Энергетические воздушные змеи: воздушный ветер

Посмотрите на современную ветряную турбину и большинство того, что вы видите, не является частью, которая производит энергию. Башня, фундамент и внутренняя половина лопастей там, чтобы удерживать быстро движущиеся кончики лопастей вверх на ветру. Концы проносятся по внешней части ротора со скоростью около 80 метров в секунду, и именно там удерживается большая часть энергии. Воздушная ветровая энергия ставит простой вопрос: что если мы сохраним только быстро движущуюся часть, полетим на веревке и позволим ей подняться туда, где ветер сильнее?

На фото выше ответ нарисован в свете. Трассирующая лампа на Kitepower зафиксировала один полный цикл ночью: плотные петли в виде восьмерки, которые оттягивают трос с барабана и поворачивают генератор, а затем длинный, спокойный возврат, пока змей левитирует назад. Эта страница объясняет, как это работает, что она достигла, и почему, после двадцати лет серьезных усилий, ни одна воздушная ветровая система еще не продала электричество в масштабе. Краткая версия: физика звучит правильно, а материальное сбережение реально, но поддержание безопасной и работающей летательной машины в течение двадцати лет, без присмотра, в любую погоду, является нерешенной проблемой. Никто не публиковал данные о независимом измерении объема производства коммерческой единицы за год.

Что это такое

Воздушная ветроэнергетическая система состоит из трех частей: крыло, которое летает, трос, который удерживает его, и наземная станция. Существует две основные семьи.

• Наземное поколение, “насос” или “йо-йо” воздушный змей. Воздушный змей летает быстрыми петлями бокового ветра, которые тянутся сильно на шнуровке. Шнур оттягивается от барабана на земле, и барабан приводит в действие генератор. Когда трос достаточно длинный, воздушный змей направляется в положение, где он тянет очень мало и лебедка назад, что стоит небольшую часть энергии сделано. SkySails Power, Kitepower и Kitemill используют этот принцип, с мягкими воздушными змеями или жесткими планерами.
• Бортовая генерация, “летающая турбина”. Жесткое крыло несёт небольшие роторы. В полёте под боковым ветром роторы действуют как турбины, и электричество проходит по проводящей цепи. Для взлета и посадки те же роторы работают как винты, а крыло зависает как дрон. Это был план Макани.

В обоих случаях крыло выполняет функцию наконечника лопасти турбины: оно движется по ветру гораздо быстрее, чем сам ветер, и именно отсюда берётся энергия.

Как это работает

Мощность ветра. Ветер переносит энергию через каждый квадратный метр, обращенный к нему равен ½ ρ v³, где ρ - плотность воздуха (около 1,2 кг на кубический метр вблизи земли) и v - скорость ветра. Куб имеет значение: удвоение скорости ветра и мощность увеличивается в восемь раз. При скорости 7 м/с на квадратный метр приходится около 210 Вт; при скорости 10 м/с - около 610 Вт.

Почему высота помогает. Ближе к земле, трение с землей, деревьями и зданиями замедляет ветер. Общее инженерное правило гласит, что скорость увеличивается с высотой как v = v_ref × (h / h_ref)^α, где экспоненциальная величина α составляет около 0,10 над открытым морем, 0,14 над открытыми сельскохозяйственными землями и 0,25 или более над лесами и городами. Принять 7 м/с на 100-метровой оси. На высоте 400 м это правило дает скорость 8,0 м/с над морем, 8,5 м/с над сельскохозяйственными землями и 9,9 м/с над грунтом, т.е. мощность на квадратный метр в 1,5, 1,8 и 2,8 раза больше. Правило грубое: на высоте нескольких сотен метров ветер часто ведет себя по-другому, с низколежащими струями ночью и более спокойными слоями днем. Тем не менее, направление ясно, и более устойчивые ветры на высоте должны также означать меньше часов без урожая.

