國內高空風力發電技術應用現狀

肖利坤

（國家電投集團廣東電力有限公司廣州分公司，廣東 廣州 511458）

1 高空風力發電技術前景分析

中國高空風能資源儲量是世界最豐富的國家之一。據了解，當國內風能資源的使用達到60%時，它產生的電能滿足當前全國用戶用電需求[1]。高空風相比地面風，不僅風速大而且密度一般是地面風能密度的幾十到幾百倍[2]。標準空氣密度為1.225 kg/m2，海拔高度每升高1000 m，空氣密度約降低10%。在高度1000 m以上，特別是在6000～12000 m的高空，風功率密度可高10 kW/m2以上[3]。

美國國家環境預報中心（NCEP）的數據資料表明：在6000 m高空中，我國大部分地區的風能密度均值超過5 kW/m2，是目前低空風力資源的平均風能密度的20倍以上。

高空風力發電主要具有以下幾個方面的優點。發電輸出穩定、功率大且可調節（機組單臺功率達50 MW，集中發電方式功率更大）。常規風電年利用小時數只有約3000 h，而高空風力發電利用小時達到6000 h，發電時間更長、單位功率造價成本更低。高空風力發電對環境生態和人們生活幾乎無影響，所以風力發電站選址受限少。因此它是新能源發電的重要發展方向，不僅可以改變現狀的能源供應結構，還可以解決能源短缺及空氣污染的問題[4]，由此可見發展高空風力發電前景廣闊[5]。

2 國內外技術發展現狀及路線

高空風力發電有2種方式理論思路，從理論的角度看都是可行的。一是在高空建造發電站，利用風力發電后把電力通過電纜傳輸到地面；二是通過把傳動設備放在高空[6]，將風能轉化為機械能，再傳遞到地面的發電機設備用來發電[7]。

利用這2種理論，目前高空風能發電主要有3種技術路線，廣東高空風能技術有限公司是目前國內為數不多在高空風能發電技術方面從研發、系統設計到發電站建造全過程的企業[8]。

2.1 發電機懸置于空中的技術路線

把發電機置于高空的技術路線優點是不必把笨重的電力轉換設備置于空中，只是將較為簡單的風力驅動設備在高空就將發出來的電通過傳輸電纜就可以輸送到地面得設備，通過電力的轉換后，就能實現發電，這樣的系統易于控制在空中停留的時間[9]。

在高空風能發電的發電機渦輪機型，由于受到發電設備在重量重和體積大的影響，要做到大規模發電難以實現。同時龐大的空中平臺上升到高空也難以承擔克服發電系統巨大的自重，安全性能和收集的風能也不是很理想，控制系統相較也復雜。同時此類發電方式也須要解決如何把發電機產生的電能從空中傳輸到地面的應用場景問題。這一類發電技術很難建造MW級發電系統，當前往往用于小型化場景應用[10]。

2.2 發電機置于地面的技術路線（非傘梯型）

目前國際主流的高空風能發電技術，多采用發電機置于地面的系留風箏型技術路線，從而克服發電機置于空中，功率等級較低的局限性。同時，非傘梯型結構升空高度仍然受限，其空中系統運行軌跡的穩定性難題和空中系統控制技術瓶頸仍面臨挑戰。當前，此技術路線的發電設備功率等級仍停留在百千瓦級。

2.3 發電機置于地面的技術路線（傘梯型）

2022年1月17日，由中國能建采用梯傘組合高空風能發電技術，在我國投資、建設、運營實施的安徽績溪高空風能發電示范項目正式開工，該項目屬于我國首創一體化高空風能項目[11]。

2010年4月中路股份公司下屬廣東高空風能公司研制出基于傘梯組合型高空風能發電技術的國內首臺100 kW高空風電系統樣機。2015于蕪湖建設完成2.5 MW高空風能試驗電站，實際測試單繩功率超過600 kW，蕪湖2.5 MW高風風能系統試驗站如圖1所示。

圖1 蕪湖2.5 MW高風風能系統試驗站

傘梯型風力發電技術，包括地面系統和高空系統2部分。地面系統由卷揚機（滾筒和反向轉動電機）、發電機、滑輪組成。高空系統又包括多個平衡傘、做功傘組成。傘之間、做功傘與卷揚機之間連接是通過輕質高強度纜繩實現的[12]。蕪湖實驗站放飛試驗現場如圖2所示。

圖2 蕪湖實驗站放飛試驗現場

傘梯型高空風能發電技術的升力平衡系統與做功系統是分別控制的。首先平衡系統在風的作用下產生升力，自己不參與做功，但是它維持整個系統在空中的平衡，保持穩定。做功系統在風的作用下起作用，將風能轉換為機械能，再傳遞到地面的發電機轉動發電。而做功系統和平衡系統相對保持獨立，在風的隨機擾動下，平衡系統依然可以達到自我調節而不影響做功系統的做功。并且做功過程中對系統的擾動也不會直接傳遞到平衡系統，從而使平衡系統在整個運行過程中都保持穩定狀態，最后保證了整個系統做功的穩定進行，達到了發電的要求。

3 市場前景與經濟效益分析

經過對高空傘梯組合式風能發電系統分析，發展高空風能發電科技示范工程項目，按優化平穩運行方式最低規模配置為6 MW（4 × 2 MW系統），通過“三升一降”模式運行，可實現發電運行曲線基本平滑穩定（類似汽車四缸發動機原理，交替上升發電）。

項目投資占比空中設備18%～20%，地面設備40%～45%，剩余為輸變電設備及其他。未來技術成熟設備量產后，預期裝機成本可降低至6000元/kW區間，預期發電成本降至0.1元/kW·h。項目經濟性如表1所示。

表1 10 MW發電系統經濟性

4 風險點分析

4.1 項目選址

高空風能項目可發電區間500～8000 m，考慮軍用飛機、民航飛機等飛行器的空域管制，東部城市密集地區可用空間為500～3000 m，項目選址有較多受限性，應充分考慮現有及規劃空軍基地、民航機場、飛行線路、空間飛行器試驗基地、區域管制高度、禁飛區等多重因素。另外升空須當地軍事部門審批[13]，如選址風險分析不充分，可能導致項目無法或者較少時間升空發電，將嚴重影響項目運行小時數。

4.2 無長時間滯空運行試驗

國內高空風力發電系統尚無長時間滯空發電試驗，受限于試驗項目選址附近有空軍基地等原因，最長滯空發電市場為10 h，對高空風力發電系統長時間滯空發電的穩定性缺乏相應數據支撐。

4.3 缺乏高空測風數據

目前高空風力發電項目缺乏高空測風數據，試驗數據基于美國國家環境預報中心的衛星數據及實驗室吹風試驗，對高空風資源缺乏關鍵數據，高空雷擊、臺風等惡劣天氣數據僅為預估，無實際試驗數據。

4.4 功率預測系統待完善

功率預測系統缺失，風速儀安裝在高空，隨高空捕風裝置漂浮，測風數據不精確，不能準確進行發電機組功率預測。系統因空域管控等缺乏長時間滯空運行試驗數據。

5 總結

高空風能發電技術不受區域資源稟賦限制，占地面積遠低于光伏發電及風機發電，如實現技術成熟且項目穩定運行，可實現對低風速區域的清潔能源布局及城市遠郊的能源開發供給，助力實現碳中和。