編譯 騰慧月

放過風箏的人都知道，只要能讓風箏升入高空，就很容易利用高空的風讓它保持穩(wěn)定飛行。如今，科學家正在嘗試在離地面200 米以上的高空安置大型“風箏”，利用這一特性發(fā)電。

越高，越高能

靠近地面的風往往因與樹木、山丘和建筑物等的摩擦而減速甚至變向。隨著高度增加，平均風速會增大。高空的風能儲量更豐富、更穩(wěn)定，是目前近地面的風能無法比擬的。在過去的幾十年里，人類已經提出許多利用高空風能的設想，比如在飛行器上安裝渦輪機。目前看來，較為可行的一種方法是用計算機操控形態(tài)可變的“風箏”。

“風箏”風能系統(tǒng)的發(fā)電思路有兩種。第一種，空中飛行，地面發(fā)電——纜繩一端連接“風箏”，另一端纏繞在卷揚機上，當“風箏”在風中飛行時，它會拉緊纜繩，帶動地面的卷揚機轉動，從而發(fā)電。隨后，閉合“風箏”，減小其升力，纜繩拽著“風箏”自然收回。重復上述過程，就能周期性發(fā)電。第二種，空中飛行，空中發(fā)電——將“風箏”設計成類似飛機機翼的剛性結構，其上托載小型風力渦輪機。當“風箏”飛起來時，風就會帶動渦輪機運轉，由此產生的電順著帶金屬芯的纜繩發(fā)往地面。

與傳統(tǒng)的風車發(fā)電相比,“風箏”發(fā)電在材料成本方面大有優(yōu)勢。建造發(fā)電風車需要消耗大量石土和鋼材，將轉輪“舉”在適當?shù)母叨取６凇帮L箏”發(fā)電系統(tǒng)中，這些結構被小得多的地面站和纜繩所取代。一項研究發(fā)現(xiàn)，一套50 兆瓦的“風箏”發(fā)電系統(tǒng)在其20 年的使用壽命內僅會消耗913 噸各類材料，而風車運轉20 年消耗的材料多達2868 噸。毫無疑問，“風箏”發(fā)電更環(huán)保、更省錢。

“風箏”發(fā)電對海上風力發(fā)電更是意義重大。在目前的海上風電領域，當水過深以至于難以建造風車基座時，就需要將風力渦輪機裝載在巨大的、類似駁船的結構上，該結構需要承載渦輪機漂浮海上，因此造價不菲。而“風箏”發(fā)電系統(tǒng)的體積小、質量輕，對漂浮結構的要求相對寬松。

不過，上述優(yōu)勢是以技術的復雜性為代價的?！帮L箏”發(fā)電的經濟效益只有建立在長期運行和較少人力投入之上方能體現(xiàn)，這無疑對計算機自動控制研究領域提出了考驗。要知道，“風箏”在發(fā)電時并不是隨意地飄在空中：只有當箏面垂直于氣流方向時，才能最大限度地獲得升力，從而使發(fā)電效率最高。這種靈活的機動性需要通過計算機不斷調整“風箏”來保障。其中，對剛性“風箏”的控制通過調整襟翼和方向舵等轉向部件實現(xiàn)，就像飛機一樣；對柔性“風箏”的控制則通過調整轉向線的長度實現(xiàn)，類似于降落傘。

在風力保持穩(wěn)定的情況下，目前最先進的“風箏”發(fā)電系統(tǒng)能夠在機載計算機和地面計算機的方向控制下連續(xù)飛行數(shù)天。但要想拓展應用規(guī)模，“風箏”就必須能夠可靠地應對突如其來的天氣變化，比如強風或陣雨。在極端惡劣的天氣下，自動起降的功能也很有必要?？茖W家表示，短時間的順利運行是遠遠不夠的，他們正在努力讓設備的運行壽命達到幾年甚至幾十年，為此，要走的路還很長。

技術難關還很多

其實，除了先前提到的對飛行器的控制、風雨雷暴等極端天氣下設備的安全性和運行的穩(wěn)定性以外，高空風能在工程應用上面臨的挑戰(zhàn)還很多。比如，耐用纜繩的制造、纜繩輸電的損耗、高空低溫環(huán)境下設備的運行能力、壽命、飛行器（包括纜繩）的除冰能力等。而尤其讓人頭疼的一點是，如何確定兩臺設備的最近間隔距離（以防纜繩纏繞打結）。這不難理解——放飛得越高，纜繩越長，需要的設備間隔距離就越遠，對地面系統(tǒng)規(guī)模的要求也就越高。關于這個間隔距離怎樣界定，尚無定論。

作為一項新技術，工程難題和社會影響總是相互伴隨的。傳統(tǒng)的風力發(fā)電場時常受到附近居民投訴，機械噪聲、空間遮擋等都會影響他們的居住體驗。那么，是否能確保該技術對生活環(huán)境的影響在可接受的范圍內呢？很遺憾，根據(jù)已發(fā)表的研究報告，盡管“風箏”沒有發(fā)電風車那么大，但其升降動作產生的噪聲仍不容忽視。

此外，目前尚不清楚“風箏”會對鳥類產生什么影響。支持該技術的科學家認為，“風箏”對鳥類的傷害應該小于風車，畢竟“風箏”的工作點一般高于鳥類的飛行高度。然而，纜繩本身移動很快，而且很難看到，鳥類可能很難避開它們。