Кирилл Астахов
В поисках стабильной электроэнергии инженеры запускают ветряки в небо.
Фото с сайта Altaeros Energies
Подобный интерес к энергии ветра на больших высотах не случаен. Сегодня мы сильно зависим от невозобновляемых источников энергии, которые рано или поздно иссякнут. Что касается атомной энергии, то еще не все страны отошли от шока аварии на Фукусиме и не готовы возвращаться к развитию столь опасного энергоресурса. В связи с этим мир пытается, хоть и со скрипом, постепенно перейти на более безопасные возобновляемые источники энергии (ВИЭ), такие как солнце, вода и ветер и другие. Именно ветер сейчас многим кажется идеальным ВИЭ в плане перспектив его развития. Ветровые турбины, которые традиционно используются для генерации энергии, не требуют топлива и не производят никаких токсических или радиоактивных отходов. Однако они представляют собой большие стационарные конструкции, которые, хоть и совершенствуются, скоро достигнут предела своих возможностей. Сегодня самые высокие ветровые турбины достигают 200 метров, скорость ветра на этой высоте еще нестабильна. Если мы хотим стабильно получать электроэнергию в больших объемах, то стремиться надо намного выше, к скоростным воздушным потокам, куда не добраться стационарным наземным установкам.
Именно чтобы преодолеть ограничения традиционных ветровых турбин, и родилась идея летающего «ветряка». Наиболее перспективные модели условно можно разделить на три категории: воздушные змеи (кайты), или планеры, аэростаты и непосредственно ветровые турбины воздушного базирования.
Змеи
В прошлом году в рамках ХХ Международной конференции по электрическим машинам (ICEM-2012, Франция) группа французских ученых (Мариам Ахмед, Ахмад Абли и Седдик Баша) опубликовала доклад «Ветровые энергетические системы на больших высотах: обзор генерирующих систем, основанных на воздушных змеях», подробно изучивший и систематизировавший все существующие на данный момент проекты получения энергии при помощи воздушных змеев и на который в некоторой части опирается данная статья. Еще около 2800 лет назад воздушные змеи использовались в Китае для измерения расстояния, определения направления ветра, как средство для подачи сигналов и даже для поднятия грузов. В конце XIII века воздушные змеи попали в Европу в результате экспедиций Марко Поло. В начале ХХ столетия с изобретением самолета интерес к его прародителю, воздушному змею, резко спал, пока в 1972 году Питер Пауэлл не изобрел двухстропную пилотажную систему, что привело к появлению нового вида спорта – кайтинга. Идею же использовать кайт для получения электроэнергии впервые предложил американский ученый Майлз Лойд в 1980 году. В своей статье он доказывал, что парящий по определенной траектории кайт способен выработать в пять раз больше энергии, чем стационарная ветровая турбина. Тогда его статью проигнорировали, сегодня же все больше компаний и университетских исследовательских групп делают ставку именно на этот метод. К совершенствованию аэродинамики и механизмов автоматического управления системами на основе воздушных змеев подключилось даже NASA. Более того, немецкая компания Skysails GmbH уже использует воздушных змеев для буксировки судов, что позволяет им экономить до 30% топлива.
В декабре прошлого года компания Ampryx Power объявила о прорыве в ветроэнергетике воздушного базирования. Речь идет об успешном испытании их аппарата PowerPlane – автономном полете, длившемся более 50 минут. Данный аппарат представляет собой планер (глайдер) с полностью автоматическим управлением, который конвертирует энергию ветра в электричество, создавая усилие на привязном тросе, соединяющем его с электрическим генератором на земле. Глайдер с размахом крыльев 5,5 метра во время испытательного полета вырабатывал в среднем 6 кВт, с максимальными значениями в 15 кВт. Испытания проводились при сравнительно низкой скорости ветра, при более сильном ветре прототип в состоянии генерировать до 50–60 кВт. По словам Волберта Алаарта, генерального директора компании, после следующей аэродинамической оптимизации их первая коммерческая система будет производить столько же энергии, что и традиционная ветровая турбина средних размеров с ротором около 50 метров, и по более низкой цене. «Общий вес башни и лопастей традиционной ветровой турбины среднего размера составляет около 120 тонн, что в данном случае заменяется менее чем 400 килограммами, которые весит планер с тросом», – объясняет Алаарт. А после еще одного этапа усовершенствования модели компания обещает достичь уровня стоимости, способного соперничать без дополнительных субсидий с другими формами выработки электроэнергии, включая угольные и газовые электростанции.
