公司將使用系留無人機發電
當想到風力發電時，大多數人都會想象出一系列巨大的風力渦輪機，每個風力渦輪機都像 20 層樓高一樣高，葉片平均長度約為 210 英尺。
然而，北卡羅來納州達勒姆的一家初創公司正在開發一種系統，該系統采用翼展 12 英尺的系留無人機，通過一系列連續的 8 字形循環飛行，能夠產生足夠的電力來為普通大小的房屋供電。
根據與美國國防部簽訂的一份價值 3000 萬美元的合同，Windlift 正在北卡羅來納州的兩個機場進行試飛。Windlift 首席運營官 Sean Meyer 在接受采訪時表示，一旦該技術得到驗證，公司官員希望開始簽訂合同，以便使用更大的無人機推出商業應用。
“我們擁有的是一種系留式自主無人機，它可以按飛行模式飛行，從風中獲取能量。我們逆風飛行，轉子根據飛行模式中的需要交替進行推力和阻力，”邁耶說。
盡管該公司目前的重點是完善可產生能量的輕型系留無人機的開發，但 Windlift 創始人兼首席執行官 Rob Creighton 在 2006 年創立該公司時對駕馭風能有著不同的愿景。
“他從風箏開始，試圖利用風力完成各種任務，”邁耶說。“當他最初組裝東西時，它本質上只是一個風箏，由一根曲棍球棒操縱，掛在秋千上，用來舉起沙袋。它的目的是在電力不太可行的地區抽水。”
克雷頓最終于 2019 年開發了系留無人機概念，并與國防部簽訂了一份無限期交付/無限數量的政府合同，這為這家初創公司提供了啟動發電無人機試點測試計劃所需的資金。
盡管 Windlift 公司的官員設想最終將在海上安裝一批發電無人機，這些無人機將拴在海上平臺上，因為海上的風比陸地上吹得更穩定，但該公司最初是在陸上驗證這項技術，然后再進入海洋環境。
Windlift 已選定兩處機場進行試飛，一處是北卡羅來納州立大學 (NCSU) 巴特納肉牛現場實驗室，位于達勒姆以北約 15 英里處；另一處是金斯頓區域噴氣機場，這是一座公共機場，位于達勒姆東南約 50 英里處。
北卡羅來納州立大學的設施包括一個舊的農作物噴灑機場，Windlift 在那里飛行。“有時奶牛會四處游蕩，觀察它們的反應很有趣。起初，它們非常好奇，但之后它們就會回去吃草，”邁耶說。
他說，盡管北卡羅來納州立大學的基地距離公司總部稍近，但金斯頓機場“風力更好”。“我們傾向于在低風環境中在巴特納測試一些東西，比如控制變化、結構變化，只是為了確保一切正常運轉。然后我們會把它帶到金斯頓進行發電測試。”
該公司使用的無人機由輕質但堅固的碳纖維材料制成。安裝發動機后，無人機重約 25 至 30 磅。無人機通過雙向電力系繩連接到地面站，地面站配有電力接收設備、絞盤和電池。
在 Windlift 的系統中，自動無人機被編程為按照類似于數字 8 或無窮大符號的模式飛行。“您正在側風飛行。發生的事情基本上就像是讓帆船轉向，您將機翼定位為有點像船帆迎風轉向，然后推動飛機按照模式飛行，”邁耶說。
在飛行模式的某個階段，旋翼必須提供推力，推動飛機前進。然后，根據機翼的大小，在某個點，風本身可以開始推動飛機完成整個飛行模式。
“你系上了繩索，在某個時刻，你到達了繩索的邊緣，再加上慣性，你就會俯沖。你現在正在俯沖，風把你推向前方，旋翼從推力轉換為阻力，這時你會讓飛機減速，就像特斯拉的再生制動一樣，”邁耶說。
這些操作會產生凈能量，這些能量會通過系繩以電能的形式傳送出去。無人機完全自主飛行，其系統包括一個自學習、重復控制器。控制器會不斷評估無人機在天空中的位置以及周圍的風向，并確定最佳飛行軌跡以實現最大發電量。
公司希望生產更大的無人機以用于商業市場
根據國防部的合同，一架翼展 12 英尺的無人機將被設計為額定功率為 3 千瓦的系統的一部分，用作前沿作戰陣地的便攜式發電源。除了為國防部設計的系統之外，Windlift 還在設計一個 75 千瓦的系統，該系統將使用翼展 40 英尺的無人機，可用于商業發電應用。
“我們使用一個非常先進的專有全物理模擬環境來擴大規模。我們非常有信心，40 英尺長的機翼將按照我們預期的方式運行，”邁耶說。他說，該公司正在尋求私人資金，這將使其能夠建造一個比僅靠國防部合同能夠完成的更大的項目。
該公司選擇專注于翼展為 40 英尺而不是更長的無人機的原因之一是物理學的平方立方定律，該定律指出，當物體尺寸增大時，其體積與其長度的立方成比例增加，而其表面積僅與其長度的平方成比例增加。這意味著，由于重量與其尺寸成比例，翼展超過 40 英尺的無人機發電效率會降低。
Meyer 表示，選擇 40 英尺長度的另一個原因是便攜性。“你可以將其中一個裝進 40 英尺的集裝箱中。因此，從本質上講，它仍然非常便攜，”他說。“40 英尺集裝箱的占地面積較小，而且系統具有移動性，因此部署起來既簡單又便宜。”
該公司一直在研究與微電網公司合作的可行性，使用更大型的無人機來補充太陽能電池陣列，為農業應用供電。
“我們相信，這將帶來最大的商業機會，”邁耶說。“而且，我們還可以將此系統擴展用于海上或淡水中。”
目前，其試點項目中使用的無人機價格相對較高，但 Windlift 預計，一旦公司開始商業化生產其產品，單價就會下降。
“當然，現在它們更貴，因為我們把它們當成超級跑車來制造，對吧？就像布加迪。我們手工鋪設碳纖維，逐個塑造這些東西，”他說。“但如果你考慮制造任何東西，所有東西的價格都接近制造曲線末端原材料的價格。”
他補充說，按每千瓦計算，他預計 Windlift 的技術將能夠以比風力渦輪機便宜得多的速度發電，因為它的建造所需的材料減少了約 90%。
