中國儲能網(wǎng)訊：據(jù)《耶魯360度環(huán)境觀察》雜志報道，目前，許多企業(yè)正在開發(fā)高空風力發(fā)電技術，利用大型風箏在距離地面半英里以上的空中收集風能。盡管高空風力發(fā)電尚處于起步階段，但這項技術潛力巨大，有望用于偏遠地區(qū)發(fā)電，也可為離岸較遠的海上船舶提供電力。
站在毛里求斯的沙灘上眺望，可以看到空中有一個巨型風帆沿“8”字形軌跡飛行，其大小相當于一套三居室的公寓。這個巨型風帆不是什么旅游景點，而是一種高空發(fā)電裝置。
2021年12月，德國SkySails Power公司將該風力發(fā)電裝置升空，這也是全球第一個全自動化商業(yè)高空發(fā)電裝置。該裝置發(fā)電裝機容量約為100千瓦，只能滿足約50戶家庭的生活需求，就毛里求斯全國用電量來說幾乎不值一提。不過，該公司認為，高空風力發(fā)電系統(tǒng)投入運營的意義重大，指明了未來能源發(fā)展方向。
利用高空強風發(fā)電
風能將在世界邁向凈零目標的進程中發(fā)揮巨大作用。國際能源署（IEA）預測，到2050年，全球風電裝機容量將是現(xiàn)在的11倍，風能和太陽能發(fā)電將滿足全球70%的電力需求。隨著全球風電機組數(shù)量不斷增加，過去10年中，風力發(fā)電的成本已大幅下降了約40%。
不過，有專家指出，傳統(tǒng)的大型葉片式風力渦輪機并不一定是最佳解決方案。傳統(tǒng)風電機組在偏遠地區(qū)或深水區(qū)域的安裝難度較大，而且無法達到風力最強的高空。要在高空中采集利用風能，一個可行的解決方法是“放風箏”。數(shù)十家企業(yè)和研究機構正在研發(fā)“風箏發(fā)電”技術和設備，其中，既有通過風箏繩的拉力帶動地面設備發(fā)電的系統(tǒng)，又有在飛行器上搭載渦輪機，通過空氣帶動渦輪機葉片旋轉產生電力并輸送到地面的系統(tǒng)。有人提出在遠海深水區(qū)駁船上“放風箏”進行發(fā)電，建設大型“海上風箏發(fā)電場”。
歐洲高空風力發(fā)電協(xié)會理事會成員、意大利米蘭理工大學工程師洛倫佐·法吉亞諾指出，空中發(fā)電系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)風力渦輪機有著獨特優(yōu)勢。例如，一些國家適合建設風電場的土地越來越少。風電場面積通常要達到71英畝才能建成1兆瓦的發(fā)電裝機容量，而化石燃料發(fā)電廠實現(xiàn)相同的發(fā)電裝機容量占地面積僅需12英畝。
此外，從風能本身的特點來說，自然是海拔越高的地方風速越快。一般而言，風速提高兩倍，發(fā)電量可增加8倍。傳統(tǒng)地面風力渦輪機通常為200~300米，而高空風力發(fā)電系統(tǒng)能在800米高空作業(yè)。理論上，全球高空風力發(fā)電量約為地面風力發(fā)電量的4.5倍。
高空風力發(fā)電系統(tǒng)具有安裝簡便和成本較低的優(yōu)勢。這種裝置可以裝在集裝箱里通過公路或水運運輸?shù)饺魏蔚胤?，既可以在陸地上，也可以固定在深水區(qū)駁船上發(fā)電，而傳統(tǒng)風力發(fā)電機需要煩瑣的前期建設工作。此外，高空風力發(fā)電裝置的高度可根據(jù)當?shù)丶竟?jié)性風速進行調整。
潛力巨大，道阻且長
高空風力發(fā)電系統(tǒng)固然不會取代傳統(tǒng)風力發(fā)電系統(tǒng)，不過大型“海上風箏發(fā)電場”的發(fā)展?jié)摿薮?。有專家提出，在遠離海岸的深水區(qū)駁船上建設大型“海上風箏發(fā)電場”，可以同時放數(shù)百只“風箏”。此外，在一些偏遠地區(qū)，例如海島、山區(qū)等，可以設置單獨的“風箏發(fā)電”裝置，以滿足當?shù)氐墓╇娦枨蟆?
