Technologie

.

In hogere luchtlagen is genoeg wind om de wereld te voorzien van stroom, maar met welke technologie kunnen we dit potentieel het beste benutten?

Ampyx Power ontwikkelt een Airborne Wind Energy Systeem (AWES) met een vliegtuig aan een kabel, dat wind op grotere hoogte omzet in elektriciteit. Het doel van ons Airborne Wind Energy Systeem (AWES) is om de constantere en hardere wind te oogsten die in hogere luchtlagen te vinden is. We beginnen waar conventionele windturbines eindigen en gebruiken bovendien veel minder materiaal. We vervangen grote hoeveelheden beton en staal met state-of-the-art technologie. Bekijk deze video om te zien hoe het werkt.

"Our vision? To create innovative, elegant technology to harvest untapped energy sources for a sustainable future."

Richard RuiterkampOprichter en CEO Ampyx Power

HOE WERKT HET?

Het vliegtuig vliegt autonoom aan een kabel die verbonden is aan een generator op de grond. Het toestel beweegt in een patroon op een hoogte tot max. 450 meter. Als het toestel beweegt, trekt het hard aan de kabel waardoor de generator gaat draaien. Als de kabel geheel is uitgetrokken maakt het toestel automatisch een duikvlucht en wordt de kabel opgerold. Vervolgens beweegt het toestel weer in z’n patroon en herhaalt het proces zich. Het energieverbruik bij het inrollen van de kabel is een fractie van de energie die geproduceerd wordt tijdens het uitrollen.

Het toestel start, vliegt en landt zelfstandig vanaf een platform met behulp van allerlei sensoren die de autopiloot voorzien van essentiële informatie om de taken veilig uit te voeren.

Ampyx Power heeft de specifieke luchtvaartkennis in huis om autonome vliegtoestellen te bouwen.  Bijvoorbeeld de algoritmen waarmee de automatische piloot is uitgerust. De vele regels software die zijn geschreven om het toestel volledig autonoom te laten vliegen, houden rekening met de veranderingen in de omstandigheden die de tientallen sensoren aangeven. Zo kan in milliseconden worden bijgestuurd en kan het eindeloos zijn patroon vliegen.

PROTOTYPE AP3 EN COMMERCIEEL SYSTEEM AP4

Na drie generaties prototypes (AP0-AP2) zijn we in 2017 gestart met de productie van prototype AP3. Dit prototype is ontworpen om de veiligheid en de autonome werking van ons systeem aan te tonen. Bij de AP4, het daaropvolgende grotere systeem, zal de nadruk liggen op stroomopwekking waarbij we  zullen toewerken naar een vermogen van 2-4 MW. AP4 zal worden ingezet in de vervangingsmarkt. Dit systeem gaat windturbines met vergelijkbare capaciteit vervangen die vanaf het begin van deze eeuw zijn gebouwd en nu aan vervanging toe zijn.

Vleugel van 12 meter spanwijdte in productie

AP3

Om de veiligheid en autonome werking van AP3 aan te tonen werken we toe naar een 24/7 automatische werking zonder menselijke tussenkomst. De volledige cyclus wordt geautomatiseerd: lancering, stroomopwekking, landing, herpositionering en herlancering. Inclusief een veilige, geautomatiseerde anticipatie op afwijkende omstandigheden, zoals het wegvallen van de wind of een storing in een van de systemen. We zullen geleidelijk de te certificeren software en besturingsalgoritmes ontwikkelen. AP3 zal veilig landen als de kabel breekt of als een actuator van een bedieningsvlak vast komt te zitten. De automatische landing moet heel precies zijn: binnen enkele meters van het doelwit. Op deze manier kunnen we met een zeer klein landingsplatform werken. We gaan AP3 testen in Ierland, op een locatie die we samen met E-ON ontwikkelen. Daar bouwen we AP3 vlieguren op om de avionics te bewijzen. Uiteindelijk zullen we ’s nachts, bij extreem weer en dagen achtereen met AP3 vliegen. We streven ernaar om voldoende uren te maken om uitgebreid ervaring op te doen met zowel de werking als het onderhoud van het systeem.

Het vliegtuig van AP3 heeft twee rompen in plaats van één en is een gepatenteerd concept. Het vliegtuig wordt bestuurd met behulp van de kabel, en met behulp van roeren zoals bij een normaal vliegtuig ook gebruikelijk is. De twee rompen hebben meerdere voordelen; ze bieden voldoende ruimte om de electronica, sensoren, landingsgestellen en propulsiesystemen te huisvesten; en de dubbele romp zorgt ervoor dat er voldoende ruimte is om te manoeuvreren aan de kabel. De kabel is in het midden, het zwaartepunt, bevestigd. Ook kan de aandrijving die nodig is voor het stijgen vlak na de lancering over beide rompen worden verdeeld. De twee propellers zijn overigens alleen nodig wanneer het vliegtuig aan de kabel opstijgt. Het kan in overige toestanden met slechts één propeller landen. De aandrijving is niet actief tijdens de stroomopwekking of tijdens een normale landing.

