Podniebna elektrownia
Autor: Andrzej Hołdys
(„Polska Energia” – czerwiec 2012)
Wysoko nad naszymi głowami, tam, gdzie latają ptaki i szybowce, wiatr wieje zawsze.
Marzyciele z Makani Power postanowili go pochwycić i przerobić na prąd
Firma Makani Power powstała w 2006 r. z inicjatywy trzech naukowców, których szalonym
pomysłem zainteresował się Google. Za otrzymane od internetowego giganta pieniądze
Corwin Hardham i jego dwaj współpracownicy, Don Montague i Saul Griffith, skonstruowali
podniebną elektrownię, która pierwsze testy powietrzne przeszła jesienią ubiegłego roku. Na
rok 2012 zaplanowano kolejne próby. Urządzenie przypomina skrzydło samolotu z czterema
ś
migłami, które w rzeczywistości są niewielkimi turbinami wiatrowymi. Ma być gotowe do
komercyjnego zastosowania w ciągu kilku lat.
Wing-7
Roboczo nazwano je Wing-7. Siódemka w nazwie oznacza, że wcześniej było sześć innych
cząstkowych modeli, znacznie mniejszych i nie tak samodzielnych. Każdy następny był
wzbogacany o kolejny moduł i sprawdzany w terenie. Zaczęto od niewielkiego śmigiełka
przypominającego raczej zabawkę dziecięcą, niż innowację naukową. - Za nami tysiące
godzin testów. Przed nami - dziesiątki tysięcy godzin – mawia Hardham.
Wing-7 jest pierwszym prototypem potrafiącym samodzielnie wznieść się w powietrze i
samodzielnie powrócić na ziemię. Jako pierwszy z demonstracyjnych modeli wytwarza też
prąd. To cudo zbudowane w pocie czoła przez grupę szalonych inżynierów z Makani ma
długość 8 m. Nie lata jednak tam, gdzie chce. Jest jak wielkie ptaszydło na uwięzi, któremu
wolno zataczać jedynie pionowe koła. Wykonuje je na wysokości od 300 do 600 m. Odfrunąć
nie może, bo nie pozwala mu na to gruba lina, której drugi koniec został przytwierdzony do
naziemnego urządzenia sterującego lotem. Fruwająca konstrukcja wykonana została z
włókien węglowych – materiału lekkiego, lecz niezwykle wytrzymałego na obciążenia
mechaniczne, i dlatego używanego m.in. do produkcji łopat w śmigłach samolotowych i
wirnikach turbin wiatrowych.
Energetyczna pętla
Na wysokości pół kilometra wiatr nie jest jeszcze bardzo silny. Jego średnia prędkość wynosi
20-30 km na godzinę. Za to dmucha niemal bez przerwy. Cztery śmigiełka latającej turbiny
mogą się więc kręcić nieprzerwanie i wprawiać w ruch umiejscowione obok generatory
prądu. Wytworzona przez nie energia elektryczna jest przysyłana w dół kablem ukrytym we
wnętrzu liny sterowniczej. Generatory zaprojektowano w tak przemyślny sposób, że w razie
nagłej potrzeby stają się silniczkami poruszającymi śmigłami. Dzięki temu skrzydło nie
spadnie w razie niespodziewanej flauty. Napęd pozwala też turbinie na miękkie lądowanie.
Siada ona na ziemi niczym helikopter.
Model zawieszony na uwięzi gwarantuje stałość do-
pływu energii elektrycznej. Dzięki doczepionej linie
pewne jest, że nie oderwie się i nie poszybuje w prze-
stworza
Specjalne zdjęcie poklatkowe pokazuje, jak porusza
się innowacyjna turbina – skrzydło Wing-7 produku-
jąca energię elektryczną na wysokości 300 – 600 m
nad ziemią
Konkurencyjna dla turbiny Wing-7 konstrukcja amerykańskiej firmy Joby Energy wygląda jak wielki latawiec
W akrobacji lotniczej figurę polegającą na zatoczeniu kręgu w pionie nazywa się pętlą.
Ś
rednica pętli, które wykonuje latająca turbina zaprojektowana w Makani Power, wynosi
mniej więcej tyle, ile średnica kręgu zataczanego przez zakończenie łopaty zwykłej turbiny
lądowej. To ono, będąc najdalej od osi obrotu, wiruje najszybciej i wytwarza najwięcej prądu.