這些想法已經醞釀了幾十年，但在高空通過風箏發(fā)電的實踐道路卻走得并不順。
2020年，美國科技巨頭谷歌收購了一家高空風力發(fā)電公司，但該公司由于未能實現(xiàn)高空風力發(fā)電系統(tǒng)的經濟運行而最終倒閉。德國SkySails Power公司采用的是輕量型的高空風力發(fā)電系統(tǒng)，目前已投入商用。
美國能源部2021年提交給美國國會的報告指出，高空風力發(fā)電技術確有潛力，且有望實現(xiàn)跟地面風力發(fā)電系統(tǒng)一樣的發(fā)電能力，但這種發(fā)電方式要成為主要的電力來源尚有很長的路要走。
從SkySails Power公司的發(fā)展歷程看，該公司創(chuàng)立于2001年，當時創(chuàng)業(yè)思路主要針對的是國際航運業(yè)，設想用巨型風箏在海面拉動船只航行，從而大幅減少船舶所需的燃料,這一想法十分超前。當時，該公司設想油價將不斷上漲，市場對技術的需求應該很大。然而國際油價于2009、2014年和2020年迎來數(shù)輪暴跌，該公司最初的愿景未能實現(xiàn)。隨著當前碳減排要求的提高，可再生能源發(fā)電技術受到廣泛關注。2015年，SkySails Power公司轉而聚焦高空風力發(fā)電。
多家企業(yè)推進研發(fā)
SkySails Power公司開發(fā)的“風箏發(fā)電”系統(tǒng)中，風箏的面積約為150平方米，形狀類似降落傘。風箏上不需要安裝風力渦輪機，拉拽風箏的繩索也不是電線。發(fā)電設施安裝在地面，風箏在軟件控制下放飛，在空中沿“8”字形軌跡做環(huán)繞飛行，以實現(xiàn)最大拉力帶動發(fā)電機，并用最小的阻力拉動風箏，發(fā)電量遠大于系統(tǒng)的耗電量。
以上工作原理聽起來簡單，不過據(jù)該公司首席技術官斯蒂芬·布拉貝克透露，他的團隊用了7年時間才逐步完善了風箏操控軟件。目前，該公司共生產并銷售了5套“風箏發(fā)電”系統(tǒng)，其中一套安裝在毛里求斯。根據(jù)當?shù)貜娊涤?、雷雨等天氣狀況，這套裝備所使用的風箏預計每年需要降落14次。由于毛里求斯有時會遭遇颶風，安裝傳統(tǒng)的風電機組無法保證安全性，而“風箏發(fā)電”系統(tǒng)可以在颶風來臨前將風箏降落并妥善存放，因此，高空風力發(fā)電系統(tǒng)顯然更適合當?shù)匦枨蟆?
此外，地面安裝的風力發(fā)電機組會影響當?shù)鼐坝^，而放飛到天上的風箏不會對地面環(huán)境造成這么大的影響。相較柴油發(fā)電，高空風力發(fā)電的成本也更低。當然，不管是安裝在地面的風電機組，還是高空風力發(fā)電系統(tǒng)都可能傷害到鳥類。束縛風箏的繩索也可能對小型載人飛行器和無人機的安全構成威脅。如果繩索斷裂或導航系統(tǒng)出現(xiàn)故障，“風箏發(fā)電”系統(tǒng)也可能會墜落。
SkySails Power公司研制的軟翼式風箏墜落對地面造成的傷害可能相對較小，但目前有些企業(yè)也在研發(fā)硬翼式風箏，這種裝置更像滑翔機。雖然硬翼式風箏的發(fā)電效率更高，一旦墜毀，后果也更嚴重，因此更適合應用于海上無人環(huán)境。業(yè)內人士指出，這種硬式風箏只有在接近民航的安全可靠性后才能廣泛投入使用。
高空風力發(fā)電還有一種更超前的設想——在硬翼無人機上搭載風力渦輪發(fā)電機在高空發(fā)電，并通過電纜將電力傳輸回地面。這種設計能大幅提高發(fā)電的穩(wěn)定性，但實操起來很困難。專業(yè)人士指出，這種技術需要研制新式渦輪機。一家名為Makani Technologies的科技公司此前曾開展相關研究，該項目于2013年被谷歌收購，但測試未獲成功，經濟效益也未得到驗證，遂于2020年被關停。谷歌已將該項目有關專利免費公開。
不少企業(yè)希望利用谷歌公開的專利，繼續(xù)在這條路上推進研發(fā)或找到更好的解決方案?？偛课挥诤商m的Kitepower公司在加勒比海地區(qū)實施了相關項目試點，總部位于挪威的Kitemill公司也在研發(fā)兆瓦級高空風力發(fā)電系統(tǒng)。此外，還有一些公司正在開展水下發(fā)電研究，希望借洋流的力量推動潛艇在水下沿“8”字形軌跡滑行實現(xiàn)發(fā)電。
新技術帶來監(jiān)管空白
隨著商業(yè)活動的增加，監(jiān)管方面的挑戰(zhàn)也進一步突顯。業(yè)內人士指出，當前民航和空域監(jiān)管并未將高空風力發(fā)電納入考量。有人比喻，這種新型技術和監(jiān)管之間的關系，就好比討論先有雞還是先有蛋，實際上需要二者協(xié)同并進。在監(jiān)管狀況不明的情況下，新技術融資也會面臨更多的障礙和不便。
法吉亞諾指出，當前高空風力發(fā)電的首批商業(yè)試點已投入運行，從偏遠地區(qū)實踐來看，其成本效率具有相當?shù)母偁幜?。如果今后此類系統(tǒng)可以大規(guī)模部署，則有望提供更多的廉價電力，而問題的關鍵就在于其能否實現(xiàn)大規(guī)模生產部署。
