系留懸浮式風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究進(jìn)展與展望

劉耀廣，王耀坤，萬(wàn)志強(qiáng)，嚴(yán)德

（北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京100191）

0 引 言

清潔能源的開(kāi)發(fā)已成為各國(guó)的研究重點(diǎn)，而風(fēng)能作為一種無(wú)污染、可再生、成本低、相對(duì)安全、方便采集的新能源有著巨大的發(fā)展?jié)摿Γ耆蝻L(fēng)力發(fā)電規(guī)模保持快速穩(wěn)定的增長(zhǎng)趨勢(shì)。我國(guó)自2005年頒布《可再生能源法》以來(lái)，已形成上網(wǎng)電價(jià)、研發(fā)補(bǔ)貼、稅收優(yōu)惠等多種鼓勵(lì)政策，形成良好的發(fā)展環(huán)境。現(xiàn)如今中國(guó)已成為全球規(guī)模最大、增長(zhǎng)最快的風(fēng)電市場(chǎng)。因此作為我國(guó)第三大電力能源的風(fēng)力發(fā)電仍然具備強(qiáng)有力的發(fā)展勢(shì)頭。

目前開(kāi)發(fā)風(fēng)能的主要方式是低空架設(shè)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，其本身存在局限性：（1）主要利用200 m以下的低空風(fēng)能，風(fēng)速較低且通常是湍流，風(fēng)力發(fā)電容量系數(shù)（風(fēng)力機(jī)年平均輸出功率與其額定輸出功率的比值）一般低于35%；（2）基建與安裝復(fù)雜，成本昂貴，與高度的5次方成正比；（3）只能固定安裝在常年風(fēng)場(chǎng)條件較佳的地區(qū)，部署受限。因此，低空架設(shè)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備無(wú)法依靠傳統(tǒng)形式獲得高產(chǎn)能、低成本的電力資源。

500~12 000 m的高空范圍內(nèi)蘊(yùn)含豐富的風(fēng)能資源，足以滿(mǎn)足全世界的能源需求。為此在20世紀(jì)70年代誕生一種利用系留飛行器進(jìn)行高空風(fēng)能發(fā)電的設(shè)計(jì)概念，但早期受制于技術(shù)難度大、成本投入高等問(wèn)題，高空風(fēng)力發(fā)電優(yōu)勢(shì)不明顯，研究不多。近幾年得益于航空材料、飛行控制、空氣動(dòng)力學(xué)等航空技術(shù)的深入研究，以及對(duì)清潔可再生能源的重視，已有包括Makani、KiteGen等50多家高空風(fēng)電機(jī)構(gòu)利用系留式的固定翼、風(fēng)箏、多旋翼、浮空器等航空器進(jìn)行試驗(yàn)研究。其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)以下3點(diǎn)：（1）高空強(qiáng)勁的風(fēng)場(chǎng)使風(fēng)力發(fā)電容量系數(shù)達(dá)70%以上；（2）降低土地需求和建設(shè)成本；（3）可移動(dòng)部署，應(yīng)用場(chǎng)景多樣化。預(yù)計(jì)未來(lái)高空風(fēng)力發(fā)電將迎來(lái)新一輪發(fā)展契機(jī)。

高空風(fēng)力發(fā)電技術(shù)形式繁多，導(dǎo)致現(xiàn)有研究類(lèi)型劃分和研究重點(diǎn)各不相同。王若欽等根據(jù)飛行原理的不同，將高空風(fēng)力發(fā)電分為切風(fēng)模式和非切風(fēng)模式，并對(duì)切風(fēng)模式的特點(diǎn)與挑戰(zhàn)進(jìn)行了論述；M.Barnard根據(jù)飛行狀態(tài)的不同，將其分為切風(fēng)飛行和靜態(tài)飛行；高金蘭等則主要根據(jù)飛行平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式和發(fā)電方式將切風(fēng)飛行的風(fēng)力發(fā)電飛行平臺(tái)劃分為不同種類(lèi)。而本文所述的系留懸浮式風(fēng)力發(fā)電是指飛行平臺(tái)通過(guò)纜繩系留地面，并以非切風(fēng)的方式飛行，相對(duì)靜止或單純的上下浮動(dòng)，整體速度較低。該形式控制簡(jiǎn)單、飛行安全可靠、功率輸出相對(duì)平穩(wěn)，具有顯著的發(fā)展優(yōu)勢(shì)。

