01
隨著AI飛速迭代，幾乎所有的關(guān)注者都能明白電力會(huì)有多重要，所以從AI先鋒到芯片巨頭都在快速推進(jìn)可控核聚變的研發(fā)。但實(shí)際上也無需這么麻煩，還要冒著核失控的風(fēng)險(xiǎn)去賭一個(gè)未來電能，放放風(fēng)箏說不定就夠了。
最近有家初創(chuàng)企業(yè)北京臨一云川能源技術(shù)有限公司宣布完成數(shù)千萬元股權(quán)融資，要說做能源的初創(chuàng)企業(yè)每年都有幾家，并不稀奇，但這家公司吸引筆者注意的原因有兩點(diǎn)，一是兩位創(chuàng)始人頓天瑞和翁翰鈳今年都才26歲，背后已經(jīng)有了清華科研成果的支持；二是這家公司的主營(yíng)業(yè)務(wù)是國(guó)內(nèi)比較少見的高空風(fēng)力發(fā)電。
臨一云川S500型浮空風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)縮比樣機(jī)
根據(jù)估算，在9000米的高空中，有常年時(shí)速穩(wěn)定在160公里左右的高空急流，這部分風(fēng)能如果轉(zhuǎn)換成電能，可以滿足目前全人類電力需求的100倍。
當(dāng)然，9000米還是太高了，中間還有飛機(jī)等各種航天器，利用起來不方便。那就退一步，在500米以上的空中薅風(fēng)能也是可以的。距地面500米至10000米這一范圍內(nèi)的高空風(fēng)能，相比于目前豎立在海邊、高原、戈壁、遠(yuǎn)海的風(fēng)能發(fā)電項(xiàng)目來說，潛力是巨大的，這一點(diǎn)后文會(huì)詳述。
這類儲(chǔ)量豐裕、分布廣泛的可再生清潔能源，其實(shí)在上世紀(jì)70年代能源危機(jī)之時(shí)，就曾獲得過學(xué)界的關(guān)注，最早的高空風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)（airborne wind energy system，AWES）設(shè)計(jì)也在當(dāng)時(shí)不斷涌現(xiàn)。只不過隨著能源危機(jī)解除，AWES的研究也就放緩了，除了美國(guó)、荷蘭、意大利等發(fā)達(dá)國(guó)家外，堅(jiān)持進(jìn)行高空風(fēng)能發(fā)電試驗(yàn)的國(guó)家并不多。
但誰也沒想到“雙碳”目標(biāo)疊加AI的發(fā)展，讓全球能源需求，尤其是對(duì)可再生能源的需求呈現(xiàn)出不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)。高空風(fēng)電作為一種潛在的解決方案，值得我們?cè)俣葘徱暋?/p>
02
在細(xì)說發(fā)展高空風(fēng)電的優(yōu)勢(shì)之前，要先重復(fù)一個(gè)基本的概念：即越往高處走，風(fēng)速約快、風(fēng)能也就越高。這其實(shí)和氣象學(xué)有關(guān)。
在地形、地貌和人造建筑物的影響下，越靠近地面的風(fēng)越容易出現(xiàn)“風(fēng)切變”現(xiàn)象，這個(gè)現(xiàn)象不僅會(huì)影響飛機(jī)的安全起降，還會(huì)影響傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)的發(fā)電效率和穩(wěn)定性。
另外，還要記得一個(gè)公式：風(fēng)中的能量與風(fēng)速的三次方成正比，這意味著風(fēng)速增加1倍時(shí)，風(fēng)中的能量增加到8倍，三倍風(fēng)速則意味著高達(dá)27倍的能量。地面風(fēng)速通常在5-10m/s之間，那到了500米高度，風(fēng)速會(huì)有多大？答案是能穩(wěn)定達(dá)到每小時(shí)20-30m/s。
這也是為什么現(xiàn)在大家能看到的傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)，通常都會(huì)非常高大且非常的原因之一——為了薅到更優(yōu)質(zhì)的風(fēng)能。
重慶交通大學(xué)航空學(xué)院博士邵壘等人發(fā)表的論文提到，海拔高度每增加1m，風(fēng)能密度就會(huì)增加0.25-0.37W/m²（瓦每平方米）。當(dāng)高度為500m時(shí)，平均風(fēng)能密度約225W/m²，約為地面風(fēng) 能密度的兩倍；當(dāng)高度在1000m時(shí)，風(fēng)能密度能達(dá)到500W/m²，約為地面風(fēng)能的5倍。
高空風(fēng)電除了能獲得更優(yōu)的風(fēng)能資源，當(dāng)然還有設(shè)備成本上的優(yōu)勢(shì)——但這一點(diǎn)是理論上規(guī)模化后的優(yōu)勢(shì)，需要理性看待。
之前的文章中曾介紹過現(xiàn)在的風(fēng)機(jī)為了提高發(fā)電效率，葉片能超百米，不僅占地面積大、噪聲污染嚴(yán)重，建設(shè)成本和管理維護(hù)費(fèi)用都相對(duì)較高。而且，AWES所用的“風(fēng)機(jī)”都非常像大型風(fēng)箏，不需要傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)支撐發(fā)電機(jī)組的塔架，只需要幾根纜繩。
