一种新型风能发电装置的可行性研究

黄张弛 禤赞宇

摘 要：本装置主要面向新能源发电领域，对比传统风能发电的现状，从能源获取的角度进行探索，利用高空域强气流的优势获取清洁能源，并设法使该动作能持续连贯进行，从而实现不间断发电。兼且考虑该电能获得之后的存储问题，结合新能源应用范畴，进一步思考本设计的可应用领域。

关键词：绿色能源 风能发电 高空 急气流

Abstract：This device is mainly oriented to the field of new energy power generation. Compared with the status quo of traditional wind power generation， it is explored from the perspective of energy acquisition， using the advantages of strong airflow in high altitudes to obtain clean energy， and trying to make this action continue and coherent， so as to achieve no Intermittent power generation. Considering the storage problem after the electric energy is obtained， combined with the application scope of new energy， the applicable fields of this design are further considered.

Key words：green energy， wind power generation， high altitude， jet stream

1 研究概況

1.1 目的意义

风能作为一种绿色能源，很早就被人们利用，然而传统的风力发电实现起来是有一定限制的，一是需要有特殊的地理位置，二是需要有常年比较稳定的风源。然而对于后者来讲，近地表的风有不可控的因素，是相对难以稳定实现的，因此风力发电在所有发电方式中的占比还很低。

本次研究有鉴于此，认为可以脱离传统角度，通过研究从其他领域获取高质量风能的方法，来改善传统风能获取的不稳定和难持续的问题，使风力发电也能成为新型的发电主流。且研究发现，在近千米高空对流层处能获得强劲而且稳定的风源，单位时间内产生的电能显然要多于地面，而且其发电效率要远远高出传统风机发电许多倍。因此利用高空风能发电可以解决传统风力发电的许多制约，值得在这方面投入精力去研发新技术。

1.2 国内外概况

目前国内外均有一些企业对高空风能发电项目进行各自的研究，衍生出不同类型的高空风能发电方式，如无人机发电，氦气风筝发电等，但在研发的道路上也遇到不少技术难题，还在不断发展的阶段。

鉴于在同一领域研究发展的相关机构并不多见，而且各自的项目方案均有很大的不同。因此，要找出更为合理的研究角度，将是该类型新能源领域在未来的发展方向。

1.3 市场预测和发展趋势

在我国，随着对高空风源的深入分析研究，通过预测，未来利用高空风能发电的成本可控制在每千瓦时0.15元以下，这是一个很可观的经济效益。相比德国，其再生能源的利用量占比也是年年攀升，甚至占据了总能源的50%以上。这些新能源利用率的例子也能体现出未来利用高空风能发电的趋势，其必将会是再生能源的一个重要组成部分，而来自国内外企业的竞争也必然会逐步加剧。

2 研究开发内容、方法、技术路线

2.1 具体研究开发内容和重点解决的关键技术问题

2.1.1 具体研究开发内容

本类型研究着眼于用新的方法利用高空急速对流风能来发电，因此我们主要探索两个领域，包括：1）如何使用飞行器，使其在高空能利用急速对流风力来实现稳定的牵引爬升;2）如何利用新设备实现高质量的物理发电，并储存利用，关键点是能保持发电的持续性;此外，该设备还需要兼顾飞行器的高空维持能力，使其不坠落，同时具备回收飞行器的能力。

2.1.2 重点解决的技术关键问题

要使新型风力飞行器与新式物理发电设备结合起来，我们需要重点解决以下关键技术问题：

一是发电设备可持续性的大量而且高效的物理发电问题。发电过程是靠引线带动滚筒转动来实现物理发电，然而受航空领域飞行高度限制，牵引线的长度必然是一个有限的量，如何在这个有限值的基础上尽可能大的实现一次高效率发电，然后通过回收并重复放飞来实现循环发电，将是值得研究的课题。

二是飞行器牵引绳回收时的反向耗电问题。飞行器引绳回收的时候必然会消耗能量，加上飞行物回收时会遇到的风阻问题，在回收引绳的过程中如何能做到耗电量最小，将是一个需要解决的难题，否则将得不偿失。

三是能高效且大量储存电能的问题。发电机发出来的电若要方便存储，从容易实现的角度考虑，应该转变成直流电然后通过电瓶来贮存。但是如何能做到高效并且大量的贮存足够的、有经济效益的电能，而且是方便存放、运输和使用，则是需要着重考虑的又一方面。

2.2 项目的特色和创新之处

该项目的创新性研究方向与传统的利用风车的风能发电方式完全不同。我们的项目必须要从占地空间小和设备规模精简等方面做出创新，并能实现持续性发电，而且获得的电量可以更大。

我们知道传统的风力发电只是在风力较大的地方建设大型风车，利用风力推动风车转动从而使能量转换成电能。然而这种传统模式有局限点，不管是利用山风还是利用海洋风力，都会受到自然气候环境所影响，风力往往不能持续，因此我们很多时候见到的风车是停转的状态。

