Energidrakter: luftbåren vind

Se på en moderne vindturbin, og det meste du ser er ikke den delen som lager strøm. Tårnet, fundamentet og den indre halvdelen av bladene er der for å holde de raskt bevegelige bladspissen opp i vinden. Spissene sveiper den ytre delen av rotoren i hastigheter på rundt 80 meter per sekund, og det er der mesteparten av energien fanges opp. Luftbåren vindkraft stiller et enkelt spørsmål: Hva om vi bare beholdt den raske delen, fløy den på en tau og lot den klatre til der vinden er sterkere?

Bildet ovenfor er et svar tegnet i lys. En sporingslampe på en Kitepower-drage registrerte én full syklus om natten: stramme åtte-figursløyfer som trekker båndet av en trommel og snur en generator, deretter en lang, rolig retur mens kiten blir vinket tilbake. Denne siden forklarer hvordan det fungerer, hva det har oppnådd, og hvorfor, etter tjue års seriøs innsats, ingen luftbårne vindsystemer ennå har solgt elektrisitet i stor skala. ** Den korte versjonen: fysikken er god og materialbesparelsen er reell, men å holde en flygende maskin trygg og fungerende i tjue år, uten tilsyn, i all slags vær, er det uløste problemet. Ingen har publisert et år med uavhengig målt produksjon fra en kommersiell enhet. **

Hva det er

Et luftbåret vindkraftsystem består av tre deler: en vinge som flyr, et bånd som holder den og en bakkestasjon. Det er to hovedfamilier.

• Bakkegenerasjon, “pumping” eller “yo-yo” kite. Kiteen flyr raske sidevindsløyfer som trekker hardt på båndet. Båndet rulles av fra en trommel på bakken, og trommelen driver en generator. Når båndet er langt nok, styres kiten til en posisjon der den trekker svært lite og blir vinket inn igjen, noe som koster en liten del av energien som produseres. SkySails Power, Kitepower og Kitemill bruker alle dette prinsippet, med myke drakter eller stive glidere.
• Ombordgenerasjon, den “flyvende turbinen”. En stiv vinge bærer små rotorer. I sidevind fungerer rotorene som turbiner, og elektrisitet går ned en ledende tau. For take-off og landing de samme rotorene fungerer som propell og vingen svever som en drone. Dette var Makanis design.

I begge tilfeller gjør vingen jobben til en turbinbladspiss: Den beveger seg over vinden mye raskere enn selve vinden, og det er der kraften kommer fra.

Slik fungerer det

Vindkraften. Vindkraften som bæres gjennom hver kvadratmeter mot vinden er lik ½ ρ v³, hvor ρ er luftens tetthet (ca. 1,2 kg per kubikkmeter nær bakken) og v er vindhastigheten. Kuben teller: Doble vindhastigheten og kraften går opp åtte ganger. At 7 m/s a square metre carries about 210 W; at 10 m/s, about 610 W.

Hvorfor høyde hjelper. Nær bakken bremser friksjon med land, trær og bygninger vinden. En vanlig ingeniørregel sier at hastigheten øker med høyden som v = v_ref × (h / h_ref)^α, hvor eksponenten α er omtrent 0,10 over åpent hav, 0,14 over åpen jordbruksmark og 0,25 eller mer over skog og byer. Ta 7 m/s ved et 100 m nav. På 400 m gir regelen 8,0 m/s over havet, 8,5 over jordbruksarealer og 9,9 over ujevnt terreng, så kraften per kvadratmeter er 1,5, 1,8 og 2,8 ganger høyere. Reglene er grove: noen hundre meter opp oppfører vinden seg ofte annerledes, med lave jetstråler om natten og roligere lag om dagen. Likevel er retningen klar, og jevnere vind i høyden bør også bety færre timer uten noe å høste.

