用“风筝”发电

编译 腾慧月

放过风筝的人都知道，只要能让风筝升入高空，就很容易利用高空的风让它保持稳定飞行。如今，科学家正在尝试在离地面200 米以上的高空安置大型“风筝”，利用这一特性发电。

越高，越高能

靠近地面的风往往因与树木、山丘和建筑物等的摩擦而减速甚至变向。随着高度增加，平均风速会增大。高空的风能储量更丰富、更稳定，是目前近地面的风能无法比拟的。在过去的几十年里，人类已经提出许多利用高空风能的设想，比如在飞行器上安装涡轮机。目前看来，较为可行的一种方法是用计算机操控形态可变的“风筝”。

“风筝”风能系统的发电思路有两种。第一种，空中飞行，地面发电——缆绳一端连接“风筝”，另一端缠绕在卷扬机上，当“风筝”在风中飞行时，它会拉紧缆绳，带动地面的卷扬机转动，从而发电。随后，闭合“风筝”，减小其升力，缆绳拽着“风筝”自然收回。重复上述过程，就能周期性发电。第二种，空中飞行，空中发电——将“风筝”设计成类似飞机机翼的刚性结构，其上托载小型风力涡轮机。当“风筝”飞起来时，风就会带动涡轮机运转，由此产生的电顺着带金属芯的缆绳发往地面。

与传统的风车发电相比,“风筝”发电在材料成本方面大有优势。建造发电风车需要消耗大量石土和钢材，将转轮“举”在适当的高度。而在“风筝”发电系统中，这些结构被小得多的地面站和缆绳所取代。一项研究发现，一套50 兆瓦的“风筝”发电系统在其20 年的使用寿命内仅会消耗913 吨各类材料，而风车运转20 年消耗的材料多达2868 吨。毫无疑问，“风筝”发电更环保、更省钱。

“风筝”发电对海上风力发电更是意义重大。在目前的海上风电领域，当水过深以至于难以建造风车基座时，就需要将风力涡轮机装载在巨大的、类似驳船的结构上，该结构需要承载涡轮机漂浮海上，因此造价不菲。而“风筝”发电系统的体积小、质量轻，对漂浮结构的要求相对宽松。

不过，上述优势是以技术的复杂性为代价的。“风筝”发电的经济效益只有建立在长期运行和较少人力投入之上方能体现，这无疑对计算机自动控制研究领域提出了考验。要知道，“风筝”在发电时并不是随意地飘在空中：只有当筝面垂直于气流方向时，才能最大限度地获得升力，从而使发电效率最高。这种灵活的机动性需要通过计算机不断调整“风筝”来保障。其中，对刚性“风筝”的控制通过调整襟翼和方向舵等转向部件实现，就像飞机一样；对柔性“风筝”的控制则通过调整转向线的长度实现，类似于降落伞。

在风力保持稳定的情况下，目前最先进的“风筝”发电系统能够在机载计算机和地面计算机的方向控制下连续飞行数天。但要想拓展应用规模，“风筝”就必须能够可靠地应对突如其来的天气变化，比如强风或阵雨。在极端恶劣的天气下，自动起降的功能也很有必要。科学家表示，短时间的顺利运行是远远不够的，他们正在努力让设备的运行寿命达到几年甚至几十年，为此，要走的路还很长。

技术难关还很多

其实，除了先前提到的对飞行器的控制、风雨雷暴等极端天气下设备的安全性和运行的稳定性以外，高空风能在工程应用上面临的挑战还很多。比如，耐用缆绳的制造、缆绳输电的损耗、高空低温环境下设备的运行能力、寿命、飞行器（包括缆绳）的除冰能力等。而尤其让人头疼的一点是，如何确定两台设备的最近间隔距离（以防缆绳缠绕打结）。这不难理解——放飞得越高，缆绳越长，需要的设备间隔距离就越远，对地面系统规模的要求也就越高。关于这个间隔距离怎样界定，尚无定论。

作为一项新技术，工程难题和社会影响总是相互伴随的。传统的风力发电场时常受到附近居民投诉，机械噪声、空间遮挡等都会影响他们的居住体验。那么，是否能确保该技术对生活环境的影响在可接受的范围内呢？很遗憾，根据已发表的研究报告，尽管“风筝”没有发电风车那么大，但其升降动作产生的噪声仍不容忽视。

此外，目前尚不清楚“风筝”会对鸟类产生什么影响。支持该技术的科学家认为，“风筝”对鸟类的伤害应该小于风车，毕竟“风筝”的工作点一般高于鸟类的飞行高度。然而，缆绳本身移动很快，而且很难看到，鸟类可能很难避开它们。