– Nasze urządzenie nie ma jednak całej reszty turbiny lądowej, no i lata wyżej, gdzie wiatru
rzadko brakuje – mówi Hardham. Wing-7 ma moc 30 kW i jest już praktycznie gotowy do
wdrożenia. Może zasilać kilka domów lub dostarczyć energii do rejonów, gdzie nie opłaca się
podciągać sieci lub też miejsc dotkniętych klęską żywiołową. Podczas prób zaplanowanych
na ten rok bite będą kolejne rekordy przebywania turbiny w powietrzu. - Gdy wytrwa ona
przynajmniej kilka dni, uznamy, że cel został osiągnięty – mówi naukowiec.
Ale to dopiero początek. Na początku tego roku inżynierowie z Makani Power, której siedziba
znajduje się w pobliżu San Francisco, przystąpili do budowy prądotwórczego skrzydła o
długości 27 m. Będzie wyposażone w osiem wirników wiatrowych. Jego docelowa moc – 600
kW. To jest już sporo. Wystarczy do zasilenia dużego osiedla domów jednorodzinnych.
Według harmonogramu prototyp ma być gotowy w połowie przyszłego roku. Potem przez
dwa lata będzie testowany i poprawiany. Jego sprzedaż ma ruszyć już w 2015 r. Odbiorcami
będą nieduże farmy wiatrowe obsługujące pojedyncze miasta. Głównym argumentem, który
powinien przekonać właścicieli elektrowni do niekonwencjonalnego wynalazku, jest jego
dwukrotnie większa sprawność w porównaniu z turbinami-nielotami. W Makani Power
komputery służą nie tylko do projektowania nowych konstrukcji, ale też do sprawdzania za
pomocą modeli symulacyjnych kosztów wytworzenia energii. Naukowcy z pobliskiego
Uniwersytetu Stanforda napisali program do sterowania turbiną w taki sposób, by jak
najlepiej przetwarzała energię wiatru w prąd. Turbinę można odpowiednio ustawić względem
kierunku wiatru – z naziemnym urządzeniem zrobić tego się nie da. – Będzie dużo taniej –
zapewnia więc Hardham. – Choć nie od razu – dodaje jednak.
Mała, większa, największa
Najbardziej efektywnie ma wytwarzać energię latający gigant o mocy 5 MW i długości 70 m.
Zespół w Makani Power dopiero go projektuje. Gdy powstanie i zostanie przetestowany,
będzie mógł dostarczyć tyle prądu, ile w Europie konsumuje kilka tysięcy gospodarstw
domowych. Wyobraźmy to sobie! Miasteczko zamieszkane przez kilkanaście tysięcy ludzi
zaopatrywane przez cały rok w prąd przez skrzydlate cudo zataczające pętlę za pętlą na
wysokości pół kilometra.
Oczywiście w praktyce byłoby to mało realne. Turbina musi przecież od czasu do czasu
lądować, choćby dla dokonania przeglądu technicznego, ale przede wszystkim wtedy, gdy
wiatr jest za słaby lub – co bardziej prawdopodobne na tej wysokości – za silny. Awarie też
się zdarzają. Dlatego tak duże energotwórcze bolidy mają powstawać głównie na zamówienie
wielkich elektrowni wiatrowych umiejscowionych z dala od lądu. Tam turbiny będą mogły
sobie fruwać do woli, jedna obok drugiej. Nawet, gdy któraś się zepsuje lub trafi do
przeglądu, kilkadziesiąt innych będzie w tym czasie produkowało prąd. - Nad morzami i na
dodatek na wysokości kilkuset metrów wiatru nigdy nie zabraknie. Raczej może go być za
dużo. Trzeba to zresztą uwzględnić, projektując latającą turbinę. Musi być czuła na wiatr i
równocześnie bardzo odporna na jego podmuchy – podkreśla Hardham.
Utrzymanie stabilnego lotu turbiny podczas silniejszych podmuchów wiatru to jedno z
najważniejszych wyzwań technicznych. Obecny prototyp, jak dowiodły zeszłoroczne testy,
może latać i wytwarzać energię przy prędkości wiatru do 54 km/h. To niezły wynik. Mocniej
wieje zwykle tylko podczas sztormów i burz frontowych, ale te, choć groźne, są zwykle
zjawiskami krótkotrwałymi. Mimo to Hardham chciałby, aby jego przyszłe turbiny były
bardziej wiatroodporne. Wtedy koszt wytworzenia prądu byłby jeszcze niższy. Od pewnego
czasu spotyka się z przedstawicielami koncernów energetycznych. Nie tyle, by zachęcić ich
do rozważenia oferty, bo tej jeszcze nie ma, ale raczej po to, by przyzwyczaić do myśli, że
taka dość nietypowa propozycja może się wkrótce pojawić. Jego marzeniem są tysiące
unoszących się w powietrzu turbin o mocy 5 MW, które tanim kosztem łapałyby wiatr i
przetwarzały go w prąd.