Hvorfor en drage kan fange så mye. I 1980 regnet ingeniøren Miles Loyd ut hvor mye kraft en vinge som var festet til et bånd og fløy mot vinden kunne trekke ut (Loyd, 1980). En vinge som flyr i sidevind når en hastighet på omtrent to tredjedeler av vindhastigheten ganger dens løfte-motstand. Med en løfte-motstand på 5 i en vindstyrke på 10 m/s, som er ca. 33 m/s eller 120 km/t; Kitepower oppgir en gjennomsnittlig flyhastighet på 110 km/t for sin kite (Kitepower). Fordi den aerodynamiske kraften øker med kvadratet av hastigheten, kan vingen trekke mye hardere enn størrelsen antyder. Loyds maksimum er

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

hvor A er vingearealet, C_L dens løftekoeffisient og C_L / C_D dens løfte-til-motstand forhold. Faktoren etter vindkraften, (4/27) × C_L × (C_L/C_D)², sier hvor mange kvadratmeter vind vingen effektivt feier for hver kvadratmeter av sitt eget areal. For en myk kite med løftekoeffisient på 1 og et løfte-til-motstand forhold på 5 er det ca. 3,7. For en stiv vinge med et system løfte-til-motstand forholdet nær 9, inkludert tether’s motstand, kan det være 10 til 17. En bakkegenerator når dette optimale nivået når båndet rulles ut ved en tredjedel av vindhastigheten.

Tapene Loyd utelater. Ekte drager flyr ikke rett ned mot vinden fra bakkestasjonen, de flyr i en høydevinkel, typisk 25 til 35°. Bare den delen av vinden som trekker langs båndet, trekkes på det, og kraften faller med kuben av cosinus av denne vinkelen: ved 30° er bare 65% igjen. Tether legger til motstand, som vokser med lengden. En pumpende kite bruker en del av hver syklus på å bli vinsjet inn; Kitepowers system bruker omtrent 80% av en 100 sekunders syklus til å generere opptil 130 kW og 20% til å trekke omtrent 20 kW for å trekke kiten tilbake (Kitepower). Så kommer de vanlige generator-, girkasse- og omformertapene, og kraften som brukes til å holde vingen flygende i lett vind.

Hvorfor tråden er hele historien. En turbins tårn må motstå rotorens fulle trykk som et bøyemoment ved basen, noe som er grunnen til at tårnene og fundamentene er massive. Et bånd bærer bare spenning, og fibre som polyetylen med ultrahøy molekylvekt er ekstraordinært sterke i spenning for sin vekt. Det er kilden til påstanden, gjentatt av flere selskaper, at luftbårne systemer bruker opptil 90% mindre materiale enn en turbin med samme rating. Det er mulig for selve maskinen, men det har ennå ikke blitt vist for et helt kraftverk inkludert avstand, fundamenter for bakkestasjon og netttilkobling.

Grensene: teoretisk og praktisk

Teoretisk. Loyds formel er et tak for en enkelt ideell vinge. Som en turbin bremser en drage vinden den samler inn, og drager som flyr tett sammen tar energi fra hverandre, så en farm trenger plass. Det er også en planetær grense. Jetstrømmer nær 10 km høyde ser ut som en enorm ressurs hvis du søker ½ ρ v³ En jord-systemanalyse satte den maksimale bærekraftige utvinningen fra jetstrømmene på omtrent 7,5 TW, rundt 200 ganger mindre enn tidligere estimater, med store klimabivirkninger hvis det noensinne ble nærmet (Miller, Gans og Kleidon, 2011). Ingen foreslår å fly på 10 km i dag; praktiske systemer tar sikte på 200 til 700 m. Den globale høyfjellsressursen fra 500 til 12.000 m ble kartlagt ut fra 28 års værdata av Archer og Caldeira (2009).

