風箏發(fā)電

呂　靜

這已不是奇思妙想，要真正獲得更多的風能，我們需要另類利用藍天的思路

1827年，英國發(fā)明家喬治·波考克曾在“航空藝術(shù)”一文中寫道：“天空中還有很多沒有被發(fā)掘的不可見的能源穿行的疆域，在那里，風帆從來沒有招展，機械也從來沒有被引入，那里的發(fā)明也從沒有按部就班地傳播開來，那就是大氣層的較高區(qū)域，當下面的風很慢時，那里卻有強大和穩(wěn)定的快速空氣流動。這些迄今幾乎一直沒有被地球居民注意到。因為高高在上的行程使得其遠離人類的征服。”

在過去，從對流層無窮無盡的風中獲取能源的想法僅僅只能是個夢，而今，一只放飛的風箏能幫助人們實現(xiàn)這個夢想——利用高緯度的風產(chǎn)出便宜的電力。

的確，風箏能是一種新方向。當綠色環(huán)保運動的推動者奮力爭取更多渦輪風力發(fā)電機的時候，新一輪有著環(huán)保動機的工程師已在考慮渦輪發(fā)電機是否落伍的問題了。

近年來將風箏作為一種可再生能源概念的一位先行者叫皮特·林恩，他是和風箏一塊長大的新西蘭風箏設(shè)計師，一家美國公司馬卡尼電力的顧問。

風箏取代渦輪

一般渦輪發(fā)電機都矗立在離地面80米處，那里具代表性的風速是每秒鐘4．6米，而在800米的高空，風速可以升高到每秒7．2米，而且風的可靠性，既超過特定速度的風所發(fā)生的頻數(shù)，也是隨著高度而增加的。其結(jié)果，可獲得的風能與風速的立方緊密相關(guān)，所以風箏的高度是一個相當有吸引力的選項，這讓它比渦輪機所在的高度多發(fā)電4倍。上升到離地1千米的高空，就能獲得約為地面風電8倍的電能，你所需要做的就是用一根很長的線纜系住風箏。

至少在理論上，風箏能是一個清潔、低廉能源的簡單菜單。馬卡尼電力公司更有吸引力的一點，就是他們業(yè)已收到去年11月份來自谷歌的1000萬美元投資。

歐洲的風箏發(fā)電開發(fā)者也有同樣的目標。巴斯·蘭茲朵和他在荷蘭代夫特理工大學的同事正在開發(fā)一個包含風箏、電纜和發(fā)電機組的系統(tǒng)。去年，這個系統(tǒng)第一次在一次展示中發(fā)出了電。在早期實驗中，他們放飛的是一只10平方米的風箏，發(fā)電量為3千瓦。那個風箏是用一個操縱桿遙控的，該小組正在開發(fā)軟件、電子設(shè)施和地面站來對風箏進行自動控制。據(jù)推測，一個20平方米的自動控制風箏可發(fā)電20千瓦。

蘭茲朵對自己小組的系統(tǒng)能按比例逐級放大充滿自信，但又對其在能源市場未來地位的置評很謹慎，他說：“我們現(xiàn)在已經(jīng)了解了這個概念的工作原理，有很多原因讓人相信這種電力很低廉，但是能源市場是個復(fù)雜的事情。”

另外一個風箏研究小組是意大利一家叫做風箏發(fā)電的公司。去年9月份，這家公司在米蘭一個機場測試了其原型風箏系統(tǒng)。這次測試為期3天，風箏被放飛到400米的高空。測試結(jié)果相當好，按照風箏發(fā)電公司研究小組科學主任都靈理工大學的馬里奧·米蘭尼斯所言，用一個10平方米的風箏，在風速為每秒4米的情況下，平均發(fā)電量為2．5千瓦。該系統(tǒng)比預(yù)計的仿真實驗效果還要好。米蘭尼斯說：“我們認為關(guān)鍵的技術(shù)問題已得到了足夠的評估，只要有足夠的財力支持，我們計劃在2到3年內(nèi)生產(chǎn)出工業(yè)原型。”

用線放風箏

那么，這些系統(tǒng)開發(fā)出來后會是什么樣子呢?