本文通過(guò)分析系留懸浮式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的組成和發(fā)展現(xiàn)狀，梳理系留懸浮式風(fēng)力發(fā)電的主要技術(shù)類(lèi)型和特點(diǎn)，歸納并展望未來(lái)需要進(jìn)一步探索的關(guān)鍵技術(shù)。

1 系留懸浮式風(fēng)力發(fā)電的一般系統(tǒng)組成與發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 系留懸浮式風(fēng)力發(fā)電的一般系統(tǒng)組成

系留懸浮式風(fēng)力發(fā)電平臺(tái)主要由飛行平臺(tái)、系留纜繩、發(fā)電機(jī)、地面基站四部分組成。

（1）飛行平臺(tái)的主要作用是提供維持留空的升力，包括浮升力或氣動(dòng)升力以維持空中懸浮，部分也提供姿態(tài)調(diào)整的氣動(dòng)控制力，并搭載發(fā)電機(jī)等設(shè)備捕獲風(fēng)能。

（2）系留纜繩連接飛行平臺(tái)和地面基站，將飛行平臺(tái)束縛在一定的高度區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，也可具備電力傳輸?shù)墓δ堋?/p>

（3）發(fā)電機(jī)主要作用是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，但為滿(mǎn)足提供氣動(dòng)升力的需求，也存在發(fā)/用電狀態(tài)的電動(dòng)發(fā)電機(jī)。根據(jù)發(fā)電機(jī)位置不同，可以分為空基和陸基兩種，即發(fā)電機(jī)安裝在飛行平臺(tái)上或發(fā)電機(jī)置于地面。空基高空風(fēng)電與傳統(tǒng)風(fēng)電模式類(lèi)似，利用氣流吹過(guò)葉片平面帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電；陸基高空風(fēng)電則主要通過(guò)飛行平臺(tái)以某種飛行方式帶動(dòng)纜繩往復(fù)牽引地面發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生電能。

（4）地面基站主要控制纜繩的長(zhǎng)度，同時(shí)使發(fā)電機(jī)輸出電力可利用，實(shí)現(xiàn)電力儲(chǔ)存或并網(wǎng)。

1.2 系留懸浮式風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外對(duì)系留懸浮式風(fēng)力發(fā)電研究較多，且技術(shù)形式多樣，不同之處主要體現(xiàn)在飛行平臺(tái)飛行原理和發(fā)電方式，技術(shù)形式各有優(yōu)勢(shì)。目前筒形浮空風(fēng)力發(fā)電、基于馬格努斯效應(yīng)的浮空風(fēng)力發(fā)電、高空多旋翼風(fēng)力發(fā)電以及傘梯組合式風(fēng)力發(fā)電均有所突破，下面對(duì)國(guó)內(nèi)外這四種類(lèi)型進(jìn)行詳細(xì)闡述與分析。

（1）筒形浮空風(fēng)力發(fā)電

飛行平臺(tái)外形類(lèi)似筒形氣囊，飛行原理與浮空飛行器相似，依靠筒形氣囊內(nèi)氦氣的浮升力升空，筒形中間為變截面的氣流通道，通道中央的風(fēng)力發(fā)電機(jī)迎風(fēng)發(fā)電，通過(guò)飛行平臺(tái)的系留纜繩將電能傳輸至地面。這種形式的好處是風(fēng)能提取有超越貝茨極限（貝茨極限是指風(fēng)力發(fā)電機(jī)在理想條件下，將自由氣流動(dòng)能最大程度轉(zhuǎn)化為風(fēng)輪輸出功率的比例為59.3%）的可能，現(xiàn)實(shí)中常規(guī)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)力利用系數(shù)無(wú)法達(dá)到這一數(shù)值，而筒形浮空風(fēng)力發(fā)電利用先收縮后擴(kuò)張的變截面氣流通道，提高葉輪前的氣流速度，即

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，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)平面上的氣流功率超過(guò)環(huán)境自由流中的氣流功率，在一定程度上能使功率系數(shù)超過(guò)貝茨極限。氣流通道形狀如圖1所示。