Почему воздушный змей может поймать так много. В 1980 году инженер Майлз Лойд вычислил, сколько энергии может получить привязанное к ветру крыло (Loyd, 1980). Проще говоря: крыло, летящее по боковому ветру, достигает скорости около двух третей от скорости ветра, умноженной на его отношение подъема к сопротивлению. С коэффициентом подъема-сопротивления 5 при ветре 10 м/с, то есть около 33 м/с или 120 км/ч; Kitepower приводит среднюю скорость полета 110 км/ч для своего воздушного змея (Kitepower). Поскольку аэродинамическая сила растет с квадратом этой скорости, крыло может тянуть гораздо сильнее, чем предполагает его размер. Максимум Лойда

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

где A - площадь крыла, C_L - коэффициент подъемной силы и C_L / C_D - отношение подъемной силы к сопротивлению. Коэффициент после мощности ветра, (4/27) × C_L × (C_L/C_D)², говорит о том, сколько квадратных метров ветра крыло эффективно отбрасывает на каждый квадратный метр своей собственной площади. Для мягкого воздушного змея с коэффициентом подъема 1 и отношением подъем-сопротивление 5 это около 3,7. Для жесткого крыла с системным коэффициентом подъёма-сопротивления около 9, включая сопротивление троса, это может быть от 10 до 17. Наземный генератор достигает этого оптимума, когда трос разворачивается на скорости одной трети от скорости ветра.

Потери, которые Ллойд не учитывает. Настоящие воздушные змеи не летают прямо по ветру от наземной станции, они летают под углом высоты, как правило, от 25 до 35 °. Только часть ветра вдоль троса тянет за него, и мощность падает с кубом косинуса этого угла: при 30° остается только 65%. Тетер добавляет сопротивление, которое растет с его длиной. Насосный змей проводит часть каждого цикла, будучи лебедкой; система Kitepower тратит около 80% из 100-секундного цикла, генерируя до 130 кВт и 20%, черпая около 20 кВт для вытягивания воздушного змея назад (Kitepower). Затем приходят обычные потери генератора, коробки передач и преобразователя, а также энергия, потраченная на то, чтобы крыло летало при слабом ветре.

Почему цепь - это вся история. Башня турбины должна выдерживать полную тягу ротора в качестве изгибающего момента у ее основания, поэтому башни и фундаменты массивны. Снаряд только переносит натяжение, а волокна, такие как сверхвысокомолекулярный полиэтилен, имеют чрезвычайно высокую прочность в напряжении по отношению к своему весу. Это является источником утверждения, повторяемого несколькими компаниями, что воздушные системы используют до 90% меньше материала, чем турбина того же класса. Этот метод применим к самой установке; он пока еще не был продемонстрирован для всей электростанции, включая расстояние между станциями, фундаменты наземной станции и подключение к электросети.

Пределы: теоретические и практические

Теоретическая. Формула Лойда является потолком для одного идеального крыла. Как турбина, воздушный змей замедляет ветер, который он собирает, и воздушные змеи, летящие вместе, берут энергию друг от друга, поэтому ферма нуждается в пространстве. Существует также планетарный предел. Струйные потоки на высоте около 10 км выглядят как огромный ресурс, если применить к ним ½ ρ v³, но атмосфера медленно восстанавливает это движение: анализ системы Земли поставил максимальную устойчивую добычу из струйных потоков примерно на уровне 7,5 ТВт, что в 200 раз меньше, чем предыдущие оценки, с большими побочным климатическими эффектами, если бы к этому когда-либо приблизились (Miller, Gans and Kleidon, 2011). Сегодня никто не предлагает летать на 10 км; практические системы ставят целью 200-700 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).

