高空風(fēng)力發(fā)電發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)研究綜述

王浩 邢福祥

摘要：在可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略落實(shí)背景下，開發(fā)和利用更多新能源，成為廣大學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。風(fēng)能屬于新能源，具有清潔、可持續(xù)利用的特點(diǎn)。當(dāng)前，我國(guó)十分重視高空風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究和應(yīng)用，已經(jīng)解決了高空風(fēng)力發(fā)電的穩(wěn)定性和持續(xù)性問題，具有極強(qiáng)的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：高空;風(fēng)力發(fā)電;關(guān)鍵技術(shù)

在大力發(fā)展新能源的背景下，我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)數(shù)量不斷增加，截止到2021年全國(guó)風(fēng)電發(fā)電總量同比增長(zhǎng)41.5%。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外對(duì)風(fēng)能的利用停留在低空風(fēng)能發(fā)電層面，由于地理位置、季節(jié)氣候、人類活動(dòng)等因素影響，再加上低空發(fā)電技術(shù)占地面積較大、需消耗大量維修和管理成本、電能運(yùn)輸消耗等原因，低空風(fēng)電很難保證電力供應(yīng)的穩(wěn)定性。當(dāng)前，高空風(fēng)力發(fā)電技術(shù)應(yīng)用前景十分廣闊。

一、高空風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展

根據(jù)ARCHER調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，伴隨海拔高度的提升，風(fēng)能資源密度分布水平也越密切。通過運(yùn)用AWES（airborne wind energy system）技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)高空風(fēng)能發(fā)電，即采用系留航空器達(dá)到較高高度水平，在高空中進(jìn)行風(fēng)能捕獲作業(yè)，再將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)前，美國(guó)、荷蘭、意大利等國(guó)多次開展高空風(fēng)能發(fā)電試驗(yàn)，并注冊(cè)了一系列專利，具有代表性的技術(shù)有以下幾種：

（一）系留風(fēng)箏式AWES技術(shù)

1.滑翔傘式系留風(fēng)箏

通過利用滑翔傘在高空中按照特定軌跡運(yùn)動(dòng)，發(fā)揮系留繩的牽引作用帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。意大利KiteGen是風(fēng)箏發(fā)電的先驅(qū)，其開發(fā)了一套占地面積和空間小的AWES系統(tǒng)，發(fā)電效率能夠達(dá)到較高水平。德國(guó)SkySails Power公司將滑翔傘式風(fēng)箏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域，研發(fā)了200 kW的AWES產(chǎn)品，其滿載可以達(dá)到6500 h，產(chǎn)生的電能可以支持100個(gè)家庭日常使用，其發(fā)電能效、生產(chǎn)成本、占地面積比塔式風(fēng)電更具優(yōu)勢(shì)。

2.傘梯狀系留風(fēng)箏

通過利用傘梯狀系留風(fēng)箏的開閉作用，以風(fēng)箏上下循環(huán)運(yùn)動(dòng)的方式帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。廣東開發(fā)了傘狀系留風(fēng)箏AWES系統(tǒng)，即便在復(fù)雜風(fēng)力環(huán)境下也能穩(wěn)定發(fā)電，但其成本相較于塔式并沒有得到控制，其發(fā)電時(shí)間和穩(wěn)定性要優(yōu)于塔式發(fā)電，該公司的2.5 MW高空風(fēng)能發(fā)電機(jī)組已經(jīng)安裝并應(yīng)用到安徽羌湖。

（二）系留飛行器式AWES技術(shù)

1.機(jī)載發(fā)電式系留飛行器

通過在飛行器上加載永磁電機(jī)，再利用飛行器迎風(fēng)飛行，帶動(dòng)電機(jī)發(fā)電，電能將通過系留繩傳輸?shù)较嚓P(guān)設(shè)備。Makani Power公司設(shè)計(jì)了M600型號(hào)飛行器，永磁發(fā)電機(jī)搭載在機(jī)翼上，額定功率可達(dá)600 kW，且飛行器系統(tǒng)支持多種飛行模式，保障300戶家庭日常供電。美國(guó)Sky WindPower公司開發(fā)了FEG系統(tǒng)，與塔式發(fā)電機(jī)相比，其占地面積大大縮小，這一系統(tǒng)可以通過編程方式，在不同天氣條件下進(jìn)行起降工作，發(fā)電量將達(dá)到了數(shù)兆瓦時(shí)。

2.地面發(fā)電式系留飛行器

飛行器在高空中按照特定軌跡運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)系留繩進(jìn)行發(fā)電。荷蘭Ampyx Power公司研發(fā)了用于高空風(fēng)電的飛行器系統(tǒng)，此飛行器可以不需要人工支持，進(jìn)行全天候自動(dòng)發(fā)射、著陸和發(fā)電。此公司還研發(fā)了AP4、AP5飛行器，大幅提升了發(fā)電量。

二、關(guān)鍵技術(shù)分析

（一）飛行控制

在AWES處在漂浮或飛行狀態(tài)時(shí)，容易遇到紊流、突風(fēng)等干擾因素，這就需要采用控制技術(shù)提高其穩(wěn)定性。其一，要大力研究新飛行器的氣彈效應(yīng)、耦合特性、控制機(jī)理等，將智能控制技術(shù)運(yùn)用到復(fù)雜環(huán)境和問題下，創(chuàng)新控制理論和工程方法。其二，要大力研究容錯(cuò)性、可靠性高的飛行控制系統(tǒng)，研究高實(shí)時(shí)診斷和故障檢測(cè)的方法，從多學(xué)科、大范圍角度優(yōu)化算法。

（二）發(fā)電穩(wěn)定性

與塔式風(fēng)電相比，高空風(fēng)電存在大量不穩(wěn)定因素，如不僅要保持平衡還要保持做功狀態(tài);風(fēng)能會(huì)影響系留繩的傳遞動(dòng)作、飛行軌跡會(huì)受高度變化影響。為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、持續(xù)性，一方面要研發(fā)抗干擾能力強(qiáng)，適應(yīng)各種天氣環(huán)境的系統(tǒng)，另一方面要研發(fā)整體性強(qiáng)的系統(tǒng)，確保各個(gè)部件相互影響、相互耦合。

（三）空氣動(dòng)力學(xué)特性

與常規(guī)飛行器相比，AWES的做功結(jié)構(gòu)不同，其雷諾數(shù)較小，主要受飛行速度影響。由于這一特點(diǎn)，若飛行器出現(xiàn)微小變化，容易給做功結(jié)的附面層造成分離現(xiàn)象，導(dǎo)致大量升力被消耗。為了減少雷諾數(shù)帶來的負(fù)面影響，科學(xué)家從飛行生物體中獲得了啟發(fā)，通過采用可變形翼、拍動(dòng)翼，改善微型飛行器的飛行和氣動(dòng)性能。

參考文獻(xiàn)：

[1] 俞增盛，吳俊.高空風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與產(chǎn)業(yè)前景綜述[J].上海節(jié)能，2017（7）：379-382.

[2] 劉耀廣，王耀坤，萬(wàn)志強(qiáng)，等.系留懸浮式風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究進(jìn)展與展望[J].航空工程進(jìn)展，2021，12（4）：36-43.