圖1 氣流通道形狀［12］Fig.1 Shape of airflow channel［12］

該技術(shù)形式以美國(guó)Altaeros Energies公司研制 的Buoyant Airborne Turbine（BAT）為 代 表 ，BAT運(yùn)行高度最高達(dá)600 m以上，最大可承受44.7 m/s的風(fēng)速，可自主起飛或降落，能夠自動(dòng)調(diào)整引導(dǎo)平臺(tái)進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)高度，并且在大風(fēng)或強(qiáng)降雨等惡劣的天氣時(shí)，能夠自主停靠地面站點(diǎn)，待條件允許后繼續(xù)升空發(fā)電。BAT試驗(yàn)機(jī)如圖2所示。

圖2 BAT試驗(yàn)機(jī)［13］Fig.2 Test generator of BAT［13］

這種技術(shù)類(lèi)型由于依靠浮升力升空，無(wú)需通過(guò)消耗額外能源克服飛行平臺(tái)重力，使其可以最大限度將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能；對(duì)風(fēng)場(chǎng)條件要求較低，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)起飛降落；工作狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定安全，且容易運(yùn)輸部署。這些特點(diǎn)更適合在風(fēng)場(chǎng)條件不佳或不穩(wěn)定區(qū)域發(fā)揮作用，比如災(zāi)區(qū)或者軍事基地等地區(qū)的臨時(shí)緊急供電。多股系留纜繩不僅控制飛行平臺(tái)整體運(yùn)行高度，其纜繩間的差動(dòng)控制也可調(diào)整飛行平臺(tái)姿態(tài)，因此姿態(tài)控制方式簡(jiǎn)單。但是由于無(wú)法保證氣囊完全密閉，氦氣等輕質(zhì)氣體存在泄漏，需要定期補(bǔ)充，增加額外的運(yùn)營(yíng)成本；且受制于浮空氣囊龐大的體積、重量受限和結(jié)構(gòu)剛度等問(wèn)題，工作高度難以提升，發(fā)電功率規(guī)模也難以做大。

（2）基于馬格努斯效應(yīng)的浮空風(fēng)力發(fā)電

該類(lèi)型飛行平臺(tái)主體近似橢球形浮空器，運(yùn)行時(shí)橢球軸線與地面平行同時(shí)垂直氣流方向，內(nèi)部氦氣提供浮升力；囊體外安裝有氣流葉片，兩端設(shè)有發(fā)電機(jī)，再通過(guò)系留纜繩連接地面，氣流經(jīng)過(guò)表面葉片時(shí)提供旋轉(zhuǎn)扭矩，氣囊整體繞軸線旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)兩端發(fā)電機(jī)工作，通過(guò)纜繩向地面輸出功率。該類(lèi)型充分利用馬格努斯效應(yīng)，即垂直于氣流方向旋轉(zhuǎn)的物體，由于流經(jīng)物體兩側(cè)表面的相對(duì)流速不同，使得兩側(cè)面產(chǎn)生壓力差，進(jìn)而產(chǎn)生向上的偏轉(zhuǎn)力，且隨風(fēng)速增加而增大。

Magenn Power公司采用此技術(shù)路線，其研制的風(fēng)力發(fā)電平臺(tái)命名為Magenn Air Rotor System（MARS），MARS工作在300 m以?xún)?nèi)的高度范圍內(nèi)，適用風(fēng)速為2.5~30 m/s。MARS試驗(yàn)機(jī)如圖3所示。

圖3 Magenn Power的試驗(yàn)機(jī)［17］Fig.3 Test generator of Magenn Power［17］

此種形式的升力來(lái)源主要為浮升力，但與傳統(tǒng)浮空器不同，其還利用馬格努斯效應(yīng)產(chǎn)生部分動(dòng)升力；馬格努斯效應(yīng)提高總升力的同時(shí)，也能使空中平臺(tái)穩(wěn)定在預(yù)設(shè)高度受控且受限的范圍內(nèi)，減小平臺(tái)向后向下漂移。另外其風(fēng)力發(fā)電模式與傳統(tǒng)方式不同，平臺(tái)整體垂直于風(fēng)向旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生陀螺效應(yīng)，具有穩(wěn)定性；且轉(zhuǎn)速較低，對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)相對(duì)安全。但是此形式具有較大的迎風(fēng)面積，同時(shí)整體繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，對(duì)浮空氣囊結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度提出較高要求，另外也面臨氣體泄漏以及工作高度和發(fā)電規(guī)模受限的情況。

