公司将使用系留无人机发电

当想到风力发电时，大多数人都会想象出一系列巨大的风力涡轮机，每个风力涡轮机都像 20 层楼高一样高，叶片平均长度约为 210 英尺。

然而，北卡罗来纳州达勒姆的一家初创公司正在开发一种系统，该系统采用翼展 12 英尺的系留无人机，通过一系列连续的 8 字形循环飞行，能够产生足够的电力来为普通大小的房屋供电。

根据与美国国防部签订的一份价值 3000 万美元的合同，Windlift 正在北卡罗来纳州的两个机场进行试飞。Windlift 首席运营官 Sean Meyer 在接受采访时表示，一旦该技术得到验证，公司官员希望开始签订合同，以便使用更大的无人机推出商业应用。

“我们拥有的是一种系留式自主无人机，它可以按飞行模式飞行，从风中获取能量。我们逆风飞行，转子根据飞行模式中的需要交替进行推力和阻力，”迈耶说。

尽管该公司目前的重点是完善可产生能量的轻型系留无人机的开发，但 Windlift 创始人兼首席执行官 Rob Creighton 在 2006 年创立该公司时对驾驭风能有着不同的愿景。

“他从风筝开始，试图利用风力完成各种任务，”迈耶说。“当他最初组装东西时，它本质上只是一个风筝，由一根曲棍球棒操纵，挂在秋千上，用来举起沙袋。它的目的是在电力不太可行的地区抽水。”

克雷顿最终于 2019 年开发了系留无人机概念，并与国防部签订了一份无限期交付/无限数量的政府合同，这为这家初创公司提供了启动发电无人机试点测试计划所需的资金。

尽管 Windlift 公司的官员设想最终将在海上安装一批发电无人机，这些无人机将拴在海上平台上，因为海上的风比陆地上吹得更稳定，但该公司最初是在陆上验证这项技术，然后再进入海洋环境。

Windlift 已选定两处机场进行试飞，一处是北卡罗来纳州立大学 (NCSU) 巴特纳肉牛现场实验室，位于达勒姆以北约 15 英里处；另一处是金斯顿区域喷气机场，这是一座公共机场，位于达勒姆东南约 50 英里处。

北卡罗来纳州立大学的设施包括一个旧的农作物喷洒机场，Windlift 在那里飞行。“有时奶牛会四处游荡，观察它们的反应很有趣。起初，它们非常好奇，但之后它们就会回去吃草，”迈耶说。

他说，尽管北卡罗来纳州立大学的基地距离公司总部稍近，但金斯顿机场“风力更好”。“我们倾向于在低风环境中在巴特纳测试一些东西，比如控制变化、结构变化，只是为了确保一切正常运转。然后我们会把它带到金斯顿进行发电测试。”

该公司使用的无人机由轻质但坚固的碳纤维材料制成。安装发动机后，无人机重约 25 至 30 磅。无人机通过双向电力系绳连接到地面站，地面站配有电力接收设备、绞盘和电池。

在 Windlift 的系统中，自动无人机被编程为按照类似于数字 8 或无穷大符号的模式飞行。“您正在侧风飞行。发生的事情基本上就像是让帆船转向，您将机翼定位为有点像船帆迎风转向，然后推动飞机按照模式飞行，”迈耶说。

在飞行模式的某个阶段，旋翼必须提供推力，推动飞机前进。然后，根据机翼的大小，在某个点，风本身可以开始推动飞机完成整个飞行模式。

“你系上了绳索，在某个时刻，你到达了绳索的边缘，再加上惯性，你就会俯冲。你现在正在俯冲，风把你推向前方，旋翼从推力转换为阻力，这时你会让飞机减速，就像特斯拉的再生制动一样，”迈耶说。

这些操作会产生净能量，这些能量会通过系绳以电能的形式传送出去。无人机完全自主飞行，其系统包括一个自学习、重复控制器。控制器会不断评估无人机在天空中的位置以及周围的风向，并确定最佳飞行轨迹以实现最大发电量。

公司希望生产更大的无人机以用于商业市场

根据国防部的合同，一架翼展 12 英尺的无人机将被设计为额定功率为 3 千瓦的系统的一部分，用作前沿作战阵地的便携式发电源。除了为国防部设计的系统之外，Windlift 还在设计一个 75 千瓦的系统，该系统将使用翼展 40 英尺的无人机，可用于商业发电应用。

“我们使用一个非常先进的专有全物理模拟环境来扩大规模。我们非常有信心，40 英尺长的机翼将按照我们预期的方式运行，”迈耶说。他说，该公司正在寻求私人资金，这将使其能够建造一个比仅靠国防部合同能够完成的更大的项目。

该公司选择专注于翼展为 40 英尺而不是更长的无人机的原因之一是物理学的平方立方定律，该定律指出，当物体尺寸增大时，其体积与其长度的立方成比例增加，而其表面积仅与其长度的平方成比例增加。这意味着，由于重量与其尺寸成比例，翼展超过 40 英尺的无人机发电效率会降低。

Meyer 表示，选择 40 英尺长度的另一个原因是便携性。“你可以将其中一个装进 40 英尺的集装箱中。因此，从本质上讲，它仍然非常便携，”他说。“40 英尺集装箱的占地面积较小，而且系统具有移动性，因此部署起来既简单又便宜。”

该公司一直在研究与微电网公司合作的可行性，使用更大型的无人机来补充太阳能电池阵列，为农业应用供电。

“我们相信，这将带来最大的商业机会，”迈耶说。“而且，我们还可以将此系统扩展用于海上或淡水中。”

目前，其试点项目中使用的无人机价格相对较高，但 Windlift 预计，一旦公司开始商业化生产其产品，单价就会下降。

“当然，现在它们更贵，因为我们把它们当成超级跑车来制造，对吧？就像布加迪。我们手工铺设碳纤维，逐个塑造这些东西，”他说。“但如果你考虑制造任何东西，所有东西的价格都接近制造曲线末端原材料的价格。”

他补充说，按每千瓦计算，他预计 Windlift 的技术将能够以比风力涡轮机便宜得多的速度发电，因为它的建造所需的材料减少了约 90%。