1、高空風(fēng)力發(fā)電能源和環(huán)境是當(dāng)今人類面臨的兩大問題.目前，化石燃料是人類生 產(chǎn)、生活的主要能源.隨著全球能源使用量的增長及不科學(xué)使用，化 石燃料等不可再生能源將日益枯竭，并對環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重影響.不可再 生能源將日趨枯竭.世界各國人民的節(jié)能意識也日趨增強，科學(xué)家也 在開發(fā)新能源、研制節(jié)能產(chǎn)品、提高化學(xué)能的轉(zhuǎn)化效率等方面，做著 積極的努力.一方面節(jié)約能源，提高能源利用率.二是開發(fā)“綠色能 源”是解決能源危機的重要途徑.例如太陽能、地?zé)崮?、風(fēng)能、海洋 能、核能以及生物能等存在于自然界中的能源被稱作“可再生能源”. 其中，高空風(fēng)力發(fā)電更是得到很多國家青睞，如果未來能大規(guī)模推廣， 將會解決目前的資源匱乏問題。

2、風(fēng)能與風(fēng)速的立方成正比（p = p v，p -空氣密 度，v-風(fēng)速）一一風(fēng)速增加1倍，風(fēng)能增加8倍（標(biāo)準(zhǔn)空氣密度為 1.225kg/m，6000米高空中的空氣密度約0.644 kg/m，僅減少1倍左 右），因此高空風(fēng)能可高出地面上的數(shù)倍、十?dāng)?shù)倍、數(shù)十倍乃至成百 上千倍。在高空位置達到較為理想的情況下，高空風(fēng)電的理論發(fā)電時間可 以超過95%，年發(fā)電時間可高達8200小時以上，小功率的10兆瓦級高 空風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的年發(fā)電時間也在5000小時以上。因此，采集高空風(fēng) 能發(fā)電可以獲得高穩(wěn)定性、低發(fā)電成本的風(fēng)電，這是高空風(fēng)電的顯著 特點之一，也是高空風(fēng)電相比常規(guī)風(fēng)電的最顯著優(yōu)勢之一。高空風(fēng)能是人類迄今基本

3、上沒有開發(fā)利用的新能源，這是一種儲 量豐裕、分布廣泛的可再生清潔能源。斯坦福大學(xué)環(huán)境和氣候科學(xué)家 的研究報告指出：高空中蘊藏的風(fēng)能超過人類社會總需能源的100多 倍。高空風(fēng)的特點是風(fēng)速大，分布廣，穩(wěn)定性高，常年不斷。早在170多年以前，就有了高空風(fēng)力發(fā)電的概念，更真正引起人 們重視的是在上世紀(jì)七十年代，世界上的一次能源是有限的，總有用 盡的一天，從那時開始，科學(xué)姐們不斷研究二次能源，即可重復(fù)利用 的能源，風(fēng)能、太陽能、核能、潮汐能、地?zé)崮芏甲哌M了人們的視線。 高空風(fēng)力發(fā)電的也引起了美國科學(xué)界的重視，并不斷研究，有了大致 的兩個研究方向，并一直延續(xù)至今。高空風(fēng)力發(fā)電分為兩種，一類是利用氦氣球等升

4、力作用，將發(fā)電機 升到半空中，在高空中利用豐富的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能，機械能轉(zhuǎn)化為 電能，之后通過電纜傳到地面電網(wǎng)。該類技術(shù)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(dǎo)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(shù)路線的 公司設(shè)備上升高度。氣球類技術(shù)路徑的風(fēng)電設(shè)備升空高度多分布在 300至500米的范圍內(nèi)。這一技術(shù)路線的典型代表為Alta eros energies的高空風(fēng)電系 統(tǒng)“空中浮動渦輪”(BA

