Неприкованная к земле автономно летающая ветроэлектростанция (ВЭС) и наземная станция

Изобретение венгерского ученого dr. Dobos Gábor, которое позволяет извлечь энергию воздушных рек тропосферы.

Автор стати – Лорант Коти – венгерский журналист-международник, специалист по бизнес-коммуникации. Занимается вопросами энергетической политики и использования альтернативных источников энергии.


Изобретатель новой технологии по извлечению энергии ветра – доктор Габор Добош – венгерский химик. Последние 20 лет возглавлял свою научно-технологическую (R&D) фирму. Реализовал множество успешных проектов по поручению разных предприятий и собственной инициативе. Свои проекты привели к решению давно известных и актуальных задач путем нестандартного подхода. Габор Добош имеет множество патентов. Данное изобретение запатентованно в Венгрии. Сейчас ведется работа по получению международного патента.

Эффективность производства электроэнергии с помощью современных ветряных электростанций значительно уступает тому потенциалу, которым обладает этот источник энергии. Причиной является то, что традиционные ветряные электростанции могут использовать только воздушные потоки у поверхности Земли, которые обладают незначительной плотностью энергии.

К тому же из-за непостоянства ветровых потоков их эффективность всего 20 процентов, что является проблемой для большинства энергетических сетей.

Автономно летающая ветряная электростанция и наземная приемная станция основываются на совершенно новом подходе к ветряной энергетике. Если хотели бы производить значительный объем энергии с использованием обычных ветряных электростанций, то требовались бы ветряки гигантских размеров, что является тупиком. [1, 2] Это можно продемонстрировать двумя фактами: например, турбины ветроэлектростанции Nordex N90 мощностью 2,3 МВт имеют общий вес 55 тонн, пока летающая часть ветроэлектростанция с такой же отдаваемой мощностью весит всего около 2 тонн! К тому же эффективность обычных станций всего 20–30 процентов из-за непостоянства ветровых потоков у поверхности Земли. Дополнительной проблемой является то, что энергосистема сама имеет неоднородность нагрузки, из-за пика и провалы энергопотребления, а выработка и потребление должны балансироваться. [3] Поэтому идея об использовании энергии высотных потоков ветра давно назрела. [4]

Но это непростая задача, так как нельзя построить ветряные башни в несколько тысяч метров. В настоящее время многие умные люди ищут разрешение этой проблемы. Объявленных результатов пока нет, но все известные концепции сводятся к тому, что все эти устройства как-бы плавают в воздухе и привязаны к земле. А вырабатываемая энергия передается на землю через кабели, расположенные параллельно с тросом. [5]

Таким образом, проблемы, связанные с малой интенсивностью воздушных потоков у поверхности Земли могут быть забыты. Но сложности , связанные с непостоянством ветровых потоков остаются, плюс те осложнения, которые связаны с тросом.

Неприкованная к земле автономно летающая ветроэлектростанция и наземная станция представляют собой новую парадигму в использовании энергии ветра. Собирающие энергию летающие аппараты используют высоко интенсивные воздушные потоки атмосферы, но эти устройства не приковываются к земле. Произведенная энергия передается на наземную станцию с помощью накопительных устройств.

Технические основы проекта

Все части альтернативной ветроэлектростанции основаны на уже известных и возможных технических решениях. Но система в результате синтеза известных элементов представляет собой новую концепцию использования энергии ветра.

Вместо статичных ветров изобретение использует динамические атмосферные явления. Например: восходящие потоки ветра (термики) и динамическое парение, используя разность скорости ветра на разных расстояниях от поверхности, подобно морским птицам. [6]

Извлеченная энергия при необходимости будет временно запасаться на борту планера, потом дозированно передается на дальнейшее использование на наземную станцию. Другая составляющая часть системы  – наземная станция. Она работает, как маленький аэродром, обеспечивая обслуживание автономно летающих аппаратов.

Во вторых, станция принимает выработанную энергию и при необходимости превращает ее в другую форму энергии, в том числе электроэнергию и доставляет ее потребителям. Эти две физически разделенные составляющие части образуют единую логистическую систему, обеспечивая осуществление изобретательской идеи. Данное решение избегает те проблемы, которые возникают при использовании воздушных потоков у поверхности Земли и ветров высокой атмосферы известными ВЭС. Тем самым открываются недоступные раньше возможности для использования энергии ветров.

Суперэффективная летная техника

Восходящие потоки (термики) http://www.yorksoaring.com

Возникает вопрос: если речь идет о неприкованной к земле автономно летающей ветро- электростанции, то что обеспечивает противодействие давлению ветра, которое позволяет ,чтобы ветер не уносил устройство? Тут открываются две возможности.

Один вариант – давно известная летная техника, это использование вертикального потока теплого воздуха в качестве источника энергии. Никто не оспаривает, что эта энергия извлекается из ветров без того, чтобы планер был прикован каким-то образом к земле. Исследователи NASA разработали систему и компьютерную программу для модельного планера. Система распознает вертикальные потоки воздуха издалека один за другим, а планер в автоматическом режиме подлетает к этим потокам и использует их энергию для подъема. [7, 8] С помощью этих инструментов планер намного дольше может находиться в полете.