Шары
Из компаний, сделавших ставку на аэростаты, значительных успехов добилась канадская Magenn Power со своим проектом воздушного ротора MARS (Magenn Power Air Rotor System). MARS – это наполненный гелием аэростат цилиндрической формы, устанавливаемый на высоте от 200 до 350 метров, который сам выступает в виде ротора, вращаясь вокруг своей горизонтальной оси в ответ на потоки ветра, благодаря своим ребрам-лопастям. Генераторы в данном случае крепятся на горизонтальной оси аппарата, а вырабатываемая ими электрическая энергия передается на землю посредством токопроводящего троса. Преимуществом аппаратов такого типа является легкость конструкции, что позволит им вращаться и вырабатывать энергию даже при низких скоростях ветра от 1 метра в секунду. Вкупе с недорогими материалами и несложными транспортировкой, монтажом и эксплуатацией это значительно снижает стоимость вырабатываемой электроэнергии. Что немаловажно, подобный аппарат абсолютно безопасен для птиц, которые часто гибнут в винтах ветровых турбин.
И более дорогие «игрушки»
Существуют конструкции и сложнее, общая идея которых – разместить «обычную» ветровую турбину в воздухе. Ветровую турбину воздушного базирования (airborne wind turbine, AWT) получают зачастую, используя те же аэростаты или глайдеры самых разных форм и размеров для удержания ее в воздухе. Это и турбина, заключенная внутри гигантской трубы-аэростата, компании Altaeros Energies, и летающие электрические генераторы (Flying Electric Generator, FEG) от SkyWindPower, представляющие собой своеобразные вертолеты без кабины с четырьмя винтами, и планеры с винтами (Makani AWT) от MakaniPower. Последняя, кстати, смогла заручиться финансовой поддержкой компании Google, Министерства энергетики США и других инвесторов в развитии своих проектов. Учитывая достаточную сложность и относительную дороговизну подобных моделей, без значительных инвестиций довести такие проекты до логического завершения достаточно сложно.
Перспективы
То же самое можно сказать и об индустрии AWE в целом. Создать прототип – лишь первая ступень, самое сложное – перейти от этой стадии к рабочей, коммерчески выгодной модели. По мнению экспертов, чтобы достичь даже 1 ГВт AWE без серьезной государственной поддержки, может понадобиться более 20 лет, что практически вечность, учитывая сегодняшнюю потребность в зеленой энергетике, отмечает американский журналист Дэйв Левитан в журнале Yale Environment 360. А при относительно умеренных государственных инвестициях в 100 млн. долл. в год, по мнению экспертов, этого объема можно достичь менее чем за 10 лет. Тем не менее, за исключением некоторых компаний-счастливчиков, большинство проектов в этой области разрабатываются на уровне стартапов и держатся на чистом энтузиазме. Достижение реактивных скоростных потоков на высоте в несколько километров кажется пока лишь мечтой. Даже на высоте в 300 метров массовое размещение таких аппаратов затрудняют всевозможные нормативы, так как в воздушном пространстве уже достаточно тесно из-за самолетов и высотных сооружений.
Как бы то ни было, экологическая чистота, высокая производительность и низкая стоимость «воздушной» электроэнергии, а также неугасающий интерес энтузиастов и все возрастающий интерес бизнеса пророчат этой области альтернативной энергетики большое будущее.
