高空风力发电

高空风力发电
能源和环境是当今人类面临的两大问题．目前，化石燃料是人类生产、生活的主要能源．随着全球能源使用量的增长及不科学使用，化石燃料等不可再生能源将日益枯竭，并对环境产生严重影响．不可再生能源将日趋枯竭．世界各国人民的节能意识也日趋增强，科学家也在开发新能源、研制节能产品、提高化学能的转化效率等方面，做着积极的努力．一方面节约能源，提高能源利用率．二是开发“绿色能源”是解决能源危机的重要途径．例如太阳能、地热能、风能、海洋能、核能以及生物能等存在于自然界中的能源被称作“可再生能源”.其中，高空风力发电更是得到很多国家青睐，如果未来能大规模推广，将会解决目前的资源匮乏问题。

风能与风速的立方成正比（p = ½ρv³，ρ-空气密度，v-风速）——风速增加1倍，风能增加8倍（标准空气密度为1.225kg/m，6000米高空中的空气密度约0.644 kg/m，仅减少1倍左右），因此高空风能可高出地面上的数倍、十数倍、数十倍乃至成百上千倍。

在高空位置达到较为理想的情况下，高空风电的理论发电时间可以超过95%，年发电时间可高达8200小时以上，小功率的10兆瓦级高空风力发电系统的年发电时间也在5000小时以上。

因此，采集高空风能发电可以获得高稳定性、低发电成本的风电，这是高空风电的显著特点之一，也是高空风电相比常规风电的最显著优势之一。

高空风能是人类迄今基本上没有开发利用的新能源，这是一种储量丰裕、分布广泛的可再生清洁能源。

斯坦福大学环境和气候科学家的研究报告指出：高空中蕴藏的风能超过人类社会总需能源的100多倍。

高空风的特点是风速大，分布广，稳定性高，常年不断。

早在170多年以前，就有了高空风力发电的概念，更真正引起人们重视的是在上世纪七十年代，世界上的一次能源是有限的，总有用尽的一天，从那时开始，科学姐们不断研究二次能源，即可重复利用的能源，风能、太阳能、核能、潮汐能、地热能都走进了人们的视线。

高空风力发电的也引起了美国科学界的重视，并不断研究，有了大致的两个研究方向，并一直延续至今。

高空风力发电分为两种，一类是利用氦气球等升力作用，将发电机升到半空中，在高空中利用丰富的风能转化为机械能，机械能转化为电能，之后通过电缆传到地面电网。

该类技术路线的缺陷主要是发电功率受限制，发电机功率增加，
重量一般也会增加，升空难度加大；此外，由于系统整体较重，发电机组很难升到千米以上的高度，同时因为发电系统位于高空无法实现增压，大功率情况下势必使用大电流输电，所以必须使用直径较粗的导线。

这无疑又加大了整个系统的重量，从而限制了该类技术路线的公司设备上升高度。

气球类技术路径的风电设备升空高度多分布在300至500米的范围内。

这一技术路线的典型代表为Alta eros energies 的高空风电系统“空中浮动涡轮”(BAT)。

发电机被装在一个巨大的充氦飞艇里，上升高度约为300米左右，BAT 利用高空的高速风流，发电量比地面风力发电装置高一倍。

另一类技术路径是将发电机组固定在地面，通过巨型“风筝”在空中利用风能拉动地面发电机组，从而将风能转化为机械能，带动地面的发电机转化为电能。

从而解决电缆和发电机的自重问题。

意大利Kite Gen的MARS(Mage n Air Rotor System)系统是该类技术路线的典型代表。

MARS系统主要由高空的拖曳风筝和地面的发电设备两部分组成。

拖曳风筝和地面的风力涡轮机相连，并通过安装在发电设备上的航空感应器来控制风筝旋转的方向和路径，以最大限度带动地面涡轮机旋转并发电。

该类技术路线的最大难点在于控制发电系统的稳定性。

出于空域利用效率的原因，Kite Gen的高空单元往往采取做“∞”字形或圆周运动来收集风能。

对于控制系统而言，要不间断改变风筝的运行轨迹，除了牵涉到空中坐标(X,Y,Z)，还要改变俯仰角、倾角等共5个坐标，加之控制缆绳受空中扰流和缆绳自身延展性的影响，地面输出动作传导到空中单元往往容易“失真”，使得空中单元姿态控制难度很大。

在高空风力发电方面，中国走在了世界前列，那就是广东高高空风能技术有限公司。

广东高空风能技术有限公司采取“风筝式”技术路线，但系统设计与Kite Gen等公司有明显差异。

1、高空风能利用方式舍弃巨型“风筝”，改为伞形结构，降落伞的圆形对称结构有利于提高系统稳定性。

利用高空风能做上下运动，产生的机械能拉动地面发电机转化为电能。

空中系统只需要改变高度即可，空中控制系统存在自稳定特点，容易控制飞行姿态。

系统做功过程只是上下运动，不会有“乱跑”的问题。

简单说，广东高空风能系统是通过降落伞的上下循环往复运动实现发电。

“当伞张开的时候，在风的作用下往上升，升上去的时候做功，到了一定高度的时候，伞就会收掉。

整个过程由伞上的控制器决定。

比如我们设定3000米，他到3000米的时候就收掉，下滑到300米的时候伞就打开，上升过程中就会发电。

”张建军介绍。

目前，全球高空风电试验项目多集中在300米至500米的空域，如谷歌Mak ani Power的风筝发电机可以上升到80-350米的高度，新近准备放飞的发电机可以飞到450米高空。

