Sky Windpower的高空发电愿望并非现实

Sky Windpower是一种机载风力发电系统，通常在批评程度不高的大众和技术媒体上经常受到好评。在2008年，它们被《时代》杂志评选为“年度最佳发明”。2011年，他们登上了《大众机械》的封面。

他们继续在太空中活跃，并成为空中风能财团的金牌会员。

那么，与Makani和其他机载风力发电设备的工程折衷相比，它们的票价如何？

Sky Windpower提出的高空风力发电解决方案引起了人们的主要关注：

对于严肃的一代，它需要制造世界上最大，功能最强大的全自动四轴飞行器，其中许多都需要将这些设备的单价降低到当今世界最大直升机价格的一小部分。与类似的常规风力发电相比，将需要消耗更多的土地而不进行二次利用，这将要求宣布重大的额外空域必须完全限制在包括喷气客机高度在内的高度，这很可能仅限于非冬季运行，仅系绳重量会要比目前最大的起重直升机容量要大，这将需要将旋翼航空器的维护保养转换为飞行比率，因为天气和维修引起的着陆要求以及对飞机的能源成本，该组织非常乐观使设备飞回其运行高度并向后移动.Sky Windpower不太可能完全分析并解决故障他们的预测中确定的条件；满足航空当局和保险公司要求的测试本身可能会花费十多年。

Sky Windpower的解决方案是什么？

从本质上讲，这很简单。驾驶高达4,500至9,000米（15,000至30,000英尺）的四轴飞行器，那里的风会不断变得越来越强，让叶片像风筝一样在风中旋转，通过像电动汽车的再生制动一样通过反转电动机来发电并通过导电绳将电能传输到地面。他们拥有一个小型（1:13或1:17比例）的原型，截至2011年12月，他们已经在有限的所需机动范围内使用附加的安全绳进行了测试。可能已经进行了更多测试，并且未在其网站上发布。

艺术家对Sky Windpower设备的再现

Sky Windpower超越了大多数风速控制能力，Makani充分利用了横风飞行的优势，同时仍然面临大量扫掠面积损失的挑战。为了通过这种相对静态的四轴飞行器方法获得可观的产量，他们打算将其飞行在15,000-30,000英尺（4500-9000m）范围内。保守起见，这意味着至少有9公里的带电系绳，该带系绳在任何给定时间位于直径为18公里，体积约为1500立方公里的半球形区域中。更现实的是，它需要一条长18公里的带电绳来连接36公里的半球，其体积约为12,000立方公里。

一位不使用Sky Windpower的人表示，Sky Windpower放弃了高空目标，目标是2000英尺的天花板，但这在他们截至2014年3月的公开资料中并未反映出来；无论如何，都值得评估高空影响。

扩展的含义是什么？

Sky Windpower将四台转子组的扫掠面积预测为四分之一，以实现与传统风力涡轮机相当的发电面板容量。让我们考虑一个5兆瓦的常规风力涡轮机作为比较。它的转子直径约为128 m，扫描面积不到13,000平方米。

使用Sky Windpower的系数进行的少量数学运算告诉我们，该设备将需要四个直径为32 m（112 ft）的转子，包括刀片在内的每侧总工艺尺寸约为70米（245 ft）。例如，MI-26重型直升机的旋翼直径为32 m，带有八个叶片；检查转子的下垂，并想象一下用较少的机身将四个MI 26螺栓固定在一起。考虑到两兆瓦的常规风力涡轮机，Sky Windpower设备的直径将为23 m转子（80.5 ft），并且该设备的长度约为51 m（每侧包括叶片的179英尺）。

MI 26重型直升机

这告诉我们，要达到可能产生有用发电的规模，天空风力发电设备将需要比当今最大的旋翼飞机大得多。这本身就是一个危险信号，但鉴于材料科学的进步以及电动和燃气涡轮电动机的使用，这不一定是无法克服的。它确实代表了重大的工程挑战，这些挑战在其公共文档中并未解决或提及。

系绳的重量和长度呢？

系绳的重量在Sky Windpower网站上显示。Makani的1公里长的碳纤维和铝制缆绳预计重3,660公斤；让我们假设它是准确且具有代表性的。假设有足够的强度，则最小长度为9 km的导电绳将重约33,000 kg。9公里的天花板需要大约18公里的绳索，重达66,000公斤。MI 26是世界上最重的起重直升机之一，最大起重量比其自身的36,000公斤重约20,000公斤，悬停天花板高度为1700 m。