Планер на высоте несколько тысяч метров имеет большой запас энергии. Если монтировать на нем пропеллер, то так называемый релативный ветер будет крутить пропеллер и с помощью электрического генератора может вырабатывать электроэнергию. Этот способ «регенеративного парения» [9] позволяет преодолеть неблагоприятные для полета ветряные ситуации и удержаться достаточно длительное время в полете при помощи накопленной электроэнергии без использования какого-либо горючего.

Фотография Uwe Kils Чернобровый альбатрос. http://creativecommons.org/…/3.0/deed.en

Другая возможность открылась после анализа полета морских птиц. Известно, например, что альбатросы, не делая никакого движения крыльями при любом ветре могут летать в любом направлении. Для этого они не нуждаются в вертикальных потоках воздуха. Они используют ветер, а точнее два воздушных потока, скорость которых отличается. Они маневрируют и пролетают на их грани, приобретая тем самым энергию для полета. [10]

Речь идет о том, что приближаясь к поверхности земли, скорость ветра разная на разных расстояниях от поверхности. Это используется птицами. Анимация на следующем линке прекрасно демонстрирует суть данной летной техники. [11] Механические кинетические детали этого вида полета уже досканально известны. Полет птиц воспроизводится при помощи математического моделирования. [12] Данная тема имеет подробную литературу. [13] Заимствованная у птиц техника полета широко применяется современными планерами.

Динамическое парение (dynamic soaring)

Обладая теорией, открывается возможность для планирования полетных траекторий динамического парения. [14, 15] Цель – выбирать из этих траекторий наиболее благоприятные с точки зрения энергетики. 16 Поэтому исследования ведутся в том направлении, чтобы беспилотные летательные аппараты (БПЛА) или дроны и их управляющая система были «научены думать» , как человек и принимать соответствующие решения. [17] Для иллюстрации имеется интересная компьютерная программа. [18]

Это и делают представители науки по биомиметики (biomimetic behavioral engineering), которые могут научить эти летающие роботы планерному полету, подобному тому, как летают морские птицы.

Об этом пишется в данной статье достаточно подробно, так как эта проблема является ключевым вопросом для проекта и не в последнюю очередь с точки зрения экономики и экономической эффективности. Жизнеспособность и осуществимость проекта зависит во многом от ответов на эти вопросы. Например, летчики будут сидеть не в планерах, а перед монитором компьютера на расстоянии многих километров от полета. Можно экономить на весе летчика, соответственно полезный груз может быть больше, сделая конструкцию планера проще и дешевле. Нет необходимости специальной гермокабины и не нужна обогреваемая спецодежда для летчиков, кислород и т. д. , так как на высоте полета (на 10 тысяч метров) температура воздуха – 50 градусов Цельсия. На основе прилагаемого обширного списка научной литературы можно убедиться, что эти вещи существуют и данный проект осуществим по сегодняшнему состоянию техники и науки. Сложность проекта заключается в синтезе известных раньше рещений.

Возвращаясь к динамическому парению, следует объяснить, как можно достичь энергетический выигрыш на основе разности скорости ветра. Понять это поможет следующая анимация. [19] Небольшой расчет тоже способствует этому, его можно найти на линке. [20] Первые исследования по динамическому парению были проведены модельными самолетами. До сих пор многие увлекаются динамическим парением модельных планеров. На интернете множество съемок об этом. [21] Подобные полеты очень полезны с точки зрения технического прогресса, так как миниатюрные модели используются и в других областях. Эти исследования свидетельствуют о том, что при помощи динамического полета планера через грань воздушных потоков с разными скоростями, можно развивать невероятную скорость. В умелых руках планер может достичь скорость, превышающую 300 миль/час. Это благополучно с точки зрения энергетики и бортовых оборудований, так как их размер можно значительно сократить.

Эти маневры можно совершить и пилотируемым планером и нет сомнений, что можно достичь энергетический выигрыш. Один из первых летчиков, совершивших этот маневр, был Рандел Гордон, капитан Военно Воздушных Сил США. Цитата из его диссертации: [22]

Основной целью этого полета было доказательство или опровержение того, что динамическим парением полномасшабного пилотируемого человеком планера возможно размножать его совокупную энергию. При помощи моделирования и проведения испытательного полета, математического анализа данное исследование предоставляло первое документальное доказательство этого энергетического выигрыша.

Что превращает устройство по использованию энергии ветра в ВЭС?

В силу предыдущей аргументации нет сомнений, что энергию движущегося воздуха можно использовать с помощью соответствующих непривязанных к земле летающих аппаратов. Есть несколько таких устройств. Пришло время поговорить об определении ветроэлектростанций. По каким критериям можно считать устройство по освоению энергии ветра ВЭС? Станция имеет не менее двух и не более трех критерий:

• Извлечение энергии из ветра
• Передача извлеченной энергии для наземной станции или энергетической системы в целях дальнейшего использования.
• Если эти два процесса, указанные выше, не происходят синхронно,

то выработанная энергия должна запасаться временно.