而就目前的风力发电项目来看，必须指出，要获得更多的电量一般有两个途径，一是增加发电机的数量，二是提升发电机的功率;前者受到土地面积的制约，而后者则使发电成本提高。有鉴于前者，我们常常看到风力发电往往呈集群式布局特征，一个风力发电站动辄几十甚至几百台发电机，这将直接造成风力发电占地面积的不断扩大，伴随装机扩容而来的就是土地侵占问题，这将可能掣肘风力发电的发展。而想要增加风机的功率，要实现在最小的面积上获得最大的电力，就只能提高单位风机的发电量。因此，对风机的研发也呈现出一个明显的趋势，那就是个体风机功率越来越大，体积也越来越大。比如丹麦曾经造出了当时世界上最大的风机，每个叶片长达88.4米，风轮直径180米，高达220米，而建造这么大的风机，显然是很耗成本的。

而传统风力发电往往只从这两方面拓展的根本原因，与风的活动区域分不开。我们知道，在对流层内，越往高处，风力越大;而近地面的风存在很大的不稳定性。那么，为了获取强劲而持续的风力，人们只好把风机越做大、越做越高，并且在数量上取胜。但是，当风机建造数量和风机功率大小到了一定程度之后，会产生一个成本和收益的拐点，需要十几年甚至更长时间才能收回成本，显然不是必然的发展方向，必须要从其他角度去研究来改善风力发电的效益问题。

我们的项目就从新的角度和高度去考虑，重新选择风源，就是比山岗更高的高空对流层，那里的空气对流度更活跃，而且更容易出现持续性气流;借助飞行物（如滑翔设备或风筝等）利用高空气流使其爬升的原理，通过牵引放飞，利用引线带动卷扬发电设备就能进行发电。只要能解决高效和持续发电这两大问题，则该项目就可以获得很好的效益。

2.3 可達到的技术、经济指标和社会、经济效益

2.3.1 技术指标

根据有关研究报告从宏观角度上指出，高空中的急速气流在任何时候所含的风能，均可超出近地表风能的1000多倍。而从我国大部分地区的平均高空急气流的风力密度来考虑的话，该项目所需要的风力密度应不低于5千瓦/平方米。这是比较容易达到的一个指标，例如，在浙江、江苏、山东等区域的高空急流风力密度甚至达到了30千瓦/平方米，为世界之最，而我们广东的数据也在平均值以上。

在考虑高空急流区域的高度选取问题时，考虑到飞机除起降之外的最低安全飞行高度一般在海拔5000米到8000米之间（还属于对流层的领域），而且本项目中飞行物的放飞地点一般选取在具有一定海拔高度的领域（一般在2000米）以下，因此我们所考虑的高空领域应该为3000米以下。

在飞行器的选择上，由于该项目着眼于把设备往轻巧便利的方向研发，因此我们不选用滑翔机，而采用较为轻巧的风筝，翼展2米以内，以至放飞时能有足够的牵引力拖动滚轮发电机发电。而风筝的牵引线长度也应该不大于3000米;为了使引线耐磨，我们选用韧度较高的碳纤维8股编织线作为引线。

对于物理发电机，该项目计划使用传统的卷扬滚筒发电机，并加以创新改造。为了轻便考虑，滚筒设计应使直径小于20cm，因为滚筒周长越小，风筝在上升相同距离的情况下，滚筒转过的圈数越多，发电量越大;滚筒长度设计在1米以内，方便风筝在运动过程中按轨迹游走。此外，滚筒除了负责滚动发电之外，还需要具备分析风筝所反馈回来的风力利用情况，进而适时地收放引线来调节牵引力，使风筝保持稳定上升，直到引线放至尽头。而当引线放进的时候，发电机滚轮同时需要负责反向收回引线，以便继续进行循环放飞;这时候需要耗费部分能量，要求所耗能量不应大于发电量的5%，因此风筝的翼展幅度要求可以变小，以便回收的时候能耗更小。

有关电量存储问题，一般采用蓄水形式或改用直流蓄存。考虑到产业化经济方面，本项目采用直流贮存的形式，在发电的同时转变为直流电，存储于大电瓶之中;而对于电瓶的选用，考虑铅酸蓄电池或光合硅能蓄电池，在考虑环境温度性能以及高海拔性能等因素的情况下，光合硅能蓄电池是更好的选择;在该项目中，考虑多电源并举的方式，要求光合硅能蓄电池的性能为12V65A（10HR），适用温度为-40度至+70度，25度时的浮充电压为13.5V～13.8V，均充电压为14.5V～15.0V。另外，根据产业需求，可以为其相应的电瓶进行产业化产出，如蓄电池组，特制电池，甚至是充电宝电池组等，以直接给行业企业所用。

