光伏发电设计 | 高空风能发电 | 逐梦深蓝，放飞梦想

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高空风能简介

目前我国风电装机容量逐年增长，但风能的利用仍以低空风能为主，受限于材料、工艺与建设成本等因素，目前的风能开发限制在近地层内，机组离地高度均小于200m。虽然低空风电获得较快发展，但受季节气候、地表环境等因素影响，往往存在分布不均、风力不稳定的问题。

不同于近地面风电，高空风电的风能利用高度通常在离地面300m以上，具有区域广、储量大、可再生、输出稳、效率高、成本低、占地少、空管限等特点。与近地面风电相比，高空风能发电技术具有以下显著优势。

首先，风能分布的区域十分广阔，有高空的地方就有风能。理论上，相比近地面风能，高空风能拥有更丰富的储量，高度越高，风能资源越丰富。地球上最强大的风能存在于距离地表3000m以上的大气对流层，风的时速超过100km/h。

其次，高空风能发电具有很强的稳定性。靠近地表的风受地形等因素影响，随机性大；随着海拔升高到500～15000m的高度范围，风的随机性也逐渐降低，强度显著增强，流向趋于稳定，有效弥补了传统风力发电不稳定的缺陷。

再者，高空风能发电有效降低了发电成本。据专家测算，10GW的高空风能发电站仅占地1500亩，空域允许情况下能够实现每天24小时、一年365天持续发电。

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高空风能发电的技术原理

国际可再生能源机构（IRENA）2021年发布了机载风能系统（Airbone wind energy systems operating principles，简称AWES）报告，对高空风能发电技术进行了深入探讨。高空风能发电利用的主要技术形式是采用留航空器达到传统风力发电机无法达到的高度，在此高度下捕获稳定的风能并将其转化为电能。

机载风能系统（AWES）两种技术路线示意图

机载风能系统一般是以叶片或机翼为基础，具有风筝、或无人机的特征，通过一根或多根系绳连接地面，将风能转化为电力的发电装置。根据电力转换装备所处位置，它被分为两种技术路线：一是通过将小型发电机安装在风筝或无人机机翼上，在空中发电，用系绳传导电力；二是将发电机安装在地面，以空中的风筝或无人机拉动发电机发电。

主要包括以下三方面的关键技术：

1）低阻轻质系留缆绳技术

缆绳在空中随飞行器一起运动会产生空气阻力，运动速度越快，参与运动的绳子越长，阻力带来的能量消耗也越多。降低缆绳的阻力可有效提升飞行器的飞行速度和高度。目前研究思路一是减少随飞行器运动的缆绳长度，从而减少缆绳的阻力。二是通过对缆绳的截面形状进行设计从而减小缆绳阻力。

2）飞行器精确动力学建模与控制技术

飞行控制是高空风电技术实用化面临的主要问题，高空风力发电系统的做功结构在实际飞行或漂浮中，无法避免各种扰动，如突风、紊流等。这些扰动会极大地干扰做功过程，导致飞行轨迹偏离、飞行状态紊乱，甚至有可能发生做功结构坠毁。而若能对飞行器姿态进行精确实时控制，使飞行器根据飞行状态对姿态进行实时调整，维持升力系数最大，则可以使总体发电功率最大化。

3）多功能随动基站设计与控制技术

地面基站至少要有一个可实时控制的绞盘，用于根据天气情况和飞行器情况自动收放缆绳，并参与对飞行器的控制。在飞行器飞行过程中，地面基站需要自动跟随飞行器的位置旋转，以保证缆绳在高频收放时能够较好地贴合绞盘。为了避免飞行器起降阶段或在基站停放时与基站发生碰撞，不仅要提升飞行器的控制精度，还要在基站上设计特殊的对接装置和固定装置。对于研究人员是一个较大的技术挑战。

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国外高空风力发电案例

据调查，全球有近50家公司和机构在从事高空风能发电技术的应用研究。在目前的构想中，发电机有悬置空中和置于地面两种形式，后者具有更强的可操作性，是当前主流的研究方向。斯坦福大学研究指出，高空风力发电的潜力无比巨大，总发电潜力为全球总用电量的100倍以上。一旦高空风力发电规模化、成本效益提升，可望成为能源领域的重要角色。

2006年成立的美国Makani公司工程师团队从风筝冲浪得来灵感，希望用导电索将高空风能获取下来。发电风筝外形酷似滑翔机，被拴在地面站上，在高空自动飞行，使用GPS和其他传感器的飞行计算机引导成回路。当风筝完成其循环时，分布在26m长的机翼上的转子在风中旋转，为发电机提供动力，把风能转变成电能，并沿着系绳向电网发电。