Praktisk. Grensene som faktisk har stoppet prosjekter er ikke i formelen:

• Start og landing. En turbin tar aldri av. En drage må starte i lett vind, lande i et vindkast og gjøre begge deler tusenvis av ganger i året uten skader. Makani lost four airframes in flight, three of them while hovering, not while generating (Makani, 2020).
• Kontroll i all slags vær. Skur, turbulens, ising, lyn og plutselig ro trenger alle en autonom respons. Et tether break må aldri sette en kite eller en tung line et sted som er farlig.
• Luftrom og land. En drage på 400 m på en 800 m tether feier et stort volum. Luftfartsmyndighetene må akseptere det, og landet under flykonvolutten må holdes fritt for mennesker og veier.
• Slitasje. Drakter av stoff brytes ned i sollys, tau slites på tromler og remskiver, og et system må overleve tjue år for å konkurrere med turbiner som er designet for tjuefem til tretti.
• Størrelse. Loyds kraft skaleres med vingearealet, og en stor vinge er vanskelig å starte og lande. Makanis M600 hadde en vingelengde på 26 meter (XSkySails største annonserte kite er 450 m² for en 450 kW enhet. Et luftbåret system på 5 MW, på størrelse med en moderne landbasert turbin, er fortsatt et tegneprosjekt.

Ekte prosjekter, målt

Feltet har vært sjenerøst med resultater og sparsomt med langtidstallene. Her er hva som kan sjekkes.

Prosjekt	Utforming	Hva det oppnådde	Hva skjedde?
Makani M600 (USA, Google X, 2006 til 2020)	600 kW rigid wing, 8 onboard rotors, 440 m conducting tether	28,9 t autonom flyvning, 22,7 t sidevind; beste sløyfe 290 kW, beste ti-minutters gjennomsnitt 196 kW i 10 til 13 m/s vind; første offshoreflyvning fra flytende plattform i Norge, august 2019	I februar 2020 ble det klart at M600-flyet ikke kunne produsere 600 kW ved 11 m/s, og at det var for langt unna for å bli kommersialisert. Rapporter, koder og flylogger ble publisert i september 2020.
SkySails Power (Tyskland)	Myke drager opptil 180 m² på en bakkevinsj; opptil 200 kW sykluseffekt (PN-14, nå solgt som Venyo)	Prototype ved Klixbüll i drift siden 2019 med drager opptil 120 m², den lengste rekorden for noe luftbåret system; en drage på 120 m² som flyr 200 til 400 m opp på et maksimalt 800 m tether på Mauritius fra januar 2023; første flytur i Taiwan 1. juli 2025	Selger enheter; selskapet oppgir opptil 760 MWh per år per enhet på gode anlegg, et produsenttall, ikke en uavhengig måling.En 450 kW-modell (KYO) annonseres med første leveranser forventet i andre halvår 2028
Kitepower (Nederland, fra TU Delft)	100 m² myk kite, 350 m tau, bakkegenerator i en 6 m container	Opptil 130 kW under utrullingen, ca. 100 s per syklus; piloter på en byggeplass i Nederland, ved Bellacorick i Irland med RWE og på Aruba	Markedsføres som mobil, midlertidig utslippsfri kraft, for eksempel til erstatning av dieselgeneratorer
Kitemill (Norge)	Stive glidefly på en bakkevinsj	Testområde på Vanse, Lista, flyging over 350 m	Utviklingen fortsetter; ingen offentlige langsiktige utdata
Ampyx Power (Nederland, 2008 til 2022)	Stivt autonomt glidefly på en bakkevinsj; første fullt autonome kraftproduksjon i 2012	Utviklet prototyper opp til AP-3	Suspensjon av betalinger 19. april 2022, erklært konkurs 4. mai 2022 etter at en planlagt finansieringsrunde ikke skjedde

Kilde: Makani, The Energy Kite, 2020; X, Makani; SkySails Power; Kitepower; Kitemill; Ampyx Power.