Практично. Ограничения, которые фактически остановили проекты, не включены в формулу:

• Запуск и посадка. Турбина никогда не взлетает. Воздушный змей должен взлетать при слабом ветре, приземляться при порыве ветра и делать это тысячи раз в год без повреждений. Макани потерял четыре самолета в полете, три из них во время плавания, а не при генерировании (Макани, 2020).
• Контроль в любую погоду. Снегопады, турбулентность, обледенение, молнии и внезапное успокоение - все это требует автономного реагирования. Разрыв троса никогда не должен ставить воздушного змея или тяжелую линию где-то опасно.
• Воздушное пространство и суша. Воздушный змей на высоте 400 м на тросе длиной 800 м переносит большое количество груза. Авиационные власти должны согласиться с этим, а землю под полетом необходимо держать свободной от людей и дорог.
• Носить. Тканевые воздушные змеи разрушаются под солнечным светом, тросы износятся на барабанах и шкивах, а система должна выжить двадцать лет, чтобы конкурировать с турбинами, рассчитанными на двадцать пять-тридцать.
• Размер. Мощность Ллойда масштабируется с площадью крыла, и большое крыло трудно запустить и приземлиться. M600 Makani имел 26-метровое крыло (X); самый крупный объявленный воздушный змей SkySails имеет площадь 450 м² для установки мощностью 450 кВт. Воздушная система мощностью 5 МВт, размером с современную наземную турбину, все еще находится в стадии проектирования.

Реальные проекты, измеренные

Полевая работа была щедрой с результатами и экономичной с долгосрочными данными. Вот что можно проверить.

Проект	Дизайн	Что было достигнуто	Что произошло
Makani M600 (США, Google X, 2006-2020)	600 кВт жесткое крыло, 8 бортовых роторов, 440 м проводящего троса	28,9 ч автономного полета, 22,7 ч бокового ветра; лучший круг 290 кВт, лучшая десятиминутная средняя 196 кВт при ветре от 10 до 13 м/с; первый полет с плавучей платформы в Норвегии, август 2019	Закрыто Февраль 2020: «дорога к коммерциализации длиннее и рискованнее, чем ожидалось». Собственный вердикт команды: корпус M600 «по сути не способен генерировать 600 кВт при скорости 11 м/с». Отчеты, код и журналы полетов выпущены в сентябре 2020
SkySails Power (Германия)	Мягкие воздушные змеи до 180 м² на наземной лебедке; до 200 кВт циклической мощности (PN-14, теперь продается как Venyo)	Прототип в Кликсбюлле работает с 2019 года с воздушными змеями до 120 м², самый длинный рекорд любой воздушной системы; воздушный змей 120 м² летит на высоте от 200 до 400 м на максимальном 800-метровом тросе на Маврикии с января 2023 года; первый полет на Тайване 1 июля 2025 года	Продажа установок; компания предлагает до 760 МВт/ч в год на одну установку на хороших участках, цифра производителя, а не независимое измерение. Объявлена модель мощностью 450 кВт (KYO), первые поставки ожидаются во второй половине 2028 года
Kitepower (Нидерланды, от TU Delft)	100 м² мягкий воздушный змей, 350 м троса, наземный генератор в 6-метровом контейнере	До 130 кВт при разматывании, около 100 с за цикл; эксперименты на строительной площадке в Нидерландах, в Беллакорике (Ирландия) совместно с RWE и на Арубе	Предлагается в качестве мобильного, временного источника энергии с нулевыми выбросами, например для замены дизельных генераторов
Кайтемилл (Норвегия)	Жесткие планерные воздушные змеи на наземной лебедке	Испытательный полигон в Вансе, Листа, полет на высоте 350 м	Разработка продолжается; данные о долгосрочных результатах не публикуются
Ampyx Power (Нидерланды, 2008-2022 годы)	Жесткий автономный планер на наземной лебедке; первое полностью автономное производство энергии в 2012 году	Разработанные прототипы до AP-3	Приостановление платежей 19 апреля 2022, объявление о банкротстве 4 мая 2022 после того, как не состоялся запланированный раунд финансирования

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

Внимания заслуживают два факта, приведенные в этой таблице. Во-первых, лучший десятиминутный средний показатель Макани составлял треть его номинальной мощности, и только около одного из пяти циклов производили чистую энергию, большинство других были тестовыми маневрами, слабыми ветрами и плаванием. Во-вторых, наиболее зрелыми системами сегодня являются наземные воздушные змеи мощностью от 100 до 200 кВт, более чем в десять раз меньше типичной береговой турбины, продающиеся для мест, где турбину трудно построить: острова, удаленные участки, временные источники питания. Обзор двух десятилетий летных испытаний приходит к тому же сбалансированному мнению: управление достигло поразительного прогресса, а длительная, полностью автономная операция остается границей (Vermillion et al., 2021).

