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高空風(fēng)能簡(jiǎn)介

目前我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量逐年增長(zhǎng)，但風(fēng)能的利用仍以低空風(fēng)能為主，受限于材料、工藝與建設(shè)成本等因素，目前的風(fēng)能開(kāi)發(fā)限制在近地層內(nèi)，機(jī)組離地高度均小于200m。雖然低空風(fēng)電獲得較快發(fā)展，但受季節(jié)氣候、地表環(huán)境等因素影響，往往存在分布不均、風(fēng)力不穩(wěn)定的問(wèn)題。

不同于近地面風(fēng)電，高空風(fēng)電的風(fēng)能利用高度通常在離地面300m以上，具有區(qū)域廣、儲(chǔ)量大、可再生、輸出穩(wěn)、效率高、成本低、占地少、空管限等特點(diǎn)。與近地面風(fēng)電相比，高空風(fēng)能發(fā)電技術(shù)具有以下顯著優(yōu)勢(shì)。

首先，風(fēng)能分布的區(qū)域十分廣闊，有高空的地方就有風(fēng)能。理論上，相比近地面風(fēng)能，高空風(fēng)能擁有更豐富的儲(chǔ)量，高度越高，風(fēng)能資源越豐富。地球上最強(qiáng)大的風(fēng)能存在于距離地表3000m以上的大氣對(duì)流層，風(fēng)的時(shí)速超過(guò)100km/h。

其次，高空風(fēng)能發(fā)電具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性?？拷乇淼娘L(fēng)受地形等因素影響，隨機(jī)性大；隨著海拔升高到500～15000m的高度范圍，風(fēng)的隨機(jī)性也逐漸降低，強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，流向趨于穩(wěn)定，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電不穩(wěn)定的缺陷。

再者，高空風(fēng)能發(fā)電有效降低了發(fā)電成本。據(jù)專(zhuān)家測(cè)算，10GW的高空風(fēng)能發(fā)電站僅占地1500畝，空域允許情況下能夠?qū)崿F(xiàn)每天24小時(shí)、一年365天持續(xù)發(fā)電。

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高空風(fēng)能發(fā)電的技術(shù)原理

國(guó)際可再生能源機(jī)構(gòu)（IRENA）2021年發(fā)布了機(jī)載風(fēng)能系統(tǒng)（Airbone wind energy systems operating principles，簡(jiǎn)稱(chēng)AWES）報(bào)告，對(duì)高空風(fēng)能發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了深入探討。高空風(fēng)能發(fā)電利用的主要技術(shù)形式是采用留航空器達(dá)到傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)無(wú)法達(dá)到的高度，在此高度下捕獲穩(wěn)定的風(fēng)能并將其轉(zhuǎn)化為電能。

機(jī)載風(fēng)能系統(tǒng)（AWES）兩種技術(shù)路線(xiàn)示意圖

機(jī)載風(fēng)能系統(tǒng)一般是以葉片或機(jī)翼為基礎(chǔ)，具有風(fēng)箏、或無(wú)人機(jī)的特征，通過(guò)一根或多根系繩連接地面，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電力的發(fā)電裝置。根據(jù)電力轉(zhuǎn)換裝備所處位置，它被分為兩種技術(shù)路線(xiàn)：一是通過(guò)將小型發(fā)電機(jī)安裝在風(fēng)箏或無(wú)人機(jī)機(jī)翼上，在空中發(fā)電，用系繩傳導(dǎo)電力；二是將發(fā)電機(jī)安裝在地面，以空中的風(fēng)箏或無(wú)人機(jī)拉動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

主要包括以下三方面的關(guān)鍵技術(shù)：

1）低阻輕質(zhì)系留纜繩技術(shù)

纜繩在空中隨飛行器一起運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生空氣阻力，運(yùn)動(dòng)速度越快，參與運(yùn)動(dòng)的繩子越長(zhǎng)，阻力帶來(lái)的能量消耗也越多。降低纜繩的阻力可有效提升飛行器的飛行速度和高度。目前研究思路一是減少隨飛行器運(yùn)動(dòng)的纜繩長(zhǎng)度，從而減少纜繩的阻力。二是通過(guò)對(duì)纜繩的截面形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)從而減小纜繩阻力。

2）飛行器精確動(dòng)力學(xué)建模與控制技術(shù)

飛行控制是高空風(fēng)電技術(shù)實(shí)用化面臨的主要問(wèn)題，高空風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的做功結(jié)構(gòu)在實(shí)際飛行或漂浮中，無(wú)法避免各種擾動(dòng)，如突風(fēng)、紊流等。這些擾動(dòng)會(huì)極大地干擾做功過(guò)程，導(dǎo)致飛行軌跡偏離、飛行狀態(tài)紊亂，甚至有可能發(fā)生做功結(jié)構(gòu)墜毀。而若能對(duì)飛行器姿態(tài)進(jìn)行精確實(shí)時(shí)控制，使飛行器根據(jù)飛行狀態(tài)對(duì)姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，維持升力系數(shù)最大，則可以使總體發(fā)電功率最大化。

