高空风力发电技术与产业前景综述

俞增盛 上海市能效中心吴 俊 中路能源（上海）有限公司

高空风力发电技术与产业前景综述

俞增盛 上海市能效中心
吴 俊 中路能源（上海）有限公司

高空风力发电技术应用是我国实现2030年减排目标的重要组成部分；我国在该领域技术研究已取得突破性进展，有效解决了高空材料和高空风能发电持续性和稳定性问题，具有大力推广的可行性、经济性和必要性。

高空风力发电；伞梯组合；新能源

我国高度重视气候变化问题，长期以来主动承担相应责任，积极参与国际对话，努力推动全球气候谈判。2015年6月，向《联合国气候变化框架公约》秘书处提交自主贡献文件，提出到2030年单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降60～65%等目标。为了实现2030年减排目标，改善能源结构、有效提升可再生能源在我国能源消费中的比重至关重要。因此，进一步推进风能高效利用，尤其是高空风能的合理应用具有重大的战略意义。

1 风能资源与应用现状分析

目前，国内外的风电产业几乎是基于低空风力发电技术而形成的。低空风力发电由于受到地表和环境等因素的影响，发电功率和年发电时间都受到很大程度的制约，低空风力发电占地面积大，诸多因素使低空风力发电行业正积极寻求技术的更新换代。

美国国家环境预报中心的数据资料表明：在500～15 000 m的高度范围，风的流向是稳定的，而且高度越高，风的强度越大，稳定性越好；高空中蕴藏的风能超过人类社会总需能源的100多倍。高空风风速大，高空风能密度通常是地表风能密度的几十～几百倍。

中国高空风能资源储量是世界最丰富的国家之一，一定高度以上，各地区都是高空风能资源富集地区。例如，当高度在5 000 m以上时，我国绝大部分地区的风能密度在1 000 W/m2以上，而新疆北部、内蒙古、甘肃北部等中国低空风能资源最富集地区的平均有效风能密度约300～500 W/m2。图1是我国四个地区在不同高度的有效风能密度均值（1979～2006年）的曲线图。

世界各国都在积极行动，抢占高空风能发电领域的技术与经济发展的制高点。2010年第二届国际高空风能会议在美国斯坦福大学举行，会议达成一个共识：高空风能应用最合适于中国和印度这两个国家发展（从对能源尤其是对新能源的需求，以及该国的地理环境、地表风及高空风资源分布等多方面来考察）。

2 国内外高空风能应用研究现状及趋势

世界范围内已超过40家公司对高空风能的利用进行研究。其中技术较为领先的包括google 实验室及其收购的Makani Power，意大利KiteGen，美国Al taeros、中路的天风（SkyHaul）等。

高空风能发电方式主要有两大类：（1）将发电机悬置于空中，如美国的Sky Wind Power，加拿大的Magenn Power；（2）将发电机设置在地面，如中国的伞梯组合高空风能发电技术（SkyHaul）、意大利的KiteGen、美国的Makani Power。

2.1 发电机悬置于空中的高空涡轮发电

美国麻省理工学院下属的 Al taeros 风能公司最近成功研制出一款空中风力涡轮机（AWT）（如图2所示），这架风电机成功试验漂浮到350 f t的空中，收集的电量为地面标准风电机的2倍。

图1 我国四个地区在不同高度的有效风能密度均值（1979～2006年）的曲线图

发电机在空中的涡轮机型高空风能发电，受制于空中系统的重量和体积，发电规模难以做大。庞大的氦气球和涡轮机上升到高空不但 要客服巨大的自重，安全性能和收集的风能也不是很理想。而且此类发电方式同样需要解决空中系统的稳定性难题及系统控制技术瓶颈 问题。因此，发电机在空中的设计方案，目前看来并非高空风能发电的技术发展趋势。

图2 Al taeros风能公司的AWT（左）/加拿大的Magenn Power（右）

2.2 发电机设置于地面的高空风筝型发电

高空风能发电的主流是发电机在地面的风筝型发电，空中风能采集部分主要是软体（由轻质高强度化纤材料组成），如意大利的Kite Gen、美国的Makani Power的高空风电技术。目前国际主流的风筝型高空风能发电技术，大多数空中系统的稳定性难题和空中系统控制技术瓶颈还没有完全得到有效解决。据英国媒体报道，英国计划建造首个商业规模的试验风筝发电站，选址位于苏格兰的斯特兰拉尔郡附近，装机容量500 kW，预计于2017年3月投入运营。

