文/席淑靜(領(lǐng)能知道)

　　過(guò)去兩年時(shí)間，在美國(guó)、歐洲涌現(xiàn)了一批研發(fā)高空風(fēng)電技術(shù)的公司，撇開(kāi)成立時(shí)間較早的Makani Power、KiteGen不談，新近涌現(xiàn)的公司有三四十家之多，經(jīng)粗略統(tǒng)計(jì)，高空風(fēng)能發(fā)電公司全球已經(jīng)有50家。

高空風(fēng)電

　　酷炫的高空風(fēng)電公司全球已經(jīng)有50家

　　過(guò)去兩年時(shí)間，在美國(guó)、歐洲涌現(xiàn)了一批研發(fā)高空風(fēng)電技術(shù)的公司，撇開(kāi)成立時(shí)間較早的Makani Power、KiteGen不談，新近涌現(xiàn)的公司有三四十家之多，經(jīng)粗略統(tǒng)計(jì)，高空風(fēng)能發(fā)電公司全球已經(jīng)有50家。

　　大多數(shù)人對(duì)高空風(fēng)電技術(shù)都很陌生。2013年谷歌[微博]首次以Google X為名宣布收購(gòu)空中風(fēng)力渦輪發(fā)電設(shè)備公司Makani Power，高空風(fēng)電技術(shù)引起了小范圍的公眾關(guān)注。但就像谷歌眼鏡、谷歌Wifi熱氣球計(jì)劃一樣，科技發(fā)燒友認(rèn)為，高空風(fēng)電從技術(shù)走向商業(yè)化還需要很長(zhǎng)時(shí)間。

谷歌收購(gòu)的Makani Power公司設(shè)計(jì)的空中風(fēng)力渦輪發(fā)電設(shè)備

　　可能改變世界的能源技術(shù)

　　歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的資本源源不斷在高空風(fēng)能發(fā)電技術(shù)上燒錢(qián)，主要是因?yàn)楦呖诊L(fēng)能發(fā)電優(yōu)勢(shì)明顯，很有可能是改變世界的能源技術(shù)：

　　高空的風(fēng)能密度是低空風(fēng)能的十倍至百倍。利用風(fēng)能發(fā)電，需要考慮項(xiàng)目所在地的風(fēng)能密度，風(fēng)能密度低于200瓦/平方米，則不適宜發(fā)展風(fēng)電。隨著海拔提高，優(yōu)質(zhì)空域的風(fēng)能密度可以達(dá)到2000瓦/平方米。如果進(jìn)一步上升到萬(wàn)米高空，風(fēng)能密度是百米空域的百倍。

　　以湖北宜昌某地2000年1月1日的風(fēng)能數(shù)據(jù)為例，高度131米時(shí)，風(fēng)速1米/秒，風(fēng)能密度為0.64瓦/平方米，不具備開(kāi)發(fā)價(jià)值；但當(dāng)高度達(dá)到3000米以上時(shí)，風(fēng)速會(huì)從百米高度的1米/秒提高到11米/秒，風(fēng)能密度提高到627瓦/平方米，具有較高的開(kāi)發(fā)價(jià)值。

　　高空風(fēng)能由于密度高、設(shè)備輕量化、年利用小時(shí)數(shù)提高，理論上講，風(fēng)電效益會(huì)顯著高于低空風(fēng)電項(xiàng)目。因此，2013全球風(fēng)能理事會(huì)已經(jīng)做出預(yù)測(cè)，認(rèn)為高空風(fēng)能是新一代的新能源技術(shù)，高空風(fēng)能可在不同程度上消除現(xiàn)有新能源技術(shù)的缺點(diǎn)，且具有新的優(yōu)點(diǎn)，將部分代替目前巨額的傳統(tǒng)風(fēng)能市場(chǎng)，是新能源領(lǐng)域的投資熱點(diǎn)和發(fā)展方向。

