系留懸浮式風力發電技術的研究進展與展望

劉耀廣，王耀坤，萬志強，嚴德

（北京航空航天大學航空科學與工程學院，北京100191）

0 引 言

清潔能源的開發已成為各國的研究重點，而風能作為一種無污染、可再生、成本低、相對安全、方便采集的新能源有著巨大的發展潛力，近十年全球風力發電規模保持快速穩定的增長趨勢。我國自2005年頒布《可再生能源法》以來，已形成上網電價、研發補貼、稅收優惠等多種鼓勵政策，形成良好的發展環境。現如今中國已成為全球規模最大、增長最快的風電市場。因此作為我國第三大電力能源的風力發電仍然具備強有力的發展勢頭。

目前開發風能的主要方式是低空架設風力發電設備，其本身存在局限性：（1）主要利用200 m以下的低空風能，風速較低且通常是湍流，風力發電容量系數（風力機年平均輸出功率與其額定輸出功率的比值）一般低于35%；（2）基建與安裝復雜，成本昂貴，與高度的5次方成正比；（3）只能固定安裝在常年風場條件較佳的地區，部署受限。因此，低空架設風力發電設備無法依靠傳統形式獲得高產能、低成本的電力資源。

500~12 000 m的高空范圍內蘊含豐富的風能資源，足以滿足全世界的能源需求。為此在20世紀70年代誕生一種利用系留飛行器進行高空風能發電的設計概念，但早期受制于技術難度大、成本投入高等問題，高空風力發電優勢不明顯，研究不多。近幾年得益于航空材料、飛行控制、空氣動力學等航空技術的深入研究，以及對清潔可再生能源的重視，已有包括Makani、KiteGen等50多家高空風電機構利用系留式的固定翼、風箏、多旋翼、浮空器等航空器進行試驗研究。其應用優勢主要體現以下3點：（1）高空強勁的風場使風力發電容量系數達70%以上；（2）降低土地需求和建設成本；（3）可移動部署，應用場景多樣化。預計未來高空風力發電將迎來新一輪發展契機。

高空風力發電技術形式繁多，導致現有研究類型劃分和研究重點各不相同。王若欽等根據飛行原理的不同，將高空風力發電分為切風模式和非切風模式，并對切風模式的特點與挑戰進行了論述；M.Barnard根據飛行狀態的不同，將其分為切風飛行和靜態飛行；高金蘭等則主要根據飛行平臺的結構形式和發電方式將切風飛行的風力發電飛行平臺劃分為不同種類。而本文所述的系留懸浮式風力發電是指飛行平臺通過纜繩系留地面，并以非切風的方式飛行，相對靜止或單純的上下浮動，整體速度較低。該形式控制簡單、飛行安全可靠、功率輸出相對平穩，具有顯著的發展優勢。

本文通過分析系留懸浮式風力發電系統的組成和發展現狀，梳理系留懸浮式風力發電的主要技術類型和特點，歸納并展望未來需要進一步探索的關鍵技術。

1 系留懸浮式風力發電的一般系統組成與發展現狀

1.1 系留懸浮式風力發電的一般系統組成

系留懸浮式風力發電平臺主要由飛行平臺、系留纜繩、發電機、地面基站四部分組成。

（1）飛行平臺的主要作用是提供維持留空的升力，包括浮升力或氣動升力以維持空中懸浮，部分也提供姿態調整的氣動控制力，并搭載發電機等設備捕獲風能。

（2）系留纜繩連接飛行平臺和地面基站，將飛行平臺束縛在一定的高度區域內運行，也可具備電力傳輸的功能。

（3）發電機主要作用是將風能轉化為電能，但為滿足提供氣動升力的需求，也存在發/用電狀態的電動發電機。根據發電機位置不同，可以分為空基和陸基兩種，即發電機安裝在飛行平臺上或發電機置于地面。空基高空風電與傳統風電模式類似，利用氣流吹過葉片平面帶動發電機發電；陸基高空風電則主要通過飛行平臺以某種飛行方式帶動纜繩往復牽引地面發電機轉盤旋轉，從而產生電能。

（4）地面基站主要控制纜繩的長度，同時使發電機輸出電力可利用，實現電力儲存或并網。

1.2 系留懸浮式風力發電技術發展現狀

國內外對系留懸浮式風力發電研究較多，且技術形式多樣，不同之處主要體現在飛行平臺飛行原理和發電方式，技術形式各有優勢。目前筒形浮空風力發電、基于馬格努斯效應的浮空風力發電、高空多旋翼風力發電以及傘梯組合式風力發電均有所突破，下面對國內外這四種類型進行詳細闡述與分析。

