在过去的十年中，机载风能系统 (AWES) 在研究和开发方面取得了重大进展。AWES 使用包括风筝和飞机在内的系留飞行设备将风能转化为电能，并将很快成为风能成为主要能源的承诺的一部分。
虽然尚未成熟，但AWES 技术正在迅速发展。与地面发电机相连的精密刚性机翼原型机目前正在欧洲部署。这些公用事业规模的 AWES 采用全自动和单容错架构设计，可扩展至兆瓦级。
与传统的水平轴风力涡轮机 (HAWT) 相比，固定翼 AWES 具有商业优势。大后掠翼面积产生的功率大约是 HAWT 叶片的四倍。AWES 可以捕获高达 20% 的风速，因为它在更高的高度飞行。HAWT 的桅杆被用于陆地和海上应用的系绳和紧凑型发射/陆地平台所取代，从而降低了建造和退役成本，同时将 HAWT 的碳足迹减少了 50% 以上。
与此同时，AWES 初创公司正在努力应对发展挑战。例如，在AWES进行商业飞行之前，飞机必须满足航空安全认证要求。它还必须在财务上可行，才能吸引投资者。为了满足这些要求，AWES 计算机平台的进步正在帮助实现AWES 的商业承诺。
无人机的进步
可靠的AWES 原型技术首先是用计算机代替钢材和无功能材料。例如，Ampyx Power 的 AP-3 系留无人机 (UAV) 演示器配备了高性能、可扩展的平台，可实现全自动操作、安全性和可预测的性能。
自 2009 年以来一直在开发的 AP-3(基于前身 AP-1 和 AP-2)由一架自主飞机组成，该飞机通过使用超强耐用的系绳连接到地面发电机。然后，无人机以重复的模式在侧风中飞行，拉动驱动发电机的系绳。在发电的这个卷出阶段之后，机翼滑回发电机并重复该过程。
双机身结构在包括爬升和着陆在内的机动过程中为系绳提供了必要的间隙。系绳爬升需要两个螺旋桨，但一个螺旋桨可以在任何情况下返回基地，即使系绳断裂或断开连接。UAV 使用尺寸适合单次爬升和协助紧急着陆的电池运行。
针对功率输出进行了优化，机翼产生的升力是飞机质量的八倍以上(4,200 公斤力)。在发电期间，无人机以接近最大允许(失速限制)的迎角(翼弦和视风之间的角度)运行。机翼轮廓设计为空气动力学安全提供了平稳的失速特性。大部分负载由碳晶石承载。机翼蒙皮由玻璃纤维制成，不承重，可以承受冰雹等重大冲击损坏，而不会失去其整体完整性。
安全最重要
AWES 可以在难以进入的区域运行，使其成为一项潜在的突破性技术。尽管系留无人机很可能会在人口密度低的地区飞行，但它是一架飞机，必须满足严格的航空安全认证才能在商业上可行。
AP-3 的核心是Abaco Systems的 FORCE2C ，这是一个坚固的子系统，旨在通过商用飞机电子设备上使用的 DO-254 和 DO-178C 飞行安全标准的认证。主控系统可以检测到任何单个系统故障并从中恢复。此外，自主开发的着陆控制系统可连续并行运行，并在主控制系统因任何原因出现故障时进行控制。
三台 FORCE2C 计算机在 AP-3 上以三重冗余架构使用，冗余通过三选一投票算法实现。每台计算机都连接到一个单独的传感器组，包括一个双频 GNSS、空气数据探头(测量空速和迎角)、一个三轴加速度计和一个环形激光陀螺仪。
六个电子板已集成到航空电子设备外壳中。该外壳为三台车载计算机、手动操作 (RF) 系统、执行器、传感器和电池之间的故障安全和防风雨连接提供系统管理。它还可以读取起落架、系绳连接系统和配电系统中的温度、位置和负载数据。航空电子设备还接收来自计算机的转向命令并将它们分配给伺服系统，伺服系统进而转换电信号以操纵机翼和其他飞机部件。
商业系统将用于风电场环境。然后，系统将从单个 SCADA 运行。与卫星数据集成的 X 波段雷达将执行本地威胁预测和检测，从而触发预防性着陆或无人检查或维护。分组同步的无人机可以在 400 到 500 m 的距离内不受干扰地运行。
降低成本和风险
在不影响安全性或可靠性的情况下，在概念验证原型阶段降低成本是 AWES 开发的重要组成部分。内部设计计算机系统或使用供应商的决定可能会影响财务和上市时间。
在 Ampyx 的案例中，由于采用了已经过认证的嵌入式电子设备，因此可以显着节省成本。商用现成的，对计算机技术的投资已在其他项目和客户中摊销。因此，开发 AP-3 的成本低于内部设计计算机平台的成本。
AP-3 的 FORCE2C 子系统具有开放式架构计算和电子系统，允许 Ampyx 生成所有安全工件。该平台以空白画布的形式交付给 Ampyx，具有处理器、通信接口、I/O 和航空电子总线支持。Ampyx 在平台之上创建自己的固定功能。这也有助于避免进度超支和上市延迟。
Ampyx Power 还降低了开发成本，因为该平台建立在成熟且可靠的板级产品之上，并具有设计保证级别 (DAL) D 到 DAL A 所需的工件。这使 Ampyx 在降低成本和减少成本的同时有信心获得认证。开发时间。
减少集成和测试使 Ampyx 能够专注于无人机的其他功能，从而进一步降低风险和上市时间。FORCE2C 平台还旨在适用于广泛的机载应用，并与现成的操作系统和 API 兼容。
此外，飞机越轻，系统越紧凑，控制和发电就越容易。与其他选项相比，这是这款飞行计算机的主要优势。
展望未来
现在处于设计阶段，正在计划商业原型无人机。该 AP-4 系统将是一个兆瓦系统，其机翼表面积是 AP-3 的七倍(80 m 2)。AP-3 将保留航空电子设备和无人机和发射/着陆系统的大部分架构。AP-4 将获得欧洲航空安全局 (EASA) 的商业运营认证。
AP-4 将针对并网发电市场而开发。它将可部署在陆上风电场，特别是在基础设施使电力成为昂贵商品的偏远地区。设计上减轻的重量和紧凑的尺寸将使 AP-4 在山区、偏远地区和岛屿的运输和安装变得可行，传统的 HAWT 几乎不可能进入和操作。AWES 系统能够在更高的海拔收集更强的风，将成为内陆更远地区风力发电的经济高效的解决方案，具有强烈的风切变效应(风速随海拔升高而增加)。
在 2030 年代，Ampyx Power 打算为陆上和海上的公用事业规模能源生产制造更大的系统(AP-5、AP-6)。这些系统将被设计成以比当前传统可再生能源更低的成本发电。
免责声明：本文由用户上传，如有侵权请联系删除！