王若欽，嚴(yán)德，李柳青，萬志強，李道春

(北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，人們逐漸意識到傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機利用低空風(fēng)進(jìn)行發(fā)電的局限性，并開始對高空風(fēng)進(jìn)行研究。C.L.Archer等[1]初步評估了地球表面0.5～12 km高度風(fēng)的可用性；K.Marvel等[2]認(rèn)為從大氣中采集全世界實際需要的電力，不會對全球范圍內(nèi)的氣候產(chǎn)生明顯影響，因而高空風(fēng)能領(lǐng)域在未來有巨大的發(fā)展?jié)摿?。主流的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備受到塔架的高度及發(fā)電機葉輪直徑的限制，只能利用低空風(fēng)能，高空巨大的風(fēng)能資源尚未被有效地開發(fā)和利用，因此設(shè)計出高效可行的高空風(fēng)能利用方案，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，高空風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)(Airborne Wind Energy Systems，簡稱AWES)應(yīng)運而生。AWES的概念最早出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代，在近十余年中得到飛速發(fā)展，歐洲和美國已經(jīng)取得了一些代表性成果，中國在該領(lǐng)域的研究尚處于起步階段。AWES采用系留飛行器拖動地面發(fā)電機，或?qū)l(fā)電機和葉輪直接安裝在系留飛行器上的方式進(jìn)行發(fā)電。系留纜繩的長度較為靈活，因此可以有效收集不同高度的風(fēng)能。根據(jù)飛行器飛行原理的不同，AWES可分為切風(fēng)模式(Crosswind Mode)和非切風(fēng)模式兩大類。切風(fēng)模式要求飛行器按照給定軌跡在與地面接近垂直的平面內(nèi)飛行，飛行器相對地面速度較高，從相對風(fēng)中收集能量。而非切風(fēng)模式下，飛行器像風(fēng)箏一樣停留在空中，相對地面速度較低，從絕對風(fēng)中收集能量。Miles L.Loyd[3]證明了切風(fēng)模式下收集的能量比非切風(fēng)模式高2～3倍；M.Diehl[4]以A380作為發(fā)電平臺進(jìn)行估算，認(rèn)為其在切風(fēng)模式下發(fā)電功率可以高達(dá)34MW。因此切風(fēng)模式是提高發(fā)電能力和經(jīng)濟效益的關(guān)鍵所在。

由于切風(fēng)模式的發(fā)電能力較強，且涉及較多飛行器設(shè)計領(lǐng)域的難題，本文著重討論采用切風(fēng)模式的AWES，對其典型成果進(jìn)行梳理，并就一些關(guān)鍵技術(shù)問題展開探討，力圖深化國內(nèi)相關(guān)從業(yè)人員對AWES及切風(fēng)模式的認(rèn)識。

1 切風(fēng)模式

1980年，Miles L.Loyd[3]首次提出了利用切風(fēng)模式進(jìn)行發(fā)電的概念。采用該模式飛行的飛行器大多將發(fā)電葉輪直接布置在飛行器機體上，在飛行器與來流的相對速度下進(jìn)行發(fā)電。

切風(fēng)模式是指飛行器在系留纜繩的約束下，在下風(fēng)區(qū)沿圓周或“8字”軌跡進(jìn)行可控的無動力飛行。由于其飛行軌跡平面與風(fēng)向接近垂直，飛行器飛行時“切斷”了風(fēng)的流線，故命名為“切風(fēng)”。其飛行軌跡如圖1所示[5]。

圖1 Makani Power的驗證機切風(fēng)飛行圓周軌跡

從軌跡中取上升段某點進(jìn)行受力分析。假設(shè)此刻飛行器靜止，飛行器受風(fēng)的作用，產(chǎn)生升力L和阻力D，同時還受到纜繩拉力T以及重力G，如圖2所示。設(shè)x軸沿風(fēng)速方向，y軸豎直向上，將飛行器受力在x、y軸上進(jìn)行分解，可得

L=Tsinθ+G

(1)

D=Tcosθ

(2)

圖2 切分模式受力示意圖

將式(1)和式(2)聯(lián)立后發(fā)現(xiàn)，只要滿足L>Dtanθ+G，飛行器就能夠借助風(fēng)力上升或加速。當(dāng)纜繩較長時，飛行區(qū)處于下風(fēng)區(qū)較遠(yuǎn)位置，θ較小，只要飛行器升阻比較大，該條件很容易滿足。

當(dāng)飛行器處在軌跡上其他任意位置時，只需調(diào)整飛行器姿態(tài)角，均可達(dá)到圖2所示狀態(tài)，即在軌跡上各點都可以從風(fēng)中獲取能量，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電能。

