芜湖市：汇青春年少机械能 助乡村振兴，

高空风能发电

目前国内外的风能利用以低空风能发电为主，但是低空风力发电受到很多因素的制约，如低空风速小，目前主流塔架在120m的高度，而且风能不稳定，受环境影响大等不利因素；而且低空发电技术本身也存在一定的技术局限，如占地面积大，存在噪声污染，安装和维修困难等。正是由于这些制约因素，因此很多国家开始关注研究中高空风力发电技术。

1 高空风能特点

我国高空的划分有很多种，一般是0-3000米为低空，3000米-6000米为中高空，6000米以上是高空。

高空风的特点是风速大，随着与地面距离的増加和地面摩擦的减少，风速将逐渐加大。而风能与风速的立方成正比，即使高空中空气密度有所降低，但其蕴含的能量仍比地面大许多倍。即使在风能资源丰富的风力发电站区域，地面风力也远小于高空，地面附近的风力密度低于每平方米1千瓦。而在高空区域，风力密度则可以达到每平方米10千瓦以上。

美国环境和气候科学家克里斯蒂安·阿切尔和肯·考德伊拉在研究报告指出：高空中蕴藏的风能超过人类社会能源总需求的100多倍。

另一个特点是高空风常年不息而且风力稳定。美国国家环境预报中心（NCEP）1979年至2006年的数据资料表明：在500米至15000米的高度范围，风的流向稳定，且高度越高、风的强度越大，稳定性就会越好；当靠近地面时，受地形等影响，风具有很强的随机性，强度也显著下降。在高空，理论发电时间可以超过95%，年发电时间可高达6500h以上。因此，采集高空风能发电可以获得高稳定性、低发电成本的风电，这是高空风电的显著特点之一，也是高空风电相比常规风电的最显著优势之一。

更为重要的是，理想的高空风力资源位于人口稠密地区。美国国家环保中心和美国能源局的气候数据显示，高空风能最好的地点是美国东海岸和亚洲东海岸。这其中就包括我国沿海地区。（图1）

图1 全球高空风能分布

因此，高空风能发电场可以建在主干电网附近或大城市周边，而不像传统太阳能发电场、传统风电场多位于远离发达城市和主干电网的偏远地区或海边。

2 我国高空风能的情况

中国的高空风能条件非常好，风力强且分布广，大部分地区都具有发展高空风电、特别是“风筝型”发电的气候条件。

数据显示，最先进的地面风力发电站的风力密度低于每平方米1千瓦。中国陆地上空万米高空处大部分地区的风力密度均值逾每平方米5千瓦；其中，江浙鲁地区上空的高空急流附近的风力密度甚至达到30kW/m2,为世界之最。

由于我国特殊的地理环境，当高度超过500米后，风能密集地区便逐渐向东南沿海移动，在3000米到10000米范围内，高空风能资源最密集的区域正好集中在华东、华中、华南等经济最发达地区。（图2、图3）

图2 我国高空风能分布

图3 我国四个地区在不同高度的有效风能密度均值

我国的传统风能资源主要分布在内蒙、吉林、新疆和东南沿海较为狭窄的部分地区。这些地区与经济中心距离较远，造成了发电区域与负荷区域地理位置不匹配的问题。而高空风能资源最密集的区域正好集中在华东、华中、华南等经济最发达地区,如果可以大规模收集利用，则无需耗费巨资建设长距离、大容量的输电通道，可以实现就地消纳。

2010年第二届国际高空风能会议在美国斯坦福大学举行，会议达成一个共识：高空风能应用最合适于中国和印度这两个国家发展（从对能源尤其是对新能源的需求，以及该国的地理环境、地表风及高空风资源分布等多方面来考察）。

3 高空风能发电的形式

高空风能技术分为两大类：

第一种是利用氦气球等升力作用，将发电机升到半空中，在高空中利用风能转化为机械能，机械能转化为电能，之后通过电缆传到地面电网。如加拿大的MagennPower（图4），美国的SkyWindPower、Altaeros Energies(图5)、MakaniPower（googleX实验室收购）(图6)。

图4 加拿大MAGENN POWER的飞艇发电机

图5 美国Altaeros的飞艇发电机

图6 美国MakaniPower旋翼风筝发电机

美国MakaniPower旋翼风筝发电机的工作原理是无人驾驶的旋翼风筝升入空中，并与地面基地相连，当旋翼风筝升入高空时，旋翼机便充当发电机作用。当风速下降时，风筝便回到悬停模式，然后返回到地面基地。

