風箏風電 別具一格

　　在綠色能源中，風電是后起之秀。它取之不盡，環境污染輕，發電功率可大可小，使用靈活。大的風電機可以幾兆瓦，小的船用機只要數千瓦。但風電也有占地面積大，發電成本高的缺點。為興利除弊，科學家又想出了空中風力發電的新點子，也許要不了10年，風箏風電就會造福人類了。
　　空中風電的優勢
　　風能是太陽能的衍生兄弟，太陽的光熱造成大氣環流，這才有了風。但由于地表地貌復雜多變，近地的風各有不同，海邊裸地風力強勁，內陸多數風力平平。有時氣流相對靜止，近地也有無風的日子。高空就不一樣了，隨著與地面距離的增加，摩擦減少，風速會逐漸加大。每增加一倍風速，蘊含的能量將增加8倍。
　　氣象學家認為，地球上最強勁穩定的風，存在于距離地面4到10千米高的大氣對流層，此處風速超過100千米／小時，也比地面風更好預測。我國科學家研究表明，北京市上空百米高度的平均風速是4.1米／秒，能量密度是78瓦／平方米；700米高度的風速是7.3米／秒，能量密度430瓦／平方米；而在萬米高度，風速達到34.5米／秒，能量密度則上升到16275瓦／平方米。青島的條件則更好：100米高度風速5.5米／秒，能量密度194瓦／平方米；700米高度風速7.5米／秒，能量密度470瓦／平方米；萬米風速40.8米／秒，能量密度高達22584瓦／平方米。因此，科學家們提出將風車渦輪發電機飄在海拔4600米到10000米的高空，利用大氣層氣流，吹動風車葉片旋轉發電，是比現行風力發電更好的風能利用方式。
　　新穎的風箏電機
　　美國加利福尼亞風電研究所的羅伯茨，研究設計了一種“高空風車”。它的主要組件是風車渦輪發電機。它有2-3片螺旋槳般的葉片，還有一個使它們與風向保持一致的尾端風向標。輕型復合鋁材料制成的渦輪葉片，四周被一個環形層壓材料遮蔽結構環繞，在“聚焦”風力的同時，讓渦輪機保持漂浮狀態，類似一個內裝氦氣的噴氣發動機。使用時一般讓數十上百個風輪機，集中在一個區域形成“風車場”，然后將所發電力集中起來輸送給用戶。
　　目前，世界最大的“風車場”位于美國加利福尼亞州阿爾塔蒙特山口，那里有7000多臺空中風車，發電量占了美國風力發電總量的90％以上。
　　空中風車就像“大風箏”。上天時，通過連接到地面絞盤的電纜傳導地面電力，風車葉片可像直升機螺旋槳一樣旋轉，帶著發電機飛向高空。通過衛星定位系統確定方位，到達理想的高度后，風輪機上的控制儀，開始調整“大風箏”迎風傾斜的角度，使其懸停在高空。
　　電纜就像風箏線，把空中發電機牢牢系在地面。這時，地面電站停止供電，讓時速近320千米的強大氣流吹動風車葉片發電。這些電流通過同一根電纜經地面電站中轉，最后送到用戶家中。需要返回地面時，“高空風車”就用自己的電力，絞動地面的電纜絞盤慢慢落下。
　　為降低總體質量，“高空風車”的渦輪機采用碳纖維、鋁和玻璃纖維制造，重約兩噸。它的核心有一根高強超輕碳纖維纜繩，這種纖維早已被用來制造網球球拍線和美國宇航局飛船上的安全氣囊，足夠結實，所以不需擔心“大風箏”斷線飛離，如果改用石墨就更保險。
　　又一種創新設計
　　最近意大利的風電專家，設計了“MARS”高空風力發電系統。它由高空的拖曳風箏和地面的發電設備兩部分組成。
　　拖曳風箏是將一組大風箏用纜繩串連在一起，組成風箏環，然后放飛到幾千米的高空中。這些風箏由電腦自動控制改變各自的姿勢，使風箏環一邊比另一邊獲得的風力高，帶動整個風箏環旋轉，產生的動力。線纜和地面的風力渦輪機相連，并通過安裝在發電設備上的航空感應器，控制風箏旋轉的方向和路徑，最大限度帶動風力渦輪機旋轉發電。
　　雖然目前該系統還處于測試階段，科學家認為它的前景非常廣闊。與傳統風力發電相比，MARS系統擁有無可比擬的優勢：它能夠從高空獲得穩定的風能。風箏飛行的高度越高，所獲得的平均風速就越大，發電的效率也就越高，而傳統風力渦輪機最高平均高度也只有100米左右。
　　MARS系統不僅具有發電效率高的優勢，而且占用的空間和面積也非常小。一般來講，一個發電能力為1000兆瓦的傳統風力發電廠，占用的面積在250-300平方千米之間，而使用MARS系統的發電，只需使用5-6平方千米的面積，就可以達到同等發電能力。
　　飛艇電站也風流
　　美國和加拿大的科學家，還發明了“飛艇風車”，它是桶形風車與飛艇的結合體。內充氦氣的飛艇帶著風車飛到空中，利用那里的強風吹動葉帆旋轉。飛艇則通過電纜錨在地面，發出的電由電纜輸送。家用型飛艇風車有汽車房屋大小，放飛到45～120米的高空，最高發電能力為4千瓦；發電場型的有普通飛艇大小，放飛高度為120～280米。
　　“飛艇風車”的桶形葉帆，在風速低于3000米／小時仍可運轉發電。飛艇的材料柔韌，降落速度慢，墜毀時很安全，也不會影響空中航線。因為飛艇的體形可大可小、技術要求低，成本也不高，家用型飛艇大約造價10000美元。一個100千瓦的軟式小飛艇產生的電量，可滿足大約40個家庭的用電需求。它可以為偏遠的軍事基地、訓練營地或者沒有通上電的小村落送電。現在，這些地方依靠昂貴的柴油發電機滿足用電需求，并不合算。
　　空中渦輪機可以裝進集裝箱，在救災時能運到災區，解決急需電力供應的災區的燃眉之急，是進行人道主義援助的理想設備。
　　空中風電有難題
　　空中風電的杰出優點是價格便宜。火力發電每千瓦時的發電成本在0.05美元到0.09美元，傳統風力發電廠的成本為0.15美元。空中風電每千瓦時的發電成本約為0.02美元到0.05美元。但是，發展空中風電，需要鋪設大量基礎設施，在實際應用中還需要儲存大量備用能源。所以，吸引投資是發展空中風電的難題。
　　空中風電如何面對惡劣的天氣，也是一個問題。雷電時節，要回收設備嗎?需要著陸時該如何具體實現?科學家正在進行方案設計，已有可靠的回收辦法。回收、放飛的來回折騰十分麻煩，能不能讓空中風電站不怕雷電，永駐空中?要繼續研究。
　　高空風能的發展也會有安全與環境問題。首先，風電站周圍的居民安全必須得到保證，不會因為高空風機及其輸電線路的墜落而受到傷害。天高憑鳥飛，空中是鳥類活動的天堂，空中風電不能影響鳥類等自然動物的生存。科學家的辦法是將風機的位置，放在鳥類遷飛路線的上面，但對高飛的天鵝、燕鷗等的保護，還沒有好辦法。當然，空中風電站也要遠離航線，在航線附近的要設置空中警示區。
　　至于飛艇等掉下來砸人，科學家認為危險系數極低，因為研發中所使用的都是已運行數十年之久的技術，況且現在碳纖維、石墨烯這樣高強度高韌性的材料，都可以用在太空電梯上，何愁牽不牢小小的空中發電風