1. Електростанції вчаться літати
2. Ближче до потужних вітрам
3. Хайтек в сторожці
4. Літаки проти вітряків
5. муки аеродинаміки
6. Мрії про тераватта

На цей новий джерело енергії готові поставити свої мільйони найсерйозніші інвестори, серед яких є навіть Google. Йдеться про літаючі вітрогенератори. Ідея і справді революційна, але чи дозволить її втілення і справді зробити з вітру в небі серйозний бізнес на землі?

Над Тихим океаном дмуть вітри, що досягають швидкості 25 вузлів і підкидають кайтбордістов під самі небеса. На березі потоки повітря весело вибігають нагору по приморських скелях і мчать далі в прерії, де смикають високу траву, створюючи подобу морських хвиль на суші. На вильоті вітер стомлено тикається в борт фургона, припаркованого в кінці грунтовки. На вантажівці полуоблезшая реклама: «У Тома сніданки на будь-який смак». Правда, в фургоні немає ні чіпсів, ні яких-небудь «чоко-тако». Замість цього там тісним рядком сидять четверо молодих хлопців і пильно дивляться в комп'ютерні дисплеї, заповнені програмним кодом. Все це трохи нагадує роботу шукачів ФБР, які зачаїлися і чекають сигналу до початку операції. Але тут один з хлопців вистрибує з задніх дверей фургона і підхоплює щось схоже на велику авіамодель.

Електростанції вчаться літати

Тримаючи цю модель в руках, він йде назустріч вітру. Модель за розмірами майже така ж, як і він сам. По рації чується голос з фургона: «підготувати, і запускай!». І тут літачок злітає в небо. Його пропелер неголосно дзижчить. Пілот, вставши віддалік, управляє апаратом з дистанційного пульта, але навіть з боку видно, що перед нами зовсім не дитячі забави з радіокерованими літачками. Літак не кидається по небу, а нарізає один за іншим абсолютно ідентичні кола. З землею його з'єднує трос. Через кілька хвилин пілот кладе пульт на землю, і управління бере на себе електроніка. Тепер апарат літає вже сам по собі.

Компанія Joby розробляє вітрогенератори, літаючі як повітряні змії. При наборі висоти вони використовують пропелери з електроприводом, які потім перетворюються в пасивні турбіни, що виробляють електроенергію.

Якщо за всім цим дійством стане спостерігати необізнаний, думка про те, що на його очах проходять випробування новітнього методу генерації екологічно чистої енергії, ймовірно, останньою прийде йому в голову. Однак саме ця здогадка буде правильною. Прямо тут, на узбережжі, на північ від міста Санта-Круз (штат Каліфорнія) інженери з компанії Joby Energy займаються розробкою електрогенератора типу «літаючий вітряк». Як і в звичайному вітрогенераторі, в ньому для вироблення електрики використовуються пропелери (вітрові колеса), що призводять в обертання вал генератора, проте на цьому вся схожість і закінчується. У компанії Joby хочуть повністю позбутися від здоровенних щогл-опор, що визначають характерний силует вітряних електростанцій. Мета конструкторов- привчити електростанцію до польоту.

Запущений оператором «літачок» набирав висоту, поки не натягнувся поводок. На цій висоті зустрічний вітер вже забезпечує достатню підйомну силу, так що літаковий пропелер можна використовувати як ротор вітрогенератора. У компанії Joby будують зараз подібні апарати раз в десять більше модельки, яку відчувають у нас на очах. На деяких встановлюють відразу по 12 пропелерів. Коли ця система почне реально функціонувати, вироблену електрику будуть подавати на землю прямо через трос-поводок, після чого струм направлять в електричну мережу.