Что это стоит

Есть не рыночная цена на воздушные ветра электроэнергии еще, только прогнозы, так что будьте осторожны с каждым числом здесь.

Вариант	Стоимость в расчете на кВт·ч	Статус номера
Новые наземные ветроэлектростанции, несубсидируемые	$0.027 to $0.073	Рыночные данные, Lazard LCOE+ 2024
Новые морские ветроэлектростанции	$0.074 to $0.139	Рыночные данные, Lazard 2024
Газоперерабатывающая установка	$0.110 to $0.228	Рыночные данные, Lazard 2024
Солнечная энергия на крыше здания, наш эталон	0,19 долл. США	Наша модель Fan Wall; коммерческая крыша $0.09 to $0.20 в Lazard, 2026
SkySails KYO 450 кВт, цель	менее 10 центов	Целевой показатель изготовителя, еще не поставлен
Макани М600	не опубликован	Команда написала, что “неясно”, может ли такая система достичь LCOE конкурентоспособного с обычными турбинами

Отчет Makani делает точку каждый воздушный ветер скачок должен ответить. Для береговой ветроэлектростанции сама турбина составляет менее половины стоимости энергии; дороги, фундаменты, кабели, подключение к сети, установка, эксплуатация и финансирование составляют остальную часть. Оффшорные расходы на «баланс системы» составляют около 52% от общего объема (Макани, 2020). Поэтому экономия 90% стали для башни не приводит к снижению цены на электроэнергию на 90%. Чтобы победить береговой ветер при $0.03 to $0.07, воздушный змей должен также соответствовать высокой доступности турбины, ее 25-летнему сроку службы и низкому техническому обслуживанию. По сравнению с нашим эталонным показателем для зданий в размере 0,19 долл. США за кВт·ч эта планка ниже, но воздушные змеи не подходят для использования на зданиях: им нужны сотни метров чистого суши или моря.

Где она может победить, а где нет

Он может выиграть:

• Отдаленные и островные сети которые работают на импортируемом дизельном топливе, часто по ценам, в несколько раз превышающим цены на электроэнергию в континентальной части страны, где турбины трудно перевозить и устанавливать, а контейнеризованная наземная станция легко установить.
• Временная власть: строительные площадки, помощь в случае стихийных бедствий, военные и исследовательские лагеря, мероприятия, где турбина не может быть построена в течение нескольких месяцев.
• Глубоководные морские, в долгосрочной перспективе, где легкая плавающая наземная станция может стоить гораздо меньше, чем плавающая турбина. Этот приз Makani и Shell протестировали в Норвегии, и он пока не доказан.
• Места с сильными ветрами в воздухе, но слабыми ветрами на высоте ступицы, например, над неровным рельефом, где высота воздушного змея имеет самое большое значение.

Он не может выиграть:

• В городах или на зданиях. Область полета имеет ширину сотни метров.
• Против берегового ветра на хороших площадках, сегодня. Турбины уже давно разработаны, их можно финансировать и они дешевы; новая технология должна продемонстрировать свою надежность в течение двадцати лет, прежде чем кредиторы будут относиться к ней так же.
• Вблизи аэропортов и загруженного воздушного пространства, или если земля под траекторией полета не может быть свободной.

Что доказано, правдоподобно и спекулятивно

Доказано: закон силы поворота ветра (Loyd, 1980), подтвержденный во многих летных испытаниях; что привязанные крылья могут генерировать электроэнергию автономно в течение часов, с насосными циклами и бортовыми роторами; что M600 производит лучшую десятиминутную среднюю мощность 196 кВт; что наземные воздушные змеи мощностью от 100 до 200 кВт могут запускаться, летать и приземляться со станции размером с контейнер; что скорость ветра и плотность мощности увеличиваются в среднем с высотой.