如果一条9公里的碳纤维和铝制导电绳的成本比同等发电的常规风力涡轮机的桅杆高，并且绳带加装置的成本比同等容量的常规风力涡轮机高得多，那将不足为奇。相比之下，MI 26本身的成本为15-18百万美元，而5 MW的Sky Windpower设备将更大且具有完全自主性。为了比较，MI 26包括燃料重约36,000千克；卸下大部分机身，用电动机替换涡轮，卸下燃油箱，然后乘以四。相当于5兆瓦的Sky Windpower设备自身重达20,000-30,000千克。该设备将必须提升53,000 – 63,000 kg至4.5 km才能进入其操作区域。Sky Windpower设备的重量或尺寸计算未包含在其公共文档中，因此这些数据必定是估计值。

Sky Windpower断言，由于使用旋翼套件，直升机的限制并不重要；他们没有展示自己的数学知识，因此很难确定他们所指的是哪些限制以及它们是否正确。

安全飞行的天气条件如何？

Sky Windpower当前针对每种公共材料的计划是在预报闪电时将设备降落。他们没有提到设备上升到4.5 km的最低运行距离或安全地从该高度下降需要多长时间，但是他们预测未来的发展将使这种必要性降低。他们对其他需要将设备接地的天气条件保持沉默；很容易就有六个需要这个。他们也对将潜在的20,000千克设备和33,000千克电缆提升到工作高度所需的能量以及净能量输出的影响保持沉默。举例来说，一个传统的风电场从电网获取的叶片启动和其他外围设备的消耗是年发电量的1：320。

与Makani一样，Sky Windpower并未将温度变化作为其公共材料中的关注点。但是，虽然Makani可以在热带和亚热带气候下或夏季在温带气候下安全运行，但Sky Windpower设备预计将在无论地面温度如何都经常低于零的高度飞行。经验法则是每1000英尺的海拔高度增加3.5华氏度（2度四舍五入）。在建议的最低运行高度为15,000'时，“天空风力”的运行温度应比表面温度低约53华氏度或30摄氏度。在30,000'时，运行温度将低105华氏度（四舍五入为60华氏度）一般。

在其公开资料中，没有提及地面除冰技术的要求，也没有提及防止冰在设备上或系绳上方堆积的操作因素。在运行时，机身振动可能会阻止冰积聚，而系绳振动也会阻止积冰，但是这些假设尚未阐明。无论如何，对于经历冬季条件的任何气候，地面除冰都是一项重要的未阐明的操作要求。需要明确的是，任何机载风力发电组织的文献中都没有针对此问题的书。

保养呢？

与Makani一样，此设备的维护要求将比传统风力涡轮机更高。直升机的维护时间与飞行小时数之比通常在3.5-4.5到1的范围内，这意味着直升机每维护3.5-4.5小时就会飞行一小时。Sky Windpower没有说明为什么期望四轴飞行器技术至少能达到该比率的倒数，以及为什么它会比现代传统风力涡轮机在保修期内具有95％的保证可用性更好。由于结冰和与天气相关的停机时间以及使设备升至高海拔的大量能量损失，目前尚不清楚他们将获得更大的容量系数来克服其他挑战。请记住，在美国，新的常规风力涡轮机在较低风类别区域的运转率为35％，在每个LBNL的最佳风类别区域中的运转率为47％。美国和巴西最好的现代风电场的容量系数通常为50％。实现这些数字的显着提高并非易事。

间距和安全性如何？

间距要求将很大。地面设备和系绳未在其公共场所进行任何详细处理。给定多个设备在多个海拔高度，多个绳索角度上升和下降，不同高度的湍流，绳索松弛的可能性和绳索振动的情况，每侧设备单个70 m（245 ft）将需要在各个方向上有大量的运行余地。如果设备设法将附近设备的电缆卡在刀片中，则两者都可能会遇到严重麻烦，这很可能在其他设备中引起多米诺骨牌效应，必须考虑间距。

从滑翔伞位置发出的随机选择的高空MAPS声音具有指导意义。在大约5000英尺处，风向与在15000英尺处的风向大约成180度，并且非常强。通过它上升和下降的系留设备将具有非常大的系留角度和方向差异。高度理想化的机载设备农场图片使它们都指向相同的方向，在相同的高度，且所有系绳都平行；这是非常不现实的。建议这些设备的人轻视或完全忽略这是非常重要的安全因素。

有关将高强度电缆绑在大型转子叶片中的最佳方案的想法，请观看此直升机捕获电缆的视频。

[youtube = http：//www.youtube.com/watch？v = v5aMT9MBfZI]

