天上的风筝会发电

宋心荣

在新能源产业蓬勃发展的今天，风力发电似乎不是什么新鲜事。风电机组以高耸的风电塔架，旋转的叶轮的形象为世人所熟知。但如果你看到天上的风筝在飞舞，你能否意识到这也是一种新的风力发电形式呢？我们从小就玩过的风筝，正在成为风力发电领域的“新宠”。就连世界首富比尔·盖茨都认为风筝发电有可能是解決世界能源问题的神奇方法。

会发电的风筝

风筝发电之所以现在这么“火”，是因为传统的叶轮式风力发电机在提升功率和降低成本这两个问题上遇到了瓶颈。随着世界各国对风电需求的日益增长，对单台风力发电机功率的需求也随之增长。一般来说，提升叶轮式风力发电机提升功率的途径主要有三种，加大风机的受风面积（增大叶轮直径）；改变风叶扭角；提高风机的传动能力。早在1997年，德国一家公司就推出了兼具无齿轮、变速变桨距等特征的直驱式（无齿轮）风力发电机。由于省去了带动发电机的齿轮箱，免去了齿轮的摩擦损耗，直驱式风力发电机的传动效率大大提高。而变速变桨距的能力则使之在不同风速下都能以最大效率发电。直驱式风力发电机的发展到今天，其在传动能力和风叶扭角方面的潜力已基本挖掘到极限了。再想增大功率，只有增大受风面积一途。果然，在增加功率的需求下，叶轮式风力发电机的叶轮直径越做越大，从最初的十几米发展到最高超过百米。然而，越来越大的叶轮在增大功率的同时却也带来了问题，那就是成本。巨型叶轮在材料和加工上成本都大幅上升。此外，更大的叶轮需要更高的塔架，这也带来了成本的增加。所以，叶轮式风力发电机的单机功率发展到5兆瓦左右就到头了。

这时，聪明的技术人员就开始动脑子了。如何绕开成本限制，制造受风面积更大，功率更高的风力发电机呢？循着这一思路，风筝发电应运而生。由于扭矩随叶片长度的增大而增加，而扭矩正比于发电机功率。所以，技术人员研究发现，叶轮式风力发电机占叶片长度25%的末梢所发的电占到总功率的一半以上。也就是说，中段的叶片实际上用处不大。那么，将其去掉，变成牵风筝的线，而用风筝代替叶片末梢，那么就可以得到受风面积更大的风力发电机了。同时，由于取消了叶轮，改用线牵风筝，风筝可以放的更高。而且高处的风没有地表附近建筑物、植物的摩擦减速，风速更大，可以进一步提升风筝发电的发电功率。成本更低，功率更大，这就是风筝发电优于传统叶轮式风力发电机的地方。

说了半天，那么风筝到底是怎么发电的呢？我们都知道，放风筝时，当筝面垂直于气流时，风筝的拉力最大；而当筝面平行于气流时，其拉力最小。所以，风筝发电的原理就是在“放风筝”时让筝面垂直于气流，其拉力拖动绳索驱动地面上的卷扬机做功发电，风筝的高度不断上升。当系绳长度用完，风筝达到最大高度时，卷扬机会调整风筝方向，使之与气流平行，用较小拉力将其拉回，这样形成的风筝飞行轨迹接近一个“8”字。以此为一个循环周期，不断做功发电。由于回收风筝时拉力要小于放风筝时的拉力，所以经过一个循环，系统的净发电量仍为正值。以25平方米的风筝为例计算，如果环境风速为7米/秒，则其在释放过程中的拉力为3.1 千牛，风筝飞行速度约为70～90千米/时，足以驱动功率为20千瓦的发电机发电。在释放风筝期间的平均发电功率为13千瓦，一个循环的平均净发电功率为6千瓦。目前这种25平米的风筝比较常用，因为它的大小、拉力正合适，既满足了发电需求，又不会对材料要求过高。这种风筝发电系统一般由风筝，控制单元（控制风筝的飞行），缆绳和地面站组成。

现在应用于发电的风筝和我们平时放的风筝已有较大区别，实际上更接近于滑翔伞。其升阻比更高，在释放期间可以张满，以最大拉力发电，回收期间可以通过牵引绳索控制收缩，减小受风面积，以降低损耗。其结构强度需能承受阵风载荷。