（3）高空多旋翼風(fēng)力發(fā)電

高空多旋翼風(fēng)力發(fā)電是一種類(lèi)似于系留多旋翼的設(shè)計(jì)，不同之處在于采用電動(dòng)發(fā)電機(jī)，既能用電提供升力，又能在氣流帶動(dòng)下發(fā)電輸出電力。平臺(tái)升空時(shí)類(lèi)似于系留多旋翼飛行器，由地面提供電力通過(guò)系留纜繩驅(qū)動(dòng)電動(dòng)發(fā)電機(jī)帶動(dòng)旋翼產(chǎn)生升力升空，待到達(dá)目標(biāo)高度，控制器將使多旋翼平臺(tái)整體傾斜一定角度，在此過(guò)程中雙工況電機(jī)逐漸由用電轉(zhuǎn)為發(fā)電，在空中旋翼平面與水平面成一定角度，氣流流過(guò)旋翼平面，旋翼旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)雙工況電機(jī)發(fā)電，同時(shí)旋翼受力的豎直分量作為升力，保持平臺(tái)穩(wěn)定懸浮在空中，旋翼產(chǎn)生的電能通過(guò)系留纜繩傳輸至地面。平臺(tái)姿態(tài)控制通過(guò)旋翼之間的差動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

美國(guó)Sky Windpower公司研制的Flying Elec‐tric Generator（FEG）風(fēng)力發(fā)電技術(shù)采用此種形式，在機(jī)架上安裝有四個(gè)雙工況旋翼，機(jī)架通過(guò)系留纜繩連接地面。FEG設(shè)計(jì)目標(biāo)是利用4 500~9 000 m高空內(nèi)的大氣急流區(qū)的高速氣流，旋翼平面最高可傾斜50°，在4 600 m的運(yùn)行高度上，滿(mǎn)足滯空和能量輸出的最小風(fēng)速約為10 m/s。目前該公司已經(jīng)完成原型機(jī)的測(cè)試，能夠完成從自動(dòng)起飛、到達(dá)預(yù)定高度、轉(zhuǎn)換工作模式到自動(dòng)著陸完整工作流程。FEG模型如圖4所示。

圖4 FEG模型［21］Fig.4 Model of FEG［21］

該形式飛行平臺(tái)起飛或降落時(shí)對(duì)旋翼供電產(chǎn)生升力，易實(shí)現(xiàn)自主起飛降落；主要適用高風(fēng)速環(huán)境，因此高海拔可以充分利用高速氣流的優(yōu)勢(shì)；但對(duì)高風(fēng)速環(huán)境的依賴(lài)又限制了多樣化應(yīng)用，應(yīng)用場(chǎng)景較為單一。同時(shí)為了避免高海拔對(duì)航空安全的影響，也要增大多設(shè)備同時(shí)運(yùn)行時(shí)的間距，系留纜繩的重量也成為影響平臺(tái)性能的重要因素；傾斜角度與風(fēng)速有關(guān)，因此氣流并非垂直進(jìn)入旋翼平面，很大一部分風(fēng)能用來(lái)維持平臺(tái)滯空，影響風(fēng)力發(fā)電轉(zhuǎn)化效率。

（4）傘梯組合式風(fēng)力發(fā)電

該類(lèi)型主要包括空中系統(tǒng)和地面系統(tǒng)：地面系統(tǒng)主要為發(fā)電機(jī)及附屬設(shè)備；空中系統(tǒng)由多個(gè)做功傘、平衡傘以及飄空氣球組成，間隔分布在纜繩上，利用多傘兜風(fēng)實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的高效利用，飄空氣球和一直處于打開(kāi)狀態(tài)的平衡傘提供系統(tǒng)升力和保持系統(tǒng)空中穩(wěn)定。做功傘在風(fēng)場(chǎng)內(nèi)通過(guò)反復(fù)開(kāi)合帶動(dòng)空中整體上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，牽引纜繩帶動(dòng)地面發(fā)電機(jī)發(fā)電；做功傘打開(kāi)時(shí)整體拉升處于發(fā)電狀態(tài)，做功傘收起時(shí)整體下落，處于發(fā)電準(zhǔn)備狀態(tài)。傘與傘之間、做功傘與地面系統(tǒng)之間是通過(guò)輕質(zhì)高強(qiáng)度纜繩連接。傘梯組合演示圖如圖5所示。