最基本的想法就是，當控制線纜展開的時候，風箏就像溜溜球一樣旋轉(zhuǎn)，所以發(fā)電機能夠通過拽拉風箏的風板而驅(qū)動(見圖)。在風箏發(fā)電公司的風箏構(gòu)造中，風箏是由兩條線纜牽拉飛行的，每條線纜都由一個與計算機控制的絞盤相連的獨立繞線鼓所把握。一旦風箏被放飛并到了穩(wěn)定的飛行階段，就需要靠這兩只線纜來牽拉收放，絞盤則負責放松。這些線纜的旋轉(zhuǎn)帶動了發(fā)電機的轉(zhuǎn)動。當幾乎所有的線纜都放開的時候，絞盤就開始將其拉回，讓風箏回到其原來的位置。

當然，這中間還有許多的問題需要克服。在風的間歇期使其提升力維持在一定水平或最大化的最有效途徑是什么?如何能讓風箏在沒風的時候盡可能長時間地漂浮在高空，又怎么能防止風箏不被吹破呢?還有一個技術(shù)上的挑戰(zhàn)是在收線拽回風箏的時候如何盡可能使空氣阻力最小化。蘭茲朵說：“當人們放風箏的時候，并不在乎收回來的階段，但是我們卻很在乎這一點，因為我們不僅想在放風箏的時候產(chǎn)生更多的電力，也想在收線回來的時候盡可能少地消耗電力。”

阿里斯特·福瑞和他在英國蘇塞克斯大學的同事音曼·哈維(Inman Harvey)用中樞網(wǎng)絡(luò)來負責看管虛擬風箏，用網(wǎng)絡(luò)使得風箏保持飛行的最長時間以產(chǎn)生更好的解決方案。最終就算是有一陣狂風或風有停歇的時候，這些網(wǎng)絡(luò)對風箏在高空漂浮和讓線纜張力保持最大也都變得很精通。福瑞和哈維現(xiàn)在正在為風箏發(fā)電公司工作，他們會將算法和仿真模型變成真實世界中的風箏控制機械裝置。

這就是自動控制風箏的目標，這種技術(shù)并不是簡單地按比例擴大，按照蘭茲朵的說法就是：它將決定風箏電力的經(jīng)濟。他還說：“按比例放大在原則上并不難，自動控制才是有挑戰(zhàn)性的部分，我們還不知道能將自動控制的過程發(fā)展到什么程度。”今年的代夫特-魯汶計劃就是創(chuàng)建一個能夠發(fā)電20千瓦控制風箏和絞盤系統(tǒng)的算法，一旦風箏被發(fā)射上天，不用監(jiān)督和外部控制就可以操作。

放飛風箏的熱點地區(qū)

當然，到現(xiàn)在為止，這些風箏發(fā)電設(shè)備也只是空中美景而已，人們現(xiàn)在還不要期望太多太快，利用空中的動力將是昂貴和困難的。

建立風箏能發(fā)電農(nóng)場將需要占用大量的空間，那么這項技術(shù)到底能不能實現(xiàn)呢?荷蘭代夫特理工大學的研究人員分析了風能和人口模式，得出了空間不成問題的結(jié)論。代夫特小組的蘭茲朵說：“就算在人口密集的荷蘭鄉(xiāng)村，也有足夠的空間建風箏發(fā)電場。又比如，西班牙對可再生能源有足夠的地方和足夠大的胃口。而像中國和澳大利亞也有地方建，所以空間完全不是問題。”

一個對風箏能計劃的經(jīng)常性異議就是，在1千米的高空，風箏會侵入飛機飛行的航道。蘭茲朵說：“人們稱這對飛機很危險，但實際上這是無稽之談。風箏并不比其他飛機更危險：所以你需要做的就是有一臺好的雷達發(fā)射接收機和一座燈塔。”

飛機的飛行區(qū)域不適合安放風箏，飛機也會避免在核電站的上空飛行。意大利都靈理工大學的馬里奧·米蘭尼斯(MarioMilanese)說：核電站退役后，這些地方是風箏基礎(chǔ)發(fā)電機組的絕佳場地。在這樣的空間中，一個風箏系統(tǒng)的發(fā)電量可達1兆瓦，他指出，這個量與核電站的發(fā)電能力相仿。風箏的飛行空間在意大利也不是什么大問題，米蘭尼斯已經(jīng)與意大利航空權(quán)威合作進行過測試，他們還將繼續(xù)合作，尋找未來的測試點。

米蘭尼斯說：“我們對此信心十足，因為現(xiàn)在已經(jīng)有足夠的政治意向批準新地址。”