Makani公司2015年设计了机载风力涡轮机(AWT) 原型机，其能生产高达600kW的电力，足以为300个家庭供电。它有一个被系在地面上的翼型，它在250～600m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，就像风筝一样。然后，直接驱动发电机将电力通过缆绳输送到地面站。

Makani机载风力涡轮机(AWT) 原型机（图片来自 https://www.x.company/projects/makani/）

2013年Google收购了Makani公司，试图通过 Makani “风筝”发电的方式来解决风力充足的深海区域海上风电作业用电问题。由于典型的海上风电场需要建设深入海床的平台，这需要昂贵的成本，而且无法在风力充足的深海区域作业。这个项目致力于开发可以附着到浮标上的机载风力旋涡机，浮标一般高出水面约300m，机载风力旋涡机绕着浮标自行飞行转圈，产生的电力通过缆绳输送，远远看上去就像一只“风筝”。2019 年 8 月，Makani “风筝”首次在挪威沿海地区“试飞”。

Makani “风筝”首次在挪威沿海地区“试飞”

麻省理工学院下属的清洁能源公司Altaeros Energies，于2014年3月开发了一种飘浮风力发电机（Buoyant Airborne Turbine，BAT）。这个外形酷似河豚的BAT实际上是一艘充满氢气的小型中空飞艇，其中心装有一个巨大的风力涡轮机，能漂浮在304m的空中迎风发电，并将能量传输回地面。

Altaeros Energies悬浮风力发电机

2021年，德国SkySails Power公司在毛里求斯建造了基于风筝原理的高空风力发电系统。该系统采用薄翼风筝（也称为冲压空气风筝）作为飞行器进行发电。该类风筝由多个自前缘延伸至后缘的细长单元组成，由一根主缆绳牵引，主缆绳从地面延伸至风筝下方吊挂的控制吊舱，经过控制吊舱后分为多根，分别连接风筝两端。控制吊舱通过控制连接风筝两端的缆绳的长度，操纵风筝沿8字航线切风飞行。

德国skysails-power高空风力发电系统（图片来自https://skysails-power.com/）

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我国高空风能的进展

相较之下，我国在此领域虽起步较晚但也取得了较大进展。目前中国广东高空风能技术有限公司发明了天风技术方案，采用伞梯组合型高空风电机组解决了高空风能采集稳定性问题。

伞梯组合型高空风能发电效果图

2022年，中国能建参与投资、建设、运营的国内首创高空风能项目——安徽绩溪高空风能发电新技术科研项目正在全力推进。项目的开工建设，是对高空风能发电技术的首次工程化实践，是高空风能发电技术产业化的“试验田”，为我国高空风能发电技术的进步和相关产业的发展奠定基础。

安徽绩溪高空风能发电新技术科研项目效果图

安徽绩溪高空风能发电新技术科研项目采用的技术路线如下：

1）高空风能利用方式舍弃巨型“风筝”，改为伞形结构，降落伞的圆形对称结构有利于提高系统稳定性。利用高空风能做上下运动，产生的机械能拉动地面发电机转化为电能。空中系统只需要改变高度即可，空中控制系统存在自稳定特点，容易控制飞行姿态。系统做功过程只是上下运动，不会有“乱跑”的问题。

2）采用伞梯组合形式。高空风电机组主要由两部分组成：空中系统和地面系统。空中系统由多个做功伞、若干平衡伞外加飘空气球组成；地面系统主要是由发电机、卷扬机(滚筒和反向转动电机)和万向滑轮组成；伞之间、做功伞与卷扬机之间是通过轻质高强度缆绳连接。伞梯中的平衡伞组负责维持空中伞梯部分的平衡及空中姿态，做功伞组负责做功。在风力作用下，做功伞沿缆绳轴向上运动进而拉动地面的机械传动系统，最后机械传动装置带动发电机发电。伞梯组合可以根据需要进行优化，伞梯级数越多，发电功率越大。整体空中设备可根据实际风况及电网需求进行主动功率调节。

伞梯组合型高空风力发电示意

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逐梦深蓝，未来可期

现阶段高空风能发电尚处于发展的初期，不少关键难题仍有待更进一步研究突破。目前，中国能建广东院作为安徽绩溪高空风能发电新技术科研项目的全过程咨询单位，其团队在项目实施过程中已逐步掌握高空风能发电技术核心内容，并充分参与工程过程建设，为后续承接高空风能项目储备了丰富的技术和经验。高空风能符合新型电力系统所需要的“三性”，即得到的广泛性、来源的绿色性以及发展的经济性。中国能建广东院将进一步打造出实现全工程实践的强劲引擎，助力中国高空风能发电技术发展和产业化突破，赋能美好中国，共建美好世界。

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来源：网络

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