圖5 傘梯組合演示圖［23］Fig.5 Illustration of multi-stage umbrella［23］

我國(guó)廣東高空風(fēng)能技術(shù)有限公司研發(fā)的傘梯組合式風(fēng)力發(fā)電命名為天風(fēng)技術(shù)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)工作在500~10 000 m高空，系統(tǒng)采用模塊組合結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行高度和改變模塊數(shù)量實(shí)現(xiàn)發(fā)電功率10~1 000 MW可調(diào)節(jié)，目前已突破空中系統(tǒng)控制穩(wěn)定性問(wèn)題。

傘梯組合式風(fēng)力發(fā)電運(yùn)用全新的理念，將升力平衡系統(tǒng)和做功系統(tǒng)分開(kāi)、單獨(dú)控制，兩者互不影響，同時(shí)由于圓形傘結(jié)構(gòu)的單一自由度，系統(tǒng)只需控制傘的開(kāi)合帶動(dòng)牽引纜繩實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動(dòng)，自穩(wěn)定性較好；傘梯組合受風(fēng)面積更大，單位面積下的風(fēng)能利用率更高；另外可以通過(guò)改變做功傘的數(shù)量實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的功率輸出或系統(tǒng)功率的擴(kuò)容；但其復(fù)雜的工作模式對(duì)飛行控制要求較高；同時(shí)由于往復(fù)運(yùn)動(dòng)的發(fā)電模式導(dǎo)致功率輸出不穩(wěn)定。

2 系留懸浮式風(fēng)力發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有系留懸浮式風(fēng)力發(fā)電技術(shù)原理與特點(diǎn)的分析，充分結(jié)合當(dāng)前空氣動(dòng)力學(xué)、航空材料、飛行控制等專(zhuān)業(yè)的發(fā)展，以及目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)的研究熱點(diǎn)與進(jìn)展，歸納出未來(lái)系留漂浮式風(fēng)力發(fā)電中需要重點(diǎn)突破的航空相關(guān)技術(shù)。

2.1 輕質(zhì)高強(qiáng)系留纜繩設(shè)計(jì)與制造技術(shù)

飛行平臺(tái)的升空、回收均由系留纜繩提供牽引功能，承受較大拉力；數(shù)百米的系留纜繩被提升至空中，為飛行平臺(tái)帶來(lái)額外的重量，同時(shí)系留纜繩受到的氣動(dòng)阻力也是限制工作高度上限和效率的主要因素之一；產(chǎn)生的電力只能依靠纜繩傳輸至地面，需要滿(mǎn)足電力傳輸效率，部分還具有信號(hào)傳輸?shù)囊螅员O(jiān)控設(shè)備運(yùn)行；另外為保護(hù)設(shè)備免受雷擊破壞，系留纜繩也應(yīng)具有一定的防雷、泄雷作用。因此系留纜繩需要同時(shí)具有系留強(qiáng)度、輕質(zhì)密度、電力傳輸、防雷擊等各項(xiàng)綜合性能。

常規(guī)系留纜繩的承力元件一般由纖維制成。目前Kevlar 49芳綸纖維是大多數(shù)系留纜繩的首選材料，線密度為1.44 g/cm，具有2.8 GPa的抗拉強(qiáng)度、500℃的耐熱溫度以及115 GPa的拉伸模量，材料成本較低；而PBO纖維在1.54 g/cm的線密度下具有5.8 GPa的抗拉強(qiáng)度、270 GPa的拉伸模量和650℃的耐熱溫度，其強(qiáng)度和模量約為普通芳綸的2倍，特別是彈性模量，由于其直鏈高分子的特征，被認(rèn)為具有極限的彈性模量，綜合性能及其優(yōu)越，但受到國(guó)外壟斷和進(jìn)口限制，價(jià)格昂貴，無(wú)法普及應(yīng)用。系留纜繩在長(zhǎng)期反復(fù)承受大拉力情況下，其各層抗拉結(jié)構(gòu)間容易產(chǎn)生磨損，產(chǎn)生疲勞損傷，導(dǎo)致性能下降，影響安全性與可靠性，這是系留纜繩設(shè)計(jì)過(guò)程中著重需要注意的問(wèn)題。

