天上的風(fēng)箏會發(fā)電

宋心榮

在新能源產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的今天，風(fēng)力發(fā)電似乎不是什么新鮮事。風(fēng)電機組以高聳的風(fēng)電塔架，旋轉(zhuǎn)的葉輪的形象為世人所熟知。但如果你看到天上的風(fēng)箏在飛舞，你能否意識到這也是一種新的風(fēng)力發(fā)電形式呢？我們從小就玩過的風(fēng)箏，正在成為風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的“新寵”。就連世界首富比爾·蓋茨都認為風(fēng)箏發(fā)電有可能是解決世界能源問題的神奇方法。

會發(fā)電的風(fēng)箏

風(fēng)箏發(fā)電之所以現(xiàn)在這么“火”，是因為傳統(tǒng)的葉輪式風(fēng)力發(fā)電機在提升功率和降低成本這兩個問題上遇到了瓶頸。隨著世界各國對風(fēng)電需求的日益增長，對單臺風(fēng)力發(fā)電機功率的需求也隨之增長。一般來說，提升葉輪式風(fēng)力發(fā)電機提升功率的途徑主要有三種，加大風(fēng)機的受風(fēng)面積（增大葉輪直徑）；改變風(fēng)葉扭角；提高風(fēng)機的傳動能力。早在1997年，德國一家公司就推出了兼具無齒輪、變速變槳距等特征的直驅(qū)式（無齒輪）風(fēng)力發(fā)電機。由于省去了帶動發(fā)電機的齒輪箱，免去了齒輪的摩擦損耗，直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機的傳動效率大大提高。而變速變槳距的能力則使之在不同風(fēng)速下都能以最大效率發(fā)電。直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)展到今天，其在傳動能力和風(fēng)葉扭角方面的潛力已基本挖掘到極限了。再想增大功率，只有增大受風(fēng)面積一途。果然，在增加功率的需求下，葉輪式風(fēng)力發(fā)電機的葉輪直徑越做越大，從最初的十幾米發(fā)展到最高超過百米。然而，越來越大的葉輪在增大功率的同時卻也帶來了問題，那就是成本。巨型葉輪在材料和加工上成本都大幅上升。此外，更大的葉輪需要更高的塔架，這也帶來了成本的增加。所以，葉輪式風(fēng)力發(fā)電機的單機功率發(fā)展到5兆瓦左右就到頭了。

這時，聰明的技術(shù)人員就開始動腦子了。如何繞開成本限制，制造受風(fēng)面積更大，功率更高的風(fēng)力發(fā)電機呢？循著這一思路，風(fēng)箏發(fā)電應(yīng)運而生。由于扭矩隨葉片長度的增大而增加，而扭矩正比于發(fā)電機功率。所以，技術(shù)人員研究發(fā)現(xiàn)，葉輪式風(fēng)力發(fā)電機占葉片長度25%的末梢所發(fā)的電占到總功率的一半以上。也就是說，中段的葉片實際上用處不大。那么，將其去掉，變成牽風(fēng)箏的線，而用風(fēng)箏代替葉片末梢，那么就可以得到受風(fēng)面積更大的風(fēng)力發(fā)電機了。同時，由于取消了葉輪，改用線牽風(fēng)箏，風(fēng)箏可以放的更高。而且高處的風(fēng)沒有地表附近建筑物、植物的摩擦減速，風(fēng)速更大，可以進一步提升風(fēng)箏發(fā)電的發(fā)電功率。成本更低，功率更大，這就是風(fēng)箏發(fā)電優(yōu)于傳統(tǒng)葉輪式風(fēng)力發(fā)電機的地方。

