Общепринятое мнение гласит, что более крупные ветряные электростанции более эффективны и действенны, но поскольку ветроэнергетика становится все более важным компонентом мировой энергетической структуры, строительство все более обширных турбин может стать чрезмерно дорогим. Halo Energy разработала ветряную турбину с защитным кожухом, которая обеспечивает эффективное производство энергии для малых турбин, что может улучшить производительность ветра в США и устранить дисбаланс в этом секторе.
Возобновляемые источники энергии составляют все большую долю мирового энергетического баланса, и энергия ветра лидирует. Статистическое управление ЕС Евростат сообщило в 2017 году, что доля энергии ветра составила 30,7% валового потребления энергии в ЕС, больше, чем у любого другого возобновляемого источника, а установленная мощность ветра в мире увеличилась с 435 284 МВт в 2015 году до 596 556 МВт в 2018 году, увеличившись на 28%.
Большая часть этой производительности была достигнута благодаря турбинам промышленного масштаба, производящим более 100 кВт, которые обычно собираются на крупных фермах. Основополагающим принципом роста ветроэнергетики является то, что более высокие турбины с более крупными лопастями более эффективны, производя больше энергии за счет затрат, что побуждает производителей производить все более крупные турбины; например, Lockheed Martin разработала гигантскую турбину мощностью 50 МВт, длина лопастей которой составляет 200 метров.
Однако строительство все более крупных турбин требует больших вложений как денег, так и ресурсов, и обостряет проблему того, что турбины могут работать только в ветреных районах, поскольку некоторые турбины слишком велики для работы в некоторых частях мира.
Распределенный ветер появился как решение этой проблемы. Определяемые как ветряные турбины, вырабатывающие менее 100 кВт, эти меньшие турбины могут быть развернуты в большем диапазоне местоположений и могут привлекать отдельных людей непосредственно к производству чистой энергии. Одним из ведущих сторонников этих идей является американская компания Halo Energy, которая разработала турбину в 6 кВт. Она имеет диаметр всего 12 футов и может помочь устранить дисбаланс в ветроэнергетике между масштабами коммунальных услуг и распределенными операциями.
Покрытая оболочкой более эффективная турбина
Турбина Halo максимизирует свою эффективность, несмотря на свои ограниченные размеры из-за статических кожухов, встроенных вокруг трех вращающихся лопастей, которые создают фиксированный периметр вокруг края области развертки ротора, пространства, в котором вращаются лопасти, эффективно увеличивая скорость ветра вытягиваемого воздуха через лезвия.
«Струи воздуха, проходящие через зону развертки ротора, а также между двумя статическими кожухами и вокруг них, собираются вместе по ветру турбины, создавая более низкое давление, которое позволяет большему количеству воздуха проникать через зону развертки ротора от ветра против ветра», — сказал начальник отдела развития бизнеса Чарли Карустис. «Если турбина видит окружающий ветер со скоростью 5 метров в секунду, то на самом деле происходит то, что лопасти видят скорость ветра около 10-12 м/с».
В результате получается турбина, которая может производить вдвое большую мощность, чем турбины одинакового размера, и примерно вдвое меньше, чем обычные турбины той же мощности.
Статические кожухи также помогают преодолеть ключевое ограничение меньших по размеру турбин, то есть потери на острие лопасти. Это воздух, отклоняемый лопастями за пределами области вращения ротора и не преобразуемый в электричество; в то время как это не проблема в турбинах коммунального масштаба из-за больших объемов вырабатываемой мощности, если максимальная мощность распределенной турбины составляет всего 6 кВт, как и турбины Halo, эти потери могут быть значительными.
«Когда вы берете эту обычную трехлопастную технологию и сокращаете ее до микроуровня, эти потери на острие лопасти становятся гораздо более выраженными, и поэтому турбина становится гораздо более неэффективной», — сказал Карустис.