結(jié)合目前系留纜繩的現(xiàn)狀與應(yīng)用，總結(jié)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)主要集中在以下3點(diǎn)：（1）小型輕質(zhì)化，新型材料技術(shù)的不斷應(yīng)用，可以利用體積與密度較小的抗拉件、電力傳輸件達(dá)到較高的抗拉強(qiáng)度與電力傳輸效率要求，也利于提高運(yùn)行高度，這對(duì)提高飛行平臺(tái)整體性能具有重要作用；（2）高強(qiáng)度與耐疲勞，高強(qiáng)度與耐疲勞屬性確保系留纜繩壽命與使用可靠性；（3）功能多樣化，目前系留纜繩可以實(shí)現(xiàn)高載重、高抗拉強(qiáng)度與耐疲勞性能、優(yōu)良電力與光纖傳輸?shù)纫螅S著系留飛行技術(shù)的不斷發(fā)展，必然出現(xiàn)滿(mǎn)足更多功能需求的復(fù)合型系留纜繩。進(jìn)一步探究和提升輕質(zhì)高強(qiáng)系留纜繩設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，很有必要綜合考慮成本、密度、強(qiáng)度與耐疲勞性能、環(huán)境適用性等各方面因素。

2.2 高性能囊體復(fù)合材料技術(shù)

系留懸浮式風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的目標(biāo)是在足夠的高度下長(zhǎng)時(shí)間滯空運(yùn)行，因此浮升囊體材料的重量與氣密性是決定浮升平臺(tái)能力的關(guān)鍵。而氣體透過(guò)率大小與氣體、材料種類(lèi)、材料的宏微觀結(jié)構(gòu)、環(huán)境溫度、縫合工藝等方面都有顯著的關(guān)系。

目前具備優(yōu)良性能的復(fù)合材料技術(shù)被少數(shù)先進(jìn)國(guó)家掌握，導(dǎo)致價(jià)格高昂、使用受控。如德國(guó)齊柏林飛艇公司skyship600載人飛艇的囊體采用層壓工藝，具有優(yōu)良的氣密性，使氦氣損耗率維持在每月1%的水平；美國(guó)TCOM公司的Mark-7s系留氣球材料利用不同屬性的層壓材料制成，抗拉強(qiáng)度40 kg/cm，氦氣滲漏率0.5 L/（m·d·atm），面密度278 g/m，而國(guó)內(nèi)大部分中小型系留艇由于囊體材料揉搓后氣密性變差以及制作工藝差距導(dǎo)致材料連接處易泄露，氦氣耗損率高達(dá)每月10%。

開(kāi)發(fā)特性?xún)?yōu)異的囊體復(fù)合材料以及加工工藝精細(xì)化是囊體材料技術(shù)的關(guān)鍵，而具備強(qiáng)度高、重量輕、耐環(huán)境、低氣體透過(guò)性、抗皺折、耐刮擦等優(yōu)良性能的囊體材料將大幅提高浮空飛行器性能，因此先進(jìn)的復(fù)合材料設(shè)計(jì)技術(shù)與制備工藝將會(huì)是囊體材料的重要突破口。

2.3 穩(wěn)定與智能控制技術(shù)

保證發(fā)電持續(xù)性和穩(wěn)定性的控制技術(shù)是目前高空風(fēng)力發(fā)電主要技術(shù)難題之一。目前系留懸浮式風(fēng)力發(fā)電控制還難以在完全脫離人工干預(yù)下自動(dòng)運(yùn)行，并且高空風(fēng)并非一成不變，存在風(fēng)速風(fēng)向突變與風(fēng)梯度漸變的問(wèn)題，導(dǎo)致飛行平臺(tái)飛行軌跡偏離、飛行狀態(tài)紊亂以及影響系統(tǒng)做功的穩(wěn)定輸出，尤其在運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和做功系統(tǒng)相互耦合、相互影響的情況下，持續(xù)性和穩(wěn)定性更難以得到保障。