說了半天，那么風(fēng)箏到底是怎么發(fā)電的呢？我們都知道，放風(fēng)箏時，當箏面垂直于氣流時，風(fēng)箏的拉力最大；而當箏面平行于氣流時，其拉力最小。所以，風(fēng)箏發(fā)電的原理就是在“放風(fēng)箏”時讓箏面垂直于氣流，其拉力拖動繩索驅(qū)動地面上的卷揚機做功發(fā)電，風(fēng)箏的高度不斷上升。當系繩長度用完，風(fēng)箏達到最大高度時，卷揚機會調(diào)整風(fēng)箏方向，使之與氣流平行，用較小拉力將其拉回，這樣形成的風(fēng)箏飛行軌跡接近一個“8”字。以此為一個循環(huán)周期，不斷做功發(fā)電。由于回收風(fēng)箏時拉力要小于放風(fēng)箏時的拉力，所以經(jīng)過一個循環(huán)，系統(tǒng)的凈發(fā)電量仍為正值。以25平方米的風(fēng)箏為例計算，如果環(huán)境風(fēng)速為7米/秒，則其在釋放過程中的拉力為3.1 千牛，風(fēng)箏飛行速度約為70～90千米/時，足以驅(qū)動功率為20千瓦的發(fā)電機發(fā)電。在釋放風(fēng)箏期間的平均發(fā)電功率為13千瓦，一個循環(huán)的平均凈發(fā)電功率為6千瓦。目前這種25平米的風(fēng)箏比較常用，因為它的大小、拉力正合適，既滿足了發(fā)電需求，又不會對材料要求過高。這種風(fēng)箏發(fā)電系統(tǒng)一般由風(fēng)箏，控制單元（控制風(fēng)箏的飛行），纜繩和地面站組成。

現(xiàn)在應(yīng)用于發(fā)電的風(fēng)箏和我們平時放的風(fēng)箏已有較大區(qū)別，實際上更接近于滑翔傘。其升阻比更高，在釋放期間可以張滿，以最大拉力發(fā)電，回收期間可以通過牽引繩索控制收縮，減小受風(fēng)面積，以降低損耗。其結(jié)構(gòu)強度需能承受陣風(fēng)載荷。

風(fēng)箏的控制則是通過一個懸掛在風(fēng)箏下方的小型電動卷揚機來實現(xiàn)的。該卷揚機通過控制4根繩索（兩根用于調(diào)節(jié)風(fēng)箏的受風(fēng)面積，兩根用于調(diào)整風(fēng)箏的方向）的收放來控制風(fēng)箏的飛行。而電動卷揚機與地面之間還連有電纜，地面的計算機可以控制這些卷揚機，以實現(xiàn)對風(fēng)箏的控制。

風(fēng)箏的纜繩一般采用高分子量高密度聚乙烯（HMPE）材料制成。HMPE材料耐應(yīng)力開裂性，拉伸強度較好，可以承受發(fā)電過程中的循環(huán)應(yīng)力而不損壞，可長期在惡劣的環(huán)境中工作。

風(fēng)箏發(fā)電系統(tǒng)的地面站則由卷揚機、齒輪箱、蝸桿傳動裝置、電池和發(fā)電電動機以及許多傳感器組成。地面站負責(zé)釋放和回收風(fēng)箏。發(fā)電電動機在風(fēng)箏釋放時發(fā)電，電能則通過電池儲存起來，回收時發(fā)電電動機消耗電能將風(fēng)箏拉回。

以上就是風(fēng)箏發(fā)電系統(tǒng)的基本組成。當然，這只是多種利用高空風(fēng)能發(fā)電的方法之一。所有利用高空風(fēng)能發(fā)電的技術(shù)統(tǒng)稱為機載風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)（Airborne Wind Energy，簡稱AWE）。AWE是目前新能源領(lǐng)域比較熱門的技術(shù)，Google、軟銀等巨頭都在投資AWE的研發(fā)。