Выше мы упомянули две основные концепции о возможном использовании энергии ветровых потоков большой высоты. Одна из них привязаная к земле, в то время как другая использует автономные, непривязанные планеры. Привязанные устройства передают энергию с «неба», но они не могут следить за ветром и не могут устранить колебания ветра. От необходимости использования троса исходит также дискомфорт.

Абсолютной новизной является этот новый подход к проблеме и ее разрешение изобретением, что документально подтверждается Всемирной Организацией по Интеллектуальной Собственности.

Суммарно можно констатировать, что до сих пор не существовала ветроэлектростанция, которая была бы основана на энергетическом использовании восходящих потоков и градиентов скорости ветра. Нет такой автономно летающей электростанции, которая запасала бы энергию, извлеченную из ветра, а затем передавала бы ее на приемную наземную станцию для дальнейшего использования.

Летающие роботы

Беспилотные летательные аппараты (БПЛА) получают широкое распространение сегодня. Они выполняют обычно опасные задания или такие, которые не нуждаются в участии пилота. Цена на современные БПЛА варируется от 10 (!) долларов до заоблачных. Сегодня множество производителей предлагают свою продукцию и их можно приобрести из разных источников. [23]

Цена на компактные БПЛА, имеющие подходяшее управление, находится в диапозоне от 20 000 до 30 000 тысяч долларов. [24] Иногда только одна система управления стоит таких денег. Сегодня имеется достаточно много готовых решений для данной цели и таким образом, легко построить автономно летающие дроны даже из запасных частей, которые продаются на авиационном рынке. [25, 26, 27, 28] Существуют профессионалы, которые могут эти планы осуществить. В случае с автономной летающей электростанцией, несколько дронов должны летать вместе. При этом все маневры ведущего планера должны повторять остальные. Подобные решения часто встречаются в военной авиации, которые следует адаптировать. Это знание постепенно находит применения в гражданской авиации [29]

Где найти полезные ветряные градиенты?

Если уже есть соответствующие летательние аппараты, вопрос только в том, что где искать подходящие воздушные потоки. Сейчас имеется огромное количество данных измерений радиозондов метрологических станций всего мира. [30] Они содержат непосредственные данные о градиентах скорости ветра. К сожалению, пока нет карты этих градиентов в отличии от карт поверхностных ветров. [31, 32] В целях энергетического использования ветров у поверхности земли подобные карты были созданы за последние 10 – 15 лет в большинстве стран мира. Несмотря на это, с полной уверенностью можно считать, что в значительных частях Земли имеются перепады скорости ветра, которые пригодны для выработки энергии.

Воздушные реки (Jet Stream)

Конфигурация воздушных рек. Автор: Lyndon State College Meteorology.

Для динамичного планерного полета крайне пригодными являются так называемые воздушные реки. [33] Это узкие горизонтальные потоки воздуха с высокой скоростью. [34] Воздушные реки находятся на высоте около 10 тысяч метров, где постоянно дует ветер. Cкорость его достигает 50–80 метров в секунду. Мощность потока 80 kВт/m2 , а в их непосредственной близости скорость ветра намного ниже. Благодаря этому они однозначно пригодны для энергетического использования.

«Кошка» вырабатывает энергию

Воздушная яма (“CAT”) http://news.bbc.co.uk/…a/319939.stm

Воздушные реки часто имеют резкие воздушные ямы, которые опасны в авиации. [35] Самолет, пролетающий через границу воздушных потоков, скорость которых резко отличается друг от друга, может резко без явных признаков снижаться или подниматься. Воздушный поток является невидимым, по-английски называется Clear Air Turbulence. Сокращенно СAT , то есть «кошка». Более подробно: [36] в отличии от гражданской авиации, где подобный феномен является проблемой. Для специальных планеров данного проекта турбуленция является естественной средой и источником энергии. CAT является одним из главных доказательств тому, что существуют и совсем нередкие те атмосферные феномены, которые являются предметом интенсивных исследований. [37] По сути сегодня уже решено, что воздушные реки прекрасно пригодны для нашего проекта. [38] Воздушные реки постоянно контролируются и даются прогнозы. [39] Поэтому можно их легко найти и использовать.

Другие возможности

Воздушные реки являются несомненно самым мощным энергетическим источником для нашего проекта, позволяющим создать летающие электростанции, размер которых намного меньше, чем обычные ветряные станции при такой же мощности. В тоже время имеется много других возможностей. Они могут быть использованны с меньшими по размеру летающими роботами и обеспечивать, например маленькую ферму электроэнергией. Конечно, нет смысла искать нефть, где ее просто нет, а так же не следует искать ветер, где его нет. Давайте посмотрим, где имеет смысл запускать летающие электростанции.

Вертикальные воздушные потоки в горах

Первые экспериментальные полеты в целях испытания возможностей динамического парения были исполнены опытными планерами в условиях горной местности. Такие места используются любителями авиамодельного спорта. [40] В этом случае, используется выраженное действие воздушной ямы на стыке проносящегося над вершиной горы ветра и безветренной зоны. Образование воздушной ямы хорошо изображается на следующем линке. [41] На основе этого и сказанного выше, планер может развивать скорость несколько сот километров в час. Простой калькуляцией доказывается, что небольшой планер весом в 10–30 килограмм может вырабатывать в зависимости от атмосферных условий столько энергии, сколько достаточно для нужд семьи из четырех человек.

