Wstęp
Zmniejszające się zasoby lądowe dla inwestycji w farmy on-shore powodują szybki rozwój technologii morskich jak też szukania rozwiązań umożliwiających wykorzystanie niedostępnych dotychczas zasobów wiatru, występujących np. na dużych wysokościach (>200m). Ten ostatni rodzaj siłowni jest zupełną nowością w technologiach wiatrowych nosząc ogólną nazwę AWES (Airborne Wind Energy System), czyli powietrznej energetyki wiatrowej. Systemy AWES po raz pierwszy przyciągnęły uwagę badaczy na początku lat osiemdziesiątych, dzięki pracy seminaryjnej Milesa L.Loyda (Crosswind Kite Power), w której analizował on teoretyczną ilość energii jaka może być wyodrębniona z uwięzionego na dużej wysokości latawca. W latach dziewięćdziesiątych prace nad rozwiązaniami AWES praktycznie zarzucono ale w ostatno znowu nabrały przyspieszenia. Zarejestrowano wiele patentów, a w finansowanie badań włączyło sie kilka dużych firm. W artykule zostaną omówione główne aspekty technologii AWES z przykładami najbardziej zaawansowanych rozwiązań.
Zasoby energii wiatrowej na dużej wysokości
Do sprecyzowania wielkości dostępnej energii wiatru na wysokościach od 0,5-12km wykorzystuje się głównie dane meteorologiczne, ale nie tylko. Pierwsze profesjonalne prace w tym zakresie przedstawili Archer i Caldeira udowadniając, że energia na tak dużej wysokości jest praktycznie dostępna na całym świecie, co pozwala na jej powszechne wykorzystanie. Na jej podstawie powstały już profesjonalne modele klimatyczne (np. praca Kate Marvel, Ben Kravitz, Ken Caldeira – Geophysical limits to global wind power), które analizują możliwości wykorzystania wiatru w skali światowej. Modele te przewidują, że dostępna ilość energii wiatru wynosi od 400 TW dla siłowni powierzchniowych do 1800 TW dla siłowni zainstalowanych na różnych wysokościach, przy światowym zapotrzebowaniu energii rzędu 18TW. Oznacza to, że produkcja energii z wiatru jest bardzo obiecująca. Nieco sceptycyzmu do tych wyników wprowadza inna praca (Miller, Gans, Kleidon „Jet stream wind power as a renewable energy resource: Little power, big impacts”), która zakłada maksymalną ekstrakcje energii z ziemskiej atmosfery na poziomie 7,5TW. Warto jednak zauważyć, że autorzy pracy brali pod uwagę tylko tzw. wiatry strumieniowe występujące na dużej wysokości > 6 km. Pomimo rozbieżności powyższych wyników, możliwości pozyskania energii z wiatru na dużej wysokości są bardzo obiecujące i należy przewidzieć duży potencjał biznesowy i badawczy na najbliższe lata.
Klasyfikacja systemów AWES
Wszystkie systemy AWES wykonane są na ogół z dwóch elementów:
– systemu naziemnego który może jednocześnie służyć jako magazyn energii
– systemu powietrznego (zwykle samolot, płat) zbierającego energię
Oba są ze sobą mechanicznie (w niektórych rozwiązaniach także elektrycznie) połączone za pomocą długiej liny określanej często mianem „zaczep”.
Rys.1 Koncepcje systemów AWES. a-Ground-Gen, b-Fly-Gen
Wśród różnych koncepcji systemów AW
ES rozróżnić można systemy Ground-Gen, w których zamiana energii mechanicznej samolotu zostaje dokonana dopiero na ziemi w generatorze, oraz Fly-Gen, gdzie zamiana ta dokonuje się bezpośrednio w samolocie i przesyłana jest kablem elektrycznym na ziemię.
W systemach Ground-Gen noszących też nazwę GG-AWES generacja energii na ziemi może się odbywać przez mechaniczne działanie siły trakcyjnej przenoszonej z samolotu na ziemię za pomocą jednej liny lub systemu lin, które powodują ruch generatora elektrycznego. Można tutaj dalej wyróżnić:
– systemy stacjonarne, gdzie stacja naziemna jest zamocowana w sposób nieruchomy do podłoża
– mobilne, gdzie stacja naziemna jest ruchomym pojazdem poruszającym się np. po torze szynowym
W systemach Fly-Gen w skrócie zwanych FG-AWES, energia elektryczna wytwarzana jest przez turbinę zamocowaną w konstrukcji samolotu, która wytwarza ją w sposób ciągły, za wyjątkiem startu i lądowania, kiedy energia jest pobierana. W systemach FG-AWES wyróżnić można dodatkowo systemy crosswind, wykorzystujące wiatr boczny i non-crosswind.
