一種新型風能發電裝置的可行性研究

黃張弛 禤贊宇

江門職業技術學院 廣東江門市 529000

1 研究概況

1.1 目的意義

風能作為一種綠色能源，很早就被人們利用，然而傳統的風力發電實現起來是有一定限制的，一是需要有特殊的地理位置，二是需要有常年比較穩定的風源。然而對于后者來講，近地表的風有不可控的因素，是相對難以穩定實現的，因此風力發電在所有發電方式中的占比還很低。

本次研究有鑒于此，認為可以脫離傳統角度，通過研究從其他領域獲取高質量風能的方法，來改善傳統風能獲取的不穩定和難持續的問題，使風力發電也能成為新型的發電主流。且研究發現，在近千米高空對流層處能獲得強勁而且穩定的風源，單位時間內產生的電能顯然要多于地面，而且其發電效率要遠遠高出傳統風機發電許多倍。因此利用高空風能發電可以解決傳統風力發電的許多制約，值得在這方面投入精力去研發新技術。

1.2 國內外概況

目前國內外均有一些企業對高空風能發電項目進行各自的研究，衍生出不同類型的高空風能發電方式，如無人機發電，氦氣風箏發電等，但在研發的道路上也遇到不少技術難題，還在不斷發展的階段。

鑒于在同一領域研究發展的相關機構并不多見，而且各自的項目方案均有很大的不同。因此，要找出更為合理的研究角度，將是該類型新能源領域在未來的發展方向。

1.3 市場預測和發展趨勢

在我國，隨著對高空風源的深入分析研究，通過預測，未來利用高空風能發電的成本可控制在每千瓦時0.15元以下，這是一個很可觀的經濟效益。相比德國，其再生能源的利用量占比也是年年攀升，甚至占據了總能源的50%以上。這些新能源利用率的例子也能體現出未來利用高空風能發電的趨勢，其必將會是再生能源的一個重要組成部分，而來自國內外企業的競爭也必然會逐步加劇。

2 研究開發內容、方法、技術路線

2.1 具體研究開發內容和重點解決的關鍵技術問題

本類型研究著眼于用新的方法利用高空急速對流風能來發電，因此我們主要探索兩個領域，包括：1）如何使用飛行器，使其在高空能利用急速對流風力來實現穩定的牽引爬升；2）如何利用新設備實現高質量的物理發電，并儲存利用，關鍵點是能保持發電的持續性；此外，該設備還需要兼顧飛行器的高空維持能力，使其不墜落，同時具備回收飛行器的能力。

要使新型風力飛行器與新式物理發電設備結合起來，我們需要重點解決以下關鍵技術問題：

一是發電設備可持續性的大量而且高效的物理發電問題。發電過程是靠引線帶動滾筒轉動來實現物理發電，然而受航空領域飛行高度限制，牽引線的長度必然是一個有限的量，如何在這個有限值的基礎上盡可能大的實現一次高效率發電，然后通過回收并重復放飛來實現循環發電，將是值得研究的課題。

二是飛行器牽引繩回收時的反向耗電問題。飛行器引繩回收的時候必然會消耗能量，加上飛行物回收時會遇到的風阻問題，在回收引繩的過程中如何能做到耗電量最小，將是一個需要解決的難題，否則將得不償失。

三是能高效且大量儲存電能的問題。發電機發出來的電若要方便存儲，從容易實現的角度考慮，應該轉變成直流電然后通過電瓶來貯存。但是如何能做到高效并且大量的貯存足夠的、有經濟效益的電能，而且是方便存放、運輸和使用，則是需要著重考慮的又一方面。

2.2 項目的特色和創新之處

該項目的創新性研究方向與傳統的利用風車的風能發電方式完全不同。我們的項目必須要從占地空間小和設備規模精簡等方面做出創新，并能實現持續性發電，而且獲得的電量可以更大。

我們知道傳統的風力發電只是在風力較大的地方建設大型風車，利用風力推動風車轉動從而使能量轉換成電能。然而這種傳統模式有局限點，不管是利用山風還是利用海洋風力，都會受到自然氣候環境所影響，風力往往不能持續，因此我們很多時候見到的風車是停轉的狀態。

而就目前的風力發電項目來看，必須指出，要獲得更多的電量一般有兩個途徑，一是增加發電機的數量，二是提升發電機的功率；前者受到土地面積的制約，而后者則使發電成本提高。有鑒于前者，我們常常看到風力發電往往呈集群式布局特征，一個風力發電站動輒幾十甚至幾百臺發電機，這將直接造成風力發電占地面積的不斷擴大，伴隨裝機擴容而來的就是土地侵占問題，這將可能掣肘風力發電的發展。而想要增加風機的功率，要實現在最小的面積上獲得最大的電力，就只能提高單位風機的發電量。因此，對風機的研發也呈現出一個明顯的趨勢，那就是個體風機功率越來越大，體積也越來越大。比如丹麥曾經造出了當時世界上最大的風機，每個葉片長達88.4米，風輪直徑180米，高達220米，而建造這么大的風機，顯然是很耗成本的。