风筝的控制则是通过一个悬挂在风筝下方的小型电动卷扬机来实现的。该卷扬机通过控制4根绳索（两根用于调节风筝的受风面积，两根用于调整风筝的方向）的收放来控制风筝的飞行。而电动卷扬机与地面之间还连有电缆，地面的计算机可以控制这些卷扬机，以实现对风筝的控制。

风筝的缆绳一般采用高分子量高密度聚乙烯（HMPE）材料制成。HMPE材料耐应力开裂性，拉伸强度较好，可以承受发电过程中的循环应力而不损坏，可长期在恶劣的环境中工作。

风筝发电系统的地面站则由卷扬机、齿轮箱、蜗杆传动装置、电池和发电电动机以及许多传感器组成。地面站负责释放和回收风筝。发电电动机在风筝释放时发电，电能则通过电池储存起来，回收时发电电动机消耗电能将风筝拉回。

以上就是风筝发电系统的基本组成。当然，这只是多种利用高空风能发电的方法之一。所有利用高空风能发电的技术统称为机载风能发电系统（Airborne Wind Energy，简称AWE）。AWE是目前新能源领域比较热门的技术，Google、软银等巨头都在投资AWE的研发。

走向实用的风筝发电站

目前，世界上首个大型风筝发电机组“KiteGen Stem”已经在意大利投入使用。该机组由意大利的KiteGen科技公司负责建造，于2015年4月投入运营，装机容量3兆瓦。“KiteGen Stem”机组采用一个面积为150平方米的风筝来发电。连接风筝的线缆可以承受最大60吨的拉力。“KiteGen Stem”机组最独特的是其地面站的设计。其地面站为一个直径12.9米、高6.2米的透明穹顶结构，简洁美观，很有几分科幻意味。发电机组就安装在穹顶顶部，由2台卷扬机，8台发电电动机组成。穹顶内部拥有计算机和显示器，工程师可以在这里监控整个机组的运行状态。值得一提的是，在“KiteGen Stem”机组中，风筝线缆不是直接和地面的卷扬机相连，而是通过一共28米长的杆子和卷扬机相连。这根杆子可以绕穹顶旋转，调整风筝的方位，始终让风筝对准风力最大的方向。该电站的运营验证了风筝发电原理的可行性。“KiteGen Stem”机组相比同级别的传统风电机组体积更小，也更轻（总重小于20吨），便于安装。不过，线缆和风筝在长时间使用中会磨损，需定期更换。限于当地的风力状况，“KiteGen Stem”机组1年中只有6 500小时能满负荷发电。KiteGen公司当前正在阿尔卑斯山的圣伯纳德山口地区建造由9台“KiteGen Stem”组成的峰值功率达27兆瓦的大型风筝发电站。据该公司的估计，该电站建成后的发电成本在23欧元/兆瓦时左右。作为对比，2015年欧洲国家火电的发电成本为50欧元/兆瓦时，光伏发电约为100欧元/兆瓦时，核能发电的成本则在90欧元/兆瓦时左右。发电成本最低的是水力发电，其成本仅为10欧元/兆瓦时。也就是说，风筝发电的发电成本低于绝大多数发电方式，还是极具竞争力的。KiteGen公司计划未来建造峰值功率达100兆瓦的风筝发电站。这种规模的电站一但建成，每年将能生产500吉瓦时（1吉瓦=1 000兆瓦）的电力，足以供应86 000户家庭。同时，规模的提升也使得发电成本降低了，100兆瓦级的风筝电站的发电成本有望降至10欧元/兆瓦时，具备了和水电站竞争的能力。endprint