Подражение альбатросам

Восходящий поток у берегов моря. Skrinak at en.wikipedia

Эта летная техника уже известна, как парение альбатроса. Использовать эту технику можно, как птицы используют воздушние ямы. На следующем линке видеосъемка показывает реальность этого. [42]

Градиенты ветра у берегов моря

Сила ветра у берегов моря в два раза превышает скорость ветров над сушой. Причина этого – разная величина трения воздушных потоков над водой и сушей. [43] Вдоль длинных побережий ветер используется в таких целях. Видеосъемка показывает, что эта реальная возможность. [44]

Градиенты над поверхностью земли

Авиацнонные происшествия показывают, как воздушные ямы влияют на взлет и посадку самолетов. Исследования ведутся уже давно и анализируются причины происшествий у поверхности земли. [45] Все эти факты свидетельствуют о том, что частота этих турбуленций и их интенсивность вероятно значительнее того, что раньше предполагалось. Поэтому имеет смысл исследовать пригодность этого явления для динамического парения. [46] Результаты доказывают эффективность использования энергии ветра во многих частях мира.

Погодные фронты

Погодные фронты тaкже могут создавать условия для возникновения воздушных ям. [47] Во многих чaстях Земли они могут быть использованы для извлечения энергии путем воздушного парения.

Пропеллер и винт ветряка одновременно

Летающая часть нашей ветроэлектростанции имеет двуединную функцию. С одной стороны, когда винт работает от электродвигателя планера, он производит тягу для взлета. После достижения подходящей воздушной ямы БПЛА выключает мотор и начинает накапливать энергию. Релативный ветер вращает пропеллер и он функционирует, как ветряк. Это выглядит так , что он вращает вал двигателя, который, как генератор, вырабатывает электричество.

Самое характерное для генератора – это отношение мощности к весу. Предел технических возможностей сейчас около 10 kВт/кг, [48] но может достигать и 20 kВт/ кг генератором с помощью сверхпроводимости. В этой области ведутся интенсивные исследования. [49] В будущем можно достичь отношение мощности к весу 25–40 kВт/кг мотора, а с генератором это может быть 40–80 kВт/кг.

Энергия накопленная в аккумуляторе в форме жидкого воздуха

Выработанную энергию необходимо временно запасать на борту дронов. С этой точки зрения наиболее важный показатель – энергоемкость аккумулятора. При низкой емкости аккумулятор и самолет имеет большой вес, что повышает и инвестиционные и эксплуатационные расходы проекта. Поэтому необходимо использовать аккумулятор с наибольшей энергоемкостью, то есть отношение емкости аккумулятора должно быть максимально к его весу. Для такой цели больше всего подходят литиевые батареи General Motors, разрабатываемые для электромобиля GM-Volt. [50] Разработку ведет корейская фирма LG Chem. По лабораторным данным энергоемкость этой батареи достигает 5 kВт/кг, что соответствует целям нашего проекта. Коэффициент современных аккумуляторов по хранению энергии достигает почти 100 процентов. [51]

В нашем расчете мы указали 95 процентов. Каждому летающему роботу принадлежат 2 комплекта аккумуляторов. Они находятся попеременно на борту и на приемной станции. После посадок, которые производятся каждые 4 часа, заряженный аккумулятор разряжается до следующей посадки планера. Если летающая электростанция используется постоянно, то приблизительно трехмесячный срок эксплуатации покрывает расходы на приобретение аккумуляторов.

Во всем мире ведутся расширенные исследования по изобретению болeе энергоемких аккумуляторов. [52 53] Ряд исследований рассматривают использование расплавленных солевых электролитов в несколько сот градусов, что позволяет поддерживать высокую энергетическую плотность и небольшие размеры устройства. В результате этого и особенно в случае с так называемой «жидкой батареей», аккумулятор не должен быть габаритным.

Основную массу устройства составляет среда хранения энергии, такие как аммиак, лития и др., которые хранятся не внутри батареи, а в отдельном контейнере. Батарея натрий-серa [54] имеет, например энергетическую емкость один мегаватт. Средой хранения энергии служит металлический натрий. В настоящее время эта батарея находится в стадии тестирования. Натрий имеет меньшую энергетическую плотность, чем литий, из-за его большого атомного веса. Решение проблемы, тем не менее, «в воздухе».

На основе этих тенденций и возможных химических систем, а также анализа термодинамических данных, в проекте мы можем расчитывать и на более плотные аккумуляторы – 8 kВт/кг. Но в расчет это не берем. Мы рассчитываем на указанные выше аккумуляторы с энергетической емкостью 5 kВт/кг ,так как они прошли лабораторные испытания. Кроме этих аккумуляторов есть возможность использования в проекте и другие средства, например: жидкий воздух. Причину этого разъясним позже.

