите и основите са масивни. Една връзка носи само напрежение, а влакната като полиетилен с ултрависоко молекулно тегло са изключително силни в опън за теглото си. Това е източникът на твърдението, повтаряно от няколко компании, че въздушните системи използват до 90% по-малко материали от турбина със същия рейтинг. Това е възможно за самата машина; все още не е доказано за цяла електроцентрала, включително разстоянието между станциите, основите на наземната станция и свързването към мрежата.

Ограниченията: теоретични и практически

Теоретично. Формулата на Лойд е таван за едно идеално крило. Подобно на турбина, хвърчилото забавя вятъра, който събира, а хвърчилата, които летят близо едно до друго, получават енергия един от друг, така че фермата се нуждае от пространство. Съществува и планетарен лимит. Реактивните потоци на височина около 10 км изглеждат като огромен ресурс, ако се приложат ½ ρ v³ Анализ на земната система установява, че максималното устойчиво извличане от струйните потоци е около 7.5 ТВт, около 200 пъти по-малко от предходните оценки, с големи странични ефекти върху климата, ако някога бъде достигнато (Милър, Ганс и Клайдън, 2011). Днес никой не предлага да се лети на 10 км; практическите системи са насочени към 200 до 700 м. The global high-altitude resource from 500 to 12,000 m was mapped from 28 years of weather data by Archer and Caldeira (2009).

Практически. Ограниченията, които всъщност са спрели проекти не са във формулата:

• Изстрелване и кацане. Турбината никога не излита. Хвърчилото трябва да се изстреля при лек вятър, да кацне при порив и да направи това хиляди пъти в годината без повреда. Макани загуби четири самолета в полет, три от които докато се движат, а не докато генерират (Макани, 2020 г.).
• Контрол при всякакви метеорологични условия. Всички бури, турбуленции, ледове, мълнии и внезапни успокоения изискват автономна реакция. Прекъсването на въжето никога не трябва да поставя хвърчило или тежка линия някъде опасно.
• Въздушно пространство и земя. Хвърчило на 400 м върху 800 м въже помете голям обем. Авиационните власти трябва да го приемат, а земята под полета трябва да се пази чиста от хора и пътища.
• Износване. Платните хвърчила се разграждат на слънчева светлина, въжетата се износват върху барабаните и ролките, а системата трябва да оцелее двадесет години, за да може да се конкурира с турбини, проектирани за двадесет и пет до тридесет.
• Размер. Мощността на Лойд се увеличава с площта на крилото, а голямо крило е трудно за излитане и кацане. Макани М600 има 26-метров хвърчило (X); най-големият обявен хвърчило на SkySails е 450 m² за 450 kW единица. 5-мегаватова въздушна система, с размерите на модерна сухопътна турбина, все още е в процес на изграждане.

Наземна станция на Скайсейлс в Кликсбюл: бял контейнер с висока решетъчна стартова мачта; далеч от нея, на въжето си, червено-бяло хвърчило лети в сиво небе над зелени полета. Прототип на СКС ПН-14 в Кликсбюл, Северна Германия, през ноември 2021 г. Мачтата изстрелва и улавя хвърчилото; лебедката и генераторът са в контейнера. Снимка: Майкъл32710, Уикимедия Общомедия CC BY-SA 4.0”)

Реални проекти, измерени

Полето е щедро с резултати и пестеливо с дългосрочни данни. Ето какво може да се провери.

