Lessen voor de eenentwintigste eeuw 2012-2013 - 25 februari 2013
Airborne windenergie - Snelle kites produceren groene stroom
Moritz Diehl
Departement Elektrotechniek (ESAT-SISTA), Kasteelpark Arenberg 10, 3001 Leuven moritz.diehl@esat.kuleuven.be
Airborne windenergie (AWE) heeft betrekking op de opwekking van bruikbare energie door middel van toestellen die in de lucht vliegen. Omdat er geen windenergie opgewekt kan worden zonder dat er een kracht tegen de wind uitgeoefend wordt, zijn bijna alle AWE systemen met een kabel aan de grond verankerd, zoals gewone kites. Het crosswind-effect vormt de belangrijkste schakel die AWE interessant maakt: als een kite in snelle lussen dwars op de wind vliegt - dus in een richting 90 graden ten opzichte van de wind - neemt de trekkracht op de kabel sterk toe, en kan beduidend meer windenergie geoogst worden dan als de kite statisch aan de hemel zou staan. Het is alsof men de uiteinden van de wieken van een conventionele windturbine vervangt door verankerde vliegtuigen. Met het crosswind-effect kan men op twee manieren bruikbare energie opwekken: door drag of door lift mode. In beide gevallen is de energie die geoogst kan worden afhankelijk van het aerodynamisch gedrag van de vleugel en de windsnelheid, en wordt beschreven door Loyd’s formula: hoe minder de luchtweerstand en hoe groter de lift-kracht van de vleugel, hoe groter het vermogen. Met een efficiënte vleugel in goede wind wordt een vermogensoutput van rond 40kW per vierkante meter vleugeloppervlak verwacht - meer dan honderd keer zoveel als met een vierkante meter zonnepanelen. De windenergie is over de hele hemel
verspreid. Het crosswind-effect helpt om die windenergie efficiënt te concentreren en te oogsten door de snelvliegende kite.
On-board energieopwekking of drag mode werkt met een kleine windturbine op de kite. Deze wordt door de hoge relatieve windsnelheid aangedreven en wekt
elektriciteit op, die door de kabel naar de grond gebracht wordt. Er kunnen ook meerdere kites in lussen rond elkaar vliegen waardoor de verliezen door de luchtweerstand van de kabels verminderd worden.
Figuur 1: AWE-systeem met twee kites in drag mode (links). Het systeem kan worden vergeleken met een conventionele windturbine (rechts) waarbij de uiteinden van de wieken vervangen zijn door verankerde vliegtuigen, en de toren door de kabel.
Lessen voor de eenentwintigste eeuw 2012-2013 - 25 februari 2013
Ground-based energieopwekking of lift mode gebruikt de trekkracht in de kabel direct om een voertuig te trekken of om een elektrische generator op de grond aan te drijven. In het laatste geval verandert de kabellengte periodisch in een zogenaamde pompcyclus, en de generator werkt gedeeltelijk als een motor.
Figuur 2: Pompcyclus voor een vliegtuig in lift mode (van het bedrijf AmpyxPower).
Flexibele versus starre vleugels: in lift mode kan men met flexibele soft kites of met vaste vliegtuigvleugels werken. Flexibele kites kunnen zeer licht en goedkoop
gemaakt worden. Starre vleugels hebben minder luchtweerstand en kunnen daardoor sneller vliegen. Ze wekken meer energie per vierkante meter vleugeloppervlak op. Voor drag mode gebruikt men alleen starre vleugels omwille van de hoge snelheid.
Figuur 3: Flexibele en vaste vleugels voor lift mode, en vaste vleugel voor drag mode. Examenvragen
1) Wat is de rol van de kabel in elk airborne energiesysteem? Kan men grootschalig windenergie opwekken zonder een verbinding tussen vleugel en grond?
2) Leg de verschillen tussen ground-based en airborne power generation uit.
3) Wat is het crosswind-effect? Waarom is het belangrijk dat de kite van een airborne windenergiesysteem dwars op de wind vliegt?