最坏的情况是由于飞机撞击或另一台Sky Windpower设备发生故障，高海拔的Sky Windpower设备的绳索在设备下方一公里或两公里处断裂。Sky Windpower设备将迅速向顺风方向吹，其下方有3700-7400 kg的断链。一旦稳定下来，它就没有动力了，因此它可能无法前进，而且如果速度变慢，它可能仍会顺风而行，并且由于缺乏强大的动力，其车载控制能力也有限。顺风的所有设备都将系绳拖入其工作空域并可能弄脏其转子。

这些因素意味着设备之间的间隙至少很小，并且给定了振荡的系链，因此实现了非常大量的同步飞行自动化。随着四轴飞行器自动同步飞行的发展，目前只有在安全封闭的室内空间中使用小型四轴飞行器才能完成。Sky Windpower断言，如果系绳断开，他们可以安全地将设备降下来，但目前尚不清楚他们是否已仔细考虑过这些情况。无论如何，间隔的含义是在可预见的将来，安全要求将需要较大的间隔，可能比Makani的传统风力涡轮机还要大。考虑到大气条件的混乱性质，解决该问题将需要大量的仪器来确定和传达精确的系绳位置以及自动化软件，这些软件可以绘制出通过移动电缆海的安全路线。

土地使用情况如何？

天空风力发电场下的面积相当于一个机场。由于非常大的设备起降，由于工人的安全和保险原因，其他经济用途很可能不允许。与Makani不同，维护可能不需要关闭附近的发电设备。与传统的风电场相比，这又是一个相对的劣势，后者通常散布在农业和其他土地用途中。

Sky Windpower声称，要满足美国的全部电力需求，美国空域需要1：400的空间，因此他们进行了一些密度数学计算，但不幸的是没有显示出来。慷慨的假设是：

5兆瓦的设备，容量系数为60％，设备之间的间距为1000 m。

以每年约3500 TWh的年消耗量计算，将需要大约133,000台这种设备（其覆盖美国连续土地总面积的2％），并且采用的技术会使其他任何用途都不安全。尚不清楚Sky Windpower的1：400的计算是基于什么进行的，比该计算少一个数量级，但是它高度怀疑作为功率密度计算而没有工程或安全方面的考虑。

航班许可如何？

Sky Windpower表示，他们已经与美国联邦航空管理局就运行条件和要求进行了初步讨论，并对如何实现其设备的接受提出了一些想法。与马卡尼与天线塔盖电线的比较是不真实的，它们与飞艇的比较是不明显的。飞艇具有被动升力，并且比具有四个Sky Windpower投射装置规模的快速旋转叶片的自动旋转四轴飞行器安全得多。想象一下，四架MI 26重型直升机用螺栓固定在一起，在狂风中在一个住宅区内自动旋转。想象一下在同一地方飞来的飞艇。美国联邦航空局（FAA）和保险公司将想象得到这一点。

[youtube = https：//www.youtube.com/watch？v = JcA4GfenqWw]

像Makani一样，Sky Windpower对FAA接受他们的论点比对我更乐观，如果这一进展向前推进，则可能需要十年或更长时间的专门测试和严格测试。与飞艇的一种比较可能是合适的；根据机载风能系统论坛上的观点，目前在15,000英尺处携带雷达设备的飞艇不需要在受限的空域内设置系绳标记。目前尚不清楚航空当局是否会说服被动安全的飞艇等同于大型四旋翼飞机。

这些加起来是什么？

Sky Windpower计划建造有史以来最大的多旋翼直升机，有史以来最大的自动驾驶直升机，有史以来最重的起重直升机，有史以来飞行速度最高的自动驾驶直升机，所需的价格将大大低于单个MI 26。该公司似乎并没有解决工程挑战中的一小部分。相当清楚的是，在高度增加的空气密度下，除了机身重量之外，还无法举起33,000千克的系绳，仅凭此因素，他们的高空解决方案就不可行了。与传统的风力涡轮机可以很好地与耕作和二次利用并存，与之不同的是，在这些设备的农场中，没有二次利用是合理的。甚至没有最基本的原因，联邦航空局会考虑为这些设备留出大片受限空域。

Sky Windpower在高海拔地区是行不通的。而且，如果它的目标是2000'以下的较低海拔，它仍然面临巨大挑战，并且正在放弃大量的风能资源。对于任何重要的一代来说，这都不是一个可行的选择。