在風(fēng)的加速作用下，飛行器上的來流速度v遠(yuǎn)大于風(fēng)速。由發(fā)電功率表達(dá)(式(3))可知：在空氣密度ρ和發(fā)電機迎風(fēng)面積A不變的情況下，隨著來流速度v的增大，發(fā)電功率大幅提高。

(3)

在非切風(fēng)模式下，飛行器地速較低，可假設(shè)來流速度v即為風(fēng)速Vw。而在切風(fēng)模式下，來流速度為風(fēng)速和飛行器地速的疊加，飛行器地速通常遠(yuǎn)大于風(fēng)速，則來流速度v大于風(fēng)速Vw。因此，在相同條件下，切風(fēng)模式相較于非切風(fēng)模式有更高的輸出功率。

2 切風(fēng)模式高空風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

AWES(后文中所提到的AWES均為采用切風(fēng)模式的AWES)通常包括地面系統(tǒng)和飛行器兩部分，地面系統(tǒng)通過至少一根纜繩與飛行器(多為滑翔機、經(jīng)特殊設(shè)計的大型風(fēng)箏等)連接。AWES分為陸基和空基兩類[6]。

2.1 陸基高空風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

陸基AWES的能量轉(zhuǎn)換過程在地面進(jìn)行，飛行器上的纜繩連接到地面發(fā)電機主軸傳遞牽引力。由飛行器在風(fēng)力作用下的爬升運動拉動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)從而產(chǎn)生電能，其飛行軌跡多為圓周軌跡或“8”字軌跡，如圖1和圖3所示[7]。

圖3 TU Delft的驗證機切風(fēng)飛行“8”字軌跡

非切風(fēng)模式下，飛行器在空中像風(fēng)箏一樣保持姿態(tài)不變；切風(fēng)模式下，飛行器的運動會產(chǎn)生更大的相對風(fēng)速，從而提升飛行器升力，增大作用在纜繩上的拉力，進(jìn)而拉動發(fā)電機產(chǎn)生更高的輸出功率。達(dá)到一定高度后，飛行器通過特殊操縱降低高度回到初始位置，纜繩重繞，進(jìn)入下一個循環(huán)。系統(tǒng)在發(fā)電過程中產(chǎn)生的能量必須大于在回收過程消耗的能量，才能有效地輸出電能，這需要借助對飛行器的精確控制實現(xiàn)。在飛行過程中，控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)纜繩的拉力、飛行器舵面偏轉(zhuǎn)角度或改變飛行器外形，控制飛行器的姿態(tài)及飛行軌跡，使得系統(tǒng)在整個飛行過程中的發(fā)電功率得到優(yōu)化[8-9]。

下文對陸基AWES中的一些典型成果進(jìn)行介紹。

(1) KiteGen

意大利的KiteGen是最先研究陸基高空風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的公司之一。該公司采用前緣為剛性的風(fēng)箏作為飛行器進(jìn)行發(fā)電，由連接在地面站的兩根纜繩進(jìn)行控制[10]，并專門研發(fā)了可承受更大拉力的特殊纜繩[11]。該公司在2006年成功研制出了第一代原型機[12]。該公司為大功率發(fā)電系統(tǒng)所研發(fā)的巨型風(fēng)箏如圖4所示[13]。

圖4 KiteGen的巨型風(fēng)箏

巨型風(fēng)箏的工作原理為：在起飛前，風(fēng)箏倒掛在地面支撐桿的頂端，借助風(fēng)力起飛，之后地面站通過控制連接在風(fēng)箏兩端的纜繩上張力，操縱風(fēng)箏沿“8”字航線爬升，同時纜繩在風(fēng)箏的拖動下，帶動地面絞盤旋轉(zhuǎn)從而帶動發(fā)電機進(jìn)行發(fā)電。為了最大程度地減少回收風(fēng)箏時需要消耗的能量，該公司使用了一種特殊的機動動作[14]：突然撤除一根纜繩的力，令風(fēng)箏迅速進(jìn)入失速狀態(tài)，此時以相同的速度迅速收回兩根纜繩，風(fēng)箏則會保持一側(cè)朝下的狀態(tài)飄落。該過程中消耗能量的功率可以由纜繩回收速度乘以風(fēng)箏阻力得到，僅占發(fā)電過程中發(fā)出能量的很小一部分。在纜繩收回到一定程度后，一個發(fā)電循環(huán)結(jié)束，另一個新的循環(huán)開始。