　　高空風(fēng)能與我國(guó)的用電格局存在著天然的匹配。美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心曾對(duì)全球的風(fēng)能密度做過(guò)嚴(yán)密測(cè)算，顯示我國(guó)的傳統(tǒng)風(fēng)能資源(100米)主要分布在內(nèi)蒙、吉林、新疆和東南沿海較為狹窄的部分地區(qū)。這些地區(qū)與經(jīng)濟(jì)中心距離較遠(yuǎn)，造成了發(fā)電單位與用電單位地理位置不匹配(其它火電、水電等傳統(tǒng)能源亦有類似的問(wèn)題)。

　　由于我國(guó)特殊的地理環(huán)境，當(dāng)高度超過(guò)500米后，風(fēng)能密集地區(qū)便逐漸向東南沿海移動(dòng)，在3000米到1000米范圍內(nèi)，高空風(fēng)能資源最密集的區(qū)域正好集中在華東、華中、華南等經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)地區(qū)，如果高空風(fēng)能可以大規(guī)模收集利用，則無(wú)需耗費(fèi)巨資建設(shè)長(zhǎng)距離、大容量的輸電通道。

　　高空風(fēng)電全球進(jìn)入技術(shù)賽跑期

　　全球50多家公司投入巨資研發(fā)高空風(fēng)電，技術(shù)路線不一，但總的來(lái)說(shuō)高空風(fēng)能技術(shù)分為兩大類：

　　一類是利用氦氣球等升力作用，將發(fā)電機(jī)升到半空中，在高空中利用豐富的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，之后通過(guò)電纜傳到地面電網(wǎng)。

　　該類技術(shù)路線的缺陷主要是發(fā)電功率受限制，發(fā)電機(jī)功率增加，重量一般也會(huì)增加，升空難度加大；此外，由于系統(tǒng)整體較重，發(fā)電機(jī)組很難升到千米以上的高度，同時(shí)因?yàn)榘l(fā)電系統(tǒng)位于高空無(wú)法實(shí)現(xiàn)增壓，大功率情況下勢(shì)必使用大電流輸電，所以必須使用直徑較粗的導(dǎo)線。這無(wú)疑又加大了整個(gè)系統(tǒng)的重量，從而限制了該類技術(shù)路線的公司設(shè)備上升高度。氣球類技術(shù)路徑的風(fēng)電設(shè)備升空高度多分布在300至500米的范圍內(nèi)。

　　這一技術(shù)路線的典型代表為Altaeros energies 的高空風(fēng)電系統(tǒng)“空中浮動(dòng)渦輪”(BAT)。發(fā)電機(jī)被裝在一個(gè)巨大的充氦飛艇里，上升高度約為300米左右，BAT 利用高空的高速風(fēng)流，發(fā)電量比地面風(fēng)力發(fā)電裝置高一倍。

　　另一類技術(shù)路徑是將發(fā)電機(jī)組固定在地面，通過(guò)巨型“風(fēng)箏”在空中利用風(fēng)能拉動(dòng)地面發(fā)電機(jī)組，從而將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，帶動(dòng)地面的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能。從而解決電纜和發(fā)電機(jī)的自重問(wèn)題。

　　意大利KiteGen的MARS(Magenn AirRotor System)系統(tǒng)是該類技術(shù)路線的典型代表。MARS系統(tǒng)主要由高空的拖曳風(fēng)箏和地面的發(fā)電設(shè)備兩部分組成。拖曳風(fēng)箏和地面的風(fēng)力渦輪機(jī)相連，并通過(guò)安裝在發(fā)電設(shè)備上的航空感應(yīng)器來(lái)控制風(fēng)箏旋轉(zhuǎn)的方向和路徑，以最大限度帶動(dòng)地面渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)并發(fā)電。

