高空風能由于密度高、設備輕量化、年利用小時數(shù)提高,理論上講,風電效益會顯著高于低空風電項目。因此,2013全球風能理事會已經(jīng)做出預測,認為高空風能是新一代的新能源技術,高空風能可在不同程度上消除現(xiàn)有新能源技術的缺點,且具有新的優(yōu)點,將部分代替目前巨額的傳統(tǒng)風能市場,是新能源領域的投資熱點和發(fā)展方向。
高空風能與我國的用電格局存在著天然的匹配。美國國家環(huán)境預報中心曾對全球的風能密度做過嚴密測算,顯示我國的傳統(tǒng)風能資源(100米)主要分布在內蒙、吉林、新疆和東南沿海較為狹窄的部分地區(qū)。這些地區(qū)與經(jīng)濟中心距離較遠,造成了發(fā)電單位與用電單位地理位置不匹配(其它火電、水電等傳統(tǒng)能源亦有類似的問題)。由于我國特殊的地理環(huán)境,當高度超過500米后,風能密集地區(qū)便逐漸向東南沿海移動,在3000米到1000米范圍內,高空風能資源最密集的區(qū)域正好集中在華東、華中、華南等經(jīng)濟最發(fā)達地區(qū),如果高空風能可以大規(guī)模收集利用,則無需耗費巨資建設長距離、大容量的輸電通道。
高空風電全球進入技術賽跑期
全球50多家公司投入巨資研發(fā)高空風電,技術路線不一,但總的來說高空風能技術分為兩大類:
一類是利用氦氣球等升力作用,將發(fā)電機升到半空中,在高空中利用豐富的風能轉化為機械能,機械能轉化為電能,之后通過電纜傳到地面電網(wǎng)。
該類技術路線的缺陷主要是發(fā)電功率受限制,發(fā)電機功率增加,重量一般也會增加,升空難度加大;此外,由于系統(tǒng)整體較重,發(fā)電機組很難升到千米以上的高度,同時因為發(fā)電系統(tǒng)位于高空無法實現(xiàn)增壓,大功率情況下勢必使用大電流輸電,所以必須使用直徑較粗的導線。這無疑又加大了整個系統(tǒng)的重量,從而限制了該類技術路線的公司設備上升高度。氣球類技術路徑的風電設備升空高度多分布在300至500米的范圍內。
這一技術路線的典型代表為Altaeros energies 的高空風電系統(tǒng)“空中浮動渦輪”(BAT)。發(fā)電機被裝在一個巨大的充氦飛艇里,上升高度約為300米左右,BAT 利用高空的高速風流,發(fā)電量比地面風力發(fā)電裝置高一倍。
另一類技術路徑是將發(fā)電機組固定在地面,通過巨型“風箏”在空中利用風能拉動地面發(fā)電機組,從而將風能轉化為機械能,帶動地面的發(fā)電機轉化為電能。從而解決電纜和發(fā)電機的自重問題。
意大利KiteGen的MARS(Magenn AirRotor System)系統(tǒng)是該類技術路線的典型代表。MARS系統(tǒng)主要由高空的拖曳風箏和地面的發(fā)電設備兩部分組成。拖曳風箏和地面的風力渦輪機相連,并通過安裝在發(fā)電設備上的航空感應器來控制風箏旋轉的方向和路徑,以最大限度帶動地面渦輪機旋轉并發(fā)電。
該類技術路線的最大難點在于控制發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。出于空域利用效率的原因,KiteGen的高空單元往往采取做“∞”字形或圓周運動來收集風能。對于控制系統(tǒng)而言,要不間斷改變風箏的運行軌跡,除了牽涉到空中坐標(X,Y,Z),還要改變俯仰角、傾角等共5個坐標,加之控制纜繩受空中擾流和纜繩自身延展性的影響,地面輸出動作傳導到空中單元往往容易“失真”,使得空中單元姿態(tài)控制難度很大。公司將大量的精力投入到軟件控制方面,KiteGen公司曾經(jīng)一度有200多人的軟件團隊。而KiteGen早期的發(fā)電實驗,往往在空中運行幾分鐘之后就無法正常運轉了。至今,KiteGen空中單元控制方面的問題也沒有很好的解決。
2014年,美國有線電視新聞網(wǎng)(CNN)推出了2014年可能改變世界的10大發(fā)明,其中Altaeros
energies公司研發(fā)的高空風電系統(tǒng)“空中浮動渦輪”(BAT)名列榜首。