用“风筝”发电，机载风能系统的优势与挑战

撰文 | Penn

编辑 | 郭郭

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碳中和领域的《新青年》

摘要：利用“风筝”发电。曾经被我们当作是孩童时期玩具的风筝，现在已被用来作为未来风力发电手段。2021 年12月，德国汉堡的SkySails Power公司，成为了世界上第一家提供商业机载风能的公司。其在毛里求斯开展了第一个机载风能商业化项目，在过去两个月里，这个系统发出的电力大约为100千瓦，足以为50户家庭供电。

图说：SkySails Power 位于德国克利克斯比尔的试验场的机载风力涡轮机

来源：AXEL HEIMKEN /GETTY IMAGES

寻找可再生、无污染的新型能源，与人类社会的未来发展息息相关。

国际能源协会预测，到 2050 年，风能将猛增 11 倍，风能和太阳能将占地球电力需求的 70% 。由于遍布世界各地的风力涡轮机数量不断增加，风电成本在过去十年中下降了约 40%。

但一些专家表示，这些大型风力涡轮机并不总是最好的解决方案——它们可能很昂贵，或者出于运维成本的考量，安装在偏远地区或深水区就很麻烦，而且无法到达风力最大的高处。

于是一些科创公司又瞄准了风力发电技术新的可能性：利用“风筝”发电。曾经被我们当作是孩童时期玩具的风筝，现在已被用来作为未来风力发电手段。

如今，一些风力发电公司就打算在离地几百米或更远的地方放一个大型风筝，利用那里的风来进行风力发电。

最近，如果你在毛里求斯，从白色沙滩仰望天空时，你可能会看到一个巨大的像滑翔伞或风筝冲浪者使用的8字型帆，大小相当于一套三居室的公寓。这可不是旅游景点，而是正在为这个东非海岸岛国发电的机载风能设施，这也是空中发电技术的最新进展。

2021 年12月，这家总部位于德国汉堡的SkySails Power公司，成为了世界上第一家提供商业机载风能（Airborne Wind Energy）的公司。它的生产模型包括一个面积达 180 平方米的柔软、可操纵的风筝，风筝通过 800 米长的绳索连接到装在运输容器中的地面站。该公司表示，在过去两个月里，这个系统的发出的电力大约为100千瓦，足以为50户家庭供电。当然，这只是该岛电力需求的极小部分，但SkySails公司希望，这个技术是未来的一个发展方向。

这款可发电的“风筝”长什么样？相比起传统的“发电风机”它又有什么特别之处？

01

机载风能的工作原理是什么？

“风筝发电”的概念最早由美国科学家劳埃德于1980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。

图说：风筝发电原理

来源：网络

自此之后，出现了一个全新的可再生能源领域-机载风能（AWE），AWE 的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可以称为机载风能系统（AWES）。根据所采用飞行器机翼的类型，AWES 可分为柔性翼风筝、刚性无人机翼。如图所示，高空风能风筝有两种基本的发电方式。“泵送发电（Pumping Power）”是利用风筝的牵引运动，使地面的枢轴旋转，为发电机提供动力（发电阶段）；当绳索放完时，风筝将被收回并重新开始（此过程中使用少量的电）。“机载发电（Onboard Power）”则是由安装在风筝上的涡轮机来发电，机载发电使用刚性风筝，类似于飞机机翼，支持小型风力涡轮机。当风筝放飞时，风力驱动涡轮机，飞行器产生的电力通过系绳传送到地面站。

图说：高空风能风筝的两种基本的发电方式

来源：[4]

02

SkySails Power机载风能系统及其组成

与传统的机载风能系统类似，SkySails Power系统的能量转换通过两个阶段的运动循环实现，该循环由一个产生电能的发电阶段和一个消耗较少能量的回收阶段组成。系统中，牵引风筝的绳索缠绕在绞车上，而绞车又连接到电动发电机的轴上。

在发电阶段，风驱动自动控制的动力风筝以八字形升起，在绳索上产生牵引力，从而带动绞盘内的发电机旋转。在发电阶段最常用的飞行模式是具有圆形或八字形路径的侧风飞行。

在回收阶段，一旦系绳达到其最大延伸，自动驾驶仪将风筝引导到中立位置，阻力和升力最小。电动机将绳索收回，使飞机回到原来的位置。系统不断重复这个过程，使风筝在 200 到 400 米的高度飞行。

风筝动力循环背后的概念被称为“悠悠球原理”。机载风能系统产生的能量可以馈入电网、存储在电池中或直接消耗。动力风筝可以降落进行维护或在预报的极端天气之前降落。为了达到正平衡，通过控制系统调整风筝的气动特性或控制其风筝路径使得在发电阶段产生的能量最大化以及在回收阶段消耗的能量最小化。

图说：SkySails Power机载风能系统发电示意图

来源：SkySails Power

SkySails Power机载风能系统由以下部分组成：

1/

风筝

冲压空气风筝由高性能纺织品制成，具有增强的防撕裂编织。进气口和空气制动器允许在启动、运行和着陆期间改变改变空气动力学外形。转向线将风筝的顶篷连接到下方的控制吊舱。顶篷内的线路系统可以将其收起，以便储存。

