空基系留发电能否扛起风能发电的大旗？

相比于标准的地面风力涡轮机，空中风能发电具有一些独特的优势

全球利用风能发电的功率正在增长，很快将达到1000千兆瓦。从长远来看，如果陆上和海上站点变得拥挤，那么就有可能使用空中风能设备或高空作业的系留浮空器来实现这一目标。风速随着高度的增加而增加，一项谨慎的研究表明，全球的风能最大可能达到7.5太瓦左右的功率。其他人则认为，包括高空急气流在内的高层大气资源所能产生的总量要远远高于1400太瓦。事实上，高空环境中确实充满了可利用的能量。

然而，即使只提取高空环境中的一小部分能量也是非常困难的。如果以某种方式获得了大量的能量，那么它可能会对环境或气候产生巨大的影响。例如，目前还没有人提出能够在高空急气流提取能量的方法，我们所述的高空急气流是会影响天气系统的。但是，从海拔较低的大气中提取能源是可能的，而且还将提供一个非常庞大的新型资源量，它可能达到目前风力发电所能产生的能量的四倍之多。

系留在地面

美国政府一直在认真考虑空中风力发电的构想，同时几家大公司也在关注。美国SkyWindPower公司在早期提出了一个“飞风”设计，类似于无人机系统的旋翼由小型翼型辅助来提供升力一样。通过拉动与它地面相连的缆绳来产生电能，然后沿着缆绳输送到地面。飞行高度约在600米时，阻力就非常大了，缆绳必须足够坚固才能抵抗这个高阻力。

SkyWindPower

2014年，谷歌投资了另一种由美国Makani公司开发的机载发电机设计。它的600千瓦原型机——机载风力涡轮机(AWT)，有一个被系在地面上的翼型。它在250-600米高空的强风中绕着一个大的垂直圈飞行，旋翼既充当涡轮又充当螺旋桨，就像SkyWind一样。然后，直接驱动发电机将电力通过缆绳输送到地面站。在长时间的低风、恶劣天气或维护期间，AWT可以收回缆绳，然后再释放。

Makani Power

Makani公司认为，鉴于高海拔地区的风速，他们的AWT每单位容量所能产生的的能量大约是传统涡轮机的两倍(也就是说，它的负载系数大约是60%，而不是30%)。这将使它在生产电力时，可以节约一半的成本，而且不需要塔身，这样可以减少90%的材料，从而降低成本。

美国-印度公司Skymill也开发了一种不同的“卷回-放出”像风筝一样的浮空器的方法。这台机器上有一个巨大的“自动陀螺”转子，它被拴在地面上，运转起来像溜溜球一样上升和下降，转动地面上的绞车卷筒来发电。

意大利的Kite Gen公司也开发和测试了类似的设计，该公司制作了一个类似于滑翔机的大马蹄形风筝，它以一个巨大的圆形四处俯冲时，会不同程度地拉着与绞盘相连的系绳，在地面上发电。通过地面上的(重型)发电机和空中少量的设备，这种配置可能比天载的转子-发电机系统更经济。

从长远来看，一些人将目光投向大型的风筝Gen-type系统，如康诺特能源的32mw概念，由于对材料的需求更低，可以提供更好的“能源投资回报”(EROEI)。Kite Gen提到的EROEIs可能是100:1，也可能是300:1或更多，而传统地面风力涡轮机所能达到的最大的EROEIs是80:1。

然而，这种设计将会出现一些问题，如系绳和动力输出装置的安全性问题。还需要避免与空中交通的冲突和碰撞风险。但在一些偏远地区，尤其是离岸地区，不需要考虑这些问题。这对于Shell 和 E.ON这样的大公司来说不成问题，因为它们的关注点在海上。

漂浮的太阳能光伏电池板

事实上，Shell公司支持了英国Kite Power Systems公司开发的一种产能风筝，在这种设备中，一个巨大的像滑翔机一样的风筝拉着一条长长的绳索，就像Skymill公司和Kite Gen公司的想法一样。这个风筝将会从地面上的一个旋转产生电能的鼓状装置中绕出来。在Kite Power设计的版本中，当风筝达到全工作高度（可能在300米左右）时，它会被强制拴紧并自动降低到一个较低的高度，绞盘系统会将其拉下来并拉紧松弛的部分，以便它可以准备再次向全高度攀升。同时，第二个风筝升起，使得双风筝系统可以连续产生净功率。在苏格兰对500KW级系统进行测试之后，该公司将会计划在陆上和海上安装3MW级系统。

Kite Power Systems

其实也有一些混合版本的类似装置。瑞士初创企业Skypull已经研发出一种多直升机无人机，可以自行起降，而无需发射架或地面风。无人机的飞行高度在200至600米之间，起飞时是用电池供电的，一旦无人机飞回地面，电池都会重新充电。

小众应用及其他

乍一看，在风中飞行似乎不太可能，但一些最初的怀疑论者已经转变为支持者，而且他们似乎有可能产生新颖的想法。当然，我们也会有很多有竞争力的对手。工程顾问IDTechex研究了19个最有趣的系统前景，并预测了30-100KW级系统的首次销售。他们甚至表示，空中风力发电“将在20年内成为一项数十亿美元的业务”，然而我们相信这肯定还有更大的发展空间。

可能机载设备最初仅限于小众应用。例如，我们已经设计出了可驾驶气球式装置的设备，这些设备既可以在岸上使用也可以在海上使用。还有一种看起来像是甜甜圈形状的气球，它有一个中央管道转子，但这种气球更加适合在偏远地区使用。

空中利用风能的前景与挑战

无论如何，一些分析人士对飞行系统的广阔前景更为乐观，当然这是会有飞行器自身的一些基础吸引力在内的因素。在传统的风力涡轮机中，大部分能量是由叶片的外尖捕获的，因为叶片外尖部分将会以最高的速度运动。其余的叶片部分使用较少，其主要功能是支持高产能的尖端部分。这和风力发电设备的塔身一起，增加了很多质量。

相比之下，动力飞行器和系留浮空器系统则不需要这种塔身，因为所有的机翼表面都以相同的高速运行。尽管安装在机翼上的无人机涡轮结构具有重量损失，但它的优势在于它可以将自身飞入高风速区域。与系留浮空器不同的是，你不必等到强风吹起或把它拖到合适的地方工作。

这些新技术还有很长的一段路要走，但如果能彻底规避飞行器和人可能面临的危险，那么真的可以说是海阔凭鱼跃，天高任鸟飞了。

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