走向?qū)嵱玫娘L(fēng)箏發(fā)電站

目前，世界上首個大型風(fēng)箏發(fā)電機組“KiteGen Stem”已經(jīng)在意大利投入使用。該機組由意大利的KiteGen科技公司負責(zé)建造，于2015年4月投入運營，裝機容量3兆瓦。“KiteGen Stem”機組采用一個面積為150平方米的風(fēng)箏來發(fā)電。連接風(fēng)箏的線纜可以承受最大60噸的拉力?！癒iteGen Stem”機組最獨特的是其地面站的設(shè)計。其地面站為一個直徑12.9米、高6.2米的透明穹頂結(jié)構(gòu)，簡潔美觀，很有幾分科幻意味。發(fā)電機組就安裝在穹頂頂部，由2臺卷揚機，8臺發(fā)電電動機組成。穹頂內(nèi)部擁有計算機和顯示器，工程師可以在這里監(jiān)控整個機組的運行狀態(tài)。值得一提的是，在“KiteGen Stem”機組中，風(fēng)箏線纜不是直接和地面的卷揚機相連，而是通過一共28米長的桿子和卷揚機相連。這根桿子可以繞穹頂旋轉(zhuǎn)，調(diào)整風(fēng)箏的方位，始終讓風(fēng)箏對準風(fēng)力最大的方向。該電站的運營驗證了風(fēng)箏發(fā)電原理的可行性?！癒iteGen Stem”機組相比同級別的傳統(tǒng)風(fēng)電機組體積更小，也更輕（總重小于20噸），便于安裝。不過，線纜和風(fēng)箏在長時間使用中會磨損，需定期更換。限于當?shù)氐娘L(fēng)力狀況，“KiteGen Stem”機組1年中只有6 500小時能滿負荷發(fā)電。KiteGen公司當前正在阿爾卑斯山的圣伯納德山口地區(qū)建造由9臺“KiteGen Stem”組成的峰值功率達27兆瓦的大型風(fēng)箏發(fā)電站。據(jù)該公司的估計，該電站建成后的發(fā)電成本在23歐元/兆瓦時左右。作為對比，2015年歐洲國家火電的發(fā)電成本為50歐元/兆瓦時，光伏發(fā)電約為100歐元/兆瓦時，核能發(fā)電的成本則在90歐元/兆瓦時左右。發(fā)電成本最低的是水力發(fā)電，其成本僅為10歐元/兆瓦時。也就是說，風(fēng)箏發(fā)電的發(fā)電成本低于絕大多數(shù)發(fā)電方式，還是極具競爭力的。KiteGen公司計劃未來建造峰值功率達100兆瓦的風(fēng)箏發(fā)電站。這種規(guī)模的電站一但建成，每年將能生產(chǎn)500吉瓦時（1吉瓦=1 000兆瓦）的電力，足以供應(yīng)86 000戶家庭。同時，規(guī)模的提升也使得發(fā)電成本降低了，100兆瓦級的風(fēng)箏電站的發(fā)電成本有望降至10歐元/兆瓦時，具備了和水電站競爭的能力。endprint

與KiteGen公司同步推進風(fēng)箏發(fā)電項目的還有英國的KPS公司（Kite Power Systems）。KPS公司總部位于蘇格蘭的格拉斯哥。2016年4月起，KPS公司開始在蘇格蘭西南部的西弗洛伊空軍基地（West Freugh）附近始建一個裝機容量為500千瓦的小型風(fēng)箏發(fā)電站，以證明其設(shè)計的可行性。之所以選擇在西弗洛伊建造風(fēng)箏電站，是因為這里靠近大西洋，一年四季都有大風(fēng)吹拂，全年中僅有不到10天風(fēng)力不足以發(fā)電。在風(fēng)力不足的日子里，電站需要用風(fēng)扇維持風(fēng)箏高度，以便一但起風(fēng)后可以快速投入使用。該電站的建設(shè)得到了皇家殼牌石油公司和英國政府500萬英鎊的投資。KPS公司還計劃在蘇格蘭建設(shè)多個500千瓦的小型風(fēng)箏發(fā)電站，并最終開建3兆瓦級的風(fēng)箏發(fā)電站。KPS公司的風(fēng)箏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計和其他的風(fēng)箏發(fā)電系統(tǒng)略有區(qū)別。每臺發(fā)電機由一對風(fēng)箏驅(qū)動，當其中一只風(fēng)箏上升到一定高度時，會拉動繩索，讓連接的另一只風(fēng)箏會相應(yīng)下墜。兩只風(fēng)箏就這樣以“8”字形軌跡在空中往復(fù)運動，帶動發(fā)電機發(fā)電，降低了回收風(fēng)箏的功率損耗。KPS公司還計劃將來發(fā)展海上的風(fēng)箏發(fā)電站。

