中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：據(jù)《耶魯360度環(huán)境觀察》雜志報(bào)道，目前，許多企業(yè)正在開發(fā)高空風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，利用大型風(fēng)箏在距離地面半英里以上的空中收集風(fēng)能。盡管高空風(fēng)力發(fā)電尚處于起步階段，但這項(xiàng)技術(shù)潛力巨大，有望用于偏遠(yuǎn)地區(qū)發(fā)電，也可為離岸較遠(yuǎn)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(gè)巨型風(fēng)帆沿“8”字形軌跡飛行，其大小相當(dāng)于一套三居室的公寓。這個(gè)巨型風(fēng)帆不是什么旅游景點(diǎn)，而是一種高空發(fā)電裝置。
2021年12月，德國(guó)SkySails Power公司將該風(fēng)力發(fā)電裝置升空，這也是全球第一個(gè)全自動(dòng)化商業(yè)高空發(fā)電裝置。該裝置發(fā)電裝機(jī)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(guó)用電量來(lái)說(shuō)幾乎不值一提。不過(guò)，該公司認(rèn)為，高空風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)投入運(yùn)營(yíng)的意義重大，指明了未來(lái)能源發(fā)展方向。
利用高空強(qiáng)風(fēng)發(fā)電
風(fēng)能將在世界邁向凈零目標(biāo)的進(jìn)程中發(fā)揮巨大作用。國(guó)際能源署（IEA）預(yù)測(cè)，到2050年，全球風(fēng)電裝機(jī)容量將是現(xiàn)在的11倍，風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電將滿足全球70%的電力需求。隨著全球風(fēng)電機(jī)組數(shù)量不斷增加，過(guò)去10年中，風(fēng)力發(fā)電的成本已大幅下降了約40%。
不過(guò)，有專家指出，傳統(tǒng)的大型葉片式風(fēng)力渦輪機(jī)并不一定是最佳解決方案。傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組在偏遠(yuǎn)地區(qū)或深水區(qū)域的安裝難度較大，而且無(wú)法達(dá)到風(fēng)力最強(qiáng)的高空。要在高空中采集利用風(fēng)能，一個(gè)可行的解決方法是“放風(fēng)箏”。數(shù)十家企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)正在研發(fā)“風(fēng)箏發(fā)電”技術(shù)和設(shè)備，其中，既有通過(guò)風(fēng)箏繩的拉力帶動(dòng)地面設(shè)備發(fā)電的系統(tǒng)，又有在飛行器上搭載渦輪機(jī)，通過(guò)空氣帶動(dòng)渦輪機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電力并輸送到地面的系統(tǒng)。有人提出在遠(yuǎn)海深水區(qū)駁船上“放風(fēng)箏”進(jìn)行發(fā)電，建設(shè)大型“海上風(fēng)箏發(fā)電場(chǎng)”。
歐洲高空風(fēng)力發(fā)電協(xié)會(huì)理事會(huì)成員、意大利米蘭理工大學(xué)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(fēng)力渦輪機(jī)有著獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。例如，一些國(guó)家適合建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)的土地越來(lái)越少。風(fēng)電場(chǎng)面積通常要達(dá)到71英畝才能建成1兆瓦的發(fā)電裝機(jī)容量，而化石燃料發(fā)電廠實(shí)現(xiàn)相同的發(fā)電裝機(jī)容量占地面積僅需12英畝。
此外，從風(fēng)能本身的特點(diǎn)來(lái)說(shuō)，自然是海拔越高的地方風(fēng)速越快。一般而言，風(fēng)速提高兩倍，發(fā)電量可增加8倍。傳統(tǒng)地面風(fēng)力渦輪機(jī)通常為200~300米，而高空風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能在800米高空作業(yè)。理論上，全球高空風(fēng)力發(fā)電量約為地面風(fēng)力發(fā)電量的4.5倍。
高空風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有安裝簡(jiǎn)便和成本較低的優(yōu)勢(shì)。這種裝置可以裝在集裝箱里通過(guò)公路或水運(yùn)運(yùn)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(fēng)力發(fā)電機(jī)需要煩瑣的前期建設(shè)工作。此外，高空風(fēng)力發(fā)電裝置的高度可根據(jù)當(dāng)?shù)丶竟?jié)性風(fēng)速進(jìn)行調(diào)整。
潛力巨大，道阻且長(zhǎng)
高空風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)固然不會(huì)取代傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，不過(guò)大型“海上風(fēng)箏發(fā)電場(chǎng)”的發(fā)展?jié)摿薮?。有專家提出，在遠(yuǎn)離海岸的深水區(qū)駁船上建設(shè)大型“海上風(fēng)箏發(fā)電場(chǎng)”，可以同時(shí)放數(shù)百只“風(fēng)箏”。此外，在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)，例如海島、山區(qū)等，可以設(shè)置單獨(dú)的“風(fēng)箏發(fā)電”裝置，以滿足當(dāng)?shù)氐墓╇娦枨蟆?
