風(fēng)箏發(fā)電

呂　靜

這已不是奇思妙想，要真正獲得更多的風(fēng)能，我們需要另類利用藍(lán)天的思路

1827年，英國發(fā)明家喬治·波考克曾在“航空藝術(shù)”一文中寫道：“天空中還有很多沒有被發(fā)掘的不可見的能源穿行的疆域，在那里，風(fēng)帆從來沒有招展，機(jī)械也從來沒有被引入，那里的發(fā)明也從沒有按部就班地傳播開來，那就是大氣層的較高區(qū)域，當(dāng)下面的風(fēng)很慢時，那里卻有強(qiáng)大和穩(wěn)定的快速空氣流動。這些迄今幾乎一直沒有被地球居民注意到。因為高高在上的行程使得其遠(yuǎn)離人類的征服。”

在過去，從對流層無窮無盡的風(fēng)中獲取能源的想法僅僅只能是個夢，而今，一只放飛的風(fēng)箏能幫助人們實現(xiàn)這個夢想——利用高緯度的風(fēng)產(chǎn)出便宜的電力。

的確，風(fēng)箏能是一種新方向。當(dāng)綠色環(huán)保運(yùn)動的推動者奮力爭取更多渦輪風(fēng)力發(fā)電機(jī)的時候，新一輪有著環(huán)保動機(jī)的工程師已在考慮渦輪發(fā)電機(jī)是否落伍的問題了。

近年來將風(fēng)箏作為一種可再生能源概念的一位先行者叫皮特·林恩，他是和風(fēng)箏一塊長大的新西蘭風(fēng)箏設(shè)計師，一家美國公司馬卡尼電力的顧問。

風(fēng)箏取代渦輪

一般渦輪發(fā)電機(jī)都矗立在離地面80米處，那里具代表性的風(fēng)速是每秒鐘4．6米，而在800米的高空，風(fēng)速可以升高到每秒7．2米，而且風(fēng)的可靠性，既超過特定速度的風(fēng)所發(fā)生的頻數(shù)，也是隨著高度而增加的。其結(jié)果，可獲得的風(fēng)能與風(fēng)速的立方緊密相關(guān)，所以風(fēng)箏的高度是一個相當(dāng)有吸引力的選項，這讓它比渦輪機(jī)所在的高度多發(fā)電4倍。上升到離地1千米的高空，就能獲得約為地面風(fēng)電8倍的電能，你所需要做的就是用一根很長的線纜系住風(fēng)箏。

至少在理論上，風(fēng)箏能是一個清潔、低廉能源的簡單菜單。馬卡尼電力公司更有吸引力的一點，就是他們業(yè)已收到去年11月份來自谷歌的1000萬美元投資。

歐洲的風(fēng)箏發(fā)電開發(fā)者也有同樣的目標(biāo)。巴斯·蘭茲朵和他在荷蘭代夫特理工大學(xué)的同事正在開發(fā)一個包含風(fēng)箏、電纜和發(fā)電機(jī)組的系統(tǒng)。去年，這個系統(tǒng)第一次在一次展示中發(fā)出了電。在早期實驗中，他們放飛的是一只10平方米的風(fēng)箏，發(fā)電量為3千瓦。那個風(fēng)箏是用一個操縱桿遙控的，該小組正在開發(fā)軟件、電子設(shè)施和地面站來對風(fēng)箏進(jìn)行自動控制。據(jù)推測，一個20平方米的自動控制風(fēng)箏可發(fā)電20千瓦。

蘭茲朵對自己小組的系統(tǒng)能按比例逐級放大充滿自信，但又對其在能源市場未來地位的置評很謹(jǐn)慎，他說：“我們現(xiàn)在已經(jīng)了解了這個概念的工作原理，有很多原因讓人相信這種電力很低廉，但是能源市場是個復(fù)雜的事情。”

另外一個風(fēng)箏研究小組是意大利一家叫做風(fēng)箏發(fā)電的公司。去年9月份，這家公司在米蘭一個機(jī)場測試了其原型風(fēng)箏系統(tǒng)。這次測試為期3天，風(fēng)箏被放飛到400米的高空。測試結(jié)果相當(dāng)好，按照風(fēng)箏發(fā)電公司研究小組科學(xué)主任都靈理工大學(xué)的馬里奧·米蘭尼斯所言，用一個10平方米的風(fēng)箏，在風(fēng)速為每秒4米的情況下，平均發(fā)電量為2．5千瓦。該系統(tǒng)比預(yù)計的仿真實驗效果還要好。米蘭尼斯說：“我們認(rèn)為關(guān)鍵的技術(shù)問題已得到了足夠的評估，只要有足夠的財力支持，我們計劃在2到3年內(nèi)生產(chǎn)出工業(yè)原型。”

用線放風(fēng)箏

那么，這些系統(tǒng)開發(fā)出來后會是什么樣子呢?

