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高空风能发电是怎么回事?可行性有多高?
发表时间:2019-03-04     阅读次数:     字体:【
  • 为什么用高空风力发电
  • 简单讲,随着高度增加,平均风速会增加,而风能储量以近三次方的速度增加。

    高空的风能储量更丰富,更稳定,高空蕴含风能之大是目前近地面的高度无法比拟的,见图:

    左上 Surface Solar 地表太阳能密度,右上 Surface Wind @50m 是距地表50m的风能密度,下 Wind @ 10,000m 是10km高空的风能密度。

    更多细节可以参考这篇发表于2009年的论文或者KiteGen对风能数据的介绍

    很明显,在北温带和南温带的高空,风能密度很高(深红色),而这些地区恰好是经济发达、人口众多、用电需求大的地区。

  • 工程技术
  • 不同于基于地面的或者海上的风力发电技术,目前的高空风力发电并没有统一工程定式,见下图。


    运行模式方面,有主张 Ground Base Generation(空中飞行带动地面发电)的,也有主张 Airborne Generation(空中飞行并发电然后传送回地面)的。

    运行高度方面,有的设计飞行在接近地表的大气边界层,有的则飞行在更高的对流层里。

    研发力量基本以北美和欧洲/德国为主。

    Ground Based Generation 的代表 (这个派系长相都差不多)
    Skysails (视频演示 skysails.info/english/p
    KiteGen Research
    Kitenergy
    Ampyx Power Airborne Wind Energy

    Airborne Generation 的代表 (这个派系外貌分化得很严重)
    Makani by Google
    Altaeros Energies
    Sky WindPower
    Magenn (官网已停,演示和介绍在此:Directory:Magenn

    当然,如果从飞行器的软硬和飞行速度高低的视角进行分类,则会得到如下结论:

    更多分类视角,和优劣对比请移步:Airborne wind energy: a collection of challenging compromises

  • 与传统风力发电的简单比较
  • 高空风力发电尚未形成统一的设计模式,所以这里只能简单列举几个典型例子,

    在高度、设备的体量、功率等方面与传统风力发电作比较。以Makani的设计方案为例,

    这里可以看到 Makani 的设计方案和传统风力发电机在高度方面的比较。左边是传统风力发电机高度,右边是Makani搭载发电机的飞行器的飞行轨迹高度。

    这是KiteGen的方案,传统风力发电机在左下角:

    发电功率上,X轴是给定风速,橙色是Makani的发电功率,蓝色是传统风机的发电功率。

    需要注意的是,图片复制自Makani官网,图中蓝色部分并不完全准确反映传统风力发电机的发电能力。

    关于传统风力发电机的输出功率,想要了解更多,请移步Vestas官网。


    同样的,设备的体量上,目前传统风力发电机,杆塔高度达到150m或更高,传统发电机以 Vestas V105-3.3 MW为例,

    叶片长度达到50-55m,更多参数请查阅 Vestas 的介绍。而Makani的飞行器尺寸,翼展26m,机身长度8m,体量相对较小。


    从这些角度看,高空风力发电有优势:
    设备体量小而轻意味着相对较低的制造难度,也大幅降低了假设巨大杆塔的成本,同时,利用高空风能的发电效率较高。


  • 挑战、限制、风险
  • 工程应用上的挑战包括,飞行器的控制,耐用的缰绳的设计制造,风雨雷暴等极端天气下设备的安全和运行的稳定,

    缰绳输电的损耗,高空低温环境下设备的运行能力、寿命、和飞行器(包括缰绳)的除冰能力等等,

    最后,还有连入现行电网时对电网稳定性的影响等等。
    而各公司都不常提及的一点,是两台设备的最低间隔距离(以防缰绳缠绕打结),即:想要放飞得越高,缰绳越长,需要的设备间隔距离越远,

    因而建造起来的占地面积则需要更大。这个间隔距离怎样界定,间距多少是合情合理,开发商们往往语焉不详。

    商业化方面的挑战包括,建造成本,相对困难的维修和维护带来的成本,相对传统清洁能源是否有价格优势

    。在没有大型投资和政府支持的条件下,高空风力发电进行商业化或者进行大型建设都有难度,或需要漫长等待。

    环境方面的限制包括,大量飞行器带来的视觉干扰,造成地面或海面不断移动的阴影,噪音,以及对鸟类飞行的干扰。

    行业限制包括,来自航空方面的管制(对航空器造成的干扰),高空风力发电与传统电网对接联网的规格要求尚未明确。

    从政府的角度,目前高空风力发电也没有成形的行业规范。最简单的问题,例如:对于飞行在1km高度左右的高空风力发电设备而言,

    是定义为建筑物,还是高空障碍物,还是飞行器,还是有新的类别?

    安全方面,飞行器一旦坠毁是否有可能造成人员伤亡或财产损失,如何控制,如何规避,相应的商业保险与理赔环节如何构建等等都是崭新课题。

    风险方面,全球气候变化对高空风能储量的影响尚未明确。各国政府是否有意愿对商用或民用的发电机构开放使用500m以上的空域仍然存疑。

    总而言之,目前的适用领域是偏远的,小型的,分散的,对可靠性要求不高的用电市场。目前的发展程度尚不适用大规模的对稳定性和可靠性要求较高的用电市场。

    来源:知乎