Проект	Дизайн	Какво постигна тя	Какво се случи?
Макани М600 (САЩ, Гугъл Х, 2006 до 2020 г.)	600 кВт твърдо крило, 8 бордови ротора, 440 м проводящ кабел	28,9 ч автономен полет, 22,7 ч страничен вятър; най-добър кръг 290 кВт, най-добра десетминутна средна мощност 196 кВт при 10 до 13 м/с вятър; първи офшорен полет от плаваща платформа в Норвегия, август 2019 г.	Closed February 2020: “the road to commercialization is longer and riskier than hoped”. The team’s own verdict: the M600 airframe “is fundamentally unable to generate 600 kW at 11 m/s”. Reports, code and flight logs released in September 2020
Скайсейлс Пауър (Германия)	Soft kites up to 180 m² on a ground winch; up to 200 kW cycle power (PN-14, now sold as Venyo)	Прототип в Кликсбюл, работещ от 2019 г. с хвърчила до 120 м², най-дългият рекорд на всяка въздушна система; хвърчило от 120 м², летящо на 200 до 400 м нагоре върху максимално 800 м въже на Мавриций от януари 2023 г.; първи полет в Тайван на 1 юли 2025 г.	Продажба на единици; компанията цитира до 760 годишно за единица в добри обекти, цифра на производителя, а не независимо измерване.Обявява се модел с мощност 450 с първите доставки, очаквани през втората половина на 2028 г.
Кайтепауър (Холандия, от ТУ Делфт)	100 м² мек хвърчило, 350 м въже, наземен генератор в 6 м контейнер	До 130 кВт при навиване, около 100 сек. на цикъл; пилотирани на строителен обект в Холандия, в Белакорик в Ирландия с и на Аруба	Предлага се на пазара като мобилно, временно захранване с нулеви емисии, например за подмяна на дизелови генератори
Хвърчила (Норвегия)	Твърди хвърчила на земна лебедка	Тестов обект във Вансе, Листа, летене над 350 м	Развитието продължава; няма публични дългосрочни данни за изхода
Ампикс Пауър ООД (Холандия, 2008 до 2022)	Твърд автономен планер на земна лебедка; първо напълно автономно производство на енергия през 2012 г.	Разработени прототипи до АП-3	Спиране на плащанията 19 април 2022 г., обявено в несъстоятелност 4 май 2022 г. след като планираният кръг на финансиране не се случи

Източници: Макани, Енергийният хвърчило, 2020; X, Макани; SkySails Power; Kitepower; Kitemill; Ampyx Power.

Два факта в тази таблица заслужават внимание. Първо, най-добрата десетминутна средна мощност на Макани е една трета от номиналната му мощност и само около един цикъл от пет произвежда нетна енергия, като повечето други са тестови маневри, леки ветрове и плаване. Второ, най-зрелите системи днес са наземно генерирани меки хвърчила от 100 до 200 повече от десет пъти по-малки от типична сухопътна турбина, продавани за места, където е трудно да се изгради турбина: острови, отдалечени обекти, временна енергия. Прегледът на две десетилетия летателни изпитания достига до същата балансирана гледна точка: контролът е постигнал поразителен напредък, а дълготрайната, напълно автономна работа остава границата (Вермион и др., 2021).

Колко струва

Все още няма пазарна цена за въздушно вятърно електричество, само прогнози, така че бъдете внимателни с всяка цифра тук.

Опция	Цена за кВтч	Статус на номера
Нов вятърен парк на сушата, несубсидиран	$0.027 to $0.073	Пазарни данни, Лазард LCOE+ 2024
Нов офшорен вятърен парк	$0.074 to $0.139	Пазарни данни, Лазард 2024
Газова пикова инсталация	$0.110 to $0.228	Пазарни данни, Лазард 2024
Покривна соларизация на сграда, нашият еталон	$0.19 Централна част	Our Fan Wall model; commercial rooftop $0.09 to $0.20 in Lazard, 2026
Скайсейлс КЙО 450 кВт, цел	под 10 цента	Производител цел, все още не е доставен
Машина М600	Вашият имейл не е публикуван	Екипът пише, че е “неясно” дали такава система може да достигне конкурентоспособен ОКПД с конвенционалните турбини.

Докладът на Макани прави забележка, че всеки въздушен вятър трябва да отговори. За наземния вятърен парк самата турбина е по-малко от половината от цената на енергията; пътищата, основите, кабелите, свързването към мрежата, монтажът, експлоатацията и финансирането съставляват останалата част. Офшорните разходи за „баланс на системата“ са около 52% от общите (Макани, 2020 г.). Спестяването на 90% от стоманата на кулата следователно не намалява цената на електроенергията с 90%. Да победиш бреговия вятър на $0.03 to $0,07, хвърчилото трябва да отговаря и на високата експлоатационна готовност на турбината, нейния 25-годишен проектен живот и ниската й поддръжка. Срещу нашия сграден бенчмарк от $0.19 за кВтч, летвата е по-ниска, но хвърчилата не се побират на сгради: те имат нужда от стотици метра чиста земя или море.


Къде може да спечели и къде не може

Тя може да спечели:

• Отдалечени и островни мрежи които работят с внесен дизел, често на няколко пъти по-високи от цените на електроенергията в континенталната част на САЩ, където турбините са трудни за транспортиране и изграждане, а контейнеризирана наземна станция е лесна.
• Временна мощност: строителни обекти, помощ при бедствия, военни и изследователски лагери, събития, където турбината не може да бъде построена за няколко месеца.
• Дълбоководни офшорни дейности, в дългосрочен план, където една лека плаваща наземна станция може да струва много по-малко от плаваща турбина. Това е наградата, която Макани и Шел изпробваха в Норвегия, а тя все още не е доказана.
• Места със силен вятър над земята, но слаби ветрове на височина на главината, например по груб терен, където височината на хвърчилото е от най-голямо значение.