Доставка энергии на землю

С указанными выше аккумуляторами 5–10 kВт/кг летающий робот приземляется, разряжает их или меняет на разряженые свои аккумуляторы, взлетает и продолжает работать. В случае с сжиженным воздухом из-за низкой энергетической плотности предлагается другое решение. Выработанный сжиженный воздух собирается в пластмассовые контейнеры с двойной перегородкой. Эти контейнеры наполняются один за другим и при помощи автоматических парашютов, управлявляемых GPS, доставляются на наземную станцию. Контейнер опустошается, а потом пустой контейнер и парашют комплектуются для следующего полета. На одном летающем роботе размещается много таких средств. Таким образом, во время одного полета вырабатывается много энергии. Планер не должен с собой вести аккумулятор и полезного груза можно разместить больше. Автоматические парашюты с GPS свободно приобретаются у нескольких производителей. [55] Обширная литература по управлению подобными парашютами имеется. [56]

В целях разработки генератора, производящего сжиженный воздух, который можно использовать на борту самолета, был достигнут значительный прогресс по проекту NASA. [57] Устройство для нашего проекта тем не менее требует дальнейшую проработку. Генератор на борту летающего робота должен работать непосредственно от пропеллера. Поэтому в конструкции необходимо использовать пластмассу и сплав легких металлов, чтобы значительно сократить вес. Подробности выходят за рамки данной статьи. Но следует отметить, что сегодня ведутся широкомасштабные криотехнические исследования по изобретению устройств по выработке сжиженного воздуха, а также других устройств, использующих сверхпроводимость. [58] Эти средства разрабатываются специально для авиационной техники. Вышеукaзанные способы накопления энергии входят в сегодняшний тренд. С их использованием мы разработали такую технологию, которая не загрязняет окружающую среду. Выработанный сжиженный воздух превращается в механическую энергию эффективно.

Pезерв мощности

Противники наземных ветряных электростанций считают, что необходим резерв мощности ( Backup-power) , который соответствует номинальной мощности, чтобы в любой момент можно было бы обеспечивать ровность количества электроэнергии передаваемой в электросеть. [59] Вопреки этому сторонники ветряных электростанций считают, что нет необходимости в резерве. [60] Если это на самом деле так, то трудно понять, почему столько экспериментальных проектов по накоплению электроэнергии. [61] Можно считать, что обе позиции прeдвзятые и ни одна из них не соответствует истине. Правда только то, что наша электростанция также быстро включается или выключается, как гидроэлектростации или теплоэлектростанции. Тем самым цена нашей электроэнергии должна быть конкурентно способной с ценой тех электростанций, работающих в постоянном режиме. В любом случае правда, что когда обычная ветряная станция не работает, ее должна подстраховывать другая, которая вырабатывает углекислый газ или ядерные отходы. А летающая электростанция работает абсолютно чисто.

Исходные точки, основные данные, цена на электроэнергию

Альтернативная энергия во всем мире является крупным бизнесом. Множество исследовательских институтов, государственых и частных учреждений делают анализы и прогнозы о будущем этой отрасли и соответственно о способности ее приносить прибыль. Имеется множество интерпретаций достижений и неудач. Данные имеют большой диапазон в зависимости от источника. Еще больше отличаются оценки этих данных. Частично стороны расходятся во мнении о том, что является положительным результатом.

Говоря об эффективности обычных ветряных электростанций, возникают серьезные вопросы и сомнения. По данным Венгерского Министерства Охраны Окружающей Среды окупаемость этих электростанций без государственных субсидий сомнительна. [62] Видимо этим объясняется венгерская система, которая принуждает прием электроэнергии выработанной ветряками и то, что государство гарантирует высокую цену на нее. Это критикуется Исследовательским Центром Регионального Энергетического Хозяйства. [63] Немецкие исследования приходят к такому же выводу. В США ветряные электростанции имеют налоговую льготу в размере 2,1 цента/kВт/ч .

Таким образом, во многих странах производство ветряной энергии поощряется государством. Это не делалось бы, если у государства не было бы везкой причины на поддержку. Этот факт свидетельствует о том, что именно с этим должен конкурировать наш проект. С одной стороны было бы нелепо отказаться от государственных субсидий, так как они обеспечивают ускоренную окупаемость. С другой стороны нужно посмотреть на что способна наша технология объективно. Несколько данных из авторитетных источников:

В своем анализе за 2011 год Энергетический Информационный Центр США указывает, что средняя цена на электроэнергию будет равняться 9,8 центов за kВт/ч. [64]

По данным Ассоциации Ветряной Энергии Великобритании за 2005 год цена энергии, выработанной наземными ветряными электростанциями («onshore») составляла 3,2 пенни за kВт/ч. То же самое с прибрежными станциями («offshore») 5,5 пенни за kВт/ч [65].

Энергетический Информационный Центр США в своем ежегодном энергетическом прогнозе эа 2006 год прогнозировал на 2015 год следующую цену на ветряную энергию («Levelized Cost Comparison for New Generating Capacity in the United States») 55,8 USD/ МВт/ч [66] . Этот же источник за 2011 год в своем прогнозе на 2016 год цену энергии наземных станций указывает: 97USD/ МВт/ч [67], а прибрежных 243 USD/МВт/ч соответственно.

Приведенные данные имеют широкий разброс от 0,05 0,25 USD/kВт/ч. По мнению известного специалиста по инновации господина Дентона68 мы должны калькулировать половину предполагаемой минимальной цены, т. е. 0,05 USD/ kВт/ч , чтобы выстоять в конкурентной борьбе. Поэтому расчет был сделан на 0,025  – 0,05  – 0,1  – 0,2 USD/kВт/ч соответственно.

