空中风力发电之旅

         您可能是传统水平与垂直风力涡轮的专家，但是您是否听说过空中风力发电？按照目前新生的空中风力发电领域的创新速度，十年之后“空中风力发电涡轮”将会成为家喻户晓的词汇。在北半球的大部分地区距离地面几千英尺的地方，有着能够与世界上最好的地面风力电站媲美的风力资源尚未得到开发。再往上10倍高的对流层则有着世界上能量密度最高的可再生能源。

         利用高海拔风力资源可能还需要一些重要的技术突破，但是靠近地球的空中风力发电将在十年内成为成本低、实用并且可以用于大型公用规模的发电方式。大多数空中风力发电公司都将其重点放在位于距离地面数千英尺的“边缘层”。将在这个海拔下可以用于大型公用规模的空中风力发电带入市场并不需要重大突破，仅需要扎实的工程工作、研发投资以及富有经验的地面风力发电团体的支持和指导。

         世界上至少有30个新兴企业和研究小组都在努力让空中风力发电成为现实。丰富的商用（COTS）技术和工具让他们能够达到可观的创新速度。在过去的几年中，他们的原型系统已经证实了空中风力发电的基本原则，并且将规模提高到数十千瓦级。行业领导者的下一步是证实系统能够在现场长期连续可靠地运行。

        空中风力发电还处于初始阶段，因为现在的地面涡轮并不具备很高的性价比，如果能够离开地面，就可以让空中风力发电领域延伸到新的地方。Makani Power是空中风力发电领域中资金雄厚的领导者，它相信空中风力涡轮（AWT）技术能够将可开发的地面风力资源扩大五倍，覆盖美国大陆表面的80％。空中风力涡轮与基于地面的涡轮一起将通过减小发电波动，并纵向拓展能源采集的区域，帮助缓解能源问题。

通过同化进行创新
         空中风力发电从传统的风力发电领域中沿用了许多成熟技术，有时甚至使用相同类型的发电机、齿轮箱和并网型逆变器。表1比较了地面涡轮和空中风力涡轮之间的相同点和不同点。空中风力涡轮的主要不同点是从风中提取能量的方式。并非使用大型钢塔结构，而是使用绳索电缆将系统固定在地面上。不使用旋转叶片，而是使用专门设计的机翼扫过空中的一条路径提取能量。扫过空中更大截面的能力是空中风力发电吸引人的主要原因之一，从而能够使用中等大小的机翼从高空中更强更持续的风中提取大量能量。与传统涡轮叶片尖端相似，机翼以风速的数倍在空中侧风画圈或是画八字形，如图1所示。空中风力涡轮和地面涡轮都根据相同的空气动力学法则工作。正如传统的风能一样，发电量与空气密度的一半乘以风速的立方成正比（方程1）。

        因此，风速的较小变化将导致能量的较大变化，风速翻倍则得到八倍能量。和传统涡轮叶片尖端相似，机翼以高速通过空气，使用空气动力提升有效获取能量。翼展与风力涡轮叶片长度可比，让空中风力涡轮可以扫过更大的空中区域，从而获得将近10倍的能量。空中风力涡轮可以在不同海拔高度上下移动，调节飞行路径从而调节风力状况。在机械结构上，由于空中风力涡轮并非固定在地面上，可以在飞行中受到空气枕缓冲。但是快速移动产生的g力负荷将会对机翼和绳索电缆施加很大的张力。

高海拔下工作
         通过超出地面涡轮的范围，空中风力机器在高海拔下采集持续强劲的风力资源。在2000英尺高度下，北半球大部分地区超过40％的时间风速超过8米/秒。其能量密度（kW/m2）与世界上最好的地面风力区域相媲美，如图2所示。因此，空中风力涡轮能够让风力领域延伸到全新区域，并且可以更加靠近人口密集中心。

          尽管边缘层的风比较容易被现在的企业加以利用，最为可观的是位于对流层的喷气流风。在35000英尺高度，平均能量密度超过20 kW/m2，可用总资源用数千兆兆瓦（TW）计算，比世界能源需求高几百倍。“从环境角度而言，制造巨大的兆兆瓦级别的可再生能源系统是十分重要的。”Carnegie Institution of Washington大学的Ken Caldeira在2010年风力能源大会上说道。“风力能源能够达到满足民用需求的规模这一观点是言之有理的。风力能源是为数不多的民用规模发电技术之一。”
         Caldeira是世界著名的气候科学家，他研究了从高海拔提取民用规模能量对环境造成的潜在影响。他的模型表明：提取能够满足世界能量需求的18TW并不会对气候产生巨大影响，只会造成几乎可以忽略的0.04 oC降温效果。当然，让世界切换到使用便宜、清洁、无碳能源将必然为环境带来正面影响。利用高海拔风力资源是一个大胆的设想，也同时带来了许多技术挑战和后勤挑战，例如寻找足够坚韧轻质的绳索电缆，以获得美国联邦飞行管理（FAA）许可和进行空间清理。即便在边缘层海拔仍然需要解决FAA许可问题。至少对于现在而言，将对流层的风力资源投入商业应用是不太可能的。即便将目标定在对流层的公司也计划从更加适中的高度开始。“在1000英尺高度，世界上70％的地区可以通过风力资源获利。”     MAGENN Power公司CEO，Pierre Rivard说道。MAGENN Power是一家开发比空气轻的类似飞艇和漂浮手机基站的发电机公司。

探索设计空间

         从整体上看共有三种对空中风力发电系统进行分类的基本方法：1）海拔：低海拔、边缘层或对流层；2）机翼类型：比空气轻或重、固定或活动、拖动、提升或基于旋翼机；3）发电机位置和类型：地面或空中、齿轮箱或直接驱动。

        和地面风力发电领域的早期相似，空中风力发电的研究员正在测试所有可能的设计选择，找出最佳方案。即便使用计算机模型，目前仍然没有物理原型的替代物。可以工作的原型系统也在努力说服持有怀疑态度的人并设法吸引投资者。“我想多年之前人们仍然持有相当的怀疑态度，但是现在有许多新兴公司都在进行研发。”Joby Energy商业开发总监Archan Padmanabhan说道。“在过去的几年中，行业中出现了许多原型系统，我们看到它们成长到数十千瓦。在Joby，我们从地面发电机设计开始，测试自转概念，并最终制造了带有机翼的空中发电系统，它具有多个螺旋桨，将电能通过电缆传送下来。现在我们正在探索能够简化起飞和降落的机翼。

克服技术难关

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