风电新技术：风筝发电的三种方法

风筝是什么？最简单的风筝，是由小棍细绳彩纸扎成的花花绿绿的儿童玩具。

大约20年前，越来越多的冲浪爱好者开始用大型风筝代替摩托艇拉着滑板冲浪，20平米大的风筝加上强度是钢索15倍的高科技绳索，可以让冲浪者飚出100公里开外的时速，或是飞到15米以上的空中再轻轻滑回水面。

眼下，各国科研人员正在努力赋予风筝一项新的功能——让它成为高空风力发电平台。在可预见的未来，“风电风筝”将会飞入高空，将那里更强劲、更稳定的风能“捕获”回来。

三种用风筝发电的方法

根据记载，虽然早在十九世纪初就有人用大型风筝来拉小火车，但直到1980年左右，才有人着手研究风筝发电的可能性。

开创这一领域理论研究的研究人员叫万里-劳埃德，他在加利福尼亚州的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室里计算出，相比于悬在空中某一点，风筝在风中来回飞动能产生更大的能量，如果翼展能达到洛克希德C-5运输机机翼大小(68米长)，理论上从每秒10米的风力中就能获得兆瓦级的能量，这已能与当今大型地面风力发电机相提并论。

劳埃德提出两种风筝发电的方式：一是在风筝机翼上安装类似螺旋桨的涡轮机叶片，空气带动叶片旋转产生电能，然后通过导电的绳索将电能传送到地面，这种技术如今被昵称作“飞翔的发电机”；另一种方案是通过空中的风筝施加给控制绳索的力，带动地面设备发电。

此外，后来还有人提出，涡轮叶片既作为能量收集装置，同时也是风筝的动力装置。

与高塔、风车式样的传统风力发电机相比，这种“筝载”高空风力发电系统自有其优势：这种带绳索的飞行器能到达更高的空中，那里的风能更加强劲稳定。此外，因为不用建高塔支撑巨大的旋转叶片，这就大幅度削减了建设成本和安装时间。

当然，与传统风电设备相比，尚处于实验室阶段的风筝发电系统还有很多难题要克服。譬如，在这种系统中，风筝作为风能采集器将高空风能转化为机械能，同时也是保持系统稳定的平衡器，但平衡运动与做功运动相互耦合、相互影响，很难设计出平衡与做功的最佳控制模式，系统复杂，持续性和稳定性难以保障。另外还要考虑安全问题，碰到雷雨天气，电站容易被“顺绳索而下”的雷电击毁。

刚性翅膀Vs纤维翅膀

作为全球开发精密风筝发电原型的“先驱者”之一，罗伯特-克莱顿创办的Wind Lift公司从2005年开始开发风筝发电系统，目前他们正在陆地上使用冲浪风筝进行发电试验。

实验用的发电系统包括一个90厘米直径的滚筒和一个60千瓦发电机连接，风筝通过绳索拉动滚筒带动发电机发电，然后通过控制线使风筝释放拉力，在这个过程中反过来用电机反转滚筒并再次拉紧风筝。

现在实验面临的问题是，在再次拉紧过程中，风筝需释放所有拉力或者最好让拉力为负，即让空气把风筝向下推，但风筝只有完全收起翼展才能释放绳索大部分拉力，科研人员因此使用了一种翅膀前面有一条细长空气泡的充气风筝，用来保持翅膀形状。即便如此，翅膀还是过于灵活，再次拉紧时难以控制。

WindLift的风筝用的是更接近传统风筝的纤维翅膀，而它的部分竞争对手则根据第三种风筝发电的思路，研究使用刚性翅膀，这种设计思路更贵、着陆时更易损坏，但刚性翅膀比纤维翅膀更符合空气动力学，能从风中获得更多能量。

位于加利福尼亚州的Makani Power公司就是这种思路的“龙头企业”之一。他们制造的大型碳复合材料风筝，配备4台带螺旋桨的发电机。起飞时，发电机作为电动机带动螺旋桨转动，作为风筝上天的动力；起飞后，产生的升力很快能让风筝不需要其他助力飞行，一旦风带来的推力和螺旋桨拉力平衡，发电机就开始发电。

去年，Makani推出了额定功率30千瓦的风筝发电系统原型。据了解，它的最终目标是在海上部署成型的风筝发电系统，并将生产的电能接入电网。

“天时地利”优势该怎么用

在高空风电领域，国外科研机构拥有“先发优势”，占据着“天时地利”优势的中国，前景同样看好。

据统计，全球各大地面风力发电站的风力密度平均低于1千瓦/平方米，纽约上空急流附近风力密度可达到16千瓦/平方米，中国陆地上空万米高空处大部分地区风力密度均超过5千瓦/平方米，而浙苏鲁地区上空高空急流附近风力密度甚至达到30千瓦/平方米，为世界之最。

凭借“地利”，近年来国内也有部分企业开始涉足高空风电项目。

2009年11月，我国首个高空风能发电研发中心“广东高空风能技术有限公司”落户广州，公司计划利用特制大风筝，在几千米至上万米的高空，利用风能和自身重力上下升降，用产生的拉力带动地面发电机发电，公司制定的近期目标是：建造2兆瓦产业化样机，建设10兆瓦中高空风能发电示范电站。

在公司网站上看到，该公司使用的技术叫“伞梯组合风能采集技术”，高空风能发电系统采用模块组合结构，将升力平衡系统和做功系统相互分开、分别控制。目前，公司已研制出国内首台高空风能发电原理样机“天风一号”，整套系统安装在一台经过改装的卡车上，经过数月的发电试验，样机整体性能基本达到设计要求。此外，作为“天风一号”的放大和组合型，“天风二号”系统目前已完成2兆瓦级产业化基本机型整体概念设计。

然而，据报道，由于目前这一领域在世界范围内缺乏相关标准，再加上该项目离产业化“还有一定距离”，尽管这个高新技术研发中心前景广阔，但想要申请当地政府资金支持却一直很困难。