（1）筒形浮空風力發電

飛行平臺外形類似筒形氣囊，飛行原理與浮空飛行器相似，依靠筒形氣囊內氦氣的浮升力升空，筒形中間為變截面的氣流通道，通道中央的風力發電機迎風發電，通過飛行平臺的系留纜繩將電能傳輸至地面。這種形式的好處是風能提取有超越貝茨極限（貝茨極限是指風力發電機在理想條件下，將自由氣流動能最大程度轉化為風輪輸出功率的比例為59.3%）的可能，現實中常規風力發電機的風力利用系數無法達到這一數值，而筒形浮空風力發電利用先收縮后擴張的變截面氣流通道，提高葉輪前的氣流速度，即

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，發電機轉盤平面上的氣流功率超過環境自由流中的氣流功率，在一定程度上能使功率系數超過貝茨極限。氣流通道形狀如圖1所示。

圖1 氣流通道形狀［12］Fig.1 Shape of airflow channel［12］

該技術形式以美國Altaeros Energies公司研制 的Buoyant Airborne Turbine（BAT）為 代 表 ，BAT運行高度最高達600 m以上，最大可承受44.7 m/s的風速，可自主起飛或降落，能夠自動調整引導平臺進入強風高度，并且在大風或強降雨等惡劣的天氣時，能夠自主停靠地面站點，待條件允許后繼續升空發電。BAT試驗機如圖2所示。

圖2 BAT試驗機［13］Fig.2 Test generator of BAT［13］

這種技術類型由于依靠浮升力升空，無需通過消耗額外能源克服飛行平臺重力，使其可以最大限度將風能轉化為電能；對風場條件要求較低，易實現自動起飛降落；工作狀態相對穩定安全，且容易運輸部署。這些特點更適合在風場條件不佳或不穩定區域發揮作用，比如災區或者軍事基地等地區的臨時緊急供電。多股系留纜繩不僅控制飛行平臺整體運行高度，其纜繩間的差動控制也可調整飛行平臺姿態，因此姿態控制方式簡單。但是由于無法保證氣囊完全密閉，氦氣等輕質氣體存在泄漏，需要定期補充，增加額外的運營成本；且受制于浮空氣囊龐大的體積、重量受限和結構剛度等問題，工作高度難以提升，發電功率規模也難以做大。

（2）基于馬格努斯效應的浮空風力發電

該類型飛行平臺主體近似橢球形浮空器，運行時橢球軸線與地面平行同時垂直氣流方向，內部氦氣提供浮升力；囊體外安裝有氣流葉片，兩端設有發電機，再通過系留纜繩連接地面，氣流經過表面葉片時提供旋轉扭矩，氣囊整體繞軸線旋轉帶動兩端發電機工作，通過纜繩向地面輸出功率。該類型充分利用馬格努斯效應，即垂直于氣流方向旋轉的物體，由于流經物體兩側表面的相對流速不同，使得兩側面產生壓力差，進而產生向上的偏轉力，且隨風速增加而增大。

Magenn Power公司采用此技術路線，其研制的風力發電平臺命名為Magenn Air Rotor System（MARS），MARS工作在300 m以內的高度范圍內，適用風速為2.5~30 m/s。MARS試驗機如圖3所示。

圖3 Magenn Power的試驗機［17］Fig.3 Test generator of Magenn Power［17］

此種形式的升力來源主要為浮升力，但與傳統浮空器不同，其還利用馬格努斯效應產生部分動升力；馬格努斯效應提高總升力的同時，也能使空中平臺穩定在預設高度受控且受限的范圍內，減小平臺向后向下漂移。另外其風力發電模式與傳統方式不同，平臺整體垂直于風向旋轉產生陀螺效應，具有穩定性；且轉速較低，對鳥類相對安全。但是此形式具有較大的迎風面積，同時整體繞轉軸旋轉，對浮空氣囊結構的強度和剛度提出較高要求，另外也面臨氣體泄漏以及工作高度和發電規模受限的情況。

