3000米高空“放风筝”发电，高空风能时代即将来临
发布日期：2024/1/16
图说：用于高空风能发电的氦气球
来源：中国能建
以风电、光伏代表的可再生能源，具有随机性、间歇性和波动性特征。风电一般呈现白天出力小、夜晚出力大，冬春秋季出力大、夏季出力小的特点；光伏则白天出力大夜晚无出力。
解决风光发电稳定问题，目前有两大途径，一个是发展储能，把富余的电量储存下来，在风光无法出力时利用；另一个解决方法则是寻找更稳定的风能和太阳光。
为了追求太阳能的稳定性，人类想出了到太空中建太阳能发电站，这样可以不受黑夜的限制。为了追求风电的稳定性，人们则从孩童时期的玩具风筝受到启发，寻求到更高的高空中发展风能。
高空风能具有储量丰富、风速高、风向稳定等优势；随着地面距离增加，和地面摩擦的减少，高空风速将逐渐加大，而风能与风速的立方成正比。
斯坦福大学卡内基研究所的气候科学家肯·卡尔代拉认为，风中包含的总能量是地球上的人所需总能量的100倍，但是大部分风能都位于高空。我国6000米高空的风能密度均值，是地表风能密度20倍以上，而江浙鲁地区上空的高空急流附近的风力密度甚至达到30千瓦/平方米，为世界之最。
近日，我国就实现了高空风能发电的重大技术突破。1月7日，中国能建中电工程和中路股份共同建设，中国能建安徽院总承包、江苏电建一公司承建的安徽绩溪高空风能发电新技术示范项目成功发电，成为我国首个可并网的兆瓦级高空风能发电示范项目。
中国能源建设集团有限公司党委常委、副总经理吴云曾在接受采访时表示：“现在用风发电都是低空的，100米、200米之下，一会有风一会没风，但是1000米以上是永远有风的，它的发电小时基本上达到煤电的作用。”
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高空风能如何发电？
“风筝发电”的概念最早由美国科学家劳埃德于1980年代提出，其内涵包括四个要点：气流、风筝、绳索、卷扬机；其原理是当筝面垂直于气流时，其拉力拖动绳索驱动地面上的卷扬机做功发电；当筝面平行于气流时，拉力最小，卷扬机倒转拉回风筝，由此风筝反复做功发电。
自此之后，出现了一个全新的可再生能源领域——机载风能（AWE），AWE 的目标是在距离地面较远的高空中捕获风能，获得这种风能的机器可以称为机载风能系统（AWES）。根据所采用飞行器机翼的类型，AWES 可分为柔性翼风筝、刚性无人机翼。
图说：高空风能风筝的两种基本的发电方式
来源：[8]
按照风能捕获与能量转化方式的不同，高空风能风筝有两种基本的发电方式。
泵送发电（Pumping Power），也称为陆基高空风力发电，是利用风筝的牵引运动，完成对高空风能的捕获吸收，使地面的枢轴旋转，为发电机提供动力；当绳索放完时，风筝将被收回并重新开始。
机载发电（Onboard Power），也称为空基高空风力发电，则是由安装在风筝上的涡轮机来发电，机载发电使用刚性风筝，类似于飞机机翼，支持小型风力涡轮机。当风筝放飞时，风力驱动涡轮机，飞行器产生的电力通过系绳传送到地面站。
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高空风能发电新突破
我国首个可并网的兆瓦级高空风能发电项目，采用的就是伞梯组合型陆基高空风能发电技术，将发电机置于地面，空中飞行，地面发电。
图说：高空风能风筝在空中发电
来源：中国能建
与低空风电的“塔筒+机舱+叶片”的“大风车”模式不同，伞组通过氦气球提供初始升力上升到一定高度后，打开做功伞，在500米以上高空采集捕获风能。“做功伞”飞行器系在缆绳上，像风筝一样放飞到高空，飞行器在风力作用下带动缆绳往复牵引，在此过程中，主缆绳受到巨大拉力，带动地面卷扬机、齿轮箱转动，将风能转化为机械能。最后，地面发电设备将机械能转化为电能实现发电。
该项目总装机容量2×2.4兆瓦，能够利用500米至3000米的高空风能进行发电，是我国高空风能发电技术的首次工程化实践，对推动高空风能发电技术及其产业化发展具有重要意义。
中国能建集团相关技术负责人说：“高空风能是一种储量丰裕、分布广泛的可再生清洁能源。相较于海上和陆上风能，高空风能具有功率密度大、风向平稳等优势，开发利用潜力巨大。” 下一步，中国能建集团将依托该项目继续开展高空风能发电技术的研究和试验，引领我国高空风能发电产业发展。
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世界各地积极推进高空风电
高空风能理论发电时间可以超过95%，年发电时间可高达6500小时以上。同传统风电相比，高空风电投资成本约为常规风电的1/3-1/2，发电成本约为1/3，而占地面积仅为1/30，并且免除了噪音困扰，对环境影响较小。过去几年，在美国、欧洲也陆续涌现了一批研发高空风电技术的公司，经粗略统计，目前高空风能发电公司全球已经超过50多家
2013年谷歌首次以Google X为名宣布收购空中风力涡轮发电设备公司Makani Power，高空风电技术引发能源界关注。
自Kite Power Solutions2017年3月在苏格兰东南部沿海的斯特兰拉尔（Stranraer）投建英国第一座非实验性、消费层级的风筝发电站以来，机载风能系统已经取得了飞速的发展。这包括总部位于荷兰的初创公司 Kitepower，其已在加勒比地区成功部署其 Falcon 100kW 机载风能系统。RWE 则在爱尔兰建立了机载风力测试中心，与荷兰公司 Ampyx Power 合作进行150兆瓦机载风能系统的测试。
图说：位于德国克利克斯比尔的 Skysails 机载风力涡轮机
来源：SkySails Power
2021 年12月，德国汉堡的SkySails Power公司，成为了世界上第一家提供商业机载风能的公司。其在毛里求斯开展了第一个机载风能商业化项目，在测试的两个月里，这个系统发出的电力大约为100千瓦，足以为50户家庭供电。
行业协会Airborne Wind Europe的董事会成员、米兰理工大学工程师 Lorenzo Fagiano曾表示，“机载风能系统现在已经有了第一批商业试点产品，在偏远地区，其成本已经相当具有竞争力。同时，如果机载风能系统开始大规模生产，毫无疑问它们将产生负担得起的能源。但问题是我们能否实现大规模生产。”
而现在，我国首个高空风能发电示范项目成功发电将进一步推动高空风能发电技术和产业化发展，或将引领全球高空风能发电产业规模化发展新时代。
来源： 环球零碳
