高空风力发电发展及关键技术研究综述

王浩 邢福祥

摘要：在可持续发展战略落实背景下，开发和利用更多新能源，成为广大学者关注的焦点。风能属于新能源，具有清洁、可持续利用的特点。当前，我国十分重视高空风力发电技术的研究和应用，已经解决了高空风力发电的稳定性和持续性问题，具有极强的推广和应用价值。

关键词：高空;风力发电;关键技术

在大力发展新能源的背景下，我国风电装机数量不断增加，截止到2021年全国风电发电总量同比增长41.5%。当前，国内外对风能的利用停留在低空风能发电层面，由于地理位置、季节气候、人类活动等因素影响，再加上低空发电技术占地面积较大、需消耗大量维修和管理成本、电能运输消耗等原因，低空风电很难保证电力供应的稳定性。当前，高空风力发电技术应用前景十分广阔。

一、高空风力发电的发展

根据ARCHER调查研究发现，伴随海拔高度的提升，风能资源密度分布水平也越密切。通过运用AWES（airborne wind energy system）技术，可实现高空风能发电，即采用系留航空器达到较高高度水平，在高空中进行风能捕获作业，再将风能转化为电能。当前，美国、荷兰、意大利等国多次开展高空风能发电试验，并注冊了一系列专利，具有代表性的技术有以下几种：

（一）系留风筝式AWES技术

1.滑翔伞式系留风筝

通过利用滑翔伞在高空中按照特定轨迹运动，发挥系留绳的牵引作用带动发电机发电。意大利KiteGen是风筝发电的先驱，其开发了一套占地面积和空间小的AWES系统，发电效率能够达到较高水平。德国SkySails Power公司将滑翔伞式风筝发电技术应用到工业领域，研发了200 kW的AWES产品，其满载可以达到6500 h，产生的电能可以支持100个家庭日常使用，其发电能效、生产成本、占地面积比塔式风电更具优势。

2.伞梯状系留风筝

通过利用伞梯状系留风筝的开闭作用，以风筝上下循环运动的方式带动发电机发电。广东开发了伞状系留风筝AWES系统，即便在复杂风力环境下也能稳定发电，但其成本相较于塔式并没有得到控制，其发电时间和稳定性要优于塔式发电，该公司的2.5 MW高空风能发电机组已经安装并应用到安徽羌湖。

（二）系留飞行器式AWES技术

1.机载发电式系留飞行器

通过在飞行器上加载永磁电机，再利用飞行器迎风飞行，带动电机发电，电能将通过系留绳传输到相关设备。Makani Power公司设计了M600型号飞行器，永磁发电机搭载在机翼上，额定功率可达600 kW，且飞行器系统支持多种飞行模式，保障300户家庭日常供电。美国Sky WindPower公司开发了FEG系统，与塔式发电机相比，其占地面积大大缩小，这一系统可以通过编程方式，在不同天气条件下进行起降工作，发电量将达到了数兆瓦时。

2.地面发电式系留飞行器

飞行器在高空中按照特定轨迹运动，带动系留绳进行发电。荷兰Ampyx Power公司研发了用于高空风电的飞行器系统，此飞行器可以不需要人工支持，进行全天候自动发射、着陆和发电。此公司还研发了AP4、AP5飞行器，大幅提升了发电量。

二、关键技术分析

（一）飞行控制

在AWES处在漂浮或飞行状态时，容易遇到紊流、突风等干扰因素，这就需要采用控制技术提高其稳定性。其一，要大力研究新飞行器的气弹效应、耦合特性、控制机理等，将智能控制技术运用到复杂环境和问题下，创新控制理论和工程方法。其二，要大力研究容错性、可靠性高的飞行控制系统，研究高实时诊断和故障检测的方法，从多学科、大范围角度优化算法。

（二）发电稳定性

与塔式风电相比，高空风电存在大量不稳定因素，如不仅要保持平衡还要保持做功状态;风能会影响系留绳的传递动作、飞行轨迹会受高度变化影响。为提高系统稳定性、持续性，一方面要研发抗干扰能力强，适应各种天气环境的系统，另一方面要研发整体性强的系统，确保各个部件相互影响、相互耦合。

（三）空气动力学特性

与常规飞行器相比，AWES的做功结构不同，其雷诺数较小，主要受飞行速度影响。由于这一特点，若飞行器出现微小变化，容易给做功结的附面层造成分离现象，导致大量升力被消耗。为了减少雷诺数带来的负面影响，科学家从飞行生物体中获得了启发，通过采用可变形翼、拍动翼，改善微型飞行器的飞行和气动性能。

参考文献：

[1] 俞增盛，吴俊.高空风力发电技术与产业前景综述[J].上海节能，2017（7）：379-382.

[2] 刘耀广，王耀坤，万志强，等.系留悬浮式风力发电技术的研究进展与展望[J].航空工程进展，2021，12（4）：36-43.