用“風箏”發電

編譯 騰慧月

放過風箏的人都知道，只要能讓風箏升入高空，就很容易利用高空的風讓它保持穩定飛行。如今，科學家正在嘗試在離地面200 米以上的高空安置大型“風箏”，利用這一特性發電。

越高，越高能

靠近地面的風往往因與樹木、山丘和建筑物等的摩擦而減速甚至變向。隨著高度增加，平均風速會增大。高空的風能儲量更豐富、更穩定，是目前近地面的風能無法比擬的。在過去的幾十年里，人類已經提出許多利用高空風能的設想，比如在飛行器上安裝渦輪機。目前看來，較為可行的一種方法是用計算機操控形態可變的“風箏”。

“風箏”風能系統的發電思路有兩種。第一種，空中飛行，地面發電——纜繩一端連接“風箏”，另一端纏繞在卷揚機上，當“風箏”在風中飛行時，它會拉緊纜繩，帶動地面的卷揚機轉動，從而發電。隨后，閉合“風箏”，減小其升力，纜繩拽著“風箏”自然收回。重復上述過程，就能周期性發電。第二種，空中飛行，空中發電——將“風箏”設計成類似飛機機翼的剛性結構，其上托載小型風力渦輪機。當“風箏”飛起來時，風就會帶動渦輪機運轉，由此產生的電順著帶金屬芯的纜繩發往地面。

與傳統的風車發電相比,“風箏”發電在材料成本方面大有優勢。建造發電風車需要消耗大量石土和鋼材，將轉輪“舉”在適當的高度。而在“風箏”發電系統中，這些結構被小得多的地面站和纜繩所取代。一項研究發現，一套50 兆瓦的“風箏”發電系統在其20 年的使用壽命內僅會消耗913 噸各類材料，而風車運轉20 年消耗的材料多達2868 噸。毫無疑問，“風箏”發電更環保、更省錢。

“風箏”發電對海上風力發電更是意義重大。在目前的海上風電領域，當水過深以至于難以建造風車基座時，就需要將風力渦輪機裝載在巨大的、類似駁船的結構上，該結構需要承載渦輪機漂浮海上，因此造價不菲。而“風箏”發電系統的體積小、質量輕，對漂浮結構的要求相對寬松。

不過，上述優勢是以技術的復雜性為代價的。“風箏”發電的經濟效益只有建立在長期運行和較少人力投入之上方能體現，這無疑對計算機自動控制研究領域提出了考驗。要知道，“風箏”在發電時并不是隨意地飄在空中：只有當箏面垂直于氣流方向時，才能最大限度地獲得升力，從而使發電效率最高。這種靈活的機動性需要通過計算機不斷調整“風箏”來保障。其中，對剛性“風箏”的控制通過調整襟翼和方向舵等轉向部件實現，就像飛機一樣；對柔性“風箏”的控制則通過調整轉向線的長度實現，類似于降落傘。

在風力保持穩定的情況下，目前最先進的“風箏”發電系統能夠在機載計算機和地面計算機的方向控制下連續飛行數天。但要想拓展應用規模，“風箏”就必須能夠可靠地應對突如其來的天氣變化，比如強風或陣雨。在極端惡劣的天氣下，自動起降的功能也很有必要。科學家表示，短時間的順利運行是遠遠不夠的，他們正在努力讓設備的運行壽命達到幾年甚至幾十年，為此，要走的路還很長。

技術難關還很多

其實，除了先前提到的對飛行器的控制、風雨雷暴等極端天氣下設備的安全性和運行的穩定性以外，高空風能在工程應用上面臨的挑戰還很多。比如，耐用纜繩的制造、纜繩輸電的損耗、高空低溫環境下設備的運行能力、壽命、飛行器（包括纜繩）的除冰能力等。而尤其讓人頭疼的一點是，如何確定兩臺設備的最近間隔距離（以防纜繩纏繞打結）。這不難理解——放飛得越高，纜繩越長，需要的設備間隔距離就越遠，對地面系統規模的要求也就越高。關于這個間隔距離怎樣界定，尚無定論。

作為一項新技術，工程難題和社會影響總是相互伴隨的。傳統的風力發電場時常受到附近居民投訴，機械噪聲、空間遮擋等都會影響他們的居住體驗。那么，是否能確保該技術對生活環境的影響在可接受的范圍內呢？很遺憾，根據已發表的研究報告，盡管“風箏”沒有發電風車那么大，但其升降動作產生的噪聲仍不容忽視。

此外，目前尚不清楚“風箏”會對鳥類產生什么影響。支持該技術的科學家認為，“風箏”對鳥類的傷害應該小于風車，畢竟“風箏”的工作點一般高于鳥類的飛行高度。然而，纜繩本身移動很快，而且很難看到，鳥類可能很難避開它們。