In tegenstelling tot een normaal vliegtuig dat mensen of vracht vervoert, is onze vleugel geoptimaliseerd voor vermogen. Het ontwerp genereert een enorme lift die gelijk is aan twaalf keer de massa van het vliegtuig (4200 kg kracht). Dit is nodig om een grote kracht in de kabel te genereren. De vleugel heeft een carbon ligger en de vleugelhuiden zijn gemaakt van glasvezel. De vleugel kan dankzij een hele sterke ligger tegen impactschade, zelfs punctuur, zonder zijn funtionaliteit te verliezen (denk bijvoorbeeld aan de impact van zware hagel). De structuur van het vliegtuig is ontworpen voor een oneindige levensduur, zelfs na oppervlakkige schade.

De horizontale staart tussen de rompen is volledig beweeglijk. Dit is van belang voor een optimale besturing en zorgt voor voldoende pitch control tijdens de landing (neus naar beneden/neus omhoog), zelfs als de wind plotseling zou wegvallen.

 

Het landingsgestel bestaat uit vier intrekbare poten met schokdempers. Het is ontworpen om te kunnen landen op het platform of op een testveld.

Het vliegtuig is zelfsturend in alle weersomstandigheden en zelfs in geval van storingen. Vele regels software zorgen ervoor dat het vliegtuig volledig automatisch kan vliegen terwijl het reageert op veranderingen die door talrijke sensoren worden aangegeven. Aanpassingen kunnen binnen enkele milliseconden worden gemaakt, zodat het vliegtuig continu in zijn patroon kan vliegen. De autopiloot maakt gebruik van een driedubbele redundante boordcomputer die is ontwikkeld volgens de strenge veiligheidseisen in de burgerluchtvaart. Elke computer is aangesloten op een aparte set sensoren en heeft een real-time besturingssysteem met twee partities met elk een onafhankelijk ontwikkelde code. De hoofdcode zorgt voor nominaal gedrag en detecteert en herstelt systeemfouten. Een back-up landingsalgoritme draait continu parallel om de hoofdcode over te nemen als de hoofdcode om de een of andere reden zou haperen. De drone computers communiceren met het lanceer- en landsysteem en bepalen de dynamiek van de lier. Deze architectuur maakt het mogelijk om een veiligheids- en betrouwbaarheidsniveau te bereiken dat het niveau van de commerciële luchtvaart benadert.

De kabel blijft bij alle normale werkzaamheden en de meeste onvoorziene omstandigheden aan de drone vastzitten. De kabel is gemaakt van Dyneema DM20, een kruipbestendige versie. Het onderste deel dat wordt op- en afgerold slijt het meest en zal eenmaal per jaar worden vervangen. Het bovenste deel heeft minder te verduren. Het is daarom dunner om de luchtweerstand te verminderen en zal om de 5 jaar worden vervangen. Het is gecoat voor minimale slijtage en is voorzien van een geluiddempende ribbelstructuur.

De kabel wordt om een composiet trommel gewikkeld die gaat draaien wanneer het vliegtuig beweegt. De lier bevat een spoelmechanisme dat ervoor zorgt dat de kabel geordend op en van de trommel wordt gespoeld. De motor/generatorcombinatie is verantwoordelijk voor de efficiënte omzetting van de kabelspanning in elektriciteit tijdens de uitrolfase en voor de efficiënte reel-in van de kabel tijdens de inrolfase. Tijdens de reel-in fase glijdt het vliegtuig richting de generator. Het inrollen verbruikt slechts 1% van het opgewekte vermogen. De generator is ontworpen om de afremming te minimaliseren en de omvang te beperken tot wat strikt noodzakelijk is. De generator zet de stroom om en plaatst deze op het elektriciteitsnet.

 

Een energieopslagsysteem zorgt ervoor dat er geen stroom uit het net hoeft te worden opgenomen voor het oprollen. Als de wind een kritische waarde overschrijdt, wordt er een vermogensbegrenzingsalgoritme geactiveerd tussen de drone en de lier die de trek aan de kabel vermindert om de opgewekte stroom binnen de grenzen van de back-end elektronica te houden.

De lancering is identiek aan een zweefvliegtuiglanceerlier. Het vliegtuig wordt door een katapult in de wind gelanceerd en landt ook in de wind. Daarom moet het platform met de windrichting mee kunnen draaien. Voor de landing heeft Ampyx Power een compleet nieuwe aanpak ontworpen. Met deze gepatenteerde aanpak hoeft het platform slechts 20 meter lang te zijn. De drone zal bijna horizontaal naar beneden glijden om te landen, maar heeft niet tot doel om op het platform te landen. Het zal eroverheen vliegen. Vlak voordat de drone over de deckrand vliegt, vertraagt de lier.  De lier vangt tegelijkertijd de kabel op en houdt deze strak om de drone af te remmen. De kabel haakt in een katrol die over een rails schuift, en een veer indrukt. Op deze manier wordt de kinetische energie van de drone afgevoerd en valt de drone verticaal op het platform. Het landingsgestel absorbeert de impact. Na de landing wordt de lier gebruikt om het vliegtuig met behulp van geleiderails in het landingsdek terug te trekken naar de lanceerpositie om het vervolgens automatisch, zonder menselijke tussenkomst, te herpositioneren voor de volgende lancering. Van de drone wordt verwacht dat hij slechts één keer in de paar dagen landt, bijvoorbeeld als het een tijdje windstil is.

In welke markt kan dit systeem worden toegepast?

Markten