Энергия прямо снеба: ветер
- Калифорнийская штаб-квартира компании Joby Energy. Тут ведут опыты с экзотическим аппаратом, что может летать как самолет, зависать как вертолет, пикировать как воздушный змей, а основное, производить электричество много и без ущерба для природы. На фото инженеры Аллен Айбара (слева) и Алекс Викерсхэм участвуют в запуске умелой модели Nymph, созданной для авиационного подразделения компании Joby.
Над Негромким океаном дуют ветры, достигающие скорости 25 узлов и подбрасывающие кайтбордистов под самые небеса. На берегу потоки воздуха радостно взбегают вверх по приморским утесам и спешат дальше в прерии, где теребят высокую траву, создавая подобие морских волн на суше. На излете ветер устало тыкается в борт фургона, припаркованного в конце грунтовки. На грузовике полуоблезшая реклама: «У Тома завтраки на любой вкус». Действительно, в фургоне нет ни чипсов, ни каких-в один раз «чоко-тако».
Вместо этого в том месте тесным рядком сидят четверо молодых парней и внимательно смотрят в компьютерные дисплеи, заполненные программным кодом. Все это мало напоминает работу ищеек FBI, каковые затаились и ожидают сигнала к началу операции. Но тут один из ребят выпрыгивает из задних дверей фургона и подхватывает что-то похожее на громадную авиамодель.
Электростанции обучаются летать
Держа эту модель в руках, он идет навстречу ветру. Модель по размерам практически такая же, как и он сам. По рации слышится голос из фургона: «Подготовишься, и запускай!».
В этот самый момент самолетик взмывает в небо. Его пропеллер тихо жужжит. Пилот, поднявшись поодаль, руководит аппаратом с дистанционного пульта, но кроме того со стороны видно, что перед нами вовсе не детские забавы с радиоуправляемыми самолетиками. Самолет не мечется по небу, а нарезает друг за другом совсем аналогичные круги.
С почвой его соединяет тросик. Через пара мин. пилот кладет пульт на землю, и управление берет на себя электроника. Сейчас аппарат летает уже сам по себе.
В случае если за всем этим действом начнёт наблюдать непосвященный, идея о том, что на его глазах проходят опробования новейшего способа генерации экологически чистой энергии, возможно, последней придет ему в голову. Но эта предположение будет верной. Прямо тут, на побережье, к северу от города Санта-Круз (штат Калифорния) инженеры из компании Joby Energy занимаются разработкой электрогенератора типа «летающий ветряк».
Как и в простом ветрогенераторе, в нем для выработки электричества употребляются пропеллеры (ветровые колеса), приводящие во вращение вал генератора, но на этом все сходство и кончается. В компании Joby желают всецело избавиться от громадных мачт-опор, определяющих характерный силуэт ветроэлектростанций. Цель конструкторов— приучить электростанцию к полету.
Запущенный оператором «самолетик» набирал высоту, пока не натянулся поводок. На данной высоте встречный ветер уже снабжает достаточную подъемную силу, так что самолетный пропеллер возможно применять как ротор ветрогенератора. В компании Joby строят на данный момент подобные аппараты раз в десять больше модельки, которую испытывают у нас на глазах.
На некоторых устанавливают сходу по 12 пропеллеров. В то время, когда эта совокупность начнет реально функционировать, выработанное электричество будут подавать на землю прямо через тросик-поводок, по окончании чего ток направят в электрическую сеть.
Ближе к замечательным ветрам
Рядом с гидроэлектроэнергетикой либо угольными электростанциями эти летающие генераторы выглядят приблизительно как комар рядом с «Боингом». Однако эта сравнительно не так давно появившаяся отрасль переживает на данный момент бурный подъем, а лидируют в ней Joby и его ближайший соперник Makani Power. Помимо этого, поблизости толчется еще больше дюжины стартапов. На этапе НИОКР в это направление, если судить по оценкам, положено уже не меньше $50 млн.