3）多功能隨動(dòng)基站設(shè)計(jì)與控制技術(shù)

地面基站至少要有一個(gè)可實(shí)時(shí)控制的絞盤(pán)，用于根據(jù)天氣情況和飛行器情況自動(dòng)收放纜繩，并參與對(duì)飛行器的控制。在飛行器飛行過(guò)程中，地面基站需要自動(dòng)跟隨飛行器的位置旋轉(zhuǎn)，以保證纜繩在高頻收放時(shí)能夠較好地貼合絞盤(pán)。為了避免飛行器起降階段或在基站停放時(shí)與基站發(fā)生碰撞，不僅要提升飛行器的控制精度，還要在基站上設(shè)計(jì)特殊的對(duì)接裝置和固定裝置。對(duì)于研究人員是一個(gè)較大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

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國(guó)外高空風(fēng)力發(fā)電案例

據(jù)調(diào)查，全球有近50家公司和機(jī)構(gòu)在從事高空風(fēng)能發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用研究。在目前的構(gòu)想中，發(fā)電機(jī)有懸置空中和置于地面兩種形式，后者具有更強(qiáng)的可操作性，是當(dāng)前主流的研究方向。斯坦福大學(xué)研究指出，高空風(fēng)力發(fā)電的潛力無(wú)比巨大，總發(fā)電潛力為全球總用電量的100倍以上。一旦高空風(fēng)力發(fā)電規(guī)模化、成本效益提升，可望成為能源領(lǐng)域的重要角色。

2006年成立的美國(guó)Makani公司工程師團(tuán)隊(duì)從風(fēng)箏沖浪得來(lái)靈感，希望用導(dǎo)電索將高空風(fēng)能獲取下來(lái)。發(fā)電風(fēng)箏外形酷似滑翔機(jī)，被拴在地面站上，在高空自動(dòng)飛行，使用GPS和其他傳感器的飛行計(jì)算機(jī)引導(dǎo)成回路。當(dāng)風(fēng)箏完成其循環(huán)時(shí)，分布在26m長(zhǎng)的機(jī)翼上的轉(zhuǎn)子在風(fēng)中旋轉(zhuǎn)，為發(fā)電機(jī)提供動(dòng)力，把風(fēng)能轉(zhuǎn)變成電能，并沿著系繩向電網(wǎng)發(fā)電。

Makani公司2015年設(shè)計(jì)了機(jī)載風(fēng)力渦輪機(jī)(AWT) 原型機(jī)，其能生產(chǎn)高達(dá)600kW的電力，足以為300個(gè)家庭供電。它有一個(gè)被系在地面上的翼型，它在250～600m高空的強(qiáng)風(fēng)中繞著一個(gè)大的垂直圈飛行，旋翼既充當(dāng)渦輪又充當(dāng)螺旋槳，就像風(fēng)箏一樣。然后，直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)將電力通過(guò)纜繩輸送到地面站。

Makani機(jī)載風(fēng)力渦輪機(jī)(AWT) 原型機(jī)（圖片來(lái)自 https://www.x.company/projects/makani/）

2013年Google收購(gòu)了Makani公司，試圖通過(guò) Makani “風(fēng)箏”發(fā)電的方式來(lái)解決風(fēng)力充足的深海區(qū)域海上風(fēng)電作業(yè)用電問(wèn)題。由于典型的海上風(fēng)電場(chǎng)需要建設(shè)深入海床的平臺(tái)，這需要昂貴的成本，而且無(wú)法在風(fēng)力充足的深海區(qū)域作業(yè)。這個(gè)項(xiàng)目致力于開(kāi)發(fā)可以附著到浮標(biāo)上的機(jī)載風(fēng)力旋渦機(jī)，浮標(biāo)一般高出水面約300m，機(jī)載風(fēng)力旋渦機(jī)繞著浮標(biāo)自行飛行轉(zhuǎn)圈，產(chǎn)生的電力通過(guò)纜繩輸送，遠(yuǎn)遠(yuǎn)看上去就像一只“風(fēng)箏”。2019 年 8 月，Makani “風(fēng)箏”首次在挪威沿海地區(qū)“試飛”。

Makani “風(fēng)箏”首次在挪威沿海地區(qū)“試飛”