此种发电方式可以不投入电网运行，适用于一些偏僻的乡村，特别是电网难以覆盖的地区，其发电费用较低；缺点是发电机本身自重限制，发电容量有限，其安全性也有待验证。

第二种是将发电机组固定在地面，通过巨型“风筝”在空中利用风能拉动地面发电机组，从而将风能转化为机械能，带动地面的发电机转化为电能，以解决电缆和发电机的自重问题。（图7）

如中国广东高空风能技术有限公司的伞梯组合高空风能发电技术（图8）、意大利的KiteGen（图9、图10）。和第一种相比，安全性好，发电量大。

广东高空风能系统是通过降落伞的上下循环往复运动实现发电。当伞张开的时候，在风的作用下往上升，升上去的时候做功，到了一定高度的时候，伞就会收掉。整个过程由伞上的控制器决定。比如设定3000米，到3000米的时候就收掉，下滑到300米的时候伞就打开，上升过程中就会发电。

图7 风筝发电示意图

图8 广东高空风能技术有限公司的伞梯组合高空风能发电技术

意大利的KiteGen风筝发电机有两种，一种是通过风筝的控制，在上升阶段通过绳索拖动发电机发电，到达一定高度后控制风筝姿态，收回风筝，然后再上升。另一种是类似于旋转木马，通过对风筝的控制，达到一圈风筝拖动转盘从而带动发电机发电。

图9 意大利的KiteGen风筝发电机

图10 意大利的KiteGen旋转木马发电机

一般认为，同传统风电相比，高空风电投资成本约为常规风电的1/3到1/2，而占地面积仅为1/30且无噪音，对环境影响较小。

4 面临的问题和挑战：

前景虽然一片大好，但也面临着不小的挑战。主要有以下几个方面：

4.1 技术方面

飞行器的控制，轻质、高强、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，连入现行电网时对电网稳定性的影响等等。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。

4.2 政策方面

其运行范围内需要禁飞，而我国高空风能丰富的东部地区航线密集，高空风能发电需要得到军方的批准。

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。

目前高空风力发电也没有成形的行业规范，高空风力发电与传统电网对接联网的规格要求尚未明确。

4.3 商业方面

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。

4.4 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，是否有相应的商业保险。

4.5 环境方面

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。

利用气候模拟，研究人员还发现，如果高空急流如果大规模作为可再生能源使用将会导致的气候变化——高空风机捕获了高空急流的所有能量，高、低纬度地区间的气压差将会消失，整个气候系统将会发生巨大变化，因此会带来大气环境中300太瓦能量的减少，这将带来灾难性后果。

4.6 高空风能资源储量

根据德国马普生物地球化学研究所研究人员的一项最新研究，高空急流蕴涵的风能资源只有7.5太瓦能量。这个数值只有早先估计的1/200，不足人类基本能源需求的一半。

5国内外发展现状

早在20世纪70年代爆发能源危机时，各类高空风电的设计就不断涌现。美国能源部曾开展过一个高空风电项目，但是到了80年代，由于能源部官员将经费挪为他用，导致项目终止。不过，发达国家对高空风电的研究并未停止。

经粗略统计，目前全球已经有50多家高空风能发电公司，这50多家公司投入巨资研发高空风电，技术路线不一。（2017年数据）

其中技术较为领先的包括google实验室及其收购的MakaniPower，意大利KiteGen，美国Altaeros、中国的广东高空风能技术有限公司等。

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。

我国在此领域虽起步较晚但也取得了较大进展，成立于2009年的广东高空风能技术有限公司，是我国第一家从事高空风电技术研发的公司。目前，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，成为商业化的优势方案，且国内首个示范电站已在安徽芜湖落户。

绩溪高空风能发电项目是国内首个高空风电规模化商业化建设项目，项目于2017年8月获安徽发改委批复，采用其控股公司广东高空风能技术有限公司研发的5兆瓦高空风能发电机组，建设非常规新能源(高空风能)发电企业，总建设规模100兆瓦，原计划于2019年11月底完成主体建筑工程的施工，2020年3月底项目竣工，2020年上半年结束调试并网发电。

然而，2月17日，中路股份对外披露绩溪高空风能发电项目资金缺口较大 ，工程进度并未如期进展，预计无法如期完成。

参考文献：

<1>唐丹妮,MakaniPower.风筝发电机.科技创业,2012(10):30-35.

<2>高育红.把发电站建在万米高空.阳光能源,2009(05):46.

<3>.“风筝”发电新技术.技术与市场,2013,20(03):166.

<4>刘星.高空风电“舞”起来.电气技术,2017,(04):3.

<5>刘杨.高空风电千亿市场引而待发.中国证券报,2015-08-17(A09).

<6>俞增盛,吴俊.高空风力发电技术与产业前景综述.上海节能,2017(07):379-382.

<7>杨燕,亢碧成.几种中高空风能发电技术可行性研究.电子世界,2018(18):107.