有效利用风能

用相对较小的设备借助动力风筝收获风能是一种创新性方法。它为所在领域树立了新的标准。也被称为风筝的导向龙通过微驱动装置实现全自动化控制。

生态发电是现在越来越受人们重视的一种能源生成方式。但“生态”的概念定义是什么?它 只涉及发电过程,还是也包括相应设备的制造?在工业能耗方面,水泥和钢铁厂排在最前列。大 型基座和高耸的钢塔甚至在产出第一度电前已在生态评估上大打折扣。为此EnerKite公司另辟新径,从庞大的恐龙式风能技术转向更加轻便的解决方案,其中涉及了风能利用的关键组件。一个可操纵飞龙通过绳索牵引将风能传递给发电机。全自动控制系统确保飞龙在较大的高度和最好的 风力窗口内工作。从而保证了最高的效率。为能 对阵风快速做出反应,飞龙采用了FAULHABER 驱动装置进行控制。

新技术新思维

为实现能源转换,人们需用创新性技术来获得电力。遗憾的是,许多替代方法的发明更容易让人联想到以前的蒸汽机时代,而不是现代化的解决方案。毫无疑问,这种技术也能工作,但和蒸汽机车类似,其制造和运行过程中的资源耗费比现代化的三相交流电 机车要高出许多,而这又有悖最初的生态理念。由于转子和沉重的发电机会在钢塔上产生弯曲力矩和巨大的静态负荷,因此在建造风轮时需消耗大量物资。而 且有飓风时又不能将钢塔转移,这种窘境使超负荷状 态变得更加严重。为安全疏导力量,巨大的混泥土基座或桩基成为唯一的解决办法,但这会导致成本支出和能源消耗大幅增加。从体积和花费来看,这种地下建筑更容易让人联想到厚达2米的核反应堆钢筋水泥罩,而不是一种生态设施。如果是沿海地区,地基建造的耗费将更加巨大,而废弃不用后的拆除又是一个令人头疼的问题。
虽然飞龙获取风能的工作原理比较古老,但采用的材料和控制技术却是最现代化的。为生成电能, 需安装一个磁场在线圈内旋转的发电机。通常,这种旋转运动的传输需借助很重的刚性杆子和轴实现。 来自德国柏林的研发者却摆脱旧路,取而代之使用由高性能纤维组成的轻质牵引绳索来传递力量。EnerKite 的风力系统设计师和专家Peter Kövesdi做出了生动的比较:“这很像在轮子上使用纤细的轮辐作为牵引介质,它比实心轮更加节约材料,通过绳索牵引也如此,可用较小的材料投入实现巨大的力量传输。”

效率第一

Enerkite将灵活的风筝送到约150 m高空。与地面相比,这里的风力稳定持久,无涡流,速度更快。一个负载和两个控制缆绳将飞龙的牵引力传递给三个发电机鼓。风筝以全自动方式由风力从100米“拉到”最高 300米,并同时生成有效功率。然后在控制系统的作用 下,风筝迅速脱离风力范围,绳索快速降下。这一过 程只需很少的能量。接着重新开始上升,生成电能。
相比“本土”解决方案,飞龙具有更好的空气动力 性能,Peter Kövesdi这样描述道:“与风轮相比,风筝的优势在于能更好地利用风能,因为它不会因叶轮和风塔而产生涡流。而且风筝总是处于100米以上的高 度,不像风轮转子有时靠近地面,有时高于风塔。因此在技术设计上,可以认为负载是均匀的。有风暴时风筝可以降下,这也能节省建造成本。靠近地面的绳索移动缓慢,可以避免与小鸟发生碰撞。风筝形如垫子,结构柔软,不会产生冰块掷落的危险,因为凝结 的小冰可以迅速剥落。”
在海上,只需一个浮筒即可固定发电机浮体,在地 上,设备既可固定建造,也可采用移动模式。因为风筝可以像帐篷一样卷起来,绳索也是,因此无需像风 轮那样,为巨大的叶片和风塔部件设立输送通道。

精确的风中控制

除牵引绳索外,飞龙上还装有两个导向绳索。因此 Enerkite风筝是一个三索装置。在最初将这一新技术应 用到实践的时候,如何实现全自动控制是面临的主要 问题。但专家们最终解决了这一难题。控制的好坏与执行器直接相关。在这里,来自Schönaich的微驱动装置大显身手。绳索只在拉力的作用下精确卷绕到绳鼓上,但风却是一个非常“动态的系统”,并可能在短时间内出现波动。所谓的负阵风可能使控制绳索短时间下陷,虽然对飞行特性没有影响,但对绳鼓来说,却是“毫无作用”。
因此研发人员在绳鼓前面安装了 一个绳索张紧器,确保总是有预定的绳索牵引力作用在鼓上。当牵引速度为20至30 m/s,压紧轮直径在30mm左右时,拉绳电机的转速必须达到10000 转/分钟 以上,而且这是动态变化的。相应的适用电机是输出 功率在200W左右的标准电子换向电机。电机与坚固的32mm直径全金属行星减速箱连接在一起。由此生成必需的高压力转矩。与电机完美匹配的运动控制器减轻了Enerkite控制系统对电机的管理负担,并确保最佳利用微驱动装置的动态特性。
微驱动装置在新型风力发电机控制上起着主要作用,使飞龙式应用产生了小而精致的最大特点。它确保飞龙迅速跟进风力变化,使整个系统在实践运行中顺利地发挥功能。正是这样,驱动装置才能可靠 地实现研发人员的要求和规定。遇到比较困难的状况时,经常只需对组件做一些简单的小改动,就可恢复最佳运行状态。应该说,能对微驱动装置应用产生约束的不是技术,而是想象力。这里介绍的应用实例告诉我们,即使是最不可思议的想法也能转化为可行的实际。

与140米高的风车相比,飞龙发电机的CO2排放量降低了50 %,利用率却提高了整整一倍
飞行设计图: 在第8次飞行时上升、发电,然后快速下降、重新上升