這些想法已經(jīng)醞釀了幾十年，但在高空通過(guò)風(fēng)箏發(fā)電的實(shí)踐道路卻走得并不順。
2020年，美國(guó)科技巨頭谷歌收購(gòu)了一家高空風(fēng)力發(fā)電公司，但該公司由于未能實(shí)現(xiàn)高空風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行而最終倒閉。德國(guó)SkySails Power公司采用的是輕量型的高空風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，目前已投入商用。
美國(guó)能源部2021年提交給美國(guó)國(guó)會(huì)的報(bào)告指出，高空風(fēng)力發(fā)電技術(shù)確有潛力，且有望實(shí)現(xiàn)跟地面風(fēng)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(lái)源尚有很長(zhǎng)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(dāng)時(shí)創(chuàng)業(yè)思路主要針對(duì)的是國(guó)際航運(yùn)業(yè)，設(shè)想用巨型風(fēng)箏在海面拉動(dòng)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(dāng)時(shí)，該公司設(shè)想油價(jià)將不斷上漲，市場(chǎng)對(duì)技術(shù)的需求應(yīng)該很大。然而國(guó)際油價(jià)于2009、2014年和2020年迎來(lái)數(shù)輪暴跌，該公司最初的愿景未能實(shí)現(xiàn)。隨著當(dāng)前碳減排要求的提高，可再生能源發(fā)電技術(shù)受到廣泛關(guān)注。2015年，SkySails Power公司轉(zhuǎn)而聚焦高空風(fēng)力發(fā)電。
多家企業(yè)推進(jìn)研發(fā)
SkySails Power公司開發(fā)的“風(fēng)箏發(fā)電”系統(tǒng)中，風(fēng)箏的面積約為150平方米，形狀類似降落傘。風(fēng)箏上不需要安裝風(fēng)力渦輪機(jī)，拉拽風(fēng)箏的繩索也不是電線。發(fā)電設(shè)施安裝在地面，風(fēng)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(shí)現(xiàn)最大拉力帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，并用最小的阻力拉動(dòng)風(fēng)箏，發(fā)電量遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的耗電量。
以上工作原理聽起來(lái)簡(jiǎn)單，不過(guò)據(jù)該公司首席技術(shù)官斯蒂芬·布拉貝克透露，他的團(tuán)隊(duì)用了7年時(shí)間才逐步完善了風(fēng)箏操控軟件。目前，該公司共生產(chǎn)并銷售了5套“風(fēng)箏發(fā)電”系統(tǒng)，其中一套安裝在毛里求斯。根據(jù)當(dāng)?shù)貜?qiáng)降雨、雷雨等天氣狀況，這套裝備所使用的風(fēng)箏預(yù)計(jì)每年需要降落14次。由于毛里求斯有時(shí)會(huì)遭遇颶風(fēng)，安裝傳統(tǒng)的風(fēng)電機(jī)組無(wú)法保證安全性，而“風(fēng)箏發(fā)電”系統(tǒng)可以在颶風(fēng)來(lái)臨前將風(fēng)箏降落并妥善存放，因此，高空風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)顯然更適合當(dāng)?shù)匦枨蟆?
此外，地面安裝的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組會(huì)影響當(dāng)?shù)鼐坝^，而放飛到天上的風(fēng)箏不會(huì)對(duì)地面環(huán)境造成這么大的影響。相較柴油發(fā)電，高空風(fēng)力發(fā)電的成本也更低。當(dāng)然，不管是安裝在地面的風(fēng)電機(jī)組，還是高空風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)都可能傷害到鳥類。束縛風(fēng)箏的繩索也可能對(duì)小型載人飛行器和無(wú)人機(jī)的安全構(gòu)成威脅。如果繩索斷裂或?qū)Ш较到y(tǒng)出現(xiàn)故障，“風(fēng)箏發(fā)電”系統(tǒng)也可能會(huì)墜落。
SkySails Power公司研制的軟翼式風(fēng)箏墜落對(duì)地面造成的傷害可能相對(duì)較小，但目前有些企業(yè)也在研發(fā)硬翼式風(fēng)箏，這種裝置更像滑翔機(jī)。雖然硬翼式風(fēng)箏的發(fā)電效率更高，一旦墜毀，后果也更嚴(yán)重，因此更適合應(yīng)用于海上無(wú)人環(huán)境。業(yè)內(nèi)人士指出，這種硬式風(fēng)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(fēng)力發(fā)電還有一種更超前的設(shè)想——在硬翼無(wú)人機(jī)上搭載風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)在高空發(fā)電，并通過(guò)電纜將電力傳輸回地面。這種設(shè)計(jì)能大幅提高發(fā)電的穩(wěn)定性，但實(shí)操起來(lái)很困難。專業(yè)人士指出，這種技術(shù)需要研制新式渦輪機(jī)。一家名為Makani Technologies的科技公司此前曾開展相關(guān)研究，該項(xiàng)目于2013年被谷歌收購(gòu)，但測(cè)試未獲成功，經(jīng)濟(jì)效益也未得到驗(yàn)證，遂于2020年被關(guān)停。谷歌已將該項(xiàng)目有關(guān)專利免費(fèi)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(jìn)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(shí)施了相關(guān)項(xiàng)目試點(diǎn)，總部位于挪威的Kitemill公司也在研發(fā)兆瓦級(jí)高空風(fēng)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(dòng)潛艇在水下沿“8”字形軌跡滑行實(shí)現(xiàn)發(fā)電。
新技術(shù)帶來(lái)監(jiān)管空白
隨著商業(yè)活動(dòng)的增加，監(jiān)管方面的挑戰(zhàn)也進(jìn)一步突顯。業(yè)內(nèi)人士指出，當(dāng)前民航和空域監(jiān)管并未將高空風(fēng)力發(fā)電納入考量。有人比喻，這種新型技術(shù)和監(jiān)管之間的關(guān)系，就好比討論先有雞還是先有蛋，實(shí)際上需要二者協(xié)同并進(jìn)。在監(jiān)管狀況不明的情況下，新技術(shù)融資也會(huì)面臨更多的障礙和不便。
法吉亞諾指出，當(dāng)前高空風(fēng)力發(fā)電的首批商業(yè)試點(diǎn)已投入運(yùn)行，從偏遠(yuǎn)地區(qū)實(shí)踐來(lái)看，其成本效率具有相當(dāng)?shù)母?jìng)爭(zhēng)力。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(jià)電力，而問(wèn)題的關(guān)鍵就在于其能否實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)部署。