Rys.2 (po lewej) – schematy trzech różnych naziemnych stacji w systemach GG-AWES, a) generator o osi pionowej, b) system zamkniętej pętli, w którym generator zamocowany jest na wózku poruszającym się po zamkniętej pętli, c) system pętli otwartej, gdzie wózek z generatorem porusza się ruchem posuwisto-zwrotnym po podłużnej szynie
Systemy GG-AWES
Generatory GG-AWES stanowią obecnie jedną z najbardziej zaawansowanych technologicznie metod wykorzystania wysokiego wiatru.
System ze stacją naziemną nieruchomą. Konwersja energii odbywa się tutaj w cyklu dwufazowym (rys.3)
– fazy wytwarzania energii,
– fazy odzysku, gdzie zużywana jest mniejsza ilość energii,
W fazie wytwarzania energii samolot wykonuje tzw. lot przelotowy w kształcie ósemek rozwijając stale linę. Lina poddawana sile trakcyjnej nawinięta jest na wciągarkę połączoną dalej z osią silnika generatora. Rozwijanie liny powoduje obrót generatora tym samym generowanie energii elektrycznej.
Rys.3 Dwie fazy pracy systemu GG-AWES, a) faza generowania energii, b) faza odzyskiwania (samolot zmienia aerodynamikę lotu a lina jest zwijana).
W fazie odzyskiwania samolot zmienia geometrię skrzydła zamieniając lot ósemkowy na boczny, przy którym działają na niego znacznie mniejsze siły aerodynamiczne, tym samym możliwe jest jego ścignięcie przy użyciu małej ilości energii. Lina jest nawijana na bęben, a samolot wraca do pozycji wyjściowej i cały proces zaczyna się na nowo. Aby uzyskać tutaj dodatni wynik energetyczny, ilość energii pobierana w czasie ściągania samolotu musi być znacznie mniejsza od energii wytwarzanej przy locie przelotowym.
System ze stacją naziemna mobilną jest mało zaawansowany technologicznie. W tym rozwiązaniu liny nie są zwijane i rozwijane w celu generacji energii, a tylko w celu korekty lotu statku powietrznego. Generalnie istnieją dwa koncepty tych stacji:
– stacja z generatorem osi pionowej Rys2a, gdzie stacja naziemna wykonana jest w postaci dużego wirnika zamocowanego na pionowej osi generatora. Wirnik obracając się napędza jednocześnie generator
– generatory kolejowe (szyna pętli zamkniętych (rys. 2b) lub szyna pętli otwartej (rys. 2c)), w których stacje naziemne są zintegrowane w pojazdach szynowych, a energia elektryczna jest wytwarzana z ruchu pojazdu. W tych systemach generowanie energii wygląda jak odwrotna praca pociągu elektrycznego.
Samoloty i zaczepy linowe w systemach GG-AWES
Istnieją różne rozwiązania regulacji toru lotu statku powietrznego (zob. rys.4)
Rys.4 Różne sposoby regulacji toru lotu, a) lina z siłownikami na pokładzie samolotu, b) za pomocą uchwytu kontrolnego, c) przez regulację naprężeń lin, d) za pomocą trzeciej liny korekcyjnej
Same statki powietrzne (nazywane trochę mylnie samolotami) wykonywane mogą być jako:
– latawce, w których wykorzystuje się efekt siły aerodynamicznej naciągu
– rotacyjne aerostaty, w których wykorzystuje sie efekt Magnusa
Rys.5 Przykłady statków powietrznych wykorzystywanych w systemach GG. A) LEI SLE – latawiec z krawędzią natarcia nadmuchiwaną, B) LEI-C latawiec nadmuchiwany w kształcie litery C, C) latawiec foliowy wzorowany na żaglach skysails, D) szybowiec, projekt z Ampyx Power; E) sztywne skrzydło szkieletowe, projekt z firmy Enerkite; F) półsztywne skrzydło, zaprojektowane przez firmę Kitegen
Rys.6 Systemy regulacji aerodynamiki płatu, a) za pomocą dodatkowych lin sterujących (kolor źółty), b) za pomocą centralnego sterownika regulującego ustawienie krawędzi natarcia
Latawce typu LEI wykonywane są zawsze jako nadmuchiwane dla zwiększenia sztywności płatu, tym samym zabezpieczenia go przed złożeniem w czasie lotu i utratą siły nośnej. latawce mogą mieć różne konstrukcje (rys.5a i b). Nadmuchane płaty mają dodatkowe usztywnienia w postaci żeber, których rozmieszczenia decyduje o kształcie i aerodynamice latawca. Usztywnienie przypominające w przekroju rurki jest też bardzo przydatne podczas startów i lądowań, kiedy płat nie jest jeszcze dostatecznie naprężony przez siłę wiatru. Sterowanie latawcami może się odbywać za pomocą dodatkowych lin sterujących (napięcie lin zmienia geometrię płatu) lub centralnych sterowników z siłownikami zamocowanymi kilka metrów od płatu w których zbiegają się liny.
