高空風力發電技術與產業前景綜述

俞增盛 上海市能效中心吳 俊 中路能源（上海）有限公司

高空風力發電技術與產業前景綜述

俞增盛 上海市能效中心
吳 俊 中路能源（上海）有限公司

高空風力發電技術應用是我國實現2030年減排目標的重要組成部分；我國在該領域技術研究已取得突破性進展，有效解決了高空材料和高空風能發電持續性和穩定性問題，具有大力推廣的可行性、經濟性和必要性。

高空風力發電；傘梯組合；新能源

我國高度重視氣候變化問題，長期以來主動承擔相應責任，積極參與國際對話，努力推動全球氣候談判。2015年6月，向《聯合國氣候變化框架公約》秘書處提交自主貢獻文件，提出到2030年單位國內生產總值二氧化碳排放將比2005年下降60～65%等目標。為了實現2030年減排目標，改善能源結構、有效提升可再生能源在我國能源消費中的比重至關重要。因此，進一步推進風能高效利用，尤其是高空風能的合理應用具有重大的戰略意義。

1 風能資源與應用現狀分析

目前，國內外的風電產業幾乎是基于低空風力發電技術而形成的。低空風力發電由于受到地表和環境等因素的影響，發電功率和年發電時間都受到很大程度的制約，低空風力發電占地面積大，諸多因素使低空風力發電行業正積極尋求技術的更新換代。

美國國家環境預報中心的數據資料表明：在500～15 000 m的高度范圍，風的流向是穩定的，而且高度越高，風的強度越大，穩定性越好；高空中蘊藏的風能超過人類社會總需能源的100多倍。高空風風速大，高空風能密度通常是地表風能密度的幾十～幾百倍。

中國高空風能資源儲量是世界最豐富的國家之一，一定高度以上，各地區都是高空風能資源富集地區。例如，當高度在5 000 m以上時，我國絕大部分地區的風能密度在1 000 W/m2以上，而新疆北部、內蒙古、甘肅北部等中國低空風能資源最富集地區的平均有效風能密度約300～500 W/m2。圖1是我國四個地區在不同高度的有效風能密度均值（1979～2006年）的曲線圖。

世界各國都在積極行動，搶占高空風能發電領域的技術與經濟發展的制高點。2010年第二屆國際高空風能會議在美國斯坦福大學舉行，會議達成一個共識：高空風能應用最合適于中國和印度這兩個國家發展（從對能源尤其是對新能源的需求，以及該國的地理環境、地表風及高空風資源分布等多方面來考察）。

2 國內外高空風能應用研究現狀及趨勢

世界范圍內已超過40家公司對高空風能的利用進行研究。其中技術較為領先的包括google 實驗室及其收購的Makani Power，意大利KiteGen，美國Al taeros、中路的天風（SkyHaul）等。

高空風能發電方式主要有兩大類：（1）將發電機懸置于空中，如美國的Sky Wind Power，加拿大的Magenn Power；（2）將發電機設置在地面，如中國的傘梯組合高空風能發電技術（SkyHaul）、意大利的KiteGen、美國的Makani Power。

2.1 發電機懸置于空中的高空渦輪發電

美國麻省理工學院下屬的 Al taeros 風能公司最近成功研制出一款空中風力渦輪機（AWT）（如圖2所示），這架風電機成功試驗漂浮到350 f t的空中，收集的電量為地面標準風電機的2倍。

圖1 我國四個地區在不同高度的有效風能密度均值（1979～2006年）的曲線圖

發電機在空中的渦輪機型高空風能發電，受制于空中系統的重量和體積，發電規模難以做大。龐大的氦氣球和渦輪機上升到高空不但 要客服巨大的自重，安全性能和收集的風能也不是很理想。而且此類發電方式同樣需要解決空中系統的穩定性難題及系統控制技術瓶頸 問題。因此，發電機在空中的設計方案，目前看來并非高空風能發電的技術發展趨勢。

圖2 Al taeros風能公司的AWT（左）/加拿大的Magenn Power（右）

2.2 發電機設置于地面的高空風箏型發電

高空風能發電的主流是發電機在地面的風箏型發電，空中風能采集部分主要是軟體（由輕質高強度化纖材料組成），如意大利的Kite Gen、美國的Makani Power的高空風電技術。目前國際主流的風箏型高空風能發電技術，大多數空中系統的穩定性難題和空中系統控制技術瓶頸還沒有完全得到有效解決。據英國媒體報道，英國計劃建造首個商業規模的試驗風箏發電站，選址位于蘇格蘭的斯特蘭拉爾郡附近，裝機容量500 kW，預計于2017年3月投入運營。