(2) Ampyx Power

荷蘭的Ampyx Power[15-16]是研制陸基AWES的機構(gòu)中第一個使用滑翔機作為飛行器的公司，也是少數(shù)幾家已經(jīng)實現(xiàn)起飛-發(fā)電-降落全過程自動化的公司之一。其飛機采用碳纖維機體和碳纖維梁，搭載先進(jìn)的自駕系統(tǒng)，滑翔機和地面站內(nèi)的絞盤之間由一根纜繩連接。起飛前飛機面向地面站停放在數(shù)十米外，起飛時絞盤迅速收繩拉動飛機移動，達(dá)到一定速度后升空。飛機的發(fā)電過程與前述風(fēng)箏類似，降落時則與滑翔機類似，在飛機上設(shè)計了攔阻裝置，降落到一定高度和一定位置時，會被地面回收裝置捕獲。2012年，該公司在AP1型驗證機上實現(xiàn)了平均6 kW、峰值15 kW的全自動穩(wěn)定發(fā)電過程，2015年在AP2型驗證機(如圖5所示[7])上實現(xiàn)了全自動起降，并對系統(tǒng)的實用性和經(jīng)濟性進(jìn)行了評估[17-18]。目前Ampyx Power正在最后一型驗證機(AP3)上進(jìn)行全自動起降及發(fā)電測試，2020年起將著手開展第一款商用型號AP4的試驗工作，其設(shè)計功率達(dá)到2 MW，并計劃在海上投入使用。

圖5 Ampyx Power的AP2驗證機

(3) SkySails Power

德國的SkySails Power是SkySails GmbH旗下的子公司，主要研發(fā)基于風(fēng)箏原理的風(fēng)力驅(qū)動系統(tǒng)，用于驅(qū)動貨輪[19],并在風(fēng)力驅(qū)動系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)上，研制陸基AWES。SkySails Power采用薄翼風(fēng)箏(也稱為沖壓空氣風(fēng)箏)作為飛行器進(jìn)行發(fā)電。該類風(fēng)箏由多個自前緣延伸至后緣的細(xì)長單元組成，這些單元在飛行時充氣膨脹以提供足夠的剛度。該類風(fēng)箏尺寸較大，且具有較高的氣動效率。風(fēng)箏由一根主纜繩牽引，主纜繩從地面延伸至風(fēng)箏下方吊掛的控制吊艙，經(jīng)過控制吊艙后分為多根，分別連接風(fēng)箏兩端，主纜繩內(nèi)部布置電線，從地面為控制吊艙供電?？刂频跖撏ㄟ^控制連接風(fēng)箏兩端的纜繩的長度，實現(xiàn)對風(fēng)箏的控制[20]。該公司為風(fēng)箏設(shè)計了獨特的起降裝置[21]，能夠?qū)⒄麄€風(fēng)箏儲存在其內(nèi)部。該裝置有一個伸縮式桅桿，桅桿頂部有一個鎖定裝置，能夠抓住、鎖定或釋放風(fēng)箏的前緣。當(dāng)系統(tǒng)不工作時，風(fēng)箏在存儲倉里被壓縮和放氣。在起飛前，桅桿垂直伸出，把未充氣的風(fēng)箏帶到大約離地面幾米高的地方，給風(fēng)箏充氣使其變成發(fā)電時的外形。風(fēng)箏直接借助風(fēng)力起飛，之后控制吊艙開始操縱風(fēng)箏沿“8”字航線切風(fēng)飛行，待爬升到一定高度后回收至作業(yè)高度起點，開始下一個循環(huán)。該系統(tǒng)回收時是采用高速絞車在不改變迎角的情況下直接將風(fēng)箏拖回，雖然耗能較多，但目前這種方式是更加實用的[22]。

(4) TU Delft

TU Delft的W.J.Ockels等是高空風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的先驅(qū)。他從1996年開始進(jìn)行理論研究，將其設(shè)計申請了專利[23]，并組建了團隊，將研究推進(jìn)到了原型機驗證階段[24]。

TU Delft從2010年開始對20 kW級別的發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行研制和測試。其使用的風(fēng)箏面積達(dá)到了25 m2，使用自動發(fā)射裝置，在2012年成功實現(xiàn)了全自動運行。與SkySail公司的系統(tǒng)類似，該風(fēng)箏采用單根主纜繩系留，空中控制吊艙配合多根操縱纜繩對風(fēng)箏進(jìn)行控制，不同在于TU Delft在回收階段需對迎角進(jìn)行控制[25]。目前，TU Delft正在研制面積為100 m2的全自動AWES，以及應(yīng)用范圍更廣的小型AWES系統(tǒng)[26]。