5、T)。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(fēng)流，發(fā)電量比地面 風(fēng)力發(fā)電裝置高一倍。另一類技術(shù)路徑是將發(fā)電機組固定在地面，通過巨型“風(fēng)箏”在空 中利用風(fēng)能拉動地面發(fā)電機組，從而將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能，帶動地面 的發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電能。從而解決電纜和發(fā)電機的自重問題。意大利 Kite Gen 的 MARS(Mage n Air Rotor System)系統(tǒng)是該 類技術(shù)路線的典型代表。MARS系統(tǒng)主要由高空的拖曳風(fēng)箏和地面的 發(fā)電設(shè)備兩部分組成。拖曳風(fēng)箏和地面的風(fēng)力渦輪機相連，并通過安 裝在發(fā)電設(shè)備上的航空感應(yīng)器來控制風(fēng)箏旋轉(zhuǎn)的方向和路徑，以最大 限度帶動地面

6、渦輪機旋轉(zhuǎn)并發(fā)電。該類技術(shù)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，Kite Gen的高空單元往往采取做“8”字形或圓 周運動來收集風(fēng)能。對于控制系統(tǒng)而言，要不間斷改變風(fēng)箏的運行軌 跡，除了牽涉到空中坐標(biāo)(X,Y,Z)，還要改變俯仰角、傾角等共5個坐 標(biāo)，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(dǎo)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。在高空風(fēng)力發(fā)電方面，中國走在了世界前列，那就是廣東高高空風(fēng)能 技術(shù)有限公司。廣東高空風(fēng)能技術(shù)有限公司采取“風(fēng)箏式”技術(shù)路線， 但系統(tǒng)設(shè)計與Kite Gen等公司有明顯差異。1、高空風(fēng)能利用方式舍棄

7、巨型“風(fēng)箏”，改為傘形結(jié)構(gòu)，降落 傘的圓形對稱結(jié)構(gòu)有利于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。利用高空風(fēng)能做上下運 動，產(chǎn)生的機械能拉動地面發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電能?？罩邢到y(tǒng)只需要改變 高度即可，空中控制系統(tǒng)存在自穩(wěn)定特點，容易控制飛行姿態(tài)。系統(tǒng) 做功過程只是上下運動，不會有“亂跑”的問題。簡單說，廣東高空風(fēng)能系統(tǒng)是通過降落傘的上下循環(huán)往復(fù)運動實 現(xiàn)發(fā)電?！爱?dāng)傘張開的時候，在風(fēng)的作用下往上升，升上去的時候做 功，到了一定高度的時候，傘就會收掉。整個過程由傘上的控制器決 定。比如我們設(shè)定3000米，他到3000米的時候就收掉，下滑到300米 的時候傘就打開，上升過程中就會發(fā)電/張建軍介紹。目前，全球高空風(fēng)電試驗項目多集中在3

8、00米至500米的空域，如 谷歌Mak ani Power的風(fēng)箏發(fā)電機可以上升到80-350米的高度，新近 準(zhǔn)備放飛的發(fā)電機可以飛到450米高空。而廣東高空風(fēng)電系統(tǒng)可以上 升到數(shù)千米以上的高空。2、采用傘梯組合形式，機組主要由兩部分組成：空中系統(tǒng)和地 面系統(tǒng)?？罩邢到y(tǒng)由多個做功傘、若干平衡傘外加飄空氣球組成；地 面系統(tǒng)主要是由發(fā)電機、卷揚機（滾筒和反向轉(zhuǎn)動電機）和萬向滑輪組 成；傘之間、做功傘與卷揚機之間是通過輕質(zhì)高強度纜繩連接。風(fēng)電系統(tǒng)的發(fā)電量由當(dāng)天的風(fēng)速決定。理論上看，在空中系統(tǒng)的 捕獲面積（風(fēng)箏的大?。┮欢ǖ那闆r下，風(fēng)速越高，功率越大，反之亦 然。這在客觀上導(dǎo)致了風(fēng)電系統(tǒng)功率時大時小，給