而傳統風力發電往往只從這兩方面拓展的根本原因，與風的活動區域分不開。我們知道，在對流層內，越往高處，風力越大；而近地面的風存在很大的不穩定性。那么，為了獲取強勁而持續的風力，人們只好把風機越做大、越做越高，并且在數量上取勝。但是，當風機建造數量和風機功率大小到了一定程度之后，會產生一個成本和收益的拐點，需要十幾年甚至更長時間才能收回成本，顯然不是必然的發展方向，必須要從其他角度去研究來改善風力發電的效益問題。

我們的項目就從新的角度和高度去考慮，重新選擇風源，就是比山崗更高的高空對流層，那里的空氣對流度更活躍，而且更容易出現持續性氣流；借助飛行物（如滑翔設備或風箏等）利用高空氣流使其爬升的原理，通過牽引放飛，利用引線帶動卷揚發電設備就能進行發電。只要能解決高效和持續發電這兩大問題，則該項目就可以獲得很好的效益。

2.3 可達到的技術、經濟指標和社會、經濟效益

根據有關研究報告從宏觀角度上指出，高空中的急速氣流在任何時候所含的風能，均可超出近地表風能的1000多倍。而從我國大部分地區的平均高空急氣流的風力密度來考慮的話，該項目所需要的風力密度應不低于5千瓦/平方米。這是比較容易達到的一個指標，例如，在浙江、江蘇、山東等區域的高空急流風力密度甚至達到了30千瓦/平方米，為世界之最，而我們廣東的數據也在平均值以上。

在考慮高空急流區域的高度選取問題時，考慮到飛機除起降之外的最低安全飛行高度一般在海拔5000米到8000米之間（還屬于對流層的領域），而且本項目中飛行物的放飛地點一般選取在具有一定海拔高度的領域（一般在2000米）以下，因此我們所考慮的高空領域應該為3000米以下。

在飛行器的選擇上，由于該項目著眼于把設備往輕巧便利的方向研發，因此我們不選用滑翔機，而采用較為輕巧的風箏，翼展2米以內，以至放飛時能有足夠的牽引力拖動滾輪發電機發電。而風箏的牽引線長度也應該不大于3000米；為了使引線耐磨，我們選用韌度較高的碳纖維8股編織線作為引線。

對于物理發電機，該項目計劃使用傳統的卷揚滾筒發電機，并加以創新改造。為了輕便考慮，滾筒設計應使直徑小于20cm，因為滾筒周長越小，風箏在上升相同距離的情況下，滾筒轉過的圈數越多，發電量越大；滾筒長度設計在1米以內，方便風箏在運動過程中按軌跡游走。此外，滾筒除了負責滾動發電之外，還需要具備分析風箏所反饋回來的風力利用情況，進而適時地收放引線來調節牽引力，使風箏保持穩定上升，直到引線放至盡頭。而當引線放進的時候，發電機滾輪同時需要負責反向收回引線，以便繼續進行循環放飛；這時候需要耗費部分能量，要求所耗能量不應大于發電量的5%，因此風箏的翼展幅度要求可以變小，以便回收的時候能耗更小。

有關電量存儲問題，一般采用蓄水形式或改用直流蓄存。考慮到產業化經濟方面，本項目采用直流貯存的形式，在發電的同時轉變為直流電，存儲于大電瓶之中；而對于電瓶的選用，考慮鉛酸蓄電池或光合硅能蓄電池，在考慮環境溫度性能以及高海拔性能等因素的情況下，光合硅能蓄電池是更好的選擇；在該項目中，考慮多電源并舉的方式，要求光合硅能蓄電池的性能為12V65A（10HR），適用溫度為-40度至+70度，25度時的浮充電壓為13.5V～13.8V，均充電壓為14.5V～15.0V。另外，根據產業需求，可以為其相應的電瓶進行產業化產出，如蓄電池組，特制電池，甚至是充電寶電池組等，以直接給行業企業所用。

該項目所研究的這種創新性的發電方式，能極大程度節省發電成本，原因在于，相較于近地面風力的不穩定，高空上可以獲得強勁而且穩定的風源，是近地面風力的100倍，因此在單位時間內高空中所產生的電能顯然多于地面。若以傳統經濟效益推算，我們得出一個理想的經濟指標：這種形式的發電每小時產生1億瓦的電力，而每千瓦時的成本控制到0.15元，是目前該地區電費價格的三分之一。此外，這種利用高空風力的發電系統不需要建造巨大的高塔和旋轉葉片，從而可以大幅度的節省建設成本。

