Airborne wind turbine

An airborne wind turbine is a design concept for a wind turbine with a rotor supported in the air without a tower,^[1] thus benefiting from the higher velocity and persistence of wind at high altitudes, while avoiding the expense of tower construction,^[2] or the need for slip rings or yaw mechanism. An electrical generator may be on the ground or airborne. Challenges include safely suspending and maintaining turbines hundreds of meters off the ground in high winds and storms, transferring the harvested and/or generated power back to earth, and interference with aviation.^[3]

Airborne wind turbines may operate in low or high altitudes; they are part of a wider class of Airborne Wind Energy Systems (AWES) addressed by high-altitude wind power and crosswind kite power. When the generator is on the ground,^[4] then the tethered aircraft need not carry the generator mass or have a conductive tether. When the generator is aloft, then a conductive tether would be used to transmit energy to the ground or used aloft or beamed to receivers using microwave or laser. Kites and helicopters come down when there is insufficient wind; kytoons and blimps may resolve the matter with other disadvantages. Also, bad weather such as lightning or thunderstorms, could temporarily suspend use of the machines, probably requiring them to be brought back down to the ground and covered. Some schemes require a long power cable and, if the turbine is high enough, a prohibited airspace zone. As of 2022, few commercial airborne wind turbines are in regular operation.^[5]

An aerodynamic airborne wind power system relies on the wind for support.

In one class, the generator is aloft; an aerodynamic structure resembling a kite, tethered to the ground, extracts wind energy by supporting a wind turbine. In another class of devices, such as crosswind kite power, generators are on the ground; one or more airfoils or kites exert force on a tether, which is converted to electrical energy. An airborne turbine requires conductors in the tether or some other apparatus to transmit power to the ground. Systems that rely on a winch can instead place the weight of the generator at ground level, and the tethers need not conduct electricity.

تُعدّ أنظمة طاقة الرياح الديناميكية الهوائية موضوعًا ذا أهمية بحثية منذ عام 1980 على الأقل. ^{[ 6 ]} وقد طُرحت العديد من المقترحات، ولكن لا توجد منتجات تجارية متاحة حاليًا. ^{[ 7 ] [ 8 ]} وتشمل المشاريع الأخرى لأنظمة طاقة الرياح المحمولة جوًا ما يلي:

• أمبيكس باور
• قوة الطائرات الورقية
• KiteGen ^{[ 9 ]}
• روتوكيت ^{[ 10 ]}
• نظام HAWE ^{[ 11 ]}
• سكاي سيلز ^{[ 12 ]}
• تقنية X-Wind ^{[ 13 ]}
• نظام ماكاني باور الهجين للطائرات الورقية في الرياح الجانبية ^{[ 14 ]}
• نقل عزم الدوران من حلقة إلى حلقة في توربينات الطائرات الورقية التي تجتاحها الرياح والمثيرة للاهتمام ^{[ 15 ]}
• مطحنة الطائرات الورقية ^{[ 16 ]}

يعتمد نظام طاقة الرياح من نوع المنطاد، جزئيًا على الأقل، على الطفو لدعم عناصر تجميع الرياح. وتختلف المناطيد في تصميماتها ونسبة الرفع إلى السحب الناتجة عنها ؛ إذ يمكن لتأثير الطائرة الورقية الناتج عن الأشكال ذات نسبة الرفع إلى السحب العالية للمنطاد أن يُبقي التوربين المحمول جوًا محلقًا في الهواء بكفاءة؛ وقد اشتهرت مجموعة متنوعة من هذه البالونات الطائرة الورقية في عالم الكيتون بفضل دومينا جالبيرت .

يمكن استخدام البالونات للحفاظ على استمرار عمل الأنظمة في غياب الرياح، إلا أن البالونات تتسرب ببطء وتحتاج إلى إعادة تزويدها بغاز الرفع، وقد تحتاج إلى ترقيعها أيضاً. وقد تحل البالونات الكبيرة جداً التي تُسخّن بأشعة الشمس مشاكل تسرب الهيليوم أو الهيدروجين.

كانت شركة ماجين، ومقرها أونتاريو ^{[ 17 ]} ، تعمل على تطوير توربين يُسمى نظام ماجين الهوائي الدوار (MARS). ^{[ 18 ]} سيستخدم نظام MARS المستقبلي ، الذي يبلغ عرضه 300 متر (1000 قدم) ، دوارًا أفقيًا في جهاز معلق بالهيليوم، موصول بمحول كهربائي على الأرض. وتدّعي ماجين أن تقنيتها توفر عزم دوران عالٍ، وسرعات بدء منخفضة، وكفاءة إجمالية فائقة بفضل قدرتها على الانتشار على ارتفاعات أعلى مقارنةً بالحلول غير الهوائية. ^{[ 19 ]} وقد قامت شركة TCOM ببناء النماذج الأولية في أبريل 2008. ولم يتم تسليم أي وحدات إنتاجية حتى الآن. ^{[ 20 ]} 

تستخدم شركة ألتايروس إنيرجيز، ومقرها بوسطن، غطاءً بالونيًا مملوءًا بالهيليوم لرفع توربينات الرياح في الهواء، ونقل الطاقة الناتجة إلى محطة قاعدة عبر الكابلات نفسها المستخدمة للتحكم في الغطاء. وقد تم تجربة نموذج أولي بطول 35 قدمًا باستخدام توربينات رياح قياسية من طراز سكاي ستريم بقدرة 2.5 كيلوواط وقطر 3.7 متر في عام 2012. وفي خريف عام 2013، بدأت ألتايروس العمل على أول تجربة تجارية واسعة النطاق في ألاسكا. ^{[ 21 ] [ 22 ]}

اقترح مفهوم آخر، نُشر عام 2023، بالونًا مملوءًا بالهيليوم مزودًا بأشرعة، تُولّد ضغطًا وتُحرّك دوران النظام حول محوره الأفقي. تُنقل الطاقة الحركية إلى مولد على الأرض عبر حبال في حركة دائرية. ^{[ 23 ]}

• طاقة الرياح في المرتفعات العالية
• توربين الهواء الديناميكي

• فانس، إريك (2009). "طاقة الرياح: آمال كبيرة". مجلة نيتشر . 460 (7255): 564-566 . doi : 10.1038/460564a .
• هوسكا، بوريس؛ ديل، موريتز (5 يوليو 2007). "التحكم الأمثل للطائرات الورقية المولدة للطاقة". المؤتمر الأوروبي للتحكم 2007 (ECC) . الصفحات 3560-3567 . doi : 10.23919/ECC.2007.7068861 . ISBN  978-3-9524173-8-6.

• كايتميل - الارتقاء بطاقة الرياح إلى آفاق جديدة
• أنظمة الطائرات الورقية للطاقة
• لماذا طاقة الرياح المحمولة جواً؟ مختبرات طاقة الرياح المحمولة جواً
• "توليد الطاقة من الطائرات الورقية" . مجلة وايرد . 10 أكتوبر 2006.
• فانس، إريك (2009). "طاقة الرياح: آمال كبيرة" . مجلة نيتشر . 460 (7255): 564-566 . doi : 10.1038/460564a .
• "توربين رياح عالي الارتفاع مفتوح المصدر على GitHub" .