Ближче до потужних вітрам

Поруч з гідроелектроенергетика або вугільними електростанціями ці літаючі генератори виглядають приблизно як комар поруч з «Боїнгом». Проте ця недавно виникла галузь переживає зараз бурхливий підйом, а лідирують в ній Joby і його найближчий конкурент Makani Power. Крім того, поблизу товчеться ще більше дюжини стартапів. На етапі НДДКР в цей напрямок, судячи з оцінок, вкладено вже не менше $ 50 млн. В надії на прийдешній серйозний прорив починання підтримує венчурний капітал з Кремнієвої долини, а також і ARPA-E - відоме агентство при Міністерстві енергетики, яка фінансує дослідження в перспективних напрямках . Засновники компанії Google Ларрі Пейдж і Сергій Брін буквально впали в захват від перспектив літаючої енергетики і вклали в компанію Makani свої $ 20 млн. Кліматолог Кен Кальдейра, старший науковий співробітник в Інституті науки Карнегі при Стенфордському університеті, методично порівняв з усіх аспектів це новий напрямок з іншими видами енергетики і прийшов до вельми оптимістичним висновків: «Літаючі електростанції - це один з небагатьох потенційних джерел, здатних забезпечити вироблення енергії в тих масштабах, в яких це потрібно челов честву ».

У літаючих вітроенергетичних комплексах майбутнього може бути рівно стільки ж турбін, скільки їх розміщують в сучасних вітропарків, і відстань між генераторами буде таке ж. Єдина відмінність в тому, що енергоустановки стануть літати на своїх повідках на висотах метрів на 300 вище, ніж розташовуються сучасні турбіни. Вітер там відрізняється більшою силою і постійністю, а це значить, що вітрогенерацію виявиться високоефективної не тільки в самих негостинні куточках нашого світу. В результаті нова технологія зможе отримати досить широке поширення. «Літаючий вітряк - це той же звичайний вітряк, тільки встановлений на дуже високій башті, причому платити за цю вежу вам вже не доведеться», - говорить Джо Бен Бевірт, засновник компанії Joby Energy.

Високий ККД, низька вартість, екологічна чистота - все це звучить чудово, проте, щоб ці надії дозріли до практичного застосування, проектовані апарати повинні навчитися безпечного самостійного зльоту, ширяння в небесах протягом багатьох діб і приземленню без участі в цьому людини. Такі принципові вимоги, до повноцінної реалізації яких ще роками тривала.

«Літаючими електростанціями займаються зараз ті, кого можна зарахувати до породи мрійників, - стверджує Форт Фелкер, провідний фахівець з вітроенергетики в Національній лабораторії поновлюваних джерел енергії, - проте нікому з них поки що не вдалося представити на ринок такий виріб, яке б повністю відповідало вимогам по надійності і безпеки, які пред'являються до літальних апаратів ».

Остання експериментальна модель Makani Wing 6 з крилом триметрового розмаху може в автономному режимі зависати на зразок вертольота або літати як літак, виписуючи задані фігури. Засновник компанії Makani Power Хардем в юності всерйоз думав про кар'єру віндсерфера. На старших курсах MIT він подружився з ще одним віндсерфері з такою ж, як і у нього, винахідницької жилкою - Солом Гриффітом. У компанії з Доном Монтег'ю, колишнім кейтбордером і віндсерфері-професіоналом вони втрьох і створили свою фірму. «Роки, проведені на море під вітрилами, дозволяють буквально животом відчути, яка міць криється в звичайному вітрі», - каже Хардем.

Хайтек в сторожці

В тому самому фургоні, який зовні розмальований рекламою сніданків, інженер Хенрі Халлам ділиться зі мною своїми задумами: «На сьогодні у нас плани провести деякі випробування на витривалість і попрацювати в режимі автономного польоту. Якщо все пройде так, як ми припускаємо, це буде навіть нудно ». Даремно він хвилювався - нинішній вітер нудьгувати не дасть. Вже на четвертому заході несподіваний шквал перевертає модель, вона випльовує згусток полум'я, робить кілька зигзагів і грубо шльопається про землю.

Бевірт вистрибує з вантажівки, а слідом за ним поспішає інженер Грег Хорн з вогнегасником. На щастя, літачок обійшовся без пошкоджень. Цю авіамодельку слід розглядати лише як випробувальний стенд, призначений для налагодження систем управління польотом. Роботи з електрогенератором відкладені на потім, але на цей раз вітер виявився настільки сильним, що контролер, керуючий мотором, не зміг належним чином пригальмувати пропелер. «У нас пішов такий сильний струм, що розплавилися дроти», - говорить Хорн. Бевірт обертається до мене з посмішкою: «Тепер ви бачите, скільки там нагорі дармової енергії?»