В надежде на будущий важный прорыв начинание поддерживает венчурный капитал из Кремниевой равнины, и и ARPA-E — известное агентство при министерстве энергетики, финансирующее изучения в перспективных направлениях. Основатели компании Гугл Ларри Пэйдж и Сергей Брин практически впали в восхищение от возможностей летающей энергетики и положили в компанию Makani собственные $20 млн. Климатолог Кен Кальдейра, научный сотрудник в Университете науки Карнеги при Стэнфордском университете, методично сравнил по всем нюансам это новое направление с другими видами энергетики и пришел к очень оптимистичным выводам: «Летающие электростанции — это один из немногих потенциальных источников, талантливых обеспечить выработку энергии в тех масштабах, в каких это требуется человечеству».
В летающих ветроэнергетических комплексах будущего возможно ровно столько же турбин, сколько их размещают в современных ветропарках, и расстояние между генераторами будет такое же. Единственное отличие в том, что энергоустановки начнут летать на собственных поводках на высотах метров на 300 выше, чем находятся современные турбины.
Ветер в том месте отличается большей силой и постоянством, а это значит, что ветрогенерация окажется высокоэффективной не только в самых негостеприимных уголках отечественного мира. В следствии новая разработка сможет взять очень широкое распространение. «Летающий ветряк — это тот же простой ветряк, лишь установленный на высокой башне, причем платить за эту башню вам уже не придется», — говорит Джо Бен Бевирт, основатель компании Joby Energy.
Большой КПД, дешевизна, экологическая чистота — все это звучит замечательно, но, дабы эти надежды дозрели до использования на практике, проектируемые аппараты должны обучиться надёжному независимому взлету, парению в небесах в течение многих дней и приземлению без участия в этом человека. Таковы принципиальные требования, до полноценной реализации которых еще годы и годы.
«Летающими электростанциями занимаются на данный момент те, кого возможно причислить к породе мечтателей, — утверждает Форт Фелкер, ведущий эксперт по ветроэнергетике в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии, — но никому из них до тех пор пока еще не удалось представить на рынок такое изделие, которое бы всецело соответствовало требованиям по безопасности и надёжности, каковые предъявляются к летательным аппаратам».
Хайтек в сторожке
В том самом фургоне, что снаружи разрисован рекламой завтраков, инженер Хенри Халлам делится со мной собственными планами: «На сегодня у нас замыслы совершить кое-какие опробования на выносливость и поработать в режиме независимого полета. В случае если все пройдет так, как мы предполагаем, это будет кроме того скучно». Напрасно он переживал — сегодняшний ветер скучать не позволит.
Уже на четвертом заходе неожиданный шквал переворачивает модель, она выплевывает сгусток пламени, делает пара зигзагов и грубо шлепается о почву.
Бевирт выпрыгивает из грузовика, а следом за ним торопится инженер Грег Хорн с огнетушителем. К счастью, самолетик обошелся без повреждений. Эту авиамодельку направляться разглядывать всего лишь как испытательный стенд, предназначенный для отладки совокупностей управления полетом.
Работы с электрогенератором отложены на позже, но в этом случае ветер был столь сильным, что контроллер, управляющий мотором, не смог подобающим образом подтормозить пропеллер. «У нас отправился таковой сильный ток, что расплавились провода», — говорит Хорн. Бевирт оборачивается ко мне с ухмылкой: «Сейчас вы видите, сколько в том месте наверху бесплатной энергии?»
Самолеты против ветряков
Установленные на земле ветроустановки не смогут ежедневно и каждую 60 секунд крутиться на собственных больших оборотах. Бывают дни, в то время, когда ветер стихает, другой раз до полного штиля. Вследствие этого ветровая электростанция хорошей компоновки ни при каких обстоятельствах не выдаст больше одной трети от собственной установленной мощности. А вот на высотах около 400 м (а именно на них нацелены компании, разрабатывающие планеры-ветряки) ветер значительно более стабилен и дует в несколько раз посильнее, чем у поверхности почвы.
Из этого, согласно расчетам Бевирта, направляться, что на круг энергоотдача улетающего ветряка должна быть равна как минимум 70%, другими словами в два раза больше, чем у классических наземных турбин.