　　該類技術(shù)路線的最大難點(diǎn)在于控制發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。出于空域利用效率的原因，KiteGen的高空單元往往采取做“∞”字形或圓周運(yùn)動(dòng)來(lái)收集風(fēng)能。對(duì)于控制系統(tǒng)而言，要不間斷改變風(fēng)箏的運(yùn)行軌跡，除了牽涉到空中坐標(biāo)(X,Y,Z)，還要改變俯仰角、傾角等共5個(gè)坐標(biāo)，加之控制纜繩受空中擾流和纜繩自身延展性的影響，地面輸出動(dòng)作傳導(dǎo)到空中單元往往容易“失真”，使得空中單元姿態(tài)控制難度很大。

　　公司將大量的精力投入到軟件控制方面，KiteGen公司曾經(jīng)一度有200多人的軟件團(tuán)隊(duì)。而KiteGen早期的發(fā)電實(shí)驗(yàn)，往往在空中運(yùn)行幾分鐘之后就無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)了。至今，KiteGen空中單元控制方面的問(wèn)題也沒(méi)有很好的解決。

　　高空風(fēng)電中國(guó)制造

　　在高空風(fēng)電這一前沿領(lǐng)域，一家中國(guó)公司跑在了所有企業(yè)前面。 2009年，張建軍、鄒南之等人從美國(guó)回到中國(guó)，在廣州成立了廣東高空風(fēng)能技術(shù)有限公司，是亞洲第一家從事高空風(fēng)電技術(shù)研發(fā)的公司。雖然成立時(shí)間晚于Makani Power、KiteGen等公司，但張建軍他們走了一條不同的技術(shù)路線，成功實(shí)現(xiàn)彎道超車。目前，廣東高空風(fēng)能技術(shù)有限公司首個(gè)400MW高空風(fēng)能項(xiàng)目進(jìn)入籌備期，蕪湖2.5兆瓦試驗(yàn)電站項(xiàng)目(400MW項(xiàng)目的前期試驗(yàn)機(jī)組)廠房建設(shè)、設(shè)備安裝基本完成。

　　盡管歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家有多家公司都在積極研發(fā)高空風(fēng)電技術(shù)，其中不乏谷歌、NASA等實(shí)力金主供血，但作為商業(yè)化起跑線上的第一人，張建軍十分自信�！拔覀儾粨�(dān)心國(guó)外的競(jìng)爭(zhēng)，因?yàn)槲覀冇忻黠@的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。”

　　廣東高空風(fēng)能技術(shù)有限公司采取“風(fēng)箏式”技術(shù)路線，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)與KiteGen等公司有明顯差異。

　　1、 高空風(fēng)能利用方式舍棄巨型“風(fēng)箏”，改為傘形結(jié)構(gòu)，降落傘的圓形對(duì)稱結(jié)構(gòu)有利于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。利用高空風(fēng)能做上下運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的機(jī)械能拉動(dòng)地面發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能。空中系統(tǒng)只需要改變高度即可，空中控制系統(tǒng)存在自穩(wěn)定特點(diǎn)，容易控制飛行姿態(tài)。系統(tǒng)做功過(guò)程只是上下運(yùn)動(dòng)，不會(huì)有“亂跑”的問(wèn)題。

　　簡(jiǎn)單說(shuō)，廣東高空風(fēng)能系統(tǒng)是通過(guò)降落傘的上下循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)發(fā)電�！爱�(dāng)傘張開(kāi)的時(shí)候，在風(fēng)的作用下往上升，升上去的時(shí)候做功，到了一定高度的時(shí)候，傘就會(huì)收掉。整個(gè)過(guò)程由傘上的控制器決定。比如我們?cè)O(shè)定3000米，他到3000米的時(shí)候就收掉，下滑到300米的時(shí)候傘就打開(kāi)，上升過(guò)程中就會(huì)發(fā)電�！睆埥ㄜ娊榻B。

　　目前，全球高空風(fēng)電試驗(yàn)項(xiàng)目多集中在300米至500米的空域，如谷歌Makani Power的風(fēng)箏發(fā)電機(jī)可以上升到80-350米的高度，新近準(zhǔn)備放飛的發(fā)電機(jī)可以飛到450米高空。而廣東高空風(fēng)電系統(tǒng)可以上升到數(shù)千米以上的高空。