Капитальные затраты

Прогноз по ветряной энергии на 2010 год от Global Wind Energy Council и Greenpeace International дает 25 процентов коэффициента использования установленной мощности в среднем, а инвестиционные расходы 1327 евро/kВт [69] номинальной мощности в отношении обычных ветряных станций. Эти данные относятся к нашей станции в размере 20 МВт номинальной мощности при постоянном цикле работы. Поэтому, инвестиционные расходы проекта нужно разделить на четыре, чтобы можно было сравнивать ее с обычными станциями. Таким образом инвестиционные расходы: 330 евро/kВт.

Технические особенности

Техническая сторона проекта тщательно обоснована и соответствует сегодняшнему положению дел. Критические моменты проекта подкрепленны соответствующими положениями из литературы, не оставляя сомнения о реальности и действенности проекта. В то же время практическое осуществление требует дальнейшего исследования и развития, так как составные части хотя и известны по другим аспектам, но из этих элементов нужно создавать новую систему, которая представляет собой серьезную техническую задачу. Оценка этой задачи, программирование проекта и определение условий (источников, участников , административный бекграунд, бизнес- план и т. д.), возможно, на основе подробного исследования. Эту работу необходимо разбить и поручить группам, которые в дальнейшем будут вести деятельность по исследованию и развитию совместно с изобретателем. Синтез результатов и определение дальнейших задач является компетенцией изобретателя и его команды.

Экономическая эффективность

Исходные данные были приведены на основе предварительных технических расчетов. Как мы видим, по европейским и американским данным реальная цена электроэнергиии около 0,05 USD/ kВт/ч.

На основе такой цены инвестиция окупается за 5,9 лет, что значительно лучше, чем у обычной ветряной станции. В том случае, если цена на энергию 0,025 USD/ kВт/ч (половина разумной ставки), обычная ветряная станция оправдает инвестицию за 11 лет, а летающая станция за 2,6 года.

Изобретенная летающая ветряная станция однозначно может работать электростанцией в постоянном режиме. Для этого нужны дополнительные современные жидкие аккумуляторы. Расход на них покрывается трехмесячным доходом. После этого летающая электростанция окупается за 1,2 года. Mожно было бы провести полномасштабное испытание, чтобы удовлетворить наши цели. Доходность проекта доказывает и тот факт, что если продавали бы энергию, выработанную на станции за половину реальной цены, то есть за 0,025 USD/ kВт/ч, то инвестиция окупилась бы за 17,2 лет. Magyar Villamos Művek (венгерская государственная энергетическая компания) калькулирует 15-летней окупаемостью обычных ВЭС. Это говорит о том, что даже при таких низких ценах на электроэнергию система остается конкурентноспособной.

Резюме

Неприкованная к земле автономно летающая ветроэлектростанция и наземная станция и данная технология технически осуществимы и экономически рентабельны. Для ее осуществления необходимо комплексное исследование с определением дальнейших шагов и их очередности. При средней цене на электроэнергию в размере 0,05 USD/ kВт/ч , окупаемость составляет примерно 5, 9 лет. При более высокой цене на электроэнергию и /или государственных субсидий на электроэнергию, выработанную альтернативными способами, данный проект приносит сверхприбыль. Данная электростанция доходная и конкурентноспособная и в том случае, если цена на электроэнергию всего лишь половина обычной.