Тя не може да спечели:

• В градовете или на сградите. Ширината на полета е стотици метри.
• Срещу брегов вятър на добри места, днес. Турбините са зрели, банкови и евтини; една нова технология трябва да докаже двадесет години надеждност, преди кредиторите да я третират по същия начин.
• Близо до летища и натоварен въздушен транспорт, или когато земята под траекторията на полета не може да бъде запазена чиста.

Какво е доказано, правдоподобно и спекулативно

Доказано: Законът за силата на страничния вятър (Лойд, 1980), потвърден в много полетни тестове; че прикрепените крила могат да генерират електричество автономно с часове, с помпени цикли и с бордови ротори; че М600 произвежда най-добрата десетминутна средна мощност от 196 кВт; че наземните меки хвърчила от 100 до 200 кВт могат да бъдат изстреляни, летят и кацат от станция с размерите на контейнер; че скоростта на вятъра и плътността на мощността се увеличават средно с височината.

Вероятно: че наземните генериращи системи от няколкостотин киловат могат да достигнат висока достъпност в отдалечени места; че използването на материал за кВт е много по-ниско, отколкото при турбините; че плаващите хвърчила в морето може да се нуждаят от много по-леки платформи; че въздушните системи произвеждат повече часове полезна продукция годишно, отколкото една турбина на същото място, защото те достигат по-стабилни ветрове.

Спекулативна: цена на кВтч, конкурентна с тази на вятърните турбини на сушата; хвърчила в мегаватов мащаб; ферми от много хвърчила, летящи близо едно до друго без да се пречат; двадесетгодишен живот за хвърчилата, въжетата и барабаните; рамки за застраховане и сертифициране, сравними с тези за турбините.

Отворени изследователски въпроси

• Колко надежден може да бъде напълно автономно излитане и кацане Как се е превърнала, измерена в хиляди цикли при поривливо време?
• Какво е това? реален годишен енергиен добив на единица в известно място, измерена независимо за цяла година и как се сравнява с турбина до нея?
• Колко време Въжета и платнени хвърчила продължи при циклично натоварване и ултравиолетова светлина, и как се открива износването преди повреда?
• Колко близо могат да бъдат хвърчилата Разположени в една ферма, и колко губят в следите на всеки друг?
• Какво? правила за въздушното пространство Има ли смисъл за привързани крила и как трябва хвърчилата да бъдат осветени и открити от самолети?
• Какво правят хвърчилата? Птици и прилепи? Няма почти никакви данни от полето, а отговорът може да се различава за бавни меки хвърчила и бързи твърди крила.
• Може плаващи наземни станции да оцелеят при бури на цена, която надминава плаващите турбини?

, Wind Energy Science, CC BY 4.0”)

От какво би се нуждаел един работещ прототип

Добрата новина за малък екип е, че помпеното хвърчило може да се тества в скромен мащаб и физиката се мащабира по предсказуем начин с площта на крилото.

Фаза	Работа	Решението, което дава възможност	Груба цена	Време
0. бюро за проучване	Модел на Лойд и цикъл за целевата площадка, използвайки отворени инструменти и публикувания код на Макани; данни за вятъра от 100 до 500 м от лидарна кампания или реанализ	Дали вятърът на площадката на височина си струва?	$10k to $30к.	2 до 3 месеца
1. Изпитване на сила	Хвърчило от 10 до 20 м² на лебедка и въже с измервателни уреди, управлявано ръчно, след това с автопилот	Измерена сила на връзката и крива на мощността срещу Лойд	$30k to $80к	6 месеца
2. Работен модел	Наземна станция от 10 до 30 барабан, мотор-генератор, силова електроника, автопилот; регистрирана енергия за всеки цикъл	Нетно измерени кВтч на ден и автоматични цикли без пилот	$150k to $400к	12 месеца
3. Pilot	Агрегат от клас 100 на отдалечен или временен обект, цяла година измервана мощност и достъпност, с мониторинг на дивата природа	Реален годишен добив, разходи за кВтч, поддръжка	$1M to $3М	18 до 24 месеца

А Работен модел на софтуера, за целите на тази страница означава фаза 2: наземна станция, която изпълнява пълни помпени цикли и подава измерена нетна енергия към батерията или мрежата, като всеки цикъл се записва. Хвърчило, което дърпа здраво въже, все още не е електроцентрала.