与KiteGen公司同步推进风筝发电项目的还有英国的KPS公司（Kite Power Systems）。KPS公司总部位于苏格兰的格拉斯哥。2016年4月起，KPS公司开始在苏格兰西南部的西弗洛伊空军基地（West Freugh）附近始建一个装机容量为500千瓦的小型风筝发电站，以证明其设计的可行性。之所以选择在西弗洛伊建造风筝电站，是因为这里靠近大西洋，一年四季都有大风吹拂，全年中仅有不到10天风力不足以发电。在风力不足的日子里，电站需要用风扇维持风筝高度，以便一但起风后可以快速投入使用。该电站的建设得到了皇家壳牌石油公司和英国政府500万英镑的投资。KPS公司还计划在苏格兰建设多个500千瓦的小型风筝发电站，并最终开建3兆瓦级的风筝发电站。KPS公司的风筝发电系统设计和其他的风筝发电系统略有区别。每台发电机由一对风筝驱动，当其中一只风筝上升到一定高度时，会拉动绳索，让连接的另一只风筝会相应下坠。两只风筝就这样以“8”字形轨迹在空中往复运动，带动发电机发电，降低了回收风筝的功率损耗。KPS公司还计划将来发展海上的风筝发电站。

当前，风筝发电还处于验证阶段，并未大规模地开始建设。但其潜在市场竞争力无疑不容忽视。

风筝发电的市场前景

相比传统的叶轮式风力发电机，风筝发电最大的优势在于成本低廉。采用线缆结构连接的风筝发电系统安装成本更加低廉。而由于能利用高空风速更大的风，风筝的发电效率更高。而且，风筝所发出的电力不附带任何放射性废物、二氧化碳、可吸入颗粒物、硫氧化物和氮氧化物，极为环保。风筝发电站对环境的影响也比传统的风力发电机小。由于风筝飞得很高，像撞鸟、噪音扰民等传统风机导致的问题也都不复存在了。不过，在陆地上，风筝发电也有自己的劣勢。在使用中，每个风筝的飞行轨迹都是一个“8”字，为了防止不同风筝相互缠绕，需要拉开各风筝之间的距离，避免风筝飞行区域的重合。在陆地上，巨大的占空面积难免会干扰到各类飞行器的正常飞行，一定程度上限制了大型风筝发电场的发展。KiteGen公司对此给出的方法是利用核电站的禁飞区。在核电站的禁飞区里放飞用于发电的风筝，既不影响飞机的正常飞行，又获得了足够的空域。据该公司估计，通过合理优化风筝的飞行轨迹，风筝仅占用一个核电站的禁飞区就能达到1000兆瓦的装机容量。风筝发电系统的地面站可以密集安放。所以，在一个环形结构上密集安装大量地面站就可以最大限度地节约占地面积，降低电站建造成本。风筝发电站规模越大，其发电成本也越低。最理想的方式是建造直径为25千米的环形地面站，其连接的风筝可以飞行在风力更大的对流层，这样一个巨型风筝发电站的装机容量可达6 000万千瓦，有望成为解决世界能源问题最清洁的办法之一。

相比于陆地，海洋显然更适合风筝发电系统。在海洋上空有的是地方供风筝所使用，风筝发电场可以基本不受限制的增加机组数量，从而增加总体装机容量。风筝发电系统比传统风电机组节省了近75%的钢材，更轻，安装起来更加简便，不需要昂贵的海上风电安装船。其安装成本大大降低。海上风筝发电系统的建造总成本仅有传统海上风电的一半。其单位面积的风能利用率也更高。根据国际可再生??能源机构（IRENA）发布的报告，2015年传统海上风力发电机的发电成本为170美元/兆瓦时，到2030年这一成本将降至95美元/兆瓦时。而根据KPS公司的评估报告，到2020年，海上风筝发电的成本约为62.5美元/兆瓦时，到2030年将降至不到50美元/兆瓦时。同时，小型的风筝发电机组在安装时甚至都不需要打桩，可以以浮动系泊的方式工作。这就使得它能进军水深更大的海域。当前的海上风电场水深一般也就在10米左右，最多达到20米左右，深远海域的风能完全无法利用。而浮动系泊型的风筝发电机组将使深远海域海上风电的开发成为可能。当然，风筝发电机组也不适合能在离岸太远，水太深的地方工作，这样的话其系泊成本、输电成以及维护成本会大幅攀升，削弱其发电成本优势。据KPS公司的估计，100～150米水深海域是系泊型的风筝发电机组工作的最佳海域。

总而言之，风筝发电比传统风电优势明显，其发电成本更低，而发电效率更高。特别是海上风筝发电系统，受飞机航线影响较小，发电规模不受限制，安装成本低廉，发展前景极佳。在可以预见的将来，海上风筝发电很可能会成为新能源产业发展的重要方向之一。

责任编辑：王鑫邦endprint