該項目不僅能促進風力利用的研究和發展，而且非常具有實用價值；具有易于制造加工，安全性好，運行成本低，容易維護，無噪音污染等明顯特點，可以廣泛普及推廣，適應我國節能減排的需求，大有市場前景。一旦將高空風力發電與光電發電、光熱發電有效結合在一起，我們就能盡最大程度滿足日益上升的全球電力消耗的需求。

2.4 采用的方法、技術路線以及工藝流程

在本次研究分析中，結合我們要實現的利用高空風源發電的模式，從結構角度出發，我們需要做出大量創新，在滾筒轉動發電的模型基礎上，采用雙饋型風力發電機來實現，然而在結構、大小以及效率上都需要有很大的變化。

隨著電力電子技術的發展，雙饋型感應發電 機（Double-Fed Induction Generator）在風能發電中的應用越來越廣。這種技術不過分依賴于蓄電池的容量，而是從勵磁系統入手，對勵磁電流加以適當的控制，從而達到輸出一個恒頻電能的目的。雙饋感應發電機在結構上類似于異步發電機，但在勵磁上雙饋發電機采用交流勵磁。我們利用一個脈振磁勢可以分解為兩個方向相反的旋轉磁勢，而三相繞組的適當安排可以使其中一個磁勢的效果消去，這樣一來就得到一個在空間旋轉的磁勢，這就相當于同步發電機中帶有直流勵磁的轉子。雙饋發電機的優勢就在于，交流勵磁的頻率是可調的，這就是說旋轉勵磁磁動勢的頻率可調。由于飛行器利用高空急流爬升過程中的上升速度不是一個恒定值，這樣當原動機的轉速不定時，適當調節勵磁電流的頻率，就可以滿足輸出恒頻電能的目的。由于目前電力電子元器件的容量已經變得越來越大，所以雙饋發電機組的勵磁系統調節能力也越來越強，這使得雙饋機的單機容量得以提高。雖然，部分理論還在完善當中，但是雙饋反應發電機的在本項目中應用的優勢尤為明顯。

此外，在選用飛行器的方式上，我們計劃采用帶有氦氣的且翼展可以變化的中小型風箏。當其上升時翼展完全打開，利用其表面垂直于氣流時產生的拉力最大原理，風箏通過繩索拉動滾筒裝置，通過變速箱拖動地面上的發電機機轉動做功發電。風箏上需要安裝一些傳感器，微型風力發電機和通訊平臺，地面上設置通訊接收器，通過計算機來調控風箏翼展的迎風角度、翼展姿態等。當風速過大時，適當減小風箏的迎風角度以減少受風面積，避免損壞風箏。另外，當風箏表面平行于氣流時，風箏的拉力最小，卷揚機適當回轉拉回風箏，直至繼續迎風爬升，以這樣的節奏放飛直至引線放盡。

當引線放盡時風箏就要回收到指定高度位置，這時候必然要消耗小部分能量。為了解決這個技術難題，有相關研究采用了所謂的雙風箏模式，利用另一只風箏的放飛爬升，反向帶動滾筒旋轉，再適當附加小部分能量，從而回收先前放飛出去的第一只風箏。這樣的做法好處是可以很大程度上降低所要附加的那一部分能量，但是要考慮的難點在于，雙風箏的兩條引線難以保證在高空上不纏繞。

因此，我們的項目采用單風箏模式，對于回收時如何使到能耗最少的問題，我們考慮從風箏本身結構出發，回收的時候翼展收縮到較小的范圍，只保持適當的翼展來維持適當的方向，同時控制翼展的迎風角度，使其盡量平行于氣流方向以阻力減小；另外，為了避免翼展收縮而伴隨而來的飛行物墜落問題，氦氣起到了很好的作用，這時候需要把風箏內部的氦氣適當減少，只保留預先計算得出的能維持自身重量平衡而懸浮的氦氣量，這樣對于降低滾筒回收引線所需要額外耗費的能量來說是非常理想的。當風箏順利回收后，繼續重復放飛，如此實現循環發電，就可以獲得大量的綠色電能。

項目設計路線及流程如圖1：

圖1 技術設計流程圖

3 總結與引申

本文分析研究新型綠色能源的獲取方法，具有環保、高效利用能源、促進環保行業發展等社會效益，且對環境沒有影響。此種方法所獲取的綠色能源可用于各類型供電場合，比如作為電網的接入補充，新能源汽車預充電電池的置換環節等。該方法在新能源的發展路上無疑是一種新型的增補力量，具有積極正面的發展意義。