麻省理工學(xué)院下屬的清潔能源公司Altaeros Energies，于2014年3月開(kāi)發(fā)了一種飄浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)（Buoyant Airborne Turbine，BAT）。這個(gè)外形酷似河豚的BAT實(shí)際上是一艘充滿(mǎn)氫氣的小型中空飛艇，其中心裝有一個(gè)巨大的風(fēng)力渦輪機(jī)，能漂浮在304m的空中迎風(fēng)發(fā)電，并將能量傳輸回地面。

Altaeros Energies懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)

2021年，德國(guó)SkySails Power公司在毛里求斯建造了基于風(fēng)箏原理的高空風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用薄翼風(fēng)箏（也稱(chēng)為沖壓空氣風(fēng)箏）作為飛行器進(jìn)行發(fā)電。該類(lèi)風(fēng)箏由多個(gè)自前緣延伸至后緣的細(xì)長(zhǎng)單元組成，由一根主纜繩牽引，主纜繩從地面延伸至風(fēng)箏下方吊掛的控制吊艙，經(jīng)過(guò)控制吊艙后分為多根，分別連接風(fēng)箏兩端?？刂频跖撏ㄟ^(guò)控制連接風(fēng)箏兩端的纜繩的長(zhǎng)度，操縱風(fēng)箏沿8字航線(xiàn)切風(fēng)飛行。

德國(guó)skysails-power高空風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)（圖片來(lái)自https://skysails-power.com/）

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我國(guó)高空風(fēng)能的進(jìn)展

相較之下，我國(guó)在此領(lǐng)域雖起步較晚但也取得了較大進(jìn)展。目前中國(guó)廣東高空風(fēng)能技術(shù)有限公司發(fā)明了天風(fēng)技術(shù)方案，采用傘梯組合型高空風(fēng)電機(jī)組解決了高空風(fēng)能采集穩(wěn)定性問(wèn)題。

傘梯組合型高空風(fēng)能發(fā)電效果圖

2022年，中國(guó)能建參與投資、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)的國(guó)內(nèi)首創(chuàng)高空風(fēng)能項(xiàng)目——安徽績(jī)溪高空風(fēng)能發(fā)電新技術(shù)科研項(xiàng)目正在全力推進(jìn)。項(xiàng)目的開(kāi)工建設(shè)，是對(duì)高空風(fēng)能發(fā)電技術(shù)的首次工程化實(shí)踐，是高空風(fēng)能發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的“試驗(yàn)田”，為我國(guó)高空風(fēng)能發(fā)電技術(shù)的進(jìn)步和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

安徽績(jī)溪高空風(fēng)能發(fā)電新技術(shù)科研項(xiàng)目效果圖

安徽績(jī)溪高空風(fēng)能發(fā)電新技術(shù)科研項(xiàng)目采用的技術(shù)路線(xiàn)如下：

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(chēng)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?？罩邢到y(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。

2）采用傘梯組合形式。高空風(fēng)電機(jī)組主要由兩部分組成：空中系統(tǒng)和地面系統(tǒng)?？罩邢到y(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。傘梯中的平衡傘組負(fù)責(zé)維持空中傘梯部分的平衡及空中姿態(tài)，做功傘組負(fù)責(zé)做功。在風(fēng)力作用下，做功傘沿纜繩軸向上運(yùn)動(dòng)進(jìn)而拉動(dòng)地面的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，最后機(jī)械傳動(dòng)裝置帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。傘梯組合可以根據(jù)需要進(jìn)行優(yōu)化，傘梯級(jí)數(shù)越多，發(fā)電功率越大。整體空中設(shè)備可根據(jù)實(shí)際風(fēng)況及電網(wǎng)需求進(jìn)行主動(dòng)功率調(diào)節(jié)。

傘梯組合型高空風(fēng)力發(fā)電示意

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逐夢(mèng)深藍(lán)，未來(lái)可期

現(xiàn)階段高空風(fēng)能發(fā)電尚處于發(fā)展的初期，不少關(guān)鍵難題仍有待更進(jìn)一步研究突破。目前，中國(guó)能建廣東院作為安徽績(jī)溪高空風(fēng)能發(fā)電新技術(shù)科研項(xiàng)目的全過(guò)程咨詢(xún)單位，其團(tuán)隊(duì)在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中已逐步掌握高空風(fēng)能發(fā)電技術(shù)核心內(nèi)容，并充分參與工程過(guò)程建設(shè)，為后續(xù)承接高空風(fēng)能項(xiàng)目?jī)?chǔ)備了豐富的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。高空風(fēng)能符合新型電力系統(tǒng)所需要的“三性”，即得到的廣泛性、來(lái)源的綠色性以及發(fā)展的經(jīng)濟(jì)性。中國(guó)能建廣東院將進(jìn)一步打造出實(shí)現(xiàn)全工程實(shí)踐的強(qiáng)勁引擎，助力中國(guó)高空風(fēng)能發(fā)電技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化突破，賦能美好中國(guó)，共建美好世界。

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