Действительно, эти прикидки убеждают отнюдь не всех экспертов. И тут мы сталкиваемся с обычным парадоксом: проверка новой идеи требует денег, а инвесторы опасаются вкладывать собственные деньги в непроверенное дело. Помимо этого, это начинание непременно упрется в мучительную бюрократическую процедуру, связанную с одобрением проекта со стороны законодательных органов.
На недавней конференции, посвященной летающим ветрогенераторам, представитель FAA Элизабет Рэй прямо заявила, что данной отрасли непросто будет пробиться в воздушное пространство, и без того забитое разными высотными строениями, башнями сотовой связи и летающими везде самолетами. Если бы все складывалось по совершенному сценарию, со временем летающие ветроустановки забрались бы на девятикилометровую высоту, откуда возможно было бы качать энергию замечательных и устойчивых высотных воздушных потоков. Действительно, коммерческая деятельность на таких высотах столкнулась бы с еще громадными сложностями при согласовании с FAA. «Все это похоже на конкурентную борьбу различных сил за доступ к эксплуатации одного-единственного ресурса», — говорит Рэй, имея в виду, очевидно, воздушное пространство.
Муки аэродинамики
Восход солнца над заливом Сан-Франциско. Вздымающиеся над водой мосты неспешно заполняются машинами. Серфер Корвин Хардэм выгребает на собственной доске, держа курс на золотые тучи.
Вместо автомобильных гудков он слышит плеск волн, вместо габаритов идущей впереди машины примечает высунувшуюся над волной тюленью голову. Хардэм — один из основателей компании Makani Power. на данный момент пятница, и я присутствую при его простой утренней поездке на работу.
Для этого я, дабы не отстать, гребу приложив все возможные усилия, примостившись на его запасной доске.
Раз в неделю Хардэм добирается в час пик до работы вот так. Так, видите ли, «более экологично». Да и по большому счету, на воде ему нравится больше, чем на шоссе. В молодости Хардэм грезил стать виндсерфером, и кто бы имел возможность поразмыслить, что эти грезы таким необычным образом повлияют на его настоящий жизненный путь!
На старших направлениях MIT он подружился с Солом Гриффитом — еще одним виндсерфером с такой же, как и у него, изобретательской жилкой. По окончании магистратуры они, забрав в компанию третьего друга, Дона Монтегью, бывшего кайтбордера и виндсерфера-специалиста, основали компанию Makani Power. «Годы, совершённые на море под парусом, разрешают практически животом ощутить, какая мощь кроется в простом ветре», — говорит Хардэм.
Через час мы добираемся до острова Аламеда, где на закинутой военно-морской базе компания Makani организовала собственные мастерские. Меняем гидрокостюмы на рабочие костюмы, и Хардэм везет нас по растресканному асфальту в финиш взлетной полосы, где уже на пике предполетная подготовка.
Хардэм паркуется около пожарной автомобили, которая на данный момент послужит заодно и якорем, дабы закрепить на ней 150-метровый поводок, тянущийся к экспериментальному летательному аппарату. Это Wing 6, трехметровое крыло, к которому подвешено сходу три фюзеляжа. На момент старта хвостовой стабилизатор установлен в вертикальное положение, но в стационарном полете он обязан развернуться горизонтально.
В каждом из двух режимов полета аэродинамические задачи решаются довольно легко, — говорит Хардэм. — Вся неприятность в том, дабы создать крыло, пригодное для обоих вариантов".
В случае если отвлечься от того факта, что летающий ветряк трудится на приличной высоте, самое увлекательное тут пребывает в том, что он не просто парит на месте, а очень энергично маневрирует. Как управляемый воздушный змей, с какими довольно часто играются на пляжах, он все время меняет положение и относительно земли, и относительно направления ветра. Таковой прием (его именуют полетом при боковом ветре) разрешает извлекать энергию из порывов ветра, каковые смогут иметь намного большую скорость, чем неспециализированная скорость перемещения воздушных весов.
Грезы о тераваттах
А в это же время распространение нового типа ветрогенерации имело возможность бы стать хорошим подспорьем в борьбе против негативных изменений в климате.