图3 美国Makani Power公司高空风电技术

2.3 中路股份公司的伞梯组合型高空风电技术

中路股份公司下属广东高空风能公司于2010年4月研制出国内首台100 kW高空风电系统样机，中路股份公司下属天风高空风力技术公司在芜湖建设完成2.5 MW首台套示范高空风能发电系统，实际测试单绳也超过600 kW，成为全球首台实用性大功率高空风能发电系统。目前正在研发50 MW机组，将成为世界最大风力发电机组。该技术为自主创新、研发出具有完全自主知识产权的伞梯组合高空风能发电技术，涵盖中高空风能发电的技术研发、发电系统设计和建造、风电场建设等。该公司是国内首家拥有中高空风能发电技术的企业，是世界上独家拥有伞梯组合风能采集技术的企业,可以为形成中国占领高空风能发电领域提供技术优势，这是世界新兴战略性新能源产业的技术和经济发展的制高点，且在我国具有巨大的产业化推广潜力。

3 高空风力发电技术难点浅析

高空风能发电主要面临两大技术难题：（1）材料问题，主要是高空风能收集、风能-机械能转换等所需要的轻质高强度材料难以获得；（2）控制技术问题，主要是高空风能发电的持续性和稳定性，也就是空中部分的稳定性一直没有得到有效控制。随着材料技术的发展，轻质高强度材料不断涌现，设备设计的不断提高，高空风能的装备成本逐年下降，迅速达到了成熟应用的阶段。同时，各国不断地研发以使稳定性和发电效率兼顾，中路股份经过7年的研发突破发展了伞梯技术，创造性的解决解决了其他高空风发电技术在空中的做功和稳定性互相制约的问题，在保证了发电效率稳定及可控。

4 高空风力发电技术产业前景

我国风力发电科技正在逐步实现从量到质的转变，完善和发展风力发电科技的实力，实现从风电大国向风电强国的转变。根据我国《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》中指出到2020年，全国累计并网风电装机2亿kW以上，年发电量超过3 800亿kWh。风电装备具备国际竞争力，技术创新能力达到国际先进水平。迄今，国内外的风电产业基本上是基于低空（300 m以下）风力发电技术而形成的，因此，国内外风电市场目前的竞争格局基本上是也是依据于低空风力发电技术而形成。

高空风能发电，具有发电输出稳定、时间长（发电时间6 000 h/a以上高于常规风电约为2倍以上）、成本低、功率大（单机组功率可达50 MW）、占地面积小（不到同等规模常规风电的1/2）、对环境生态无影响、电站选址受限少（在空域许可的条件下各地均可建发电站，可选在主干电网附近或大城市周边、现有风电场附近）等诸多优点，是新能源发展道路上具有远大前景的重要领域，能有效解决日益严重的能源短缺和空气污染问题。据测算，我国大力推进高空风力发电技术，以到2030年规划推广应用1 000套（100 MW/套）该高空风能发电技术测算，可实现能年发电量6 000亿kWh，年节约燃煤消耗总量2亿t原煤，减少CO2排放量约5亿t，可实现产值约8 000亿元；快速推动我国可再生能源产业发展和我国节能减排工作目标。

5 总结

高空风能发电技术已经作为一个崭新的新能源技术进入人类能源可持续发展序列，其经济性和资源的丰富潜力决定了将对能源供应产生重大影响。但是高空风力能源的应用还需要引起国家和行业的重视。

（1）以谷歌、意大利Kite Gen，美国Al taeros等为首的竞争对手拥有强大的资金、人脉和技术力量，以国内研发及应用进度预测只有2.5年甚至更少的领先优势。我国的高空风能技术要保持目前的世界范围内的领先优势，必须率先完成大功率（百兆瓦级）商业电站的应用，同时在国内迅速铺开，在世界范围内抢占高空风能的技术制高点；因此加大力度支持国有高空风力发电示范应用迫在眉睫。

（2）新技术推向商业化，项目实施涉及空域、土地、接入、融资等多个环节，涉及空军、民航、各级政府、银行等多个领域，审批环节多、项目立项难。迫切需要进一步提升高空风能发电技术战略高度，通过更高层次的关心和支持,跟高规格的宏观指导、统一规划，加大政策和资金扶持，推进落地商业示范项目。

（3）大型低速发电设备、传动设备、控制设备等配套设备的研发升级，将大大降低高空风力发电的成本，迅速提高技术成熟度和经济性，使该项新能源技术快速由成本接近火电价格发展为售电价格向火电看齐。

Overview of H igh Attitude Wind Pow er Generation Technology and Industry Prospect

Yu Zengsheng Shanghai Energy Efficiency Center Wu Jun ZhongLu Energy(Shanghai)Limited Company

High attitude Wind power generation technology application is the main part of realizing 2030 em ission reduction task in China. China has achieved breakthrough progress in this field and solved high attitude materials and Wind power generation sustainability and stability, which is feasible and econom ically effective and necessary to be into market promotion.

High Attitude Wind Power Generation, Umbrella and Ladder Combination, New Energy

表1 风电技术比较一览表

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.07.002