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(jī)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(shí)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(rèn)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(huì)發(fā)電的風(fēng)箏

風(fēng)箏發(fā)電之所以現(xiàn)在這么“火”，是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的葉輪式風(fēng)力發(fā)電機(jī)在提升功率和降低成本這兩個(gè)問題上遇到了瓶頸。隨著世界各國對(duì)風(fēng)電需求的日益增長，對(duì)單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)提升功率的途徑主要有三種，加大風(fēng)機(jī)的受風(fēng)面積（增大葉輪直徑）；改變風(fēng)葉扭角；提高風(fēng)機(jī)的傳動(dòng)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(jī)。由于省去了帶動(dòng)發(fā)電機(jī)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(jī)的傳動(dòng)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(jī)的發(fā)展到今天，其在傳動(dòng)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(jī)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(shí)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(jī)的單機(jī)功率發(fā)展到5兆瓦左右就到頭了。

這時(shí)，聰明的技術(shù)人員就開始動(dòng)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(jī)呢？循著這一思路，風(fēng)箏發(fā)電應(yīng)運(yùn)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(jī)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(jī)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(shí)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(jī)了。同時(shí)，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(jìn)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(jī)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(shí)，當(dāng)箏面垂直于氣流時(shí)，風(fēng)箏的拉力最大；而當(dāng)箏面平行于氣流時(shí)，其拉力最小。所以，風(fēng)箏發(fā)電的原理就是在“放風(fēng)箏”時(shí)讓箏面垂直于氣流，其拉力拖動(dòng)繩索驅(qū)動(dòng)地面上的卷揚(yáng)機(jī)做功發(fā)電，風(fēng)箏的高度不斷上升。當(dāng)系繩長度用完，風(fēng)箏達(dá)到最大高度時(shí)，卷揚(yáng)機(jī)會(huì)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(gè)“8”字。以此為一個(gè)循環(huán)周期，不斷做功發(fā)電。由于回收風(fēng)箏時(shí)拉力要小于放風(fēng)箏時(shí)的拉力，所以經(jīng)過一個(gè)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(jì)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(shí)，足以驅(qū)動(dòng)功率為20千瓦的發(fā)電機(jī)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(gè)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?yàn)樗拇笮?、拉力正合適，既滿足了發(fā)電需求，又不會(huì)對(duì)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(shí)放的風(fēng)箏已有較大區(qū)別，實(shí)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(qiáng)度需能承受陣風(fēng)載荷。

風(fēng)箏的控制則是通過一個(gè)懸掛在風(fēng)箏下方的小型電動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。該卷揚(yáng)機(jī)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(dòng)卷揚(yáng)機(jī)與地面之間還連有電纜，地面的計(jì)算機(jī)可以控制這些卷揚(yáng)機(jī)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(qiáng)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(yáng)機(jī)、齒輪箱、蝸桿傳動(dòng)裝置、電池和發(fā)電電動(dòng)機(jī)以及許多傳感器組成。地面站負(fù)責(zé)釋放和回收風(fēng)箏。發(fā)電電動(dòng)機(jī)在風(fēng)箏釋放時(shí)發(fā)電，電能則通過電池儲(chǔ)存起來，回收時(shí)發(fā)電電動(dòng)機(jī)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(dāng)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(jī)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(gè)大型風(fēng)箏發(fā)電機(jī)組“KiteGen Stem”已經(jīng)在意大利投入使用。該機(jī)組由意大利的KiteGen科技公司負(fù)責(zé)建造，于2015年4月投入運(yùn)營，裝機(jī)容量3兆瓦?！癒iteGen Stem”機(jī)組采用一個(gè)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。“KiteGen Stem”機(jī)組最獨(dú)特的是其地面站的設(shè)計(jì)。其地面站為一個(gè)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(jī)組就安裝在穹頂頂部，由2臺(tái)卷揚(yáng)機(jī)，8臺(tái)發(fā)電電動(dòng)機(jī)組成。穹頂內(nèi)部擁有計(jì)算機(jī)和顯示器，工程師可以在這里監(jiān)控整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。值得一提的是，在“KiteGen Stem”機(jī)組中，風(fēng)箏線纜不是直接和地面的卷揚(yáng)機(jī)相連，而是通過一共28米長的桿子和卷揚(yáng)機(jī)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(duì)準(zhǔn)風(fēng)力最大的方向。該電站的運(yùn)營驗(yàn)證了風(fēng)箏發(fā)電原理的可行性?！癒iteGen Stem”機(jī)組相比同級(jí)別的傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)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(shí)間使用中會(huì)磨損，需定期更換。限于當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)力狀況，“KiteGen Stem”機(jī)組1年中只有6 500小時(shí)能滿負(fù)荷發(fā)電。KiteGen公司當(dāng)前正在阿爾卑斯山的圣伯納德山口地區(qū)建造由9臺(tái)“KiteGen Stem”組成的峰值功率達(dá)27兆瓦的大型風(fēng)箏發(fā)電站。據(jù)該公司的估計(jì)，該電站建成后的發(fā)電成本在23歐元/兆瓦時(shí)左右。作為對(duì)比，2015年歐洲國家火電的發(fā)電成本為50歐元/兆瓦時(shí)，光伏發(fā)電約為100歐元/兆瓦時(shí)，核能發(fā)電的成本則在90歐元/兆瓦時(shí)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(shí)。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(jìng)爭力的。KiteGen公司計(jì)劃未來建造峰值功率達(dá)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(shí)（1吉瓦=1 000兆瓦）的電力，足以供應(yīng)86 000戶家庭。同時(shí)，規(guī)模的提升也使得發(fā)電成本降低了，100兆瓦級(jí)的風(fēng)箏電站的發(fā)電成本有望降至10歐元/兆瓦時(shí)，具備了和水電站競(jìng)爭的能力。endprint