Карустис провел несколько сравнений между развитием ветровой и солнечной энергетики в США; в то время как технологические ограничения препятствовали распространению первых в небольшом масштабе, тот факт, что отдельные солнечные панели дешевы в приобретении и просты в установке, привел к резкому увеличению децентрализованной солнечной энергии. В США было установлено более двух миллионов солнечных установок, всего через три года после достижения отметки в один миллион, на достижение которой ушло 40 лет. Исследовательская группа ожидает, что число установок достигнет четырех миллионов к 2023 году, и Halo с оптимизмом смотрит на то, что ее закрытая турбина может привести к аналогичным изменениям на рынке ветроэнергетики.
Технологические проблемы и финансовый потенциал
Карутис рассказал о трудностях разработки проекта, с технологическими препятствиями среди самых сложных для преодоления.
«Над этим работало много очень специализированных и умных инженеров, потому что взаимодействие происходит между лезвиями и кожухами», — сказал Карустис. «Это очень сложный инженерный процесс, поэтому для его решения потребовалось время».
Работе Halo способствовал значительный опыт ее команды — один только Карустис работал в ветроэнергетике в течение почти двух десятилетий — и финансовая поддержка более старой компании, Ogin, проекта чистых технологий, финансируемого Kleiner Perkins. Как Karustis, так и генеральный директор Halo Вин Локкизано работали с Ogin, где они разработали прототип турбины с гораздо большими размерами, но проект был в конечном итоге свернут из-за растущих затрат. Loccisano и остальная часть того, что станет высшим руководством Halo, затем приобрели права на технологию Ogin и перенаправили ее на турбины меньшего размера, что привело к развитию Halo Energy.
Компания инвестировала более 200 миллионов долларов в исследования и разработки, которые помогли финансировать производство турбин и позволили Halo завершить испытания своей первой коммерческой турбины. Компания нацелена на телекоммуникационную отрасль в качестве своего начального целевого рынка, но надеется продавать свой продукт клиентам в различных секторах за ее пределами.
Игра в догонялки в США
«В Европе ветер в море существует уже несколько лет, но я думаю, что в Соединенных Штатах мы немного отстали», — сказал Карустис.
В случае успеха подход Halo может привести к всплеску ветра на суше в США, который исторически отставал от других регионов с точки зрения установки и производства ветра. С 2016 года, по данным Международного энергетического агентства, США установили только 22,6 ГВт новой мощности ветровой энергии на суше, по сравнению с 30,7 ГВт в ЕС и 50,3 ГВт в Китае.
В декабре прошлого года правительство Китая одобрило ряд новых проектов ветровой ветроэнергетики на общую мощность 13 ГВт и стоимостью около 13,3 млрд долларов, поскольку страна продолжает инвестировать в электроэнергетику. Карустис надеется, что такие проекты, как распределенная турбина Halo, могут способствовать более сбалансированному ветроэнергетическому сектору в США, причем как крупные, так и мелкие операции расширяют возможности использования возобновляемых источников энергии.
«Крупные ветряные турбины не будут сняты с производства, — сказал он. «Крупные ветряные электростанции играют для нас очень важную роль в сокращении углеродного следа в глобальном масштабе, и, надеюсь, рынок микро-ветра увеличит его, производя энергию там, где она используется. Это хороший двусторонний подход».
Этот двусторонний подход также включает в себя другие возобновляемые источники энергии, в том числе солнечный и энергетический ветер; Halo не пытается заменить всю чистую энергию своими турбинами, но предлагает другой вариант для людей, стремящихся к использованию возобновляемой энергии, которые, возможно, были исторически отодвинуты на второй план из-за высоких затрат на строительство объектов коммунального масштаба или из-за неподходящих географических характеристик места, где они живут.
«Ветер в мегаваттном масштабе — это большой рынок, я думаю, что распределенный ветер может со временем стать таким же большим или еще больше», — сказал Карустис.
«Когда у вас есть стимулы и усовершенствования в технологии, затраты снижаются, поэтому вы можете быть более конкурентоспособными, и это, безусловно, имеет место с ветром в мегаваттном масштабе», — продолжил он. «Всего 15-20 лет назад он не был конкурентоспособен с природным газом и углем, но сейчас это так».