Літаки проти вітряків

Встановлені на землі вітряки не можуть щодня і щохвилини крутитися на своїх максимальних обертах. Бувають дні, коли вітер стихає, іноді до повного штилю. Через це вітрова електростанція класичної компоновки ніколи не видасть більше однієї третини від своєї встановленої потужності. А ось на висотах близько 400 м (а саме на них націлені компанії, які розробляють планери-вітряки) вітер набагато стабільніший і дме в два-три рази сильніше, ніж біля поверхні землі. З цього, за розрахунками Бевірта, слід, що на коло енерговіддача відлітає вітряка повинна складати як мінімум 70%, тобто вдвічі більше, ніж у традиційних наземних турбін.

Фотографія, зроблена з багаторазовою експозицією, показує, як літаючий вітрогенератор Makani описує кола в повітрі. Електроенергія при цьому передається на землю по тросу-повідця. У концепції літаючих вітряків є свої критики. Пан Фелкер з Національної лабораторії поновлюваних джерел енергії згоден, що змонтована на планері енергоустановки може видавати вдвічі більшу продуктивність, однак це справедливо, лише поки апарат знаходиться в повітрі.

Правда, ці прикидки переконують аж ніяк не всіх фахівців. І тут ми стикаємося з типовим парадоксом: перевірка нової ідеї вимагає грошей, а інвестори бояться вкладати свої гроші в неперевірене справу. Крім того, цей почин рано чи пізно упреться в болісну бюрократичну процедуру, пов'язану зі схваленням проекту з боку законодавчих органів. На недавній конференції, присвяченій літаючим вітрогенераторам, представник FAA Елізабет Рей прямо сказала, що цієї галузі нелегко буде пробитися в повітряний простір, і без того забите різними висотними будівлями, вишками стільникового зв'язку і літаючими всюди літаками. Якби все складалося по ідеальним сценарієм, з часом літаючі вітряки забралися б на дев'ятикілометрову висоту, звідки можна було б качати енергію потужних і стійких висотних повітряних потоків. Правда, комерційна діяльність на таких висотах зіткнулася б з ще більшими труднощами при узгодженні з FAA. «Все це схоже на конкурентну боротьбу різних сил за доступ до експлуатації одного-єдиного ресурсу», - каже Рей, маючи на увазі, зрозуміло, повітряний простір.

муки аеродинаміки

... Світанок над затокою Сан-Франциско. Здіймаються над водою мости поступово заповнюються автомобілями. Серфер Корвін Хардем вигрібає на своїй дошці, тримаючи курс на золоті хмари. Замість автомобільних гудків він чує плескіт хвиль, замість габаритів йде попереду машини помічає висунулася над хвилею тюленячу голову. Хардем - один із засновників компанії Makani Power. Зараз п'ятниця, і я присутній при його звичайній ранкової поїздці на роботу. Для цього я, щоб не відстати, гребу щосили, примостившись на його запасний дошці.

Раз в тиждень Хардем добирається в годину пік до роботи ось таким чином. Так, бачте, «більш екологічно». Та й взагалі, на воді йому подобається більше, ніж на шосе. В юності Хардем мріяв стати віндсерфері, і хто б міг подумати, що ці мрії таким дивним чином вплинуть на його реальний життєвий шлях! На старших курсах MIT він подружився з Солом Гриффітом - ще одним віндсерфері з такою ж, як і у нього, винахідницької жилкою. Після магістратури вони, взявши в компанію третього приятеля, Дона Монтег'ю, колишнього кайтбордер і віндсерфера-професіонала, заснували фірму Makani Power. «Роки, проведені на море під вітрилами, дозволяють буквально животом відчути, яка міць криється в звичайному вітрі», - каже Хардем.

Через годину ми добираємося до острова Аламеда, де на покинутій військово-морській базі компанія Makani організувала свої майстерні. Міняємо гідрокостюми на робочі комбінезони, і Хардем везе нас по розтріскаються асфальту в кінець злітної смуги, де вже в повному розпалі передпольотна підготовка.