9、電網(wǎng)帶來了較大壓 力。而傘梯組合的特點是能在任意風(fēng)力環(huán)境下實現(xiàn)穩(wěn)定功率發(fā)電。當(dāng) 風(fēng)力較低時，空中控制系統(tǒng)在上升階段將打開全部的做功傘。風(fēng)力較 大時，則只有部分做功傘被打開，從而實現(xiàn)任何風(fēng)力環(huán)境下的穩(wěn)定功 率輸出。傘梯組合的形式實現(xiàn)了高空風(fēng)電系統(tǒng)從“能發(fā)電”到“穩(wěn) 定功率發(fā)電”的突破。此外，傘梯組合受風(fēng)面積大：廣東高空風(fēng)電系統(tǒng)利用多個巨型降 落傘收集風(fēng)能，受風(fēng)面積大，Kite Gen的風(fēng)箏式收集風(fēng)能方式兜風(fēng) 面積較小，Makni Power以渦輪葉片頂端（類似于直升機螺旋槳）的風(fēng) 能收集方式兜風(fēng)面積更小。廣東高空風(fēng)能過去五年來要解決的最大難題就是傘體控制的問 題。傘梯組合型發(fā)電系統(tǒng)的難點在于如何

10、實現(xiàn)巨型降落傘的自由開 合?！暗侥壳盀橹?，很多人都不相信我們這么大的傘可以在空中實現(xiàn) 自由開合，我們一個傘是幾百平米甚至上千平米的面積，很多人認為 你開了就合不上，合上了就打不開。所以在空中巨大升力的情況下，如何靈活控制傘的開合是一個難 題?！睆埥ㄜ娬f，控制器是該公司的核心技術(shù)。目前控制器相關(guān)的技術(shù)已經(jīng)申請計算機軟件著作權(quán)并獲得授權(quán)，設(shè)備已成功運行。3、系統(tǒng)可模塊化和規(guī)?；瘡?fù)制：傘梯組合功率擴容相對“風(fēng)箏 式”更加容易，只需要增加每組傘梯組合中的做功傘數(shù)量就可以提高 發(fā)電功率，同時可以采取四組到十幾組傘梯系統(tǒng)同時牽引地面機組的 配置，規(guī)模復(fù)制能力強。而谷歌Mak a i Power的“風(fēng)箏式”

11、風(fēng)電系 統(tǒng)為提高發(fā)電功率，需要進一步增加風(fēng)力渦輪機的機翼面積以安裝更 多的螺旋槳，他們從翼長8.5米到今年增加至25.6米，耗時三年時間。廣東高空風(fēng)能的商業(yè)化則走在了所有高空風(fēng)電公司前面，車載式高空 風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)已完成開發(fā)并實現(xiàn)了長時間復(fù)雜天氣狀況下的發(fā)電。位 于蕪湖的首個地面型電站一2.5兆瓦試驗電站（400MW項目的前期試驗 機組）項目目前廠房建設(shè)、設(shè)備安裝基本完成，400MW的電站項目規(guī) 劃也將浮出水面。從近年來的多次實驗獲得的數(shù)據(jù)測算，公司高空風(fēng)電技術(shù)商業(yè)化 之后度電成本有繼續(xù)下降的潛力，可以達到遠低于0.3元的水平，蕪 湖新廠建設(shè)好之后，為進一步保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，公司將自主生產(chǎn)控 制

12、器、降落傘等關(guān)鍵設(shè)備。此外，在空域方面，項目所在地的空域已經(jīng)多次獲得軍方批準(zhǔn)的 使用權(quán)，未來將根據(jù)項目的運行穩(wěn)定程度進一步延長時限。低空空域 管理改革自去年以來，有加速跡象，1000米以下低空空域飛行有望全 面放開，制約高空風(fēng)電發(fā)展的因素將進一步消除。雖然發(fā)展前景良好，但是短時間是不可能進行商業(yè)化推廣的，目 前還不夠成熟，主要限制高空風(fēng)力發(fā)電有兩個主要因素。一是高空風(fēng) 能收集、轉(zhuǎn)換所需要的耐磨、耐化學(xué)腐蝕、抗紫外輻射的輕質(zhì)高強度 材料難以獲得。雖然全球市場上已經(jīng)能提供上述所需的材料，但材料 的特性卻有待進一步檢驗驗證;二是保證空中部分穩(wěn)定性的控制技術(shù) 一直沒有突破。目前高空風(fēng)能發(fā)電的主流技術(shù)是風(fēng)箏型發(fā)電系統(tǒng)。在 這種系統(tǒng)中，風(fēng)箏作為風(fēng)能采集器將高空風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能，同時， 風(fēng)箏