Вероятно: что наземные генерирующие системы мощностью несколько сотен киловатт могут обеспечивать высокую доступность в отдаленных местах; что расход материалов на кВт значительно ниже, чем для турбин; что для плавающих воздушных змей могут потребоваться гораздо более легкие платформы; что воздушные системы производят больше часов полезной выработки в год, чем турбина в том же месте, поскольку они достигают более устойчивых ветров.

Спекулятивные: стоимость в расчете на кВт·ч, сопоставимая с стоимостью наземного ветра; воздушные змеи мегаваттного масштаба; фермы многих воздушных змей, летящих рядом друг с другом без вмешательства друг друга; двадцатилетний срок службы воздушных змей, тросов и барабанов; системы страхования и сертификации, сопоставимые с теми, которые применяются для турбин.

Открытые исследовательские вопросы

• Насколько надежно может полностью автономный взлет и посадка становится, измеряемая в течение тысяч циклов в порывистой погоде?
• Что такое реальная годовая энергетическая отдача а) какова мощность установки на известном участке, измеренная независимо в течение полного года, и как она сопоставляется с расположенной рядом турбиной?
• Как долго держится тетер и ткань под циклической нагрузкой и ультрафиолетовым светом, и как выявлять изнашивание до выхода из строя?
• Как близко воздушные змеи могут быть расположены друг от друга на ферме, и сколько они теряют в следах друг друга?
• Что правила воздушного пространства имеют смысл для привязанных к крыльям, и каким образом воздушные змеи должны освещаться и обнаруживаться самолетами?
• Что воздушные змеи делают с птицами и летучими мышами? Данные полевых испытаний практически отсутствуют, и ответ может отличаться для медленных мягких воздушных змей и быстрых жестких крыльев.
• Могут ли оффшорные плавучие наземные станции выжить в штормах по цене, которая побеждает плавающие турбины?

Что нужно для рабочего прототипа

Хорошая новость для небольшой команды в том, что насосный воздушный змей может быть протестирован в скромном масштабе, а физика масштабируется предсказуемым образом с площадью крыла.

Фаза	Работа	Решение, которое оно позволяет	Приблизительная стоимость	Время
0. Аналитическое исследование	Модель Лойда и цикла для целевого участка, использующая открытые инструменты и опубликованный код Makani; данные о ветре на расстоянии от 100 до 500 м от лидарной кампании или повторного анализа	Стоит ли ветровой сайт на высоте?	$10k to $30к	2-3 месяца
1. Испытание на нагрузку	Воздушный змей площадью 10-20 м² на тросе и лебедке с датчиком нагрузки, летящий вручную, а затем с автопилотом	Измеренная сила крепления и кривая мощности по Лойду	$30k to $80к	6 месяцев
2. Рабочая модель	Наземная станция мощностью от 10 до 30 кВт: барабан, мотор-генератор, силовая электроника, автопилот; регистрируется вывод и ввод энергии для каждого цикла	Чистый измеренный объем кВт·ч в день и автоматические циклы без пилота	$150k to $400к	12 месяцев
3. Пилотный проект	Блок мощностью 100 кВт на удаленном или временном объекте, полный год измеряемой производительности и доступности, с мониторингом дикой природы	Реальная годовая мощность, стоимость в расчете на кВт·ч, эксплуатационные расходы	$1M to $3М	18-24 месяца

А рабочая модель, для целей настоящей страницы означает фазу 2: наземную станцию, которая осуществляет полные циклы накачки и подает измеренную чистую энергию в батарею или сеть с регистрацией каждого цикла. Воздушный змей, тянущийся за веревку, еще не является электростанцией.