To fakta i tabellen fortjener oppmerksomhet. For det første var Makanis beste ti-minutters gjennomsnitt en tredjedel av den nominelle effekten, og bare omtrent én sløyfe av fem produserte netto energi, de fleste andre var testmanøvrer, lett vind og sveving. For det andre er de mest modne systemene i dag bakkegenererte myke drager på 100 til 200 kW, mer enn ti ganger mindre enn en typisk landbasert turbin, som selges for steder der en turbin er vanskelig å bygge: øyer, avsidesliggende områder, midlertidig kraft. En gjennomgang av to tiår med flytesting når samme balanserte syn: kontroll har gjort slående fremskritt, og langvarig, fullt autonom drift forblir grensen (Vermillion et al., 2021).

Hva det koster

Det finnes ingen markedspris for luftbåren vindkraft ennå, bare prognoser, så vær forsiktig med hvert tall her.

Valg	Kostnad per kWh	Status for nummeret
Ny landbasert vindpark, ikke subsidiert	$0.027 to $0.073	Markedsdata, Lazard LCOE+ 2024
Ny havvindpark	$0.074 to $0.139	Markedsdata, Lazard 2024
Gasstopp-anlegg	$0.110 to $0.228	Markedsdata, Lazard 2024
Solenergi på taket av en bygning, vårt mål	$0.19 sentrale	Vår Fan Wall-modell; kommersiell takkonstruksjon $0.09 to $0,20 i Lazard, 2026
SkySails KYO 450 kW, mål	under 10 cent	Produsentens mål, ikke levert ennå
Makani M600	ikke publisert	Teamet skrev at det er “uklart” om et slikt system kan nå en LCOE konkurransedyktig med konvensjonelle turbiner

Makanis rapport gjør et poeng hver luftbårne vindbane bør svare på. For en landbasert vindpark utgjør selve turbinen mindre enn halvparten av energikostnadene. Veier, fundamenter, kabler, netttilkobling, installasjon, drift og finansiering utgjør resten. Offshore, these “balance of system” costs are about 52% of the total (Makani, 2020). Å spare 90% av tårnets stål reduserer derfor ikke prisen på elektrisitet med 90%. For å slå landvind på $0.03 to $0,07 må en kite også matche en turbins høye tilgjengelighet, dens 25-årige levetid og lave vedlikehold. Med vår bygningsstandard på 0,19 dollar per kWh er listen lavere, men drager passer ikke på bygninger: de trenger hundrevis av meter med klart land eller hav.

Hvor den kan vinne, og hvor den ikke kan

Det kan vinne:

• Fjern- og øynett Det er en stor fordel å kunne bygge vindturbiner som kjører på importert diesel, ofte til flere ganger fastlandsprisen for elektrisitet, der turbinene er vanskelige å frakte og montere og en containerisert bakkestasjon er enkel.
• Midlertidig strøm: byggeplasser, katastrofehjelp, militære og forskningsleirer, arrangementer, der en turbin ikke kan bygges i noen måneder.
• Dybvann offshore, i det lange løp, hvor en lett flytende bakkestasjon kan koste langt mindre enn en flytende turbin. Dette er premien Makani og Shell testet i Norge, og det er fortsatt ubevist.
• Steder med sterk vind oppe, men svak vind i navhøyde, for eksempel over ulendt terreng, hvor kitens høyde er viktigst.

Det kan ikke vinne:

• I byer eller på bygninger. Flykonvolutten er hundrevis av meter bred.
• Mot landvind på gode steder, i dag. Turbiner er modne, bankable og billig; en ny teknologi må bevise tjue års pålitelighet før långivere behandle den på samme måte.
• Nær flyplasser og travelt luftrom, eller der land under flyvebanen ikke kan holdes fri.

Hva er bevist, sannsynlig og spekulativ

Testet: Kraftloven for sidevindsflyvning (Loyd, 1980), bekreftet i mange flytester; at vinger med løse bånd kan generere elektrisitet autonomt i timevis, med pumpesykluser og med rotorer om bord; at M600 produserte et beste ti-minutters gjennomsnitt på 196 kW; at bakkegenererte myke drager på 100 til 200 kW kan bli skutt opp, fløyet og landet fra en container-størrelse stasjon; at vindhastighet og krafttetthet øker med høyde i gjennomsnitt.

