到200米以上高空“采风”发电

　　毛里求斯，非洲东海岸的一个岛国，因为拥有白色的沙滩、美丽的风光，闻名世界。现如今，毛里求斯又因为一项超前的技术——高空风能发电，成为世界瞩目的焦点。一个个飘浮在海滩上的巨型“风筝”，在200米以上的高空跳跃运动，成功地将高空风能转化为电能，供居民使用，成为这个岛国另一道独特的风景。

　　2023年新年伊始的毛里求斯，气候温润，风光旖旎。据当地媒体报道，当世界各地的游客来到毛里求斯旅游，除了被白色的沙滩、蓝色的大海所吸引，还会对高空中的“大伞”产生好奇。当他们躺在沙滩椅上仰望天空时，会看到一个巨大的像滑翔伞或风筝冲浪者使用的8字形帆在空中飞翔，而这正是毛里求斯高空发电的“秘密武器”——机载风能设施。该设施由德国汉堡的SkySails Power公司提供。该公司也是世界上第一家提供商业机载风能发电的公司，其在毛里求斯开展的第一个机载风能商业化项目从2021年12月份试运行至今，成功实现了为当地居民家庭供电的构想。

　　虽然这种在高空利用“风筝”产生的电能仅占毛里求斯岛电力需求的极小部分，但这一试验却成功敲开了高空风能发电的大门，也为人类寻找新的可再生能源开辟了一条新的路径。(本版撰文 徐强)

　　科学家们憧憬着，未来，在300米甚至万米以上的高空，当一台直径100米的木马风筝把风能转化为50万千瓦的电能时，风电产业将发生巨变，持续、稳定、强劲的风能通过特有的设施转化为源源不断的电能，无穷电力从天而降，为人类所用。

　　“一边放着风筝，一边就能把电能收集起来”。这样的“好事”正在成为世界众多能源巨头争相追求的目标。

　　早在2014年时，高空风能项目就已经很有“名气”，在当年美国有线电视新闻网评出的可能改变世界的十大发明中，高空风能项目就位列其中。近年来，随着无人机技术及机载风能技术的快速发展，欧美等发达国家的资本源源不断投向高空风能发电。欧洲、美国更是涌现了一大批专门研发高空风电技术的公司，比如，德国的SkySails Power、意大利KiteGen、荷兰的Kitepower、挪威的Kitemill、美国的谷歌和NASA等，据不完全统计，目前全球已经有超过50家高空风能发电公司在从事高空风能发电的研究和商业化发展。

　　提起风力发电，人们首先会联想到低空风能发电：一排排的“大风车”竖立在广阔的原野上或海上，在风的作用下，这些“大风车”利用庞大的三叶型风机，将气流动能转换成机械能，再转化为电能，这也是目前世界上最常见通用和成熟的风力发电技术。

　　专家分析，利用风能发电，首先需要考虑项目所在地的风能密度，地面或海面上的风机利用低空的风能进行发电，虽然可以持续不断生成清洁能源，但受季节、气候、风力等因素的影响，低空风能发电存在风能密度低、干扰大、不稳定等不足。相比较而言，在200米至600米的高空，风能密度可以达到低空风能的十倍以上，如果进一步上升到万米高空，大气环流永远不会停息，风能密度可以达到百米空域的百倍，也就是说，越往高空发展，风能越大，发电的效果越好。

　　科学家估计，如果有300个发电风筝放置在200平方千米的高空中，组成一个“高空风车场”，就足以满足一个现代化城市的电力需求。去年斯坦福大学的一项研究表明，高空风能发电的潜力巨大，超过目前全球总用电需求的100倍。

　　由于高空风能有着风速大、分布广、稳定性高、常年不息的特点，在离地面300米以上的高空利用风能发电，正成为全球很多国家争相研究的方向和目标。

　　既然高空风能相比较低空风能有诸多的优势，那么如何将高空风能采集下来转化为电能，却是摆在研发者面前的一个难题。

　　在高空利用“风筝”发电的概念最早由美国科学家劳埃德于上世纪80年代提出，其内涵包括四个要点：气流、风筝、绳索、卷扬机；其原理是当“风筝”面垂直于气流时，其拉力拖动绳索驱动地面上的卷扬机做功发电；当“风筝”面平行于气流时，拉力最小，卷扬机倒转拉回风筝，由此“风筝”反复做功发电。此概念一提出，即出现了一个全新的可再生能源领域——机载风能，其目标是在距离地面较远的高空中捕获风能，获得这种风能的机器被称为机载风能系统。

　　目前，全球从事高空风电研发的大多数公司，试验项目多集中在300米至500米的空域，技术路径则分为两类，一类是“空中飞行，空中发电”，即利用氦气球等的升力作用，将发电机升到半空中，形成“空中浮动涡轮”，在高空中发电，然后通过电缆传到地面电网。比如，美国谷歌收购的风力发电企业Makani Power采用的是类似风筝式技术，看似飞机的风机上安装了多个螺旋桨，用一根电缆线与地面基站相连，放飞到200-600米高空时，风力带动螺旋桨运动发电，电力通过缆绳输送回地面。麻省理工学院研发的“空中浮动涡轮”系统也是属于“空中飞行，空中发电”类型，该系统采用新型飘浮式高空风力发电技术，其制造的风机看似带着3个翅膀的巨大圆筒形气球，利用里面的氦气上升到高空约300米处。在这气球里，同时安装了涡轮发电机，上升到合适高度后，风力带动涡轮发电，再通过电缆将电力输送回地面基站。