王英勛等將飛行器的自主控制能力由低到高分為六級(jí)，最高程度的自主控制表述為能夠自學(xué)習(xí)且具有集群自組織協(xié)調(diào)的能力。高級(jí)的自主系統(tǒng)必須具有良好的學(xué)習(xí)和自我修復(fù)能力，能夠及時(shí)適應(yīng)環(huán)境突變，解決不確定性帶來(lái)的復(fù)雜問(wèn)題，在無(wú)人介入的情況下實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定運(yùn)行。因此對(duì)于系留懸浮式風(fēng)力發(fā)電的控制系統(tǒng)，應(yīng)實(shí)時(shí)感知甚至預(yù)測(cè)周?chē)L(fēng)場(chǎng)變化，并及時(shí)給予調(diào)整來(lái)適應(yīng)環(huán)境，保證運(yùn)行穩(wěn)定。且當(dāng)環(huán)境不利于正常運(yùn)行時(shí)可自動(dòng)回收待機(jī)，待環(huán)境允許時(shí)再自動(dòng)放飛運(yùn)行，達(dá)到高可靠性的目標(biāo)。另外平臺(tái)若能夠獲取周?chē)L(fēng)場(chǎng)參數(shù)，感知一定區(qū)域風(fēng)場(chǎng)內(nèi)高風(fēng)速位置，控制系統(tǒng)在沒(méi)有人工干預(yù)的條件下，自動(dòng)調(diào)整工作狀態(tài)，使風(fēng)力發(fā)電平臺(tái)飄移至高風(fēng)速處運(yùn)行，即控制系統(tǒng)具有趨利飛行的能力，最大程度提高發(fā)電功率，并且近幾年不斷推陳出新，對(duì)各類(lèi)新型飛行器的控制機(jī)理、復(fù)雜的耦合特性、氣動(dòng)彈性效應(yīng)等研究也將逐步深入。因此未來(lái)系留懸浮式風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)將實(shí)現(xiàn)控制穩(wěn)定可靠、趨利智能等目標(biāo)。

2.4 高效風(fēng)力發(fā)電飛行平臺(tái)總體設(shè)計(jì)技術(shù)

國(guó)內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)自20世紀(jì)便提出形式多樣的高空風(fēng)力發(fā)電技術(shù)形式和專(zhuān)利，但目前廣泛應(yīng)用的類(lèi)型局限在幾種特定形式，依托常規(guī)飛行平臺(tái)升空，缺少總體方案與構(gòu)型的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，優(yōu)化措施大多限制在結(jié)構(gòu)材料、系統(tǒng)穩(wěn)定控制等，對(duì)風(fēng)力發(fā)電能力和環(huán)境適用性的提升并不明顯。如高空多旋翼風(fēng)力發(fā)電為滿(mǎn)足懸浮條件，槳葉平面與風(fēng)向并不垂直，難以實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的高效轉(zhuǎn)化；同時(shí)其完全依靠旋翼動(dòng)升力升空，實(shí)現(xiàn)空中穩(wěn)定懸浮與功率輸出必須依賴(lài)長(zhǎng)久穩(wěn)定的大風(fēng)速環(huán)境。

高空風(fēng)力發(fā)電應(yīng)緊密結(jié)合飛行器前沿研究。閆溟等以筒形浮空風(fēng)力發(fā)電為基礎(chǔ)，探究浮空器幾何尺寸、風(fēng)速、風(fēng)輪半徑和轉(zhuǎn)速變化對(duì)飛行平臺(tái)運(yùn)行高度、發(fā)電功率輸出以及發(fā)電成本產(chǎn)生的影響，并得到該形式下的最佳發(fā)電模式；另外楊穆清等針對(duì)升浮一體飛行器的研究表明，其與常規(guī)飛行器相比具有較為突出的綜合優(yōu)勢(shì)。因此高效風(fēng)力發(fā)電飛行平臺(tái)總體設(shè)計(jì)技術(shù)是技術(shù)突破的重要途徑，從飛行器總體設(shè)計(jì)與方案優(yōu)化的角度入手，進(jìn)行創(chuàng)新性布局以及系統(tǒng)的綜合優(yōu)化，進(jìn)而探索新型高效的系留懸浮式風(fēng)力發(fā)電技術(shù)模式。