（3）高空多旋翼風力發電

高空多旋翼風力發電是一種類似于系留多旋翼的設計，不同之處在于采用電動發電機，既能用電提供升力，又能在氣流帶動下發電輸出電力。平臺升空時類似于系留多旋翼飛行器，由地面提供電力通過系留纜繩驅動電動發電機帶動旋翼產生升力升空，待到達目標高度，控制器將使多旋翼平臺整體傾斜一定角度，在此過程中雙工況電機逐漸由用電轉為發電，在空中旋翼平面與水平面成一定角度，氣流流過旋翼平面，旋翼旋轉帶動雙工況電機發電，同時旋翼受力的豎直分量作為升力，保持平臺穩定懸浮在空中，旋翼產生的電能通過系留纜繩傳輸至地面。平臺姿態控制通過旋翼之間的差動實現。

美國Sky Windpower公司研制的Flying Elec‐tric Generator（FEG）風力發電技術采用此種形式，在機架上安裝有四個雙工況旋翼，機架通過系留纜繩連接地面。FEG設計目標是利用4 500~9 000 m高空內的大氣急流區的高速氣流，旋翼平面最高可傾斜50°，在4 600 m的運行高度上，滿足滯空和能量輸出的最小風速約為10 m/s。目前該公司已經完成原型機的測試，能夠完成從自動起飛、到達預定高度、轉換工作模式到自動著陸完整工作流程。FEG模型如圖4所示。

圖4 FEG模型［21］Fig.4 Model of FEG［21］

該形式飛行平臺起飛或降落時對旋翼供電產生升力，易實現自主起飛降落；主要適用高風速環境，因此高海拔可以充分利用高速氣流的優勢；但對高風速環境的依賴又限制了多樣化應用，應用場景較為單一。同時為了避免高海拔對航空安全的影響，也要增大多設備同時運行時的間距，系留纜繩的重量也成為影響平臺性能的重要因素；傾斜角度與風速有關，因此氣流并非垂直進入旋翼平面，很大一部分風能用來維持平臺滯空，影響風力發電轉化效率。

（4）傘梯組合式風力發電

該類型主要包括空中系統和地面系統：地面系統主要為發電機及附屬設備；空中系統由多個做功傘、平衡傘以及飄空氣球組成，間隔分布在纜繩上，利用多傘兜風實現風能的高效利用，飄空氣球和一直處于打開狀態的平衡傘提供系統升力和保持系統空中穩定。做功傘在風場內通過反復開合帶動空中整體上下往復運動，牽引纜繩帶動地面發電機發電；做功傘打開時整體拉升處于發電狀態，做功傘收起時整體下落，處于發電準備狀態。傘與傘之間、做功傘與地面系統之間是通過輕質高強度纜繩連接。傘梯組合演示圖如圖5所示。

圖5 傘梯組合演示圖［23］Fig.5 Illustration of multi-stage umbrella［23］

我國廣東高空風能技術有限公司研發的傘梯組合式風力發電命名為天風技術。該系統設計目標工作在500~10 000 m高空，系統采用模塊組合結構，通過調整系統運行高度和改變模塊數量實現發電功率10~1 000 MW可調節，目前已突破空中系統控制穩定性問題。

傘梯組合式風力發電運用全新的理念，將升力平衡系統和做功系統分開、單獨控制，兩者互不影響，同時由于圓形傘結構的單一自由度，系統只需控制傘的開合帶動牽引纜繩實現升降運動，自穩定性較好；傘梯組合受風面積更大，單位面積下的風能利用率更高；另外可以通過改變做功傘的數量實現穩定的功率輸出或系統功率的擴容；但其復雜的工作模式對飛行控制要求較高；同時由于往復運動的發電模式導致功率輸出不穩定。

2 系留懸浮式風力發電的關鍵技術

通過對國內外現有系留懸浮式風力發電技術原理與特點的分析，充分結合當前空氣動力學、航空材料、飛行控制等專業的發展，以及目前國內外相關的研究熱點與進展，歸納出未來系留漂浮式風力發電中需要重點突破的航空相關技術。

2.1 輕質高強系留纜繩設計與制造技術

飛行平臺的升空、回收均由系留纜繩提供牽引功能，承受較大拉力；數百米的系留纜繩被提升至空中，為飛行平臺帶來額外的重量，同時系留纜繩受到的氣動阻力也是限制工作高度上限和效率的主要因素之一；產生的電力只能依靠纜繩傳輸至地面，需要滿足電力傳輸效率，部分還具有信號傳輸的要求，以監控設備運行；另外為保護設備免受雷擊破壞，系留纜繩也應具有一定的防雷、泄雷作用。因此系留纜繩需要同時具有系留強度、輕質密度、電力傳輸、防雷擊等各項綜合性能。

