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高空飛行的風箏能否實現(xiàn)為家庭供電的目標？

來源：新浪科技 2022-04-11 11:21:03

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將近十多家公司正押注于用計算機控制的飛行器，試圖以此利用風能，在未來實現(xiàn)家庭供電。任何一個放過風箏的孩子都知道一個道理：只要風箏能夠順利飛到空中，就更有可能找到穩(wěn)定的微風，使其保持在空中。新興的風力發(fā)電行業(yè)也很清楚這一點。一些公司正準備將大型風箏放到距離地面200米或更高的地方，以利用那里的風來發(fā)電。

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單個風箏、風力渦輪機、（設想中的）大規(guī)模商業(yè)風箏和小型核反應堆的相對發(fā)電功率

在歐洲和美國，至少有10家公司正在開發(fā)不同的風箏能源利用方式。如果他們能取得成功，這些風箏就可以在風力不足以支撐傳統(tǒng)風力渦輪機的地方成為新型的風力發(fā)電場。風箏也可能是利用海上風力發(fā)電的更好選擇，有朝一日甚至可能取代目前常用的錨塔。

高空風能風箏有兩種基本的發(fā)電方式?！俺檫\發(fā)電”是利用風箏的牽引運動，使地面的樞軸旋轉，為發(fā)電機提供動力（較多的電，黃色）；當繩索放完時，風箏將被收回并重新開始（用少量的電，紅色）?！按钶d發(fā)電”則是由安裝在風箏上的渦輪機來發(fā)電，要求剛性的風箏設計。

風箏電力系統(tǒng)開發(fā)公司Kitekraft的聯(lián)合首席執(zhí)行官和首席技術官弗洛里安·鮑爾說：“它的制造成本更低，運輸成本更低，而且效率更高?！边@家公司的總部位于德國慕尼黑。鮑爾還指出，風箏發(fā)電的碳足跡也小得多，“如果你擁有所有這些優(yōu)勢，為什么還要建造一個傳統(tǒng)的風力渦輪機呢？”

不過，正如鮑爾及其同事在即將發(fā)表的論文《2022年度回顧：控制、機器人和自主系統(tǒng)》（2022 Annual Review of Control， Robotics and Autonomous Systems）中所描述的那樣，要想讓高空風能成為廣泛的電力來源，還需要克服許多技術和商業(yè)障礙。此外，高空風力發(fā)電還必須證明是安全的，不會傷害野生動物，也不會給居民區(qū)制造難以忍受的噪音和視覺干擾。

目前，高空風力發(fā)電還處于起步階段。大多數(shù)公司都在進行相對較小規(guī)模的試點項目，還沒有一家公司將他們的技術擴大到能與傳統(tǒng)風力渦輪機相媲美的兆瓦級別。不過，市場上已經(jīng)可以見到小型的發(fā)電風箏版本。

2021年，總部位于德國漢堡的SkySails Power成為第一家提供商業(yè)化高空風力發(fā)電產(chǎn)品的公司，其產(chǎn)品模型包括一個柔軟的、可操縱的風箏，面積高達180平方米。這架風箏用一條800米長的繩索與地面站相連，后者被放置在一個集裝箱內(nèi)。

在運行過程中，風箏會在空中畫出巨大而優(yōu)美的8字形，同時為地面發(fā)電機提供動力。這些發(fā)電機的平均發(fā)電量可達80千瓦，足以供應大約60個普通美國家庭的電力。與典型的2.75兆瓦風力渦輪機相比，這個數(shù)字微不足道，但其規(guī)模已經(jīng)接近許多便攜式工業(yè)柴油發(fā)電機。按SkySails Power公司的設計，這架風箏裝置適合在遠離電網(wǎng)的偏遠地區(qū)使用。

開發(fā)高空風能技術的公司希望能最終建造更大的風箏，能夠產(chǎn)生兆瓦級的電力。他們還設想數(shù)百只風箏共同組成高空風力發(fā)電場，為電網(wǎng)提供電力。

側風飛行可以提高速度，使風箏從風中獲得潛在的能量。這里展示的是Kitemill公司的KM1原型機的實驗結果，顯示了這一過程。藍線顯示了風箏在起飛和降落時的低速，黃線顯示了風箏在側風環(huán)繞飛行時達到的更高的飛行速度。