Latawce foliowe (Rys. 5c) wzorowane na żaglach wykonywane są jako dwuwarstwowe, o budowie komórkowej. Przednia krawędź natarcia może część komórek lub wszystkie komórki otwarte, dzięki czemu wpada do nich powietrze wypełniając i usztywniając płat. W odróżnieniu do latawców typu LEI latawce foliowe mogą być większe.
Fot. Latawiec foliowy o budowie komórkowej firmy Enerkite.
Generalnie latawce dmuchane i foliowe o budowie komórkowej są tanie, charakteryzują się małą masą ale są nietrwałe, wytrzymując w powietrzu średnio kilkaset godzin pracy.
Szybowce i sztywne płaty są cięższe, dlatego wymagają silniejszych lin i większej ilości energii do ich wzlotu, ale są znacznie bardziej wytrzymałe. Przy odpowiednim użytkowaniu mogą pracować całe dekady. Poniżej projekt firmy Enerkite, sztywny płat EK200 startujący z platformy.
Rys. EK200 i jego parametry pracy:
Moc nominalna 100kW, minimalny wiatr do startu 2,5m/s, wiatr maksymalny 20m/s. Moc nominalna płat uzyskuje juz przy prędkości wiatru 7,5m/s lot na wysokości od 80-300m. maksymalny zasięg lin 600m. Poniżej przedstawiam też krzywą sprawności siłowni.
Jak wygląda praca takiej siłowni? Start odbywa się sie ruchem kolistym wykonywanym przez specjalny siłownik z wysięgnikiem. Po osiągnięciu odpowiedniej nośności płat jest swobodnie puszczany i za pomocą lin sterujących wprowadzany w tzw. lot żaglowy (stosowany w lotniarstwie) czyli wykonuje ósemki stopniowo wznosząc się do góry. Po osiągnięciu najwyższego pułapu, ścigany jest na dół i rozpoczyna się kolejny cykl wznoszenia z generowaniem energii.
Inne rozwiązania systemu GG-AWES
Włoski KiteGen Research (KGR) był jedną z pierwszych firm testujących prototyp Ground-Gen AWES. Technologia KGR koncernu KiteGen oparta jest na technologii C-Kite zintegrowanej z elektroniką z czujnikiem i sterowana przez dwie liny mocujące ze stanowiska sterującego na ziemi (rys. 4c). Pierwszy prototyp KSU1 (skrót od Kite Steering Unit) z powodzeniem został pokazany w 2006 r. Po kilkuletnich testach firma skoncentrowała się na opracowaniu nowego generatora o nazwie „KiteGen Stem” z O mocy znamionowej 3 MW. W tym systemie linki są nawinięte na specjalne wciągarki i są napędzane systemem koła pasowego przez elastyczny pręt o długości 20 m, zwany „łodygą”, do łukowatego lub półsztywnego skrzydła. Trzpień jest połączony z górną częścią stanowiska sterującego przez złącze przegubowe w osi poziomej.
Fot. (po lewej) prototyp KSU1 w czasie badań w 2006 roku.
Najważniejsze funkcje pręta, to: (1) podtrzymywanie i utrzymywanie latawca oraz (2) tłumienie szczytowych sił w linie, które powstają podczas podmuchów wiatru. Cała stacja sterownicza może wykonywać azymutalne obroty tak, aby latawiec miał dwa stopnie swobody względem ziemi. Koncepcja „Stem” została opatentowana w 2008 r. i jest obecnie stosowana przez coraz więcej firm i uniwersytetów.