Список литературы

1. Karl-Heinz Müller / János Giber: Erneubare (alternative) Energien p. : 39., Shaker Media Aachen, 2007.
2. National Policy Analysis. A Publication of the National Center of Public Policy Research # 582 September 2009. Renewable Energy: Truth and Consequences by Dana Joel Gattuso http://www.nationalcenter.org/NPA582.html
3. Demand Response For Power System Reliability: FAQ. Prepared for the Office of Electricity Delivery and Energy Reliability Transmission Reliability Program U.S. Department of Energy. Principal Author Brendan Kirby, December 30. 2006. Prepared by OAK RIDGE NATIONAL LABORATORY, Oak Ridge, Tennessee 37831–6070 for the U.S. DEPARTMENT OF ENERGY under contract DEAC05–00OR22725
4. e.g.: the British patent GB489139 from 1938.
5. First International Workshop on Modeling and Optimization of Power Generating Kites (KITE-OPT 07) Leuven, January 30, 2007 Optimization in Engineering Center (OPTEC), K .U .Leuven, Room 00.62, ESAT-Building, Kasteelpark Arenberg 10, BE-3001 Leuven-Heverlee, Belgium
6. J. Philip Barnes: How Flies the Albatross. The Flight Mechanics of Dynamic Soaring., Sept 2005 http://esoaring.com/…tion_esa.pdf
7. Guidance and Control of an Autonomous Soaring UAV., Michael J. Allen NASA Dryden Flight Research Center Edwards, California., http://ntrs.nasa.gov/…07004932.pdf
8. Autonomous Soaring for Improved Endurance of a Small Uninhabited Air Vehicle Michael J. Allen, NASA Dryden Flight Research Center, Edwards, California, 93523–0273, U.S.A. http://ntrs.nasa.gov/…05028634.pdf
9. Flight Without Fuel. Regenerative Soaring Theory. July 2008 Update Originally Presented at ESA 2006 Western Workshop., J. Philip Barnes Pelican Aero Group http://esoaring.com/…g_theory.pdf
10. Ibis (2005), 147, 1–10 Blackwell Publishing, Ltd. Minimum shear wind strength required for dynamic soaring of albatrosses GOTTFRIED SACHS* Institute of Flight Mechanics and Flight Control, Technische Universität München, Boltzmannstr. 15, 85747 Garching, Germany
11. http://en.wikipedia.org/…_Diagram.gif
12. http://www.esoaring.com/…bratross.exe
13. Recent Res Devel Experirnental&Theoreticai Bio!′ 1(2005) p. 217–239 Takeshi Sugimoto, Facuity of Engineering,Kanagawa University Introduction to some optirnal techniques in bird soaring http://www.is.kanagawa-u.ac.jp/…g_Review.pdf
14. Optimal patterns of glider dynamic soaring by Yiyuan J. Zhao, Department of Aerospace Engineering and Mechanics, University of Minnesota, Minneapolis, MN 55455–0729, U.S.A. Optimal Control Applications and Methods, Volume 25 Issue 2, Pages 67 – 89., Published Online: 11 May 2004
15. Heuristic control of dynamic soaring. by Wharington, J.M., Control Conference, 2004. 5th Asian Volume 2, Issue , 20–23 July 2004 Page(s): 714 – 722 Vol.2
16. Minimum fuel powered dynamic soaring of unmanned aerial vehicles utilizing wind gradients Yiyuan J. Zhao *, Ying Celia Qi., Optimal Control Applications and Methods Volume 25 Issue 5, Pages 211 – 233. Published Online: 12 Nov 2004
17. Bioinsp. Biomim. 1 (2006) 76–88 doi:10.1088/1748–3182/1/3/002 Design of a bio-inspired controller for dynamic soaring in a simulated unmanned aerial vehicle Renaud Barate, St´ephane Doncieux and Jean-Arcady Meyer, Universit´e Pierre et Marie Curie—Paris 6, UMR 7606, AnimatLab/LIP6, 8 rue du Capitaine Scott, Paris 75015, France
18. DS animation: http://www.youtube.com/watch?…
19. http://douglasturner.tripod.com/id27.htm
20. http://www.dynamic-soaring.de/videos.htm
21. http://www.wired.com/…ugh-the-air/
22. Title: OPTIMAL DYNAMIC SOARING FOR FULL SIZE SAILPLANES (Manned Sailplane Dynamic Soaring) Thesis Presented to the Faculty Department of Aeronautical and Astronautical Engineering Graduate School of Engineering and Management Air Force Institute of Technology Air University AFIT/GAE/ENY06-S04 GAE 06S Author(s): Randel J. Gordon, Captain, USAF
23. http://www.uavfactory.com/ Master Thesis. Modeling and coordinated control in UAV formations Narvik University College, Dmitri Zhuravkov, August 5, 2010. http://ansatte.hin.no/…kov_2010.pdf http://diydrones.com/notes/ArduPilot
24. http://zala.aero/…83433908.htm
25. http://store.micropilot.com/
26. Design of a bio-inspired controller for dynamic soaring in a simulated unmanned aerial vehicle Renaud Barate, St´ephane Doncieux and Jean-Arcady Meyer, Universit´e Pierre et Marie Curie—Paris 6, UMR 7606, AnimatLab/LIP6, 8 rue du Capitaine Scott, Paris 75015, France
27. Path planning and Control of Unmanned Aerial Vehicles in the Presence of Wind by Andrew Charles Vaughn Master of Science in Mechanical Engineering University of California, Berkeley
28. http://weather.uwyo.edu/…/europe.html
29. Tar K., Radics K., Bartholy J., Dobi I. (2005): A szél energiája Magyarországon. Tudomány, 2005/7, pp. 805–809.
30. Archer, C.L.; Jacobson, M.Z. Corrections to “Spatial and temporal distribution of US winds and wind power at 80 m derived from measurements”. J. Geophys. Res. 2004, 109, 1–11.