常規系留纜繩的承力元件一般由纖維制成。目前Kevlar 49芳綸纖維是大多數系留纜繩的首選材料，線密度為1.44 g/cm，具有2.8 GPa的抗拉強度、500℃的耐熱溫度以及115 GPa的拉伸模量，材料成本較低；而PBO纖維在1.54 g/cm的線密度下具有5.8 GPa的抗拉強度、270 GPa的拉伸模量和650℃的耐熱溫度，其強度和模量約為普通芳綸的2倍，特別是彈性模量，由于其直鏈高分子的特征，被認為具有極限的彈性模量，綜合性能及其優越，但受到國外壟斷和進口限制，價格昂貴，無法普及應用。系留纜繩在長期反復承受大拉力情況下，其各層抗拉結構間容易產生磨損，產生疲勞損傷，導致性能下降，影響安全性與可靠性，這是系留纜繩設計過程中著重需要注意的問題。

結合目前系留纜繩的現狀與應用，總結未來發展趨勢主要集中在以下3點：（1）小型輕質化，新型材料技術的不斷應用，可以利用體積與密度較小的抗拉件、電力傳輸件達到較高的抗拉強度與電力傳輸效率要求，也利于提高運行高度，這對提高飛行平臺整體性能具有重要作用；（2）高強度與耐疲勞，高強度與耐疲勞屬性確保系留纜繩壽命與使用可靠性；（3）功能多樣化，目前系留纜繩可以實現高載重、高抗拉強度與耐疲勞性能、優良電力與光纖傳輸等要求，但隨著系留飛行技術的不斷發展，必然出現滿足更多功能需求的復合型系留纜繩。進一步探究和提升輕質高強系留纜繩設計與制造技術，很有必要綜合考慮成本、密度、強度與耐疲勞性能、環境適用性等各方面因素。

2.2 高性能囊體復合材料技術

系留懸浮式風力發電技術的目標是在足夠的高度下長時間滯空運行，因此浮升囊體材料的重量與氣密性是決定浮升平臺能力的關鍵。而氣體透過率大小與氣體、材料種類、材料的宏微觀結構、環境溫度、縫合工藝等方面都有顯著的關系。

目前具備優良性能的復合材料技術被少數先進國家掌握，導致價格高昂、使用受控。如德國齊柏林飛艇公司skyship600載人飛艇的囊體采用層壓工藝，具有優良的氣密性，使氦氣損耗率維持在每月1%的水平；美國TCOM公司的Mark-7s系留氣球材料利用不同屬性的層壓材料制成，抗拉強度40 kg/cm，氦氣滲漏率0.5 L/（m·d·atm），面密度278 g/m，而國內大部分中小型系留艇由于囊體材料揉搓后氣密性變差以及制作工藝差距導致材料連接處易泄露，氦氣耗損率高達每月10%。

開發特性優異的囊體復合材料以及加工工藝精細化是囊體材料技術的關鍵，而具備強度高、重量輕、耐環境、低氣體透過性、抗皺折、耐刮擦等優良性能的囊體材料將大幅提高浮空飛行器性能，因此先進的復合材料設計技術與制備工藝將會是囊體材料的重要突破口。

2.3 穩定與智能控制技術

保證發電持續性和穩定性的控制技術是目前高空風力發電主要技術難題之一。目前系留懸浮式風力發電控制還難以在完全脫離人工干預下自動運行，并且高空風并非一成不變，存在風速風向突變與風梯度漸變的問題，導致飛行平臺飛行軌跡偏離、飛行狀態紊亂以及影響系統做功的穩定輸出，尤其在運動系統和做功系統相互耦合、相互影響的情況下，持續性和穩定性更難以得到保障。