Кто нам нужен

• Инженеры по управлению полетами с опытом автономных беспилотников или воздушных змей: взлет, посадка и обработка неисправностей являются основной частью работы.
• Аэродинамики для конструирования кайтов и крылья, включая крепления и гибкие конструкции.
• Инженеры по силовой электронике и приводам для мотора-генератора лебедки, аккумулятора энергии для фазы ввода катушки и подключения к сети.
• Инженеры по материалам для креплений, тканей и усталостных испытаний.
• Метеорологы с опытом работы с лидарами для измерения ветров от 50 до 600 м.
• Специалисты по авиационному регулированию - получение разрешений на полеты и резервирование воздушного пространства.
• Экологи для разработки птиц и летучих мышей мониторинга.
• Принимающий объект: остров, отдаленная община, карьер или большая ферма с открытой землей и поддерживающими соседями.

Есть идея получше?

Некоторые члены Фонда могут иметь контакты, которые могли бы услышать идею о сильной энергии. Для того чтобы быть выдвинуты, идея нуждается в работающей, реальной модели, которая фактически производит энергию, с ее выходом измеряется на инструменте, не претендует. Для энергетического воздушного змея это означает наземную станцию, которая завершает циклы накачки самостоятельно и регистрирует чистую энергию, которую она поставляет. Идеи на бумаге также приветствуются: если физика и числа тверды, мы можем опубликовать их здесь на сайте. Но привлечение капитала без рабочей модели очень трудно, и здесь нет никаких обещаний финансирования, доходов или введений.

Отправьте свою идею или данные о полете через форму вклада: проблему, которую она решает, проверку физики, измеренную или оцененную мощность, приблизительную стоимость за кВт·ч и самый дешевый тест, который мог бы доказать ее несостоятельность. Для других направлений, см. сравнение альтернативных источников энергии и наше собственное открытое исследование Вентилятор стены.

Источники

1. Ллойд, М.Л. (1980). Мощность воздушного змея на боковом ветре (для крупномасштабного производства энергии ветра). Журнал энергетики 4(3), 106-111.
2. Makani Technologies (сентябрь 2020). Энергийский воздушный змей, часть I: статистика полётных испытаний, недостатки в работе M600, морской полет FCW-01 и анализ затрат на энергию. Части II и III.
3. Икс, завод лунных запусков. Makani: M600, Energy Kite Collection и закрытие в 2020 году.
4. Вермильон, К., Кобб, М., Фаджано, Л., Леутхольд, Р. и др. (2021). Электричество в воздухе: результаты двух десятилетий передовых исследований в области управления и экспериментальных полётных испытаний воздушных систем энергии ветра. Ежегодные обзоры в Control 52, 330-357.
5. Керубини, А., Папини, А., Вертечи, Р. и Фонтана, М. (2015). Воздушные ветроэнергетические системы: обзор технологий. Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии 51, 1461-1476.
6. Арчер, К.Л. и Калдейра, К. (2009). Глобальная оценка энергии ветра на больших высотах. Энергетика 2(2), 307-319.
7. Миллер, Л.М., Ганс, Ф. и Клейдон, А. (2011). Энергия ветра в струе как возобновляемый источник энергии: небольшая мощность, большое воздействие. Динамика земной системы 2, 201-212.
8. Сила воды. Новости, включая SkyPower100 в Кликсбюлле (2022), Маврикий (2023) и Тайвань (2025); Данные Веньо (PN-14).
9. Воздушный шар. Технология и данные системы Falcon.
10. Кита. Сайт компании.
11. Ampyx Power: история компании и банкротство, 2022.
12. Лазард (июнь 2024). Уровненная стоимость энергии+, версия 17: береговой ветер $27 to $73 за МВт/ч, морской ветер $74 to $139, газовый пик $110 to $228. В издании за июнь 2026 года приводится информация о коммерческих установках солнечной энергии на крыше, используемых в качестве эталона.
13. Local Solar System Фонд. The Fan Wall: открытое исследование ветра, для солнечной крыши эталонного показателя в $ 0.19 за кВт.ч.