Fot. KiteGen STEM przed startem płatu.
Zasada działania – na początku manewrów startowych, latawiec powieszony jest do góry nogami na końcu pręta. W celu nabrania siły nośnej pręt podnosi latawiec do góry ustawiając go pod wiatr. W nowszych modelach istnieje też możliwość sztucznego wygenerowania wiatru przez dwa wentylatory zamocowane na platformie (zob. film)
Gdy latawiec wystartuje, rozpoczyna się faza produkcji: sterowanie automatyczne napędza latawiec działając na dwie liny podtrzymujące, latawiec wykonuje lot przelotowy ósemkowymi ścieżkami kształtu. W tym samym czasie linki są odwijane powodując obracanie wciągarek; Silniki-generatory przekształcają moc mechaniczną w energię elektryczną. Po całkowitym rozwinięciu lin następuje faza ześlizgu, w czasie której latawiec musi zostać zwinięty. Aby proces ten przebiegał z minimalnym zużyciem energii jedna z lin jest ściągana na początku z nieco inną prędkością, co powoduje utratę stateczności i tzw. „ześlizg boczny” płatu. W praktyce płat wygląda jak paralotnia która straciła powietrze, składa się i opada jak „liść”. Po utracie stateczności obie liny zaczynają ściągać płat z jednakowa prędkością. Potrzebna do tego energia jest dużo mniejsza od energii generowanej w czasie wzniosu. Po przewinięciu pewnej długości lin (mniej niż całkowitej długości liny w celu wykorzystania tylko najwyższych wiatrów) inny specjalny manewr przywraca lot latający i aerodynamiczną siłę podnoszenia na latawcu. W tym momencie kończy się cykl odzysku i zaczyna się nowa faza produkcji. Według firmy dla uzyskania 3 MW mocy potrzebny jest płat o powierzchni 150m2. KGR jest opatentowany i opracowuje specjalne linie aerodynamiczne w celu zwiększenia ich wytrzymałości i zwiększenia wydajności systemu. Zamierza również wykorzystać technologię Kitegen Stem do produkcji energii na morzu.
SkySails Power
Ta niemiecka firma opracowuje napędy dla statków w postaci dużego latawca. Kilka lat temu powstał nowy oddział firmy „SkySails Power” stworzony w celu stworzenia Ground-Gen AWES, opartego na technologii stosowanej w systemie napędowym statku SkySails. Obecnie rozwijane są dwa produkty: mobilny system AWES o mocy od 250 kW do 1 MW i jednostka AWES morska o mocy od 1 do 3,5 MW. SkySails 'AWES oparty jest na latawcu foliowym sterowanym jedną liną i systemem kontrolnym (rys. 4b), który reguluje kąt natarcia latawca.
Na morzu system może być wykorzystywany na dużych głębokościach dzięki pływającemu fundamentowi typu „spar”. Zakładanie całej farmy morskiej jest w tym przypadku dużo prostsze i nie powoduje protestów ekologów z uwagi na mały hałas w czasie fundamentowania. Zasada działania siłowni pokazana jest na poniższym rysunku a na kolejnym przykładowy wygląd całej farmy morskiej.
System może operować na wysokości od 200-800m, przy czym gęstość energii na wysokości 400m wyniesie około 1800W/m2 powierzchni płatu. Przy odpowiednio dużych płatach moc generowana przez pojedynczy stacjonarny system wyniesie więc od 1 do 3,5MW. W odróżnieniu do systemu KGR, rozwijanie latawca wykonywane jest w tym przypadku tylko naturalną siłą wiatru, faza produkcji jest identyczna, natomiast w fazie odzyskiwania wykorzystuje się „szybkie ściąganie”, bez utraty kąta natarcia (latawiec zwijany na wiatr).
Twingtec
Szwajcarska firma Twingtec opracowuje GGAWES o mocy 100 kW. Po wypróbowaniu kilku koncepcji, w tym miękkich skrzydeł i sztywnych skrzydeł, zespół zajmuje się obecnie automatyzacją startu i lądowania z innowacyjną koncepcją: szybowiec z osadzonymi wirnikami mającymi oś obrotu prostopadłą do płaszczyzny skrzydła. Wirniki są używane podczas startu i lądowania. Firma planuje posiadać generator i sprzęt do konwersji mocy wewnątrz standardowego 20-metrowego pojemnika transportowego w celu łatwego dopasowania rynków i mobilności.