2.5 便利展開(kāi)部署技術(shù)

目前部分系留懸浮式風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已具備快捷回收、起飛或可運(yùn)輸?shù)墓δ埽鏐AT可實(shí)現(xiàn)與運(yùn)輸車(chē)輛一體化安裝設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可在24 h之內(nèi)部署。但在設(shè)計(jì)上普遍還無(wú)法達(dá)到整機(jī)一體化、功能多樣化、快速部署等目標(biāo)，考慮到未來(lái)具有商業(yè)化的趨勢(shì)，同時(shí)具有規(guī)模化應(yīng)用到災(zāi)區(qū)、軍事基地等特殊場(chǎng)景的需求，方便快捷地部署、起飛、收納和運(yùn)輸也將會(huì)成為表征技術(shù)性能的重要指標(biāo)。

美國(guó)的REAP快速升空氣球平臺(tái)的地面系統(tǒng)集成在一輛多用途機(jī)動(dòng)輪車(chē)上，車(chē)上安裝有氦氣儲(chǔ)存罐，可直接向氣囊充入氦氣，進(jìn)行放飛；另外與常規(guī)的單點(diǎn)或多點(diǎn)系留飛艇起落架裝置相比，新型氣墊式起降裝置是柔性體與剛性體的結(jié)合，能夠提供更加穩(wěn)定、可靠的起降過(guò)程，但目前仍處于試驗(yàn)階段。同時(shí)集成多種功能的地面基站的重要性并不亞于飛行平臺(tái)本身，如多功能隨動(dòng)基站的設(shè)計(jì)保證飛行平臺(tái)狀態(tài)變化時(shí)，基站控制多點(diǎn)系留纜繩快速響應(yīng)并給出適應(yīng)性調(diào)整。對(duì)于發(fā)電功率不連續(xù)的陸基發(fā)電機(jī)，需要配備相應(yīng)的整流與變壓設(shè)備。因此針對(duì)便利快捷放飛運(yùn)行的目標(biāo)，需要在輔助設(shè)備集成、運(yùn)輸車(chē)輛適配、功能多樣化等多個(gè)角度進(jìn)行針對(duì)性研究，便利展開(kāi)部署也將成為系留懸浮式風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的重要研究方向。

3 結(jié)束語(yǔ)

在風(fēng)力發(fā)電高速發(fā)展的總體趨勢(shì)下，系留懸浮式風(fēng)力發(fā)電作為一種結(jié)合航空技術(shù)拓寬風(fēng)能利用范圍的技術(shù)形式，在應(yīng)用場(chǎng)景多樣化、相對(duì)簡(jiǎn)單可靠、低成本與高產(chǎn)能等綜合優(yōu)勢(shì)下，必將迎來(lái)新一輪的發(fā)展機(jī)遇。

但目前整體仍處于初步研究發(fā)展階段，尤其國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域研究大部分仍停留在專(zhuān)利技術(shù)論證，還未形成工程應(yīng)用的趨勢(shì)，已與國(guó)外形成明顯差距。同時(shí)由于系留懸浮式風(fēng)力發(fā)電技術(shù)依托飛行平臺(tái)總體設(shè)計(jì)、高性能復(fù)合材料、飛行與運(yùn)行可靠控制等多種相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，是較為敏感的前沿技術(shù)領(lǐng)域，受到國(guó)外的嚴(yán)密封鎖，關(guān)鍵部件仍依賴(lài)進(jìn)口。因此系留懸浮式風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展亟需復(fù)合材料、總體設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制等多學(xué)科的協(xié)同發(fā)展與綜合運(yùn)用以及相關(guān)核心技術(shù)的創(chuàng)新性突破，以促進(jìn)我國(guó)在該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)超前設(shè)計(jì)與應(yīng)用。在重視可再生清潔能源的有利背景下，抓住當(dāng)前發(fā)展契機(jī)，進(jìn)而保障我國(guó)在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的總體優(yōu)勢(shì)。