利用高空風能

靠近地面的風會與樹木、建筑物、山丘和地面摩擦，因此趨于逐漸減速。距離地面越高，風的傳播速度就越快——在500米的高空，風的移動速度平均要比100米處快3到7千米/小時。在過去的幾十年里，有很多關于利用這些高空風能的建議，包括在比空氣還輕的飛行器上裝上渦輪機，或者把渦輪機懸掛在穩(wěn)定的風箏上。但包括SkySails在內(nèi)的大多數(shù)公司都在尋求一種方法，利用可操縱的、由計算機控制的風箏，在空中以特定的軌跡飛行，從而收集更多的能量。

高空風能系統(tǒng)主要采用兩種基本的發(fā)電方式。SkySails等公司采用基于地面的方法，使用“抽運動力”裝置來驅動地面上的發(fā)電機。地面的繩索末端纏繞在絞車上，當風箏在風中飛行時，絞車松開，驅動發(fā)電機發(fā)電；之后，飄浮在空中的風箏將被拉回地面，再次開始循環(huán)。

另一種方式是依靠風箏上的渦輪裝置發(fā)電。機載發(fā)電會采用剛性的風箏，類似于飛機機翼，以支撐小型風力渦輪機。當風箏飛起來時，風帶動渦輪機運轉，所產(chǎn)生的電力通過纜繩輸送到地面站。

弗洛里安·鮑爾的Kitekraft公司采用了第二種方式，并開發(fā)了雙用途的渦輪葉片。在發(fā)射和降落的過程中，渦輪葉片由發(fā)動機提供動力，成為螺旋槳，使風箏像無人機一樣飛行和盤旋。一旦風箏到達合適的高度，渦輪葉片就會轉而利用風力發(fā)電。

就所用材料而言，風箏比今天廣泛使用的風塔更有潛在的優(yōu)勢。風力渦輪機塔需要混凝土基礎和鋼結構來使渦輪機保持在合適的高度。而在以風箏為基礎的系統(tǒng)中，這種結構被一個相對較小的地面站和一條輕型系繩取代。歐洲高空風力行業(yè)協(xié)會的一項研究發(fā)現(xiàn)，一個50兆瓦的風箏發(fā)電場在20年的使用壽命中會使用913噸材料，而一個典型的風塔發(fā)電場會使用2868噸材料。風箏系統(tǒng)所使用的材料更少，從而更環(huán)保、更便宜。

風箏也可能用于深水離岸風力發(fā)電當中。在目前的技術條件下，當水太深而無法構建地基時，風力渦輪機就會漂浮在巨大的、像駁船一樣的結構上，這些結構必須能夠承受渦輪機的重量并保持穩(wěn)定。相比之下，風箏沒有那么笨重，可以使用更輕、更便宜的駁船。

然而，風箏發(fā)電的這些優(yōu)勢是以復雜性為代價的。為了使風箏發(fā)電在經(jīng)濟上更劃算，它們需要運行很長時間，期間只有很少的人為操作，或者完全是無人運行。美國北卡羅來納州立大學可再生能源控制與優(yōu)化及能源效率實驗室主任、風箏發(fā)電技術公司W(wǎng)indlift的顧問克里斯·弗米利恩指出，這涉及到一個十分復雜的計算機控制問題。

風箏并不是被動地飄浮在空中，相反，它們會利用自身的空氣動力學特性，以“側風”模式飛行，有點類似船只在風中的來回移動。當風箏垂直于風向飛行時，翅膀處會產(chǎn)生升力，并更用力地拉住繩索。這種額外的升力將轉化為額外的速度，可以為地面發(fā)電提供更大的力，也可以轉化為更大的空氣流通速度，從而驅動機載渦輪機更快運轉。無論哪種方式，與沒有側風運動的飛行相比，可用的功率都會至少增加一個數(shù)量級。

然而，這種復雜的機動操作需要操作者或計算機不斷地調(diào)整和控制風箏。剛性的風箏裝置是通過調(diào)整轉向部件，如襟翼和方向舵來控制的，類似于飛機飛行的方式。軟性風箏則是通過調(diào)整操縱線的長度來控制的，類似于降落傘的引導方式。

當今最先進的風箏系統(tǒng)能夠在計算機控制下飛行數(shù)小時或數(shù)天，通過機載和地面計算機不斷修正并控制方向。弗米利恩表示，當風保持穩(wěn)定時，這些風箏都能很好地完成工作。但是，如果想成為主流的發(fā)電方式，風箏必須能夠可靠地應對突發(fā)和不可預測的變化，比如強風。它們還需要能夠自動起飛和降落，從而在惡劣天氣時下降，在風力條件良好時上升。