　　2、 采用傘梯組合形式，機(jī)組主要由兩部分組成：空中系統(tǒng)和地面系統(tǒng)。空中系統(tǒng)由多個(gè)做功傘、若干平衡傘外加飄空氣球組成；地面系統(tǒng)主要是由發(fā)電機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)(滾筒和反向轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī))和萬(wàn)向滑輪組成；傘之間、做功傘與卷?yè)P(yáng)機(jī)之間是通過(guò)輕質(zhì)高強(qiáng)度纜繩連接。

　　風(fēng)電系統(tǒng)的發(fā)電量由當(dāng)天的風(fēng)速?zèng)Q定。理論上看，在空中系統(tǒng)的捕獲面積(風(fēng)箏的大小)一定的情況下，風(fēng)速越高，功率越大，反之亦然。這在客觀上導(dǎo)致了風(fēng)電系統(tǒng)功率時(shí)大時(shí)小，給電網(wǎng)帶來(lái)了較大壓力。

　　而傘梯組合的特點(diǎn)是能在任意風(fēng)力環(huán)境下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定功率發(fā)電。當(dāng)風(fēng)力較低時(shí)，空中控制系統(tǒng)在上升階段將打開(kāi)全部的做功傘。風(fēng)力較大時(shí)，則只有部分做功傘被打開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)任何風(fēng)力環(huán)境下的穩(wěn)定功率輸出。 傘梯組合的形式實(shí)現(xiàn)了高空風(fēng)電系統(tǒng)從“能發(fā)電”到“穩(wěn)定功率發(fā)電”的突破。

　　此外，傘梯組合受風(fēng)面積大：廣東高空風(fēng)電系統(tǒng)利用多個(gè)巨型降落傘收集風(fēng)能，受風(fēng)面積大，KiteGen的風(fēng)箏式收集風(fēng)能方式兜風(fēng)面積較小，Makani Power以渦輪葉片頂端(類似于直升機(jī)螺旋槳)的風(fēng)能收集方式兜風(fēng)面積更小。

　　廣東高空風(fēng)能過(guò)去五年來(lái)要解決的最大難題就是傘體控制的問(wèn)題。傘梯組合型發(fā)電系統(tǒng)的難點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)巨型降落傘的自由開(kāi)合�！暗侥壳盀橹梗�很多人都不相信我們這么大的傘可以在空中實(shí)現(xiàn)自由開(kāi)合，我們一個(gè)傘是幾百平米甚至上千平米的面積，很多人認(rèn)為你開(kāi)了就合不上，合上了就打不開(kāi)。

　　所以在空中巨大升力的情況下，如何靈活控制傘的開(kāi)合是一個(gè)難題。”張建軍說(shuō)，控制器是該公司的核心技術(shù)。目前控制器相關(guān)的技術(shù)已經(jīng)申請(qǐng)計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)并獲得授權(quán)，設(shè)備已成功運(yùn)行。

　　3、 系統(tǒng)可模塊化和規(guī)�；瘡�(fù)制：傘梯組合功率擴(kuò)容相對(duì)“風(fēng)箏式”更加容易，只需要增加每組傘梯組合中的做功傘數(shù)量就可以提高發(fā)電功率，同時(shí)可以采取四組到十幾組傘梯系統(tǒng)同時(shí)牽引地面機(jī)組的配置，規(guī)模復(fù)制能力強(qiáng)。而谷歌Makani Power的“風(fēng)箏式”風(fēng)電系統(tǒng)為提高發(fā)電功率，需要進(jìn)一步增加風(fēng)力渦輪機(jī)的機(jī)翼面積以安裝更多的螺旋槳，他們從翼長(zhǎng)8.5米到今年增加至25.6米，耗時(shí)三年時(shí)間。

　　通過(guò)以上一系列革命性的設(shè)計(jì)，傘梯系統(tǒng)具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：