與KiteGen公司同步推進(jìn)風(fēng)箏發(fā)電項(xiàng)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(gè)裝機(jī)容量為500千瓦的小型風(fēng)箏發(fā)電站，以證明其設(shè)計(jì)的可行性。之所以選擇在西弗洛伊建造風(fēng)箏電站，是因?yàn)檫@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(jì)劃在蘇格蘭建設(shè)多個(gè)500千瓦的小型風(fēng)箏發(fā)電站，并最終開建3兆瓦級(jí)的風(fēng)箏發(fā)電站。KPS公司的風(fēng)箏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)和其他的風(fēng)箏發(fā)電系統(tǒng)略有區(qū)別。每臺(tái)發(fā)電機(jī)由一對(duì)風(fēng)箏驅(qū)動(dòng)，當(dāng)其中一只風(fēng)箏上升到一定高度時(shí)，會(huì)拉動(dòng)繩索，讓連接的另一只風(fēng)箏會(huì)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(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，降低了回收風(fēng)箏的功率損耗。KPS公司還計(jì)劃將來發(fā)展海上的風(fēng)箏發(fā)電站。

當(dāng)前，風(fēng)箏發(fā)電還處于驗(yàn)證階段，并未大規(guī)模地開始建設(shè)。但其潛在市場(chǎng)競(jìng)爭力無疑不容忽視。

風(fēng)箏發(fā)電的市場(chǎng)前景

相比傳統(tǒng)的葉輪式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，風(fēng)箏發(fā)電最大的優(yōu)勢(shì)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(duì)環(huán)境的影響也比傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)小。由于風(fēng)箏飛得很高，像撞鳥、噪音擾民等傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)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(shì)。在使用中，每個(gè)風(fēng)箏的飛行軌跡都是一個(gè)“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(huì)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(chǎng)的發(fā)展。KiteGen公司對(duì)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(jī)的正常飛行，又獲得了足夠的空域。據(jù)該公司估計(jì)，通過合理優(yōu)化風(fēng)箏的飛行軌跡，風(fēng)箏僅占用一個(gè)核電站的禁飛區(qū)就能達(dá)到1000兆瓦的裝機(jī)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(gè)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(duì)流層，這樣一個(gè)巨型風(fēng)箏發(fā)電站的裝機(jī)容量可達(dá)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(chǎng)可以基本不受限制的增加機(jī)組數(shù)量，從而增加總體裝機(jī)容量。風(fēng)箏發(fā)電系統(tǒng)比傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)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(jī)構(gòu)（IRENA）發(fā)布的報(bào)告，2015年傳統(tǒng)海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電成本為170美元/兆瓦時(shí)，到2030年這一成本將降至95美元/兆瓦時(shí)。而根據(jù)KPS公司的評(píng)估報(bào)告，到2020年，海上風(fēng)箏發(fā)電的成本約為62.5美元/兆瓦時(shí)，到2030年將降至不到50美元/兆瓦時(shí)。同時(shí)，小型的風(fēng)箏發(fā)電機(jī)組在安裝時(shí)甚至都不需要打樁，可以以浮動(dòng)系泊的方式工作。這就使得它能進(jìn)軍水深更大的海域。當(dāng)前的海上風(fēng)電場(chǎng)水深一般也就在10米左右，最多達(dá)到20米左右，深遠(yuǎn)海域的風(fēng)能完全無法利用。而浮動(dòng)系泊型的風(fēng)箏發(fā)電機(jī)組將使深遠(yuǎn)海域海上風(fēng)電的開發(fā)成為可能。當(dāng)然，風(fēng)箏發(fā)電機(jī)組也不適合能在離岸太遠(yuǎn)，水太深的地方工作，這樣的話其系泊成本、輸電成以及維護(hù)成本會(huì)大幅攀升，削弱其發(fā)電成本優(yōu)勢(shì)。據(jù)KPS公司的估計(jì)，100～150米水深海域是系泊型的風(fēng)箏發(fā)電機(jī)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(shì)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(jī)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(huì)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