Plausibelt: at bakkebaserte kraftsystemer på noen få hundre kilowatt kan oppnå høy tilgjengelighet på avsidesliggende steder; at materialbruk per kW er mye lavere enn for turbiner; at flytende drager offshore kan trenge mye lettere plattformer; at luftbårne systemer produserer flere timer med nyttig effekt per år enn en turbin på samme sted fordi de når jevnere vind.

Spekulativ: En kostnad per kWh som er konkurransedyktig med landbasert vind; draker i megawattskala; farmer av mange drager som flyr tett sammen uten å forstyrre hverandre; tjue års levetid for drager, tau og tromler; forsikrings- og sertifiseringsrammer som kan sammenlignes med de for turbiner.

Åpne forskningsspørsmål

• Hvor pålitelig kan Helt autonom oppskyting og landing Hvordan blir det, målt over tusenvis av sykluser i vindkast?
• Hva er det? Årlig energiutbytte Hva er effekten av en enhet på et kjent sted, målt uavhengig over et helt år, og hvordan sammenlignes den med en turbin ved siden av?
• Hvor lenge holder tethers og stoffdrakter under syklisk belastning og ultrafiolett lys, og hvordan oppdages slitasje før svikt?
• Hvor nær kan draker være Bodde på en gård, og hvor mye mister de i hverandres kjølvann?
• Hvilke luftromsregler gir mening for vinger som er festet til en drage, og hvordan skal drager bli opplyst og oppdaget av fly?
• Hva gjør drager til fugler og flaggermus? Det finnes nesten ingen feltdata, og svaret kan være forskjellig for langsomme myke kiter og raske stive vinger.
• Kan offshore flytende bakkestasjoner overleve stormer til en kostnad som slår flytende turbiner?

Hva en fungerende prototype ville trenge

Den gode nyheten for et lite team er at en pumpende kite kan testes i beskjeden skala, og fysikken skalerer på en forutsigbar måte med vingearealet.

Fase	Arbeid	Beslutningen det muliggjør	Grov kostnad	Tid
0. skrivebordsstudie	Loyd- og syklusmodell for målstedet, ved bruk av åpne verktøy og Makanis publiserte kode; vinddata på 100 til 500 m fra en lidarkampanje eller reanalyse	Er vindforholdene i høyden verdt det?	$10k to $30k	2 til 3 måneder
1. krafttest	En 10 til 20 m² kite på en lastcelle-instrumentert tether og vinsj, fløyet manuelt deretter med autopilot	Målt tether kraft og effektkurve mot Loyd	$30k to $80k	6 måneder
2. Arbeidsmodell	En 10 til 30 kW bakkestasjon: trommel, motor-generator, kraftelektronikk, autopilot; logget energi ut og inn for hver syklus	Netto målt kWh per dag og automatiske sykluser uten pilot	$150k to $400k	12 måneder
Pilot 3	En enhet i 100 kW-klassen på et fjerntliggende eller midlertidig sted, et helt år med målt effekt og tilgjengelighet, med overvåking av dyreliv	Faktisk årlig avkastning, kostnad per kWh, vedlikehold	$1M to $3M	18 til 24 måneder

A-M_BAR_Indonesisk Arbeidsmodell, for denne siden, betyr fase 2: en bakkestasjon som kjører komplette pumpesykluser og legger målt netto energi i et batteri eller nettet, med hver syklus logget. En drage som trekker hardt i et tau er ennå ikke et kraftverk.