2.3.2 经济指标

该项目所研究的这种创新性的发电方式，能极大程度节省发电成本，原因在于，相较于近地面风力的不稳定，高空上可以获得强劲而且稳定的风源，是近地面风力的100倍，因此在单位时间内高空中所产生的电能显然多于地面。若以传统经济效益推算，我们得出一个理想的经济指标：这种形式的发电每小时产生1亿瓦的电力，而每千瓦时的成本控制到0.15元，是目前该地区电费价格的三分之一。此外，这种利用高空风力的发电系统不需要建造巨大的高塔和旋转叶片，从而可以大幅度的节省建设成本。

2.3.3 社会效益

该项目不仅能促进风力利用的研究和发展，而且非常具有实用价值;具有易于制造加工，安全性好，运行成本低，容易维护，无噪音污染等明显特点，可以广泛普及推广，适应我国节能减排的需求，大有市场前景。一旦将高空风力发电与光电发电、光热发电有效结合在一起，我们就能尽最大程度满足日益上升的全球电力消耗的需求。

2.4 采用的方法、技术路线以及工艺流程

2.4.1 采用的方法

在本次研究分析中，结合我们要实现的利用高空风源发电的模式，从结构角度出发，我们需要做出大量创新，在滚筒转动发电的模型基础上，采用双馈型风力发电机来实现，然而在结构、大小以及效率上都需要有很大的变化。

随着电力电子技术的发展，双馈型感应发电机（Double-Fed Induction Generator）在风能发电中的应用越来越广。这种技术不过分依赖于蓄电池的容量，而是从励磁系统入手，对励磁电流加以适当的控制，从而达到输出一个恒频电能的目的。双馈感应发电机在结构上类似于异步发电机，但在励磁上双馈发电机采用交流励磁。我们利用一个脉振磁势可以分解为两个方向相反的旋转磁势，而三相绕组的适当安排可以使其中一个磁势的效果消去，这样一来就得到一个在空间旋转的磁势，这就相当于同步发电机中带有直流励磁的转子。双馈发电机的优势就在于，交流励磁的频率是可调的，这就是说旋转励磁磁动势的频率可调。由于飞行器利用高空急流爬升过程中的上升速度不是一个恒定值，这样当原动机的转速不定时，适当调节励磁电流的频率，就可以满足输出恒频电能的目的。由于目前电力电子元器件的容量已经变得越来越大，所以双馈发电机组的励磁系统调节能力也越来越强，这使得双馈机的单机容量得以提高。虽然，部分理论还在完善当中，但是双馈反应发电机的在本项目中应用的优势尤为明显。

此外，在选用飞行器的方式上，我们计划采用带有氦气的且翼展可以变化的中小型风筝。当其上升时翼展完全打开，利用其表面垂直于气流时产生的拉力最大原理，风筝通过绳索拉动滚筒装置，通过变速箱拖动地面上的发电机机转动做功发电。风筝上需要安装一些传感器，微型风力发电机和通讯平台，地面上设置通讯接收器，通过计算机来调控风筝翼展的迎风角度、翼展姿态等。当风速过大时，适当减小风筝的迎风角度以减少受风面积，避免损坏风筝。另外，当风筝表面平行于气流时，风筝的拉力最小，卷扬机适当回转拉回风筝，直至继续迎风爬升，以这样的节奏放飞直至引线放尽。

当引线放尽时风筝就要回收到指定高度位置，这时候必然要消耗小部分能量。为了解决这个技术难题，有相关研究采用了所谓的双风筝模式，利用另一只风筝的放飞爬升，反向带动滚筒旋转，再适当附加小部分能量，从而回收先前放飞出去的第一只风筝。这样的做法好处是可以很大程度上降低所要附加的那一部分能量，但是要考虑的难点在于，双风筝的两条引线难以保证在高空上不缠绕。

因此，我们的项目采用单风筝模式，对于回收时如何使到能耗最少的问题，我们考虑从风筝本身结构出发，回收的时候翼展收缩到较小的范围，只保持适当的翼展来维持适当的方向，同时控制翼展的迎风角度，使其尽量平行于气流方向以阻力减小;另外，为了避免翼展收缩而伴随而来的飞行物坠落问题，氦气起到了很好的作用，这时候需要把风筝内部的氦气适当减少，只保留预先计算得出的能维持自身重量平衡而悬浮的氦气量，这样对于降低滚筒回收引线所需要额外耗费的能量来说是非常理想的。当风筝顺利回收后，继续重复放飞，如此实现循环发电，就可以获得大量的绿色电能。

2.4.2 技术路线及流程

项目设计路线及流程如图1：

3 总结与引申

本文分析研究新型绿色能源的获取方法，具有环保、高效利用能源、促进环保行业发展等社会效益，且对环境没有影响。此种方法所获取的绿色能源可用于各类型供电场合，比如作为电网的接入补充，新能源汽车预充电电池的置换环节等。该方法在新能源的发展路上无疑是一种新型的增补力量，具有积极正面的发展意义。

参考文献：

[1]曲文浩，風力发电技术探讨，光源与照明，2021（9）.

[2]关小明，风力发电并网技术及电能质量控制研究，科技风，2020（8）.

[3]冯文亭，风力发电存在的问题与发展策略，设备监理，2019（7）.