　　1、理論時(shí)間發(fā)電時(shí)間可以超過(guò)95%。年發(fā)電時(shí)間可高達(dá)6500小時(shí)以上，對(duì)比傳統(tǒng)風(fēng)電全年滿負(fù)荷發(fā)電小時(shí)數(shù)只有2300小時(shí)有明顯的改善。雖然高空風(fēng)電與普通風(fēng)電在電站投資上并沒(méi)有節(jié)省太多，但由于發(fā)電時(shí)間和穩(wěn)定性高于普通風(fēng)能，高空風(fēng)電的度電成本不僅秒殺普通風(fēng)電，甚至可以超過(guò)火電，廣東高空風(fēng)能的度電成本低于0.3元。

　　2、地面系統(tǒng)集中，高空風(fēng)能占地面積遠(yuǎn)小于其他新能源技術(shù)。以100兆瓦發(fā)電能力為例，高空風(fēng)電、海上傳統(tǒng)風(fēng)電、陸上傳統(tǒng)風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電占地面積分別為100畝、 320畝、 350畝、4000畝。

　　3、無(wú)需遠(yuǎn)距離輸電：當(dāng)高度上升到500米后，中國(guó)絕大部分區(qū)域的風(fēng)能具備商業(yè)開(kāi)發(fā)價(jià)值，因此，高空風(fēng)電基本不受地域限制。高空風(fēng)能資源條件優(yōu)異的地方同時(shí)也是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地方。

　　目前，Makani Power最新的風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)電功率為600千瓦(0.6MW)，Altaeros energies公司研發(fā)的高空風(fēng)電系統(tǒng)“空中浮動(dòng)渦輪”(BAT)發(fā)電功率為100千瓦(0.1MW)，更適宜于為偏遠(yuǎn)地區(qū)提供工作生活用電，難以建設(shè)大型集中電站。

　　廣東高空風(fēng)能的商業(yè)化則走在了所有高空風(fēng)電公司前面，車載式高空風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)已完成開(kāi)發(fā)并實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)間復(fù)雜天氣狀況下的發(fā)電。位于蕪湖的首個(gè)地面型電站—2.5兆瓦試驗(yàn)電站(400MW項(xiàng)目的前期試驗(yàn)機(jī)組)項(xiàng)目目前廠房建設(shè)、設(shè)備安裝基本完成，400MW的電站項(xiàng)目規(guī)劃也將浮出水面。

　　張建軍稱，從近年來(lái)的多次實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)測(cè)算，公司高空風(fēng)電技術(shù)商業(yè)化之后度電成本有繼續(xù)下降的潛力，可以達(dá)到遠(yuǎn)低于0.3元的水平，蕪湖新廠建設(shè)好之后，為進(jìn)一步保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，公司將自主生產(chǎn)控制器、降落傘等關(guān)鍵設(shè)備。

　　此外，在空域方面，項(xiàng)目所在地的空域已經(jīng)多次獲得軍方批準(zhǔn)的使用權(quán)，未來(lái)將根據(jù)項(xiàng)目的運(yùn)行穩(wěn)定程度進(jìn)一步延長(zhǎng)時(shí)限。低空空域管理改革自去年以來(lái)，有加速跡象，1000米以下低空空域飛行有望全面放開(kāi)，制約高空風(fēng)電發(fā)展的因素將進(jìn)一步消除。

　　風(fēng)箏是我國(guó)一項(xiàng)古老的發(fā)明，春秋時(shí)期，魯班制木鳶以窺宋城，以科技顛覆了力量的格局。在當(dāng)代中國(guó)科技人手里，這一古老的發(fā)明又能否另一次改變世界能源格局呢？中國(guó)高空能源展翅高飛還需要相關(guān)部門(mén)在空域管理、并網(wǎng)發(fā)電及后期的產(chǎn)業(yè)化方面給予更多的政策支持和鼓勵(lì)，讓中國(guó)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)真正引領(lǐng)世界。

　　(本文作者介紹：領(lǐng)能知道（微信號(hào)：Eknower）微信運(yùn)營(yíng)者；關(guān)注領(lǐng)域：能源。)