Хардем паркується біля пожежної машини, яка зараз послужить заодно і якорем, щоб закріпити на ній 150-метровий поводок, що тягнеться до експериментального літального апарата. Це Wing 6, триметрове крило, до якого підвішено відразу три фюзеляжу. На момент старту хвостовий стабілізатор встановлений у вертикальне положення, але в стаціонарному польоті він повинен розвернутися горизонтально. У кожному з двох режимів польоту аеродинамічні завдання вирішуються відносно просто, - каже Хардем. - Вся проблема в тому, щоб створити крило, придатне для обох варіантів ".

Якщо відволіктися від того факту, що літаючий вітряк працює на пристойній висоті, найцікавіше тут полягає в тому, що він не просто ширяє на місці, а вельми енергійно маневрує. Як керований повітряний змій, з якими часто грають на пляжах, він весь час змінює положення і щодо землі, і щодо напрямку вітру. Такий прийом (його називають польотом при бічному вітрі) дозволяє отримувати енергію з поривів вітру, які можуть мати значно більшу швидкість, ніж загальна швидкість руху повітряних мас.

Мрії про тераватта

А тим часом поширення нового типу вітрогенерації могло б стати відмінною підмогою в боротьбі проти негативних змін в кліматі.

Припустимо, рівень вуглекислого газу в атмосфері приблизно вдвічі перевищить концентрацію, що існувала до епохи промислової революції (це порогове значення, яке часто використовується в публікаціях кліматологів). «Тоді людству потрібно буде знайти базові екологічно чисті потужності десь на 15 ТВт додаткової електроенергії, - каже пан Калдейра з інституту Карнегі. - Це, грубо кажучи, означає, що нам доведеться створити ще одну енергосистему приблизно такого ж масштабу, як нинішня ». Якщо ми хочемо налагодити альтернативну енергетику на базі сонячного світла і вітру, нам будуть потрібні для цього величезні вільні простори. «Щоб забезпечити хоча б 20% нинішньої потреби США в електриці з використанням тільки наземних вітроелектростанцій, - каже Хардем, - нам доведеться весь штат Канзас утиканий полуторамегаваттнимі вітряками, розставивши їх так щільно, як тільки можна».

Калдейра і Христина Арчер (фахівець з літаючим вітрякам в Університеті штату Каліфорнія в Чіко) підрахували, що вітроенергетика на базі літаючих апаратів може бути істотно більш ефективною. «У перспективі літаючі енергоустановки здатні сумарно виробляти 18 ТВт електроенергії, а цього більш ніж достатньо, щоб забезпечувати сучасну цивілізацію, не побоюючись шкідливих впливів на клімат», - каже Калдейра. Виробляти 18 ТВт енергії - значить запустити мільйони літаючих вітряків. Правда, Калдейра не збирається ставити перед людством такої мети. Його завдання-всього лише показати, що великомасштабне розгортання енергетики в цьому напрямку є цілком реальна справа. Він вважає, що непогано було б за допомогою нової технології забезпечити хоча б 10% від усієї використовуваної на планеті енергії, що послужить цілком вагомим внеском до загального енергетичного балансу. Одна вітроферми, в складі якої використовувалося б 800 літаючих мегаватних турбін, могла б забезпечити енергією 250000 приватних житлових будинків.

На злітній смузі Аламеди інженери компанії Makani зайняті відпрацюванням переходу від одного польотного режиму до іншого. Поки що жодна з компаній не змогла забезпечити повну автономність польоту, хоча і в Joby, і у Makani вже є прототипи, які потребують управлінні людиною тільки для зльоту і посадки. Восени 2010 року модель Wing 6 змогла перейти з режиму набору висоти в режим вільного польоту і назад. «Для нас це серйозне досягнення, - говорить Хардем. - Ви бачите, як один і той же апарат нормально поводиться у всіх потрібних для нас режимах польоту ».

Механіки відпрацьовують передпольотний чек-лист. «Останній завмер вітру, - чується голос за раціі.- Зараз 2,4 м в секунду. Напрямок підходяще ». На горизонті тремтить силует міста Сан-Франциско. Верещить електромотор, і Wing 6 несеться до небес ...

Стаття опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №5, травень 2011 ).