Допустим, уровень углекислого газа в воздухе приблизительно в два раза превысит концентрацию, существовавшую до эры промышленной революции (это пороговое значение, которое довольно часто употребляется в публикациях климатологов). «Тогда человечеству потребуется изыскать базисные экологически чистые мощности где-то на 15 ТВт дополнительной электричества, — говорит господин Калдейра из университета Карнеги. — Это, грубо говоря, свидетельствует, что нам нужно будет создать еще одну энергосистему приблизительно для того чтобы же масштаба, как нынешняя». В случае если мы желаем наладить другую энергетику на базе ветра и солнечного света, нам потребуются для этого огромные свободные пространства. «Дабы обеспечить хотя бы 20% нынешней потребности США в электричестве с применением лишь наземных ветряных электростанций, — говорит Хардэм, — нам придется целый штат Канзас утыкать полуторамегаваттными ветряками, расставив их так хорошо, когда возможно».
Калдейра и Кристина Арчер (эксперт по летающим ветрякам в Университете штата Калифорния в Чико) подсчитали, что ветроэнергетика на базе летающих аппаратов возможно значительно более действенной. «В возможности летающие энергоустановки способны суммарно производить 18 ТВт электричества, а этого даже больше чем нужно, дабы снабжать современную цивилизацию, не опасаясь вредных действий на климат», — говорит Калдейра. Производить 18 ТВт энергии — значит запустить миллионы летающих ветряков.
Действительно, Калдейра не планирует ставить перед человечеством таковой цели. Его задача— всего лишь продемонстрировать, что широкомасштабное развертывание энергетики в этом направлении представляет собой в полной мере настоящее дело. Он считает, что хорошо было бы посредством новой разработке обеспечить хотя бы 10% от всей применяемой на планете энергии, что послужит в полной мере весомым вкладом в неспециализированный энергетический баланс.
Одна ветроферма, в составе которой употреблялось бы 800 летающих мегаваттных турбин, имела возможность бы обеспечить энергией 250000 частных жилых домов.
На взлетной полосе Аламеды инженеры компании Makani заняты отработкой перехода от одного полетного режима к второму. До тех пор пока еще ни одна из компаний не смогла обеспечить полную автономность полета, не смотря на то, что и в Joby, и у Makani уже имеются прототипы, каковые нуждаются в управлении человеком лишь для посадки и взлёта. В осеннюю пору 2010 года модель Wing 6 смогла перейти из режима комплекта высоты в режим свободного полета и обратно. «Для нас это важное достижение, — говорит Хардэм. — Вы видите, как одинаковый аппарат нормально ведет себя во всех нужных для нас режимах полета».
Механики отрабатывают предполетный чек-лист. «Последний замер ветра, — слышится голос по рации.- на данный момент 2,4 м в секунду. Направление подходящее». На горизонте дрожит силуэт города Сан-Франциско. Взвизгивает электромотор, и Wing 6 уносится к небесам
Морская закалка
Последняя экспериментальная модель Makani Wing 6 с крылом трехметрового размаха может в независимом режиме зависать наподобие вертолета либо летать как самолет, выписывая заданные фигуры.
Основатель компании Makani Power Хардэм в молодости действительно думал о карьере виндсерфера. На старших направлениях MIT он подружился с еще одним виндсерфером с такой же, как и у него, изобретательской жилкой — Солом Гриффитом. В компании с Доном Монтегью, бывшим кeйтбордером и виндсерфером-специалистом они втроем и создали собственную компанию.
«Годы, совершённые на море под парусом, разрешают практически животом ощутить, какая мощь кроется в простом ветре», — говорит Хардэм.
Ветрогенератор Makani
- Фотография, сделанная с многократной экспозицией, показывает, как летающий ветрогенератор Makani обрисовывает круги в воздухе. Электричество наряду с этим передается на землю по тросу-поводку.
У концепции летающих ветряков имеется собственные критики. Господин Фелкер из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии согласен, что смонтированная на планере энергоустановка может выдавать в два раза громадную производительность, но это справедливо, только до тех пор пока аппарат находится в воздухе.
«За всю историю авиации, — говорит он, — мы не отыщем примера, дабы какой-либо летательный аппарат имел возможность пребывать в воздухе 98,5% от всего собственного срока эксплуатации».
Статья размещена в издании «Популярная механика» (№103, май 2011).
<
h4>