王英勛等將飛行器的自主控制能力由低到高分為六級，最高程度的自主控制表述為能夠自學習且具有集群自組織協調的能力。高級的自主系統必須具有良好的學習和自我修復能力，能夠及時適應環境突變，解決不確定性帶來的復雜問題，在無人介入的情況下實現高效穩定運行。因此對于系留懸浮式風力發電的控制系統，應實時感知甚至預測周圍風場變化，并及時給予調整來適應環境，保證運行穩定。且當環境不利于正常運行時可自動回收待機，待環境允許時再自動放飛運行，達到高可靠性的目標。另外平臺若能夠獲取周圍風場參數，感知一定區域風場內高風速位置，控制系統在沒有人工干預的條件下，自動調整工作狀態，使風力發電平臺飄移至高風速處運行，即控制系統具有趨利飛行的能力，最大程度提高發電功率，并且近幾年不斷推陳出新，對各類新型飛行器的控制機理、復雜的耦合特性、氣動彈性效應等研究也將逐步深入。因此未來系留懸浮式風力發電控制技術將實現控制穩定可靠、趨利智能等目標。

2.4 高效風力發電飛行平臺總體設計技術

國內外各研究機構自20世紀便提出形式多樣的高空風力發電技術形式和專利，但目前廣泛應用的類型局限在幾種特定形式，依托常規飛行平臺升空，缺少總體方案與構型的創新設計，優化措施大多限制在結構材料、系統穩定控制等，對風力發電能力和環境適用性的提升并不明顯。如高空多旋翼風力發電為滿足懸浮條件，槳葉平面與風向并不垂直，難以實現風能的高效轉化；同時其完全依靠旋翼動升力升空，實現空中穩定懸浮與功率輸出必須依賴長久穩定的大風速環境。

高空風力發電應緊密結合飛行器前沿研究。閆溟等以筒形浮空風力發電為基礎，探究浮空器幾何尺寸、風速、風輪半徑和轉速變化對飛行平臺運行高度、發電功率輸出以及發電成本產生的影響，并得到該形式下的最佳發電模式；另外楊穆清等針對升浮一體飛行器的研究表明，其與常規飛行器相比具有較為突出的綜合優勢。因此高效風力發電飛行平臺總體設計技術是技術突破的重要途徑，從飛行器總體設計與方案優化的角度入手，進行創新性布局以及系統的綜合優化，進而探索新型高效的系留懸浮式風力發電技術模式。

2.5 便利展開部署技術

目前部分系留懸浮式風力發電技術已具備快捷回收、起飛或可運輸的功能，如BAT可實現與運輸車輛一體化安裝設計，系統可在24 h之內部署。但在設計上普遍還無法達到整機一體化、功能多樣化、快速部署等目標，考慮到未來具有商業化的趨勢，同時具有規模化應用到災區、軍事基地等特殊場景的需求，方便快捷地部署、起飛、收納和運輸也將會成為表征技術性能的重要指標。

美國的REAP快速升空氣球平臺的地面系統集成在一輛多用途機動輪車上，車上安裝有氦氣儲存罐，可直接向氣囊充入氦氣，進行放飛；另外與常規的單點或多點系留飛艇起落架裝置相比，新型氣墊式起降裝置是柔性體與剛性體的結合，能夠提供更加穩定、可靠的起降過程，但目前仍處于試驗階段。同時集成多種功能的地面基站的重要性并不亞于飛行平臺本身，如多功能隨動基站的設計保證飛行平臺狀態變化時，基站控制多點系留纜繩快速響應并給出適應性調整。對于發電功率不連續的陸基發電機，需要配備相應的整流與變壓設備。因此針對便利快捷放飛運行的目標，需要在輔助設備集成、運輸車輛適配、功能多樣化等多個角度進行針對性研究，便利展開部署也將成為系留懸浮式風力發電技術的重要研究方向。

3 結束語

在風力發電高速發展的總體趨勢下，系留懸浮式風力發電作為一種結合航空技術拓寬風能利用范圍的技術形式，在應用場景多樣化、相對簡單可靠、低成本與高產能等綜合優勢下，必將迎來新一輪的發展機遇。

但目前整體仍處于初步研究發展階段，尤其國內該領域研究大部分仍停留在專利技術論證，還未形成工程應用的趨勢，已與國外形成明顯差距。同時由于系留懸浮式風力發電技術依托飛行平臺總體設計、高性能復合材料、飛行與運行可靠控制等多種相關關鍵技術，是較為敏感的前沿技術領域，受到國外的嚴密封鎖，關鍵部件仍依賴進口。因此系留懸浮式風力發電技術發展亟需復合材料、總體設計、自動控制等多學科的協同發展與綜合運用以及相關核心技術的創新性突破，以促進我國在該領域實現超前設計與應用。在重視可再生清潔能源的有利背景下，抓住當前發展契機，進而保障我國在風力發電領域的總體優勢。