高空風力發電發展及關鍵技術研究綜述

王浩 邢福祥

摘要：在可持續發展戰略落實背景下，開發和利用更多新能源，成為廣大學者關注的焦點。風能屬于新能源，具有清潔、可持續利用的特點。當前，我國十分重視高空風力發電技術的研究和應用，已經解決了高空風力發電的穩定性和持續性問題，具有極強的推廣和應用價值。

關鍵詞：高空;風力發電;關鍵技術

在大力發展新能源的背景下，我國風電裝機數量不斷增加，截止到2021年全國風電發電總量同比增長41.5%。當前，國內外對風能的利用停留在低空風能發電層面，由于地理位置、季節氣候、人類活動等因素影響，再加上低空發電技術占地面積較大、需消耗大量維修和管理成本、電能運輸消耗等原因，低空風電很難保證電力供應的穩定性。當前，高空風力發電技術應用前景十分廣闊。

一、高空風力發電的發展

根據ARCHER調查研究發現，伴隨海拔高度的提升，風能資源密度分布水平也越密切。通過運用AWES（airborne wind energy system）技術，可實現高空風能發電，即采用系留航空器達到較高高度水平，在高空中進行風能捕獲作業，再將風能轉化為電能。當前，美國、荷蘭、意大利等國多次開展高空風能發電試驗，并注冊了一系列專利，具有代表性的技術有以下幾種：

（一）系留風箏式AWES技術

1.滑翔傘式系留風箏

通過利用滑翔傘在高空中按照特定軌跡運動，發揮系留繩的牽引作用帶動發電機發電。意大利KiteGen是風箏發電的先驅，其開發了一套占地面積和空間小的AWES系統，發電效率能夠達到較高水平。德國SkySails Power公司將滑翔傘式風箏發電技術應用到工業領域，研發了200 kW的AWES產品，其滿載可以達到6500 h，產生的電能可以支持100個家庭日常使用，其發電能效、生產成本、占地面積比塔式風電更具優勢。

2.傘梯狀系留風箏

通過利用傘梯狀系留風箏的開閉作用，以風箏上下循環運動的方式帶動發電機發電。廣東開發了傘狀系留風箏AWES系統，即便在復雜風力環境下也能穩定發電，但其成本相較于塔式并沒有得到控制，其發電時間和穩定性要優于塔式發電，該公司的2.5 MW高空風能發電機組已經安裝并應用到安徽羌湖。

（二）系留飛行器式AWES技術

1.機載發電式系留飛行器

通過在飛行器上加載永磁電機，再利用飛行器迎風飛行，帶動電機發電，電能將通過系留繩傳輸到相關設備。Makani Power公司設計了M600型號飛行器，永磁發電機搭載在機翼上，額定功率可達600 kW，且飛行器系統支持多種飛行模式，保障300戶家庭日常供電。美國Sky WindPower公司開發了FEG系統，與塔式發電機相比，其占地面積大大縮小，這一系統可以通過編程方式，在不同天氣條件下進行起降工作，發電量將達到了數兆瓦時。

2.地面發電式系留飛行器

飛行器在高空中按照特定軌跡運動，帶動系留繩進行發電。荷蘭Ampyx Power公司研發了用于高空風電的飛行器系統，此飛行器可以不需要人工支持，進行全天候自動發射、著陸和發電。此公司還研發了AP4、AP5飛行器，大幅提升了發電量。

二、關鍵技術分析

（一）飛行控制

在AWES處在漂浮或飛行狀態時，容易遇到紊流、突風等干擾因素，這就需要采用控制技術提高其穩定性。其一，要大力研究新飛行器的氣彈效應、耦合特性、控制機理等，將智能控制技術運用到復雜環境和問題下，創新控制理論和工程方法。其二，要大力研究容錯性、可靠性高的飛行控制系統，研究高實時診斷和故障檢測的方法，從多學科、大范圍角度優化算法。

（二）發電穩定性

與塔式風電相比，高空風電存在大量不穩定因素，如不僅要保持平衡還要保持做功狀態;風能會影響系留繩的傳遞動作、飛行軌跡會受高度變化影響。為提高系統穩定性、持續性，一方面要研發抗干擾能力強，適應各種天氣環境的系統，另一方面要研發整體性強的系統，確保各個部件相互影響、相互耦合。

（三）空氣動力學特性

與常規飛行器相比，AWES的做功結構不同，其雷諾數較小，主要受飛行速度影響。由于這一特點，若飛行器出現微小變化，容易給做功結的附面層造成分離現象，導致大量升力被消耗。為了減少雷諾數帶來的負面影響，科學家從飛行生物體中獲得了啟發，通過采用可變形翼、拍動翼，改善微型飛行器的飛行和氣動性能。

參考文獻：

[1] 俞增盛，吳俊.高空風力發電技術與產業前景綜述[J].上海節能，2017（7）：379-382.

[2] 劉耀廣，王耀坤，萬志強，等.系留懸浮式風力發電技術的研究進展與展望[J].航空工程進展，2021，12（4）：36-43.