Fot. Wygląd szybowca na platformie startowej.
Podstawowe parametry modelu o mocy 100kW to:
– rozpiętość skrzydeł 15m
– minimalna prędkość wiatru 5m/s
– maksymalna prędkość wiatru 20 m/s
– operowanie na wysokości <300m
– start, lądowanie automatyczne
Rys. Wizualizacja rozwiązania w wersji off-shore.
Ampyx Power
Jest firma holenderską, która jako pierwsza opracowała system szybowcowy. Po kilku prototypach firma obecnie rozwija i testuje dwa modele szybowców AP-2A1 i AP-2A2. Są to dwa zarejestrowane statki powietrzne, które są automatycznie kontrolowane za pomocą awioniki najnowszej generacji. Są zbudowane z korpusu z włókna węglowego i kratownicą szkieletową z węglem, która opiera się na elektronice pokładowej z czujnikami i elementami uruchamiającymi. Jedna lina łączy szybowiec z wciągarką w stacji naziemnej (rys. 4a). Ampyx Power jest w rzeczywistości jedną z nielicznych firm, które opracowały już AWES, który jest w stanie wykonywać automatycznie wszystkie czynności (start. lądowanie, generację i odzysk energii).
Podobnie jak samolot i jest wyposażony w linę zabezpieczającą, aby zatrzymać szybowiec w odpowiednim położeniu dla nowego startu. Podczas kampanii testowej w listopadzie 2012 r. system wykazał przeciętną moc rzędu 6 kW z szczytami ponad 15 kW (wcześniejsze testy wykazały nawet szczyt produkcji rzędu 30 kW). Po udanych testach firma stworzyła pierwszy przedkomercyjny produkt o nazwie AP-3 o mocy 200-250kW, który ma wykazać pełną autonomię, wydajność i przewidywalność kosztu, niezawodność i bezpieczeństwo. Służy również jako platforma uczenia się, aby sprostać wyzwaniom związanym z rozwojem, łatwością obsługi i działaniem przez całą dobę. Firma Ampyx rozpoczęła już projekt swojego pierwszego szybowca komercyjnego: AP-4 PowerPlane o długości 35 m, o mocy równoważnej turbiny wiatrowej 2 MW. Szybowiec będzie mógł startować z platformy morskiej. Oba szybowce AP-3 i AP-4 sa identyczne pod względem budowy, różnią się wielkością (AP-3 ma 12m rozpiętości).
Rys. Platforma startowa dla szybowca AP-3.
Systemy AWES z ruchomymi stacjami naziemnymi
Systemy mobilne są znacznie mniej zaawansowane na świecie, praktycznie jest dużo patnetów ale żadnego komercyjnego rozwiązania. Pierwsza architektura stacji ruchomej, bazująca na pionowym generatorze osi została zaproponowana przez firmę Sequoia Automation w 2004 r. I przejęta przez KG
R . Koncepcja AWES opiera się na architekturze opisanej na rys. 3a. Podczas operacji podnoszenia płatów, wytwarzane przez nie siły są przenoszone na obracającą się ramę, powodując moment obrotowy wokół głównej osi pionowej. Moment obrotowy i obroty są przekształcane w energię elektryczną przez generator elektryczny. Ten system może być postrzegana jako pionowa turbina wiatrowa napędzana przez latawce, a na rynku nosi też nazwę systemu karuzelowego . Koncepcja została zbadana w symulacji pokazując, że 100 latawców o powierzchni 500 m2 może generować 1000 MW średniej mocy na wietrze o prędkości 12 m / s. Rozpatrywany generator miałby promień 1500 m, zajmujący obszar około 50 razy mniejszy i kosztujący około 30 razy mniej niż farma turbin wiatrowych o tej samej nominalnej mocy.
Rys. KGR system karuzelowy.
Alternatywny system oparty na stacjach naziemn
ych poruszających się na obwodach zamkniętych proponuje KGR oraz niemiecka firma NTS Energie und Transportsysteme. Począwszy od września 2011 r. NTS przetestował prototyp, w którym latawce 4-linowe są kontrolowane przez pojazd, który porusza się po 400-metrowym prostym torze kolejowym. Są w stanie produkować do 1 kW na m2 powierzchni skrzydła i testowali latawce do 40 m2. Produkt końcowy powinien mieć pętlę zamkniętą, w której więcej pojazdów biegnie niezależnie.
Rys. Projekt pojazdu szynowego firmy NTS Energie