2/

控制舱

包含自动控制系统，该系统通过操纵转向线和空气制动器来操纵动力风筝。它由冲压空气涡轮机提供动力。

3/

系绳

是控制吊舱和地面站内绞盘之间的连接。它由 HMPE 制成，专为对安全性要求高的应用(例如起重机和升降机)而开发。

4/

地面站

标准集装箱内装有地面站，便于运输和安装。

5/

发射和着陆桅杆

可靠和灵活的发射和着陆系统来安全地发射和着陆动力风筝。桅杆可以降低以完全安装或卸下。

6/

传动系统

由绞盘、齿轮箱和发电机组成。它将将系绳的拉力和速度转换成电能。

7/

带环形支架的三脚架

偏航系统可以纠正地面站与风向的对准。

图说：SkySails Power机载风能系统的主要组成部分

来源：SkySails Power

03

SkySails Power机载风能系统的优势

SkySails Power 的机载风能系统通过使用风筝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。其具有以下优势：

更强劲的风力，空气可以在更高的高度不受限制地移动，而地表附近的摩擦降低了靠近地面的风速。在同一位置和时间，高空风力速度可能会快两倍甚至三倍。这将会大大增加发电的量，因为风力计算为其速度的立方。当风速翻倍时，功率增加 2³ = 8，当风速增加三倍时，其风力增加 3 3= 27 次！这一特点和额外的优势使空中风能在实现全球能源转型中如此重要。

更少的成本和碳足迹，机载风能系统不需要像传统涡轮机那样的大型钢结构。相反，他们依赖轻质织物和超耐用的纤维，生产所需的资源要少得多。它们降低了总体成本并最大限度地减少了碳足迹。Airborne Wind Europe的一项研究发现，一个 50 兆瓦的风筝电场在 20 年的使用寿命中将使用 913 公吨材料，而典型的风塔电场则为 2,868 公吨。使用更少的材料可以使基于风筝的系统更环保、更便宜。

更高的产量，高空风比靠近地面流动的空气更加稳定和可靠。机载风能系统始终将自己引导到当前提供最可靠和稳定气流的高度。这导致在满负荷下运行更多小时，并额外增加整体产量。

更低的低环境影响，纤巧轻巧的设计在景观中不太明显，并减少了阴影投射。对生态的影响最小，并提高了公众的接受度。

极其灵活，紧凑的设计和易于安装使其可以部署在各种应用和难以进入的区域——包括偏远陆地地区或深水区。在深水区，因为风筝的体积较小，他们可以使用更轻、更便宜的驳船。

图说：位于德国克利克斯比尔的 Skysails 机载风力涡轮机

来源：SkySails Power

04

机载风能系统的挑战

“制造成本更低，运输成本更低，而且效率更高，碳足迹也小得多。”总部位于慕尼黑的风筝动力系统公司 Kitekraft 的联合首席执行官兼首席技术官 Florian Bauer 说，” “如果你拥有所有这些优势，为什么会有人建造传统的风力涡轮机？”

但是，正如 Bauer 及其同事在即将发表的 2022 年控制、机器人和自主系统年度回顾中的一篇论文中所描述的那样，要成为一种广泛的电力来源，机载风能需要克服许多技术和商业障碍. 它需要证明它是安全的，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。

首先，机载风能系统的优势是以复杂性为代价的。为了使机载风能系统在经济上有意义，它们需要长时间运行，并且很少或没有人工监督。北卡罗来纳州立大学可再生能源和能源效率控制与优化实验室主任、风筝发电技术公司 Windlift 的顾问 Chris Vermillion 表示，这提出了一个棘手的计算机控制问题。

在实际运行过程中，风筝不只是被动地漂浮在空中。相反，他们使用风筝的空气动力学来飞行“侧风”模式，有点像一艘在风中来回航行的船。在“侧风”模式下，既可以用更大的力量拉动系绳以进行地面发电，也可以转化为更大的空气流动速度以更快地驱动机载涡轮机。但这种棘手的操作需要飞行员或计算机不断调整和控制风筝。对此，Vermillion 表示：“当风保持稳定时，它们往往工作得很好。但要成为主流，风筝必须能够可靠地应对突然和不可预测的变化，例如强风。它们还需要能够自动起飞和降落，这样它们就可以在恶劣的天气下下来，在风向合适的时候上升。此外，需要做更多的工作才能将设备的使用寿命提高到数年和数十年的水平，而不是持续数天和数周的演示。”

其次，商业化的过程中还需要考虑规模的问题。较小的风筝制作成本更低，也更容易开发，但由于系绳的重量和阻力随着高度的增加而增加，小型风筝在300米或更高的地方运行不佳，但是那里的风往往是最强的。因此，许多公司希望扩大规模，制造更大、更高效的风筝，使其飞得更高，能够产生兆瓦级别的电力。当然，这一过程伴随着成本和风险的提高。