最基本的想法就是，當(dāng)控制線纜展開的時候，風(fēng)箏就像溜溜球一樣旋轉(zhuǎn)，所以發(fā)電機(jī)能夠通過拽拉風(fēng)箏的風(fēng)板而驅(qū)動(見圖)。在風(fēng)箏發(fā)電公司的風(fēng)箏構(gòu)造中，風(fēng)箏是由兩條線纜牽拉飛行的，每條線纜都由一個與計算機(jī)控制的絞盤相連的獨立繞線鼓所把握。一旦風(fēng)箏被放飛并到了穩(wěn)定的飛行階段，就需要靠這兩只線纜來牽拉收放，絞盤則負(fù)責(zé)放松。這些線纜的旋轉(zhuǎn)帶動了發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動。當(dāng)幾乎所有的線纜都放開的時候，絞盤就開始將其拉回，讓風(fēng)箏回到其原來的位置。

當(dāng)然，這中間還有許多的問題需要克服。在風(fēng)的間歇期使其提升力維持在一定水平或最大化的最有效途徑是什么?如何能讓風(fēng)箏在沒風(fēng)的時候盡可能長時間地漂浮在高空，又怎么能防止風(fēng)箏不被吹破呢?還有一個技術(shù)上的挑戰(zhàn)是在收線拽回風(fēng)箏的時候如何盡可能使空氣阻力最小化。蘭茲朵說：“當(dāng)人們放風(fēng)箏的時候，并不在乎收回來的階段，但是我們卻很在乎這一點，因為我們不僅想在放風(fēng)箏的時候產(chǎn)生更多的電力，也想在收線回來的時候盡可能少地消耗電力。”

阿里斯特·福瑞和他在英國蘇塞克斯大學(xué)的同事音曼·哈維(Inman Harvey)用中樞網(wǎng)絡(luò)來負(fù)責(zé)看管虛擬風(fēng)箏，用網(wǎng)絡(luò)使得風(fēng)箏保持飛行的最長時間以產(chǎn)生更好的解決方案。最終就算是有一陣狂風(fēng)或風(fēng)有停歇的時候，這些網(wǎng)絡(luò)對風(fēng)箏在高空漂浮和讓線纜張力保持最大也都變得很精通。福瑞和哈維現(xiàn)在正在為風(fēng)箏發(fā)電公司工作，他們會將算法和仿真模型變成真實世界中的風(fēng)箏控制機(jī)械裝置。

這就是自動控制風(fēng)箏的目標(biāo)，這種技術(shù)并不是簡單地按比例擴(kuò)大，按照蘭茲朵的說法就是：它將決定風(fēng)箏電力的經(jīng)濟(jì)。他還說：“按比例放大在原則上并不難，自動控制才是有挑戰(zhàn)性的部分，我們還不知道能將自動控制的過程發(fā)展到什么程度。”今年的代夫特-魯汶計劃就是創(chuàng)建一個能夠發(fā)電20千瓦控制風(fēng)箏和絞盤系統(tǒng)的算法，一旦風(fēng)箏被發(fā)射上天，不用監(jiān)督和外部控制就可以操作。

放飛風(fēng)箏的熱點地區(qū)

當(dāng)然，到現(xiàn)在為止，這些風(fēng)箏發(fā)電設(shè)備也只是空中美景而已，人們現(xiàn)在還不要期望太多太快，利用空中的動力將是昂貴和困難的。

建立風(fēng)箏能發(fā)電農(nóng)場將需要占用大量的空間，那么這項技術(shù)到底能不能實現(xiàn)呢?荷蘭代夫特理工大學(xué)的研究人員分析了風(fēng)能和人口模式，得出了空間不成問題的結(jié)論。代夫特小組的蘭茲朵說：“就算在人口密集的荷蘭鄉(xiāng)村，也有足夠的空間建風(fēng)箏發(fā)電場。又比如，西班牙對可再生能源有足夠的地方和足夠大的胃口。而像中國和澳大利亞也有地方建，所以空間完全不是問題。”

一個對風(fēng)箏能計劃的經(jīng)常性異議就是，在1千米的高空，風(fēng)箏會侵入飛機(jī)飛行的航道。蘭茲朵說：“人們稱這對飛機(jī)很危險，但實際上這是無稽之談。風(fēng)箏并不比其他飛機(jī)更危險：所以你需要做的就是有一臺好的雷達(dá)發(fā)射接收機(jī)和一座燈塔。”

飛機(jī)的飛行區(qū)域不適合安放風(fēng)箏，飛機(jī)也會避免在核電站的上空飛行。意大利都靈理工大學(xué)的馬里奧·米蘭尼斯(MarioMilanese)說：核電站退役后，這些地方是風(fēng)箏基礎(chǔ)發(fā)電機(jī)組的絕佳場地。在這樣的空間中，一個風(fēng)箏系統(tǒng)的發(fā)電量可達(dá)1兆瓦，他指出，這個量與核電站的發(fā)電能力相仿。風(fēng)箏的飛行空間在意大利也不是什么大問題，米蘭尼斯已經(jīng)與意大利航空權(quán)威合作進(jìn)行過測試，他們還將繼續(xù)合作，尋找未來的測試點。

米蘭尼斯說：“我們對此信心十足，因為現(xiàn)在已經(jīng)有足夠的政治意向批準(zhǔn)新地址。”