Hvem trenger vi

• Flight-kontroll ingeniører med erfaring av autonome droner eller drager: take-off, landing og feilhåndtering er det meste av arbeidet.
• Aerodynamikere For kite og vinge design, inkludert tether drag og fleksible strukturer.
• Kraftelektronikk og drivteknikere for vinsjmotor-generator, energilagring for innrulling og tilkobling til nett.
• Material ingeniører for tethers, stoffer og utmattelse testing.
• Meteorologer Vi har lidar erfaring med å måle vind fra 50 til 600 m.
• Luftfart regulering spesialister For å sikre flytillatelser og luftromsreservasjoner.
• Økologer For å designe fugl og flaggermus overvåking.
• Et vertsnettsted: en øy, et avsidesliggende samfunn, et steinbrudd eller en stor gård med åpent land og støttende naboer.

Har du en bedre idé?

Noen medlemmer av Stiftelsen kan ha kontakter som kunne høre en pitch for en sterk energiidé. For å bli pitchet, trenger en idé et En fungerende, virkelighetsnær modell som faktisk produserer strøm, med utgangen målt på et instrument, ikke hevdet. For en energidrage betyr det en bakkestasjon som fullfører pumpesykluser på egen hånd og logger nettoenergien den leverer. Papir ideer er også velkomne: hvis fysikken og tallene er solid, kan vi publisere dem her på nettstedet. Men å skaffe kapital uten en fungerende modell er svært vanskelig, og ingenting her er et løfte om finansiering, avkastning eller introduksjoner.

Send din idé, eller dine flydata, gjennom bidragsskjemaet: problemet det løser, fysikkkontrollen, den målte eller estimerte produksjonen, en grov kostnad per kWh og den billigste testen som kan bevise at det er feil. For andre retninger, se energialternativer sammenlignet og vår egen åpne Vifteveggforskning.

Kilder

1. Loyd, M.L. (1980). Sidevind dragekraft (for storskala vindkraftproduksjon). Journal of Energy 4(3), 106-111.
2. Makani Technologies (September 2020). Energidraget, del I: flyteststatistikk, M600s ytelsestap, FCW-01 offshoreflyvningen og en kostnadsanalyse av energi. Deler II og III.
3. X, månefartøyfabrikken. Makani: M600, Energy Kite Collection og nedleggelse i 2020.
4. Vermillion, C., Cobb, M., Fagiano, L., Leuthold, R. et al. (2021). Elektrisitet i luften: innsikt fra to tiår med avansert kontrollforskning og eksperimentell flytesting av luftbårne vindkraftsystemer. Årlige gjennomganger i Control 52, 330-357.
5. Cherubini, A., Papini, A., Vertechy, R. and Fontana, M. (2015). Vindkraftverk er et kraftverk som produserer elektrisitet ved hjelp av vind. Fornybar og bærekraftig energi 51, 1461-1476.
6. Archer, C.L. og Caldeira, K. (2009). Global vurdering av høytliggende vindkraft. Energies 2(2), 307-319.
7. I: Bjørnstad, A. og Knutsen, F. (2011). Jetstrømsvindkraft som en fornybar energiressurs: lite kraft, store konsekvenser. Jordsystemdynamikk 2, s. 201–212.
8. SkySails Power. Nyheter, inkludert SkyPower100 at Klixbüll (2022), Mauritius (2023) og Taiwan (2025); Venyo (PN-14) data.
9. Kitepower. Teknikk og Falcon systemdata.
10. Kitemill. Bedriftens nettsted.
11. Ampyx Power: selskapshistorie og konkurs, 2022.
12. Lazard (juni 2024). Levelized Cost of Energy+, versjon 17: landbasert vind $27 to $73 per MWh, havvind $74 to $139, gasstopp $110 to $228. Juni 2026-utgaven gir det kommersielle solcelleområdet på taket som brukes som referanse.
13. The Local Solar System Foundation (engelsk). The Fan Wall: open wind research, for solcelletakets referanseverdi på $ 0,19 per kWh.
14. Haas, T., De Schutter, J., Diehl, M. og Meyers, J. (2022). Storvirvelsimulering av luftbårne vindkraftparker. Norsk vindkraftforskning 7, 1093-1135.