此外，最后一个挑战将是确保该技术具有可接受的社会和环境成本。有研究分析表明，尽管风筝的重量没有塔那么大，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。此外报告还称，目前还不清楚风筝会对鸟类产生什么影响。同样，倡导者认为它们对鸟类来说可能比风力涡轮机更安全，因为风筝比鸟类通常飞得更高。然而，系绳本身移动得很快，也很难被看到，鸟类可能很难避开它们。

图说：Kitepower 机载风力系统的 8 字形飞行模式

来源：Kitepower

05

未来发展

自Kite Power Solutions2017年3月在苏格兰东南部沿海的斯特兰拉尔（Stranraer）投建英国第一座非实验性、消费层级的风筝发电站以来，机载风能系统已经取得了飞速的发展。这包括总部位于荷兰的初创公司 Kitepower，其已在加勒比地区成功部署其 Falcon 100kW 机载风能系统。以及总部位于挪威的Kitemill，它的目标是制造兆瓦级系统。RWE 则在爱尔兰建立了机载风力测试中心，与荷兰公司 Ampyx Power 合作进行150兆瓦机载风能系统的测试。SkySails 的首席技术官 Stephan Brabeck 表示，该团队花了大约 7 年的时间来完善飞行软件，特别是让机翼能够安全地自主着陆和发射。Brabeck 说，他们现在已经制造和销售了 5 个项目，其中毛里求斯是第一个启动并运行的项目。

图说：Makani M600风筝发电系统

来源：Makani & AWEC 2019

但是不可否认，机载风能系统的发展过程中也并不是一帆风顺，其距离大规模商业化还有很长的路要走。一家名为 Makani 的公司的命运则是一个警示故事。

2020 年 2 月 19 日，Google 母公司 Alphabet 决定放弃风筝发电项目 Makani。在此之前，Makani 曾一度被认为是极具潜力的项目。2006 年成立的 Manika 公司于 2013 年被 Google 收购并入 X 实验室。这个项目致力于开发可以附着到浮标上的机载风力旋涡机，浮标一般高出水面 1000 英尺（约 300 米），机载风力旋涡机绕着浮标自行飞行转圈，产生的电力通过缆绳输送，远远看上去就像一只“风筝”。在过去的 7 年中，Makani 项目确实取得了一些成绩。2019 年 8 月，Makani 的“风筝”首次在挪威沿海地区“试飞”；除此之外，Makani 还将产生 20kW 功率的“风筝”演示装置优化成一种更加实用的模型，从而能够产生 600kW 功率。

然而，从长远角度来看，Makani 无法承担起 Alphabet 的期望。Google X 实验室负责人 Astro Teller解释道：“在考虑了许多因素之后，我们认为这个项目通往商业可行性的道路比我们预想的更漫长，需要承担的风险也更大，因此 Makani 对 Alphabet 公司不再有意义。”Makani 首席执行官 Fort Felker 也表示，该公司有意快速推进，大幅增加风筝的尺寸，但通常没有解决以前的技术问题。

美国能源部 2021 年向国会提交的一份报告得出结论认为，该想法具有很大潜力，机载系统可能能够收集与美国地面风能系统相同数量级的能量，但他们补充说，该技术已经要成为国家能源解决方案的重要组成部分，还有很长的路要走。报告中发出了如下警告，称风筝发电“是一种不成熟且未经证实的技术，需要进一步发展才能在国家层面以有意义的规模部署。” 报告称，传统风力涡轮机产生的电力成本也在持续下降，这使得风筝发电系统更难证明它们具有优势。

2019 年成立的行业协会Airborne Wind Europe的董事会成员、米兰理工大学工程师 Lorenzo Fagiano 则表示，“机载风能系统现在已经有了第一批商业试点产品，在偏远地区，其成本已经相当具有竞争力。同时，如果机载风能系统开始大规模生产，毫无疑问它们将产生负担得起的能源。但问题是我们能否实现大规模生产。”

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参考资料：

[1]https://e360.yale.edu/features/after-a-shaky-start-airborne-wind-energy-is-slowly-taking-off

[2]I.Bastigkeit，Study on wind resources at mid-altitude[J].Abstract submitted to the Airborne Wind Energy Conference，TU Delft; 2015.

[3]Cherubini A，Papini A，Vertechy R，et al.Airborne Wind Energy Systems：A review of the technologies[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2015，51：1461-1476.

[4]https://www.thedailybeast.com/electricity-generated-by-kites-are-becoming-the-latest-big-innovation-in-wind-power?ref=author

[5]沈婉慧子.机载风能系统动力学建模[J].科技创新与应用,2020(20):40-41.

[6]https://skysails-power.com/

[7]https://airbornewindeurope.org/

[8]https://op.europa.eu/en/publication-detail/-/publication/a874f843-c137-11e8-9893-01aa75ed71a1/language-en

[9]https://www.world-energy.org/article/24532.html

[10]https://www.world-energy.org/article/17796.html

[11]https://www.annualreviews.org/doi/pdf/10.1146/annurev-control-042820-124658

[12]https://x.company/projects/makani/

END

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