“我們還需要做更多的工作，才能使技術達到足夠高的水平，使設備的使用壽命達到數(shù)年或數(shù)十年，而不僅僅用來做數(shù)天或數(shù)周的演示，”弗米利恩說道。

此外，我們還需要考慮規(guī)模的問題。較小的風箏制作成本更低，也更容易開發(fā)，但由于繩索的重量和阻力會隨著高度的增加而增加，小型風箏在300米以上的高度并不能很好地工作，因為那里的風往往是最強的。許多公司希望擴大規(guī)模，制造更大、更高效的風箏，使其飛得更高，能夠產(chǎn)生兆瓦級別的電力。當然，這一過程伴隨著成本和風險的提高。

通過將一組微型的、可移動的風車發(fā)射到高空，高空風能公司Kitekraft利用一架剛性飛行器實現(xiàn)了發(fā)電。這架風箏也可以為自身起飛和降落提供動力。目前這類風箏還處于原型階段，未來有可能用于在更多地方建造高空風能發(fā)電場，或者為偏遠地區(qū)提供電力。

擴大規(guī)模的風險

一家名為Makani的公司就提供一個警示性的例子。這家總部位于美國加利福尼亞州的公司得到了谷歌母公司Alphabet的支持，致力于生產(chǎn)兆瓦級的發(fā)電風箏。但在2020年，Alphabet撤回了融資，導致該公司倒閉。

Makani公司是風箏發(fā)電技術的先行者，但也遇到了許多問題，比如難以實現(xiàn)對風箏的操控，此外還發(fā)生了數(shù)起墜落事故。在一份公開報告中，Makani公司首席執(zhí)行官福特·費爾克表示，該公司往往在沒有解決技術問題之前，有意更快速地推進風箏開發(fā)，并大幅增加風箏的尺寸。

鮑爾表示，Makani公司在沒有解決技術難題的情況下，如此迅速地擴大規(guī)模，最終導致設計難度過高且成本昂貴，無法修正。另一方面，他也很同情地指出，那些需要很長時間才能達到市場規(guī)模的公司可能會失去投資者的支持。

最后一個阻礙將是確保風箏發(fā)電技術的社會和環(huán)境成本可被接受。傳統(tǒng)的風力發(fā)電場經(jīng)常面臨附近居民的反對，他們擔心風力渦輪機會帶來噪音、視覺干擾和景觀問題。風箏發(fā)電場的支持者預計，風箏對視覺和噪音的影響將比傳統(tǒng)的風塔小得多。不過，一篇已發(fā)表的論文分析稱，沒有經(jīng)驗證據(jù)能支持這種說法。盡管風箏沒有風塔那么大，但它們俯沖的動作和發(fā)出的噪音仍然可能比傳統(tǒng)風塔造成同樣甚至更多的破壞。

該論文還指出，目前還不清楚這些風箏會對鳥類產(chǎn)生什么影響。同樣，支持者認為風箏可能比風力渦輪機更安全，因為這種風箏比一般的鳥類飛得更高。然而，連接風箏與地面站的繩索本身移動非常迅速，也很難被發(fā)現(xiàn)，鳥類可能難以避開它們。

以風箏為基礎的高空風能發(fā)電將會有多廣泛的應用，目前尚不得而知。像鮑爾這樣的支持者認為，工程和計算問題是可以解決的，最終可以使風箏發(fā)電物有所值。

然而，美國能源部于2021年向國會提交的一份報告發(fā)出了警告，稱風箏發(fā)電是“一項不成熟、未經(jīng)證實的技術，需要取得進一步的發(fā)展，才能在國家層面上大規(guī)模部署”。該報告稱，傳統(tǒng)風力渦輪機發(fā)電的成本也在持續(xù)下降，這使得風箏發(fā)電系統(tǒng)更難顯示出自己的優(yōu)勢。

弗米利恩對此表示贊同，他說：“我不認為機載風能系統(tǒng)可以取代大多數(shù)現(xiàn)有的傳統(tǒng)陸地渦輪機?！钡瑫r認為，未來十年，風箏發(fā)電技術將在軍事和離網(wǎng)應用領域找到合適的生態(tài)位。在某種程度上，它們可能會成為深水風力發(fā)電場的首選技術，較輕的重量將使它們具有比基于高塔的渦輪機更大的優(yōu)勢。（任天）

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