當前，風(fēng)箏發(fā)電還處于驗證階段，并未大規(guī)模地開始建設(shè)。但其潛在市場競爭力無疑不容忽視。

風(fēng)箏發(fā)電的市場前景

相比傳統(tǒng)的葉輪式風(fēng)力發(fā)電機，風(fēng)箏發(fā)電最大的優(yōu)勢在于成本低廉。采用線纜結(jié)構(gòu)連接的風(fēng)箏發(fā)電系統(tǒng)安裝成本更加低廉。而由于能利用高空風(fēng)速更大的風(fēng)，風(fēng)箏的發(fā)電效率更高。而且，風(fēng)箏所發(fā)出的電力不附帶任何放射性廢物、二氧化碳、可吸入顆粒物、硫氧化物和氮氧化物，極為環(huán)保。風(fēng)箏發(fā)電站對環(huán)境的影響也比傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機小。由于風(fēng)箏飛得很高，像撞鳥、噪音擾民等傳統(tǒng)風(fēng)機導(dǎo)致的問題也都不復(fù)存在了。不過，在陸地上，風(fēng)箏發(fā)電也有自己的劣勢。在使用中，每個風(fēng)箏的飛行軌跡都是一個“8”字，為了防止不同風(fēng)箏相互纏繞，需要拉開各風(fēng)箏之間的距離，避免風(fēng)箏飛行區(qū)域的重合。在陸地上，巨大的占空面積難免會干擾到各類飛行器的正常飛行，一定程度上限制了大型風(fēng)箏發(fā)電場的發(fā)展。KiteGen公司對此給出的方法是利用核電站的禁飛區(qū)。在核電站的禁飛區(qū)里放飛用于發(fā)電的風(fēng)箏，既不影響飛機的正常飛行，又獲得了足夠的空域。據(jù)該公司估計，通過合理優(yōu)化風(fēng)箏的飛行軌跡，風(fēng)箏僅占用一個核電站的禁飛區(qū)就能達到1000兆瓦的裝機容量。風(fēng)箏發(fā)電系統(tǒng)的地面站可以密集安放。所以，在一個環(huán)形結(jié)構(gòu)上密集安裝大量地面站就可以最大限度地節(jié)約占地面積，降低電站建造成本。風(fēng)箏發(fā)電站規(guī)模越大，其發(fā)電成本也越低。最理想的方式是建造直徑為25千米的環(huán)形地面站，其連接的風(fēng)箏可以飛行在風(fēng)力更大的對流層，這樣一個巨型風(fēng)箏發(fā)電站的裝機容量可達6 000萬千瓦，有望成為解決世界能源問題最清潔的辦法之一。

相比于陸地，海洋顯然更適合風(fēng)箏發(fā)電系統(tǒng)。在海洋上空有的是地方供風(fēng)箏所使用，風(fēng)箏發(fā)電場可以基本不受限制的增加機組數(shù)量，從而增加總體裝機容量。風(fēng)箏發(fā)電系統(tǒng)比傳統(tǒng)風(fēng)電機組節(jié)省了近75%的鋼材，更輕，安裝起來更加簡便，不需要昂貴的海上風(fēng)電安裝船。其安裝成本大大降低。海上風(fēng)箏發(fā)電系統(tǒng)的建造總成本僅有傳統(tǒng)海上風(fēng)電的一半。其單位面積的風(fēng)能利用率也更高。根據(jù)國際可再生??能源機構(gòu)（IRENA）發(fā)布的報告，2015年傳統(tǒng)海上風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)電成本為170美元/兆瓦時，到2030年這一成本將降至95美元/兆瓦時。而根據(jù)KPS公司的評估報告，到2020年，海上風(fēng)箏發(fā)電的成本約為62.5美元/兆瓦時，到2030年將降至不到50美元/兆瓦時。同時，小型的風(fēng)箏發(fā)電機組在安裝時甚至都不需要打樁，可以以浮動系泊的方式工作。這就使得它能進軍水深更大的海域。當前的海上風(fēng)電場水深一般也就在10米左右，最多達到20米左右，深遠海域的風(fēng)能完全無法利用。而浮動系泊型的風(fēng)箏發(fā)電機組將使深遠海域海上風(fēng)電的開發(fā)成為可能。當然，風(fēng)箏發(fā)電機組也不適合能在離岸太遠，水太深的地方工作，這樣的話其系泊成本、輸電成以及維護成本會大幅攀升，削弱其發(fā)電成本優(yōu)勢。據(jù)KPS公司的估計，100～150米水深海域是系泊型的風(fēng)箏發(fā)電機組工作的最佳海域。

總而言之，風(fēng)箏發(fā)電比傳統(tǒng)風(fēng)電優(yōu)勢明顯，其發(fā)電成本更低，而發(fā)電效率更高。特別是海上風(fēng)箏發(fā)電系統(tǒng)，受飛機航線影響較小，發(fā)電規(guī)模不受限制，安裝成本低廉，發(fā)展前景極佳。在可以預(yù)見的將來，海上風(fēng)箏發(fā)電很可能會成為新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向之一。

責(zé)任編輯：王鑫邦endprint