От кого се нуждаем

• Инженери по контрол на полета с опит в автономни дронове или хвърчила: излитане, кацане и работа при повреда са по-голямата част от работата.
• Аеродинамици за дизайн на хвърчила и крила, включително тетър драг и гъвкави структури.
• Инженери по силова електроника и задвижвания за мотор-генератора на лебедката, акумулаторна енергия за фазата на навиване и свързване към мрежата.
• Инженери по материалите за връзки, тъкани и изпитване на умора.
• Метеорологични станции с лидар опит за измерване на ветрове от 50 до 600 м.
• Специалисти по авиационно регулиране да осигури разрешения за полети и резервации на въздушно пространство.
• Еколози да се проектира мониторинг на птици и прилепи.
• Хост сайт: остров, отдалечена общност, кариера или голяма ферма с открита земя и подкрепящи съседи.

Имате по-добра идея?

Някои членове на Фондацията може да имат контакти, които биха могли да чуят за силна енергийна идея. За да бъде представена, една идея се нуждае от работещ, реален модел, който всъщност произвежда енергия, като изходната му мощност се измерва с инструмент, който не е заявен. За енергийния хвърчило това означава наземна станция, която завършва помпени цикли самостоятелно и регистрира нетната енергия, която доставя. Идеи на хартия също са добре дошли: ако физиката и числата са солидни, можем да ги публикуваме тук в сайта. Но набирането на капитал без работещ модел е много трудно, а нищо тук не е обещание за финансиране, възвръщаемост или въвеждане.

Изпратете вашата идея или вашите данни за полета, чрез Форма за участие: проблема, който решава, физическата проверка, измерената или прогнозната мощност, приблизителната цена на кВтч и най-евтиният тест, който би могъл да докаже, че греши. За други посоки вижте Сравнение на енергийните алтернативи и нашия собствен отворен Изследване на фен стената.

Източници

1. Лойд, М.Л. (1980). Захранване с хвърчила за страничен вятър (за мащабно производство на вятърна енергия). Списание за енергетика 4(3), 106-111.
2. Макани Технологии (септември 2020). The Energy Kite, Part I: flight test statistics, the M600 performance shortfall, the FCW-01 offshore flight and a cost-of-energy analysis. Части II и III.
3. Х, фабриката за лунни изстрели. Машини: М600, колекцията от енергийни хвърчила и закриването през 2020 г.
4. С., Кръстева, М., Христова, Л., Георгиева, А. и др. (2021). Електричество във въздуха: прозрения от две десетилетия напреднали изследвания за контрол и експериментални полети на системи за вятърна енергия. Годишни прегледи в Контрол 52, 330-357.
5. Стойчев, А., Стоянов, М., Христов, Р. и Петров, В. (2015). Въздушни ветроенергетични системи: преглед на технологиите. Възобновяеми и устойчиви енергийни източници 51, 1461-1476.
6. Арчър, К.Л. и Калдейра, К. (2009). Глобална оценка на вятърната енергия на голяма височина. Energies 2(2), 307-319.
7. Милър, Л.М., Ганс, Ф. и Клейдън, А. (2011). Вятърната енергия като възобновяем източник на енергия: малко мощност, големи последици. Динамика на земната система 2, 201-212.
8. Скайсейлс Енерджи. Новини, включително SkyPower100 в Кликсбюл (2022), Мавриций (2023) и Тайван (2025); Веньо (PN-14) данни.
9. • Мощност на хвърчило. Технология и данни за системата на Фалкън.
10. • Хайтмил. Сайт на компанията.
11. Мощност на звука: История на фирмата и несъстоятелност, 2022.
12. Лазар (юни 2024). Изравнена цена на енергията + версия 17: брегов вятър $27 to $73 за мегаватчас, морски вятър $74 to $139, газов пик $110 to $228. Изданието от юни 2026 г. дава търговската слънчева гама на покрива, използвана като наш еталон.
13. Фондация Local Solar System. Стената на ветрилото: изследване на открития вятър, за слънчевата енергия на покрива от $0.19 за кВтч.
14. Хаас, Т., Де Шутер, Дж., Дил, М. и Майерс, Дж. (2022). Симулация на големи вихрени полета на въздушни вятърни електроцентрали. Наука за вятърната енергия 7, 1093-1135.