　　另一类是“空中飞行，地面发电”，即将发电机组固定在地面，通过巨型“风筝”在空中拉动地面发电机组发电。比如，意大利KiteGen科技公司将发电机置于地面上，将类似于胶囊气球的涡轮机放飞至300米空中，风力驱使涡轮机运动，从而带动地面发电机发电。

　　在高空中捕捉风力，进行高空风力发电，目前世界各大研发公司多数采用的是放“风筝”模式，即将机载风能系统放飞到高空进行发电。除此之外，为了获得高空高效的风能，还有些公司将无人机放飞到高空采集风能，进行高空风能发电。

　　据媒体报道，瑞士的Twingtec公司创造了一款名叫的 Twing的无人机，飞到空中在高空进行风力发电。Twingtec 的无人机系统，可以在高海拔的位置捕获强劲、稳定的风力，也可以在贴近地面的位置，捕获小风力。另外，美国NASA研发的高空风电飞机，也引领了无人机风力发电的潮流。

　　据介绍，瑞士的Twingtec公司无人机飞到空中，通过一根绳子连接到地面，这根绳子可以飞到300米的高空。更高的高度也就意味着更强的风力，300米的高度可以让无人机获得更强大的风力。当无人机达到它的工作高度时，发动机就会关闭。无人机会在高空按8字形舞的模式运动，或者自动上下运动，通过将无人机的机器能转化为电能，驱动发电机发电。一旦系绳到达其最大长度，无人机将在空中滑行重复这个过程。

　　瑞士Twingtec公司分析称，使用无人机发电，可以覆盖电网难以到达的区域，比如帮助一些孤岛地区来实现电力覆盖，这种发电方式也减少了对环境的污染。另外，由于无人机发电机动性比较好，可以为那些遭受自然灾害的地区提供电力。不仅如此，还可以利用无人机在海上进行风力发电。实现商业化之后，这种方式比现在海上风电的主流形式更便宜，因为它使用的材料更少。

　　美国NASA无人机风力发电专家表示，未来，无人机有很大的发电潜力，因为无人机可以飞得更高，而且无人机比风车要更自由一些，在其可自由活动的范围内，哪里风大就飞到哪里。

　　高空风能发电作为可再生能源的一条有效路径，目前已经在实验阶段取得突破，并进行了商业化的探索，比如德国公司SkySails Power在毛里求斯的商业化探索。另外，麻省理工学院研发的“空中浮动涡轮”系统被日本软件银行集团看中，在商业化运作过程中获得了融资支持。

　　高空风能发电未来前景可期，但其发展过程并非一帆风顺。有研究分析表明，尽管“风筝”的重量没有风力发电的塔基那么大，但它们的俯冲运动和它们发出的噪音可能仍然会造成环境影响。总部位于德国慕尼黑的风筝动力系统公司 Kitekraft 联合首席执行官兼首席技术官 Florian Bauer 在其发表的一篇论文中就提到，高空风能要成为一种广泛的电力来源，机载风能设施需要克服许多技术和商业障碍，它需要证明安全性，不会伤害野生动物，不会给邻居造成难以忍受的噪音和视觉干扰。

　　综合来看，目前高空风能项目面临的挑战有：工程技术实现方面的难点、商业制造方面的成本问题、自然环境方面的限制、安全风险，全球气候变化影响等多个方面。

　　专家认为，高空风能发电要从技术走向商业化，仍需要克服很多的障碍。比如，工程技术方面的难点。美国能源部去年曾向国会提交了一份报告，其中就认为风筝发电技术尚未成熟，“需要进一步发展才能在国家层面以有意义的规模部署。” 尤其是随着传统低空风力涡轮机产生的电力成本持续下降，这使得高空风电系统更难证明它们具有商业优势。此外，大量飞行器在空中可能会造成对地面的不良影响，如对鸟类造成干扰等，这些环境因素也是高空风能项目商业化进程中需克服的难题。同时，高空风能发电在一些地方涉及到空域管制，军方和航空方面是否愿意放开空中限制，也是障碍之一。

　　随着世界向净零排放目标迈进，风能的巨大作用越来越明显。国际能源协会预测，到2050年，风能将猛增11倍，风能和太阳能共同占全球电力需求的70%。

　　目前世界各国都在大力发展风能资源的开发技术，其占据首要地位的便是高空风能发电技术。高空风能作为未来人类发展所需的无限能源之一，其发展过程虽然挑战不断，但它是未来的发展方向。

　　全球风能理事会预测，高空风能是新一代的新能源技术，高空风能可在不同程度上消除现有新能源技术的缺点，且具有新的优点，它将部分代替目前巨额的传统风能市场，成为新能源领域的投资热点和发展方向。使用“风筝”发电，解决了可再生能源部署中常见的灵活性、可靠性和具有竞争力的成本的挑战问题。未来，高空风能还将会随着新浮空技术的不断开发成功，而在全球不断得到推广利用。

　　美国加利福尼亚州立大学的气象学家克里斯蒂娜·阿彻认为，利用高空风能进行发电将会成为确定无疑的事实，因为当前全球许多公司针对高空风能的利用技术投入了大量研发，其成果在不久的将来可打开高空风能的广阔市场。