圖3 美國Makani Power公司高空風電技術

2.3 中路股份公司的傘梯組合型高空風電技術

中路股份公司下屬廣東高空風能公司于2010年4月研制出國內首臺100 kW高空風電系統樣機，中路股份公司下屬天風高空風力技術公司在蕪湖建設完成2.5 MW首臺套示范高空風能發電系統，實際測試單繩也超過600 kW，成為全球首臺實用性大功率高空風能發電系統。目前正在研發50 MW機組，將成為世界最大風力發電機組。該技術為自主創新、研發出具有完全自主知識產權的傘梯組合高空風能發電技術，涵蓋中高空風能發電的技術研發、發電系統設計和建造、風電場建設等。該公司是國內首家擁有中高空風能發電技術的企業，是世界上獨家擁有傘梯組合風能采集技術的企業,可以為形成中國占領高空風能發電領域提供技術優勢，這是世界新興戰略性新能源產業的技術和經濟發展的制高點，且在我國具有巨大的產業化推廣潛力。

3 高空風力發電技術難點淺析

高空風能發電主要面臨兩大技術難題：（1）材料問題，主要是高空風能收集、風能-機械能轉換等所需要的輕質高強度材料難以獲得；（2）控制技術問題，主要是高空風能發電的持續性和穩定性，也就是空中部分的穩定性一直沒有得到有效控制。隨著材料技術的發展，輕質高強度材料不斷涌現，設備設計的不斷提高，高空風能的裝備成本逐年下降，迅速達到了成熟應用的階段。同時，各國不斷地研發以使穩定性和發電效率兼顧，中路股份經過7年的研發突破發展了傘梯技術，創造性的解決解決了其他高空風發電技術在空中的做功和穩定性互相制約的問題，在保證了發電效率穩定及可控。

4 高空風力發電技術產業前景

我國風力發電科技正在逐步實現從量到質的轉變，完善和發展風力發電科技的實力，實現從風電大國向風電強國的轉變。根據我國《“十二五”國家戰略性新興產業發展規劃》中指出到2020年，全國累計并網風電裝機2億kW以上，年發電量超過3 800億kWh。風電裝備具備國際競爭力，技術創新能力達到國際先進水平。迄今，國內外的風電產業基本上是基于低空（300 m以下）風力發電技術而形成的，因此，國內外風電市場目前的競爭格局基本上是也是依據于低空風力發電技術而形成。

高空風能發電，具有發電輸出穩定、時間長（發電時間6 000 h/a以上高于常規風電約為2倍以上）、成本低、功率大（單機組功率可達50 MW）、占地面積小（不到同等規模常規風電的1/2）、對環境生態無影響、電站選址受限少（在空域許可的條件下各地均可建發電站，可選在主干電網附近或大城市周邊、現有風電場附近）等諸多優點，是新能源發展道路上具有遠大前景的重要領域，能有效解決日益嚴重的能源短缺和空氣污染問題。據測算，我國大力推進高空風力發電技術，以到2030年規劃推廣應用1 000套（100 MW/套）該高空風能發電技術測算，可實現能年發電量6 000億kWh，年節約燃煤消耗總量2億t原煤，減少CO2排放量約5億t，可實現產值約8 000億元；快速推動我國可再生能源產業發展和我國節能減排工作目標。

5 總結

高空風能發電技術已經作為一個嶄新的新能源技術進入人類能源可持續發展序列，其經濟性和資源的豐富潛力決定了將對能源供應產生重大影響。但是高空風力能源的應用還需要引起國家和行業的重視。

（1）以谷歌、意大利Kite Gen，美國Al taeros等為首的競爭對手擁有強大的資金、人脈和技術力量，以國內研發及應用進度預測只有2.5年甚至更少的領先優勢。我國的高空風能技術要保持目前的世界范圍內的領先優勢，必須率先完成大功率（百兆瓦級）商業電站的應用，同時在國內迅速鋪開，在世界范圍內搶占高空風能的技術制高點；因此加大力度支持國有高空風力發電示范應用迫在眉睫。

（2）新技術推向商業化，項目實施涉及空域、土地、接入、融資等多個環節，涉及空軍、民航、各級政府、銀行等多個領域，審批環節多、項目立項難。迫切需要進一步提升高空風能發電技術戰略高度，通過更高層次的關心和支持,跟高規格的宏觀指導、統一規劃，加大政策和資金扶持，推進落地商業示范項目。

（3）大型低速發電設備、傳動設備、控制設備等配套設備的研發升級，將大大降低高空風力發電的成本，迅速提高技術成熟度和經濟性，使該項新能源技術快速由成本接近火電價格發展為售電價格向火電看齊。

Overview of H igh Attitude Wind Pow er Generation Technology and Industry Prospect

Yu Zengsheng Shanghai Energy Efficiency Center Wu Jun ZhongLu Energy(Shanghai)Limited Company

High attitude Wind power generation technology application is the main part of realizing 2030 em ission reduction task in China. China has achieved breakthrough progress in this field and solved high attitude materials and Wind power generation sustainability and stability, which is feasible and econom ically effective and necessary to be into market promotion.

High Attitude Wind Power Generation, Umbrella and Ladder Combination, New Energy

表1 風電技術比較一覽表

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.07.002