AWES表面上看都是地面有個(gè)基站，拉根纜繩把發(fā)電設(shè)備放到天上去，但按照依據(jù)風(fēng)能捕獲與能量轉(zhuǎn)化方式的不同，又可以分為兩種技術(shù)路線，同時(shí)兩種技術(shù)路線又代表著不同的“飛行設(shè)備”。
滑翔機(jī)屬硬質(zhì)系留飛行器，發(fā)電量較穩(wěn)定
一種是“空基高空風(fēng)力發(fā)電”，也就是利用可以自主飛行的滑翔機(jī)，將發(fā)電機(jī)懸掛于上，使其直接在高空中利用強(qiáng)大的風(fēng)力發(fā)電。也可以把滑翔機(jī)換成無人機(jī)、軟質(zhì)的充氣飛艇（或稱系留浮空器），機(jī)上的螺旋槳既是自己起降的動(dòng)力來源，又是捕獲風(fēng)能的發(fā)電渦輪，在高空直接發(fā)電；渦輪機(jī)產(chǎn)生的電力通過其中一根系繩傳輸?shù)降孛嬲荆缓髠魉偷轿㈦娋W(wǎng)。這一模式的好處是，只要飛行器穩(wěn)定那電力輸出就穩(wěn)定。
臨一云川第一代量產(chǎn)型號(hào)S500就是一艘長(zhǎng)23米、直徑15米的“充氣飛艇”。頓天瑞表示臨一云川已經(jīng)解決了浮空器氣體泄漏等問題，“駐空時(shí)長(zhǎng)能超過25年”。
據(jù)其官網(wǎng)描述，這臺(tái)設(shè)備包含飛行平臺(tái)、發(fā)電模塊、電力傳輸和系留線纜四部分，是目前世界首個(gè)功率能穩(wěn)定超過100kw、飛行高度超過500m、氣動(dòng)升力超過阻力的浮空高空發(fā)電系統(tǒng)。最關(guān)鍵的是，度電成本還不到3分錢。
在此之前，297米的升空高度和30kw的發(fā)電功率都是由美國(guó)麻省理工學(xué)院涵道式浮空風(fēng)力發(fā)電研究團(tuán)隊(duì)保持的。這個(gè)團(tuán)隊(duì)對(duì)外成立了一家能源公司Altaeros Energies，去年10月宣布獲得美國(guó)國(guó)土安全部和美國(guó)海關(guān)和邊境保護(hù)局 (CBP)的一份為期5年、價(jià)值9900萬美元的不定期交付合同，實(shí)際上也是美國(guó)政府對(duì)于高空發(fā)電初創(chuàng)企業(yè)的支持，軟銀等企業(yè)也在投資人之列。這對(duì)我國(guó)相關(guān)行業(yè)的發(fā)展也應(yīng)該有一定的啟發(fā)。
另一種技術(shù)路線是“陸基高空風(fēng)力發(fā)電”，這種模式是依靠地面的發(fā)電設(shè)備進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化，所以放在空中的就真是一個(gè)單純的大風(fēng)箏了，學(xué)術(shù)上也叫“系留風(fēng)箏式AWES技術(shù)”。
陸基高空風(fēng)力發(fā)電示意圖
具體來說，風(fēng)箏的一端通過纜繩系于地面，在它被放置高空，以一定的模式飛行時(shí)，就會(huì)帶動(dòng)纜繩牽引做功，使地面發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能；由于繩子總是有限的，飛到一定程度，地面發(fā)電機(jī)就要消耗一部分剛剛轉(zhuǎn)化的電能，把這個(gè)大風(fēng)箏收回來一點(diǎn)再放出。這就導(dǎo)致陸基發(fā)電的電量不穩(wěn)定，是有波峰和谷值的，所以需要配合使用鋰電池等儲(chǔ)能設(shè)備，把發(fā)電量拉平再輸送至大電網(wǎng)，這可以說是一個(gè)缺點(diǎn)。
值得一提的是，這種風(fēng)箏在天上也不會(huì)亂飛，而是根據(jù)設(shè)計(jì)以側(cè)風(fēng)的軌跡飛行。傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)發(fā)電效率最高的地方是葉片的尖端，側(cè)風(fēng)飛行的風(fēng)箏的發(fā)電效率，甚至能超過葉片巨大的傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)。
況且它還有個(gè)優(yōu)勢(shì)在于其簡(jiǎn)單性和低成本，適用于各種地理環(huán)境，荷蘭空中風(fēng)能系統(tǒng)先驅(qū) Kitepower主打的就是大風(fēng)箏路基高空發(fā)電，現(xiàn)在在德國(guó)政府補(bǔ)貼環(huán)境下已經(jīng)推出租賃模式，以推廣市場(chǎng)。
國(guó)內(nèi)目前兩種技術(shù)路線都在嘗試中，只不過高空風(fēng)電系統(tǒng)的空中飛行器、動(dòng)力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)看著簡(jiǎn)單，但也需要復(fù)雜的技術(shù)和工程。我國(guó)目前技術(shù)成熟度較低，導(dǎo)致初始投資和運(yùn)營(yíng)成本較高，仍需要更多的資金和時(shí)間來驗(yàn)證其經(jīng)濟(jì)可行性。
（來源壹零社）