而广东高空风电系统可以上升到数千米以上的高空。

2、采用伞梯组合形式，机组主要由两部分组成：空中系统和地面系统。

空中系统由多个做功伞、若干平衡伞外加飘空气球组成；地面系统主要是由发电机、卷扬机(滚筒和反向转动电机)和万向滑轮组成；伞之间、做功伞与卷扬机之间是通过轻质高强度缆绳连接。

风电系统的发电量由当天的风速决定。

理论上看，在空中系统的捕获面积(风筝的大小)一定的情况下，风速越高，功率越大，反之亦然。

这在客观上导致了风电系统功率时大时小，给电网带来了较大压力。

而伞梯组合的特点是能在任意风力环境下实现稳定功率发电。

当风力较低时，空中控制系统在上升阶段将打开全部的做功伞。

风力较大时，则只有部分做功伞被打开，从而实现任何风力环境下的稳定功率输出。

伞梯组合的形式实现了高空风电系统从“能发电”到“稳定功率发电”的突破。

此外，伞梯组合受风面积大：广东高空风电系统利用多个巨型降落伞收集风能，受风面积大，Kite Gen的风筝式收集风能方式兜风面积较小，Makni Power以涡轮叶片顶端(类似于直升机螺旋桨)的风能收集方式兜风面积更小。

广东高空风能过去五年来要解决的最大难题就是伞体控制的问题。

伞梯组合型发电系统的难点在于如何实现巨型降落伞的自由开合。

“到目前为止，很多人都不相信我们这么大的伞可以在空中实现自由开合，我们一个伞是几百平米甚至上千平米的面积，很多人认为你开了就合不上，合上了就打不开。

所以在空中巨大升力的情况下，如何灵活控制伞的开合是一个难题。

”张建军说，控制器是该公司的核心技术。

目前控制器相关的技
术已经申请计算机软件著作权并获得授权，设备已成功运行。

3、系统可模块化和规模化复制：伞梯组合功率扩容相对“风筝式”更加容易，只需要增加每组伞梯组合中的做功伞数量就可以提高发电功率，同时可以采取四组到十几组伞梯系统同时牵引地面机组的配置，规模复制能力强。

而谷歌Mak a i Power的“风筝式”风电系统为提高发电功率，需要进一步增加风力涡轮机的机翼面积以安装更多的螺旋桨，他们从翼长8.5米到今年增加至25.6米，耗时三年时间。

广东高空风能的商业化则走在了所有高空风电公司前面，车载式高空风能发电系统已完成开发并实现了长时间复杂天气状况下的发电。

位于芜湖的首个地面型电站—2.5兆瓦试验电站(400MW项目的前期试验机组)项目目前厂房建设、设备安装基本完成，400MW的电站项目规划也将浮出水面。

从近年来的多次实验获得的数据测算，公司高空风电技术商业化之后度电成本有继续下降的潜力，可以达到远低于0.3元的水平，芜湖新厂建设好之后，为进一步保证系统的稳定性，公司将自主生产控制器、降落伞等关键设备。

此外，在空域方面，项目所在地的空域已经多次获得军方批准的使用权，未来将根据项目的运行稳定程度进一步延长时限。

低空空域管理改革自去年以来，有加速迹象，1000米以下低空空域飞行有望全面放开，制约高空风电发展的因素将进一步消除。

虽然发展前景良好，但是短时间是不可能进行商业化推广的，目前还不够成熟，主要限制高空风力发电有两个主要因素。

一是高空风能收集、转换所需要的耐磨、耐化学腐蚀、抗紫外辐射的轻质高强度材料难以获得。

虽然全球市场上已经能提供上述所需的材料，但材料的特性却有待进一步检验验证；二是保证空中部分稳定性的控制技术一直没有突破。

目前高空风能发电的主流技术是风筝型发电系统。

在这种系统中，风筝作为风能采集器将高空风能转化为机械能，同时，风筝还是平衡器，保持系统稳定。

但这种系统的最大问题就是，平衡运动与做功运动相互耦合、相互影响，很难设计出平衡与做功的最佳控制模式，系统复杂，持续性和稳定性难以保障。

化石能源在地球的储量最多还有200年的使用寿命，一次能源终有用尽的一天。

这也就是各国积极研究二次能源的原因。

高空风力发电的潜能是无尽的，如果以上所述的因素能够解决，能够商业化，这项技术必将得到大力推广，造福人类。