31. Rais-Rohani, Mascud: A Feasibility Study of Dynamic Soaring in the Jet Stream. A Thesis Submitted to the Faculty of Mississippi State University, Mississippi State, Mississippi, USA, 1985.
32. http://world-geography.org/…-stream.html
33. http://www.bea.aero/….stream.html
34. http://news.bbc.co.uk/…a/319939.stm
35. Towards Perpetual Flight of a Gliding Unmanned Aerial Vehicle in the Jet Stream Joachim L. Grenestedt and John R. Spletzer, Member, IEEE http://vader.cse.lehigh.edu/…_jog_jrs.pdf
36. Periodic Optimal Control for Dynamic Soaring in the Shear Wind Associated with Jet Streams by Orlando da Costa, IABG mbH, Einsteinstraße 20, D-85521 Ottobrunn, Germany, Coauthors: Gottfried Sachs. ICNPAA-2006: Mathematical Problems in Engineering and Aerospace Sciences, June 21–23, 2006. Budapest University of Technology and Economics, Budapest, Hungary
37. http://www.turbulenceforecast.com/…rbulence.php
38. http://www.youtube.com/watch?…
39. http://www.charlesriverrc.org/…drela_ds.pdf
40. http://www.youtube.com/watch?…
41. Schwing, Franklin B., Jackson O. Blanton, 1984: The Use of Land and Sea Based Wind Data in a Simple Circulation Model. J. Phys. Oceanogr., 14, 193–197. doi: 10.1175/1520–0485(1984)014<0193:TUOLAS>2.0.CO;2
42. http://www.youtube.com/watch?…
43. Wind Shear Modeling for Aircraft Hazard Definition by Walter Frost and Dennis W. Camp, Department of Transportation, USA, MArch 1977. Interim Report , Report No. FAA-RD-77–36 http://www.dtic.mil/…bin/GetTRDoc?…
44. 28 th AIAA Applied Aerodynamics Conference June-July 2010, Chicago, IL AIAA 2010–4953 Copyright © 2010 by the authors. Published by the American Institute of Aeronautics and stronautics, Inc., with permission. Dynamic Soaring of Sailplanes over Open Fields by Pritam P. Sukumar ∗ and Michael S. Selig † University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, IL 61801, USA http://www.ae.illinois.edu/…enFields.pdf
45. http://en.wikipedia.org/…ather_fronts
46. http://en.wikipedia.org/…weight_ratio
47. Next Generation More-Electric Aircraft: A Potential Application for HTS Superconductors Cesar A. Luongo, Senior Member, IEEE, Philippe J. Masson, Senior Member, IEEE, Taewoo Nam, Dimitri Mavris, Hyun D. Kim, Gerald V. Brown, Mark Waters, David Hall ttp://ewh.ieee.org/tc/csc/europe/newsforum/pdf/LuongoC_2AP01.pdf
48. http://gm-volt.com/…r-batteries/
49. http://batteryuniversity.com/…ower_sources
50. MATERIALS SCIENCE AND MATERIALS CHEMISTRY CHALLENGES FOR LARGE SCALE ELECTROCHEMICAL ENERGY STORAGE JUN LIU PACIFIC NORTHWEST NATIONAL LABORATORY, RICHLAND, WA 99252 http://www.ccrhq.org/…iche/liu.pdf
51. Chemical Heat Storage Technologies for Thermal Energy Transportation Yukitaka Kato. Associate Professor. Research Laboratory for Nuclear Reactors. Tokyo Institute of Technology, Japan yukitaka@nr.titech.ac.jp http://www.iea-eces.org/…eat_pump.pdf
52. http://www.kema.com/…battery.aspx
53. http://www.casr.ca/…arachute.htm
54. DEVELOPMENT OF CONTROL ALGORITHM FOR THE AUTONOMOUS GLIDING DELIVERY SYSTEM 17th AIAA Aerodynamic Decelerator Systems Technology Conference and Seminar 19–22 May 2003, Monterey, California Isaac I. Kaminer and Oleg A. Yakimenko Department of Aeronautics and Astronautics, Naval Postgraduate School, Monterey, CA
55. Thomas L. Rreynolds, Thor I. Eklund and Gregory A. Haack: Onboard Inert Gas Generation System /Onboard Oxygen Generation System (OBIGGS / OBOGS) Study. Part II: Gas Separation Technology –State of the Art. NASA/CR-2001–210950 D950–10529–2, 42. p.
56. IEEE Transactions on Applied Superconductivity 19, No.3, Part 2, 1055–1068 (2009) Next Generation More-Electric Aircraft: A Potential Application for HTS Superconductors Cesar A. Luongo, Senior Member, IEEE, Philippe J. Masson, Senior Member, IEEE, Taewoo Nam, Dimitri Mavris, Hyun D. Kim, Gerald V. Brown, Mark Waters, David Hall
57. http://www.wind-watch.org/faq-output.php
58. http://www.awea.org/…up_Power.pdf
59. April 1, 2011. Energy Storage Enables Just-in-Time Generation., By Dr. Robert Peltier, PE http://www.powermag.com/…Just-in-Time Generation_3556.html
60. Környezetvédelmi és Vízügyi Minisztérium: KLÍMAPOLITIKA. Szélerőművek integrálása a hazai energiarendszerbe. 2007. május, 9. oldal. http://klima.kvvm.hu/…inal_web.pdf
61. Energiapolitikai ajánlások 2010. A hazai árampiaci szabályozás kritikája és javaslatok a továbblépésre. http://www.rekk.eu/index.php?…
62. U.S. Energy Information Administration | Annual Energy Outlook 2011. p116. http://www.eia.gov/…82011%29.pdf
63. http://www.bwea.com/…05-small.pdf
64. Technology Choices for New U.S. Generating Capacity: Levelized Cost Calculations http://www.eia.gov/…_topics.html
65. Levelized Cost of New Generation Resources in the Annual Energy Outlook 2011. http://www.eia.gov/…_aeo2011.pdf
66. http://www.lendenton.com/about/
67. http://www.gwec.net/…%20final.pdf