2.2 空基高空風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

空基AWES的能量轉(zhuǎn)換過程在空中進(jìn)行，該類系統(tǒng)通常將風(fēng)力發(fā)電機安裝在飛行器上(槳葉平面垂直于來流)，通過特定的操縱方式，可以使飛行器在風(fēng)和纜繩的共同作用下，沿一定軌跡(通常為圓形航線或“8”字航線)循環(huán)飛行。飛行過程中空氣來流推動葉輪轉(zhuǎn)動發(fā)電，電能通過纜繩傳送至地面系統(tǒng)。由于其飛行的連續(xù)性，除了在需要消耗能量的起飛和著陸期間不輸出電能外，可在飛行的過程中持續(xù)地產(chǎn)生電能。

1980年，Miles L.Loyd首次提出在風(fēng)箏上安裝風(fēng)力發(fā)電機進(jìn)行切風(fēng)飛行的構(gòu)想[3]，并申請了專利[27]。在Miles L.Loyd的構(gòu)想中，飛行器是滑翔機和多旋翼的組合體，由系留纜繩約束，在風(fēng)力和纜繩拉力的共同作用下，沿圓形軌跡做周期性往復(fù)運動。通過計算得出，這種模式比架設(shè)在地面的風(fēng)力發(fā)電機的能量轉(zhuǎn)換量高5倍。雖然簡化了纜繩的影響因而高估了AWES的發(fā)電能力，但其設(shè)計還是為后續(xù)研究指明了方向，目前，發(fā)展出的各類AWES一部分是由Miles L.Loyd的設(shè)計演變而來的。

下文對空基AWES中的一些典型成果進(jìn)行介紹。

(1) Makani Power

Makani Power[5]最忠實地延續(xù)了Miles L.Loyd的構(gòu)想，在Loyd方案的原理基礎(chǔ)上，研制出了全套發(fā)電系統(tǒng)。

1號驗證機采用類似滑翔機的單翼單發(fā)布局，通過特制的導(dǎo)電纜繩將飛行器與地面相連，從地面彈射豎直彈射起飛，在該驗證機上首次實現(xiàn)了持續(xù)穩(wěn)定的切風(fēng)飛行。2號驗證機在機翼兩側(cè)加裝了兩個小型風(fēng)力發(fā)電機，在切風(fēng)飛行中成功實現(xiàn)電能輸出。3號驗證機采用了雙工況發(fā)電機(在起降階段作為電機提供推力，在正常飛行時作為發(fā)電機發(fā)電)，實現(xiàn)了起飛、降落及切風(fēng)飛行間的轉(zhuǎn)換過程。

為了將前述功能進(jìn)行融合，該公司設(shè)計了 “Wing 7”，實現(xiàn)了多種風(fēng)力條件下的全自動起飛-發(fā)電-著陸過程，并研發(fā)了纜繩張力傳感器、經(jīng)氣動設(shè)計的系留纜繩以實現(xiàn)系統(tǒng)的運行[28-29]?！癢ing 7”翼展8 m，發(fā)電功率20 kW，左右機翼上共配備了4臺雙工況發(fā)電機。起降時間較短，因此雖然雙工況發(fā)電機作為電機使用時的效率較低，但實際能量損失并不大。起飛時，飛行器懸停脫離地面臺架，緩慢釋放纜繩，飛行器在風(fēng)力和電機推力作用下緩慢遠(yuǎn)離臺架并上升，待到達(dá)合適位置后，飛行器進(jìn)入圓形軌跡，隨著速度提升，機翼逐漸加載，螺旋槳逐漸卸載變?yōu)榘l(fā)電機，飛行器沿圓形軌跡進(jìn)行切風(fēng)飛行并發(fā)電。著陸時，在軌跡上升段進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換，發(fā)電機轉(zhuǎn)換為電機提供推力，飛行器進(jìn)入懸停狀態(tài)，緩慢收回纜繩，將飛行器拖回臺架。

目前Makani Power對28 m翼展、發(fā)電功率達(dá)到600 kW的商業(yè)級機型M600進(jìn)行測試(如圖6所示[7])。該飛機搭載8臺發(fā)電機，每臺配備5片槳葉，已于2016年12月成功進(jìn)行了首次試飛。

圖6 Makani Power的M600正在進(jìn)行懸停實驗

(2) Joby Energy

Joby Energy 成立于2008年，該公司的方案與Makani原理相似，最大的不同在于，其飛行平臺是一個飛行的桁架，桁架上的每根“桿”都是一段翼面，在桁架的每個節(jié)點上都可以布置發(fā)電機。該公司為其設(shè)計申請了專利[30-32]，并于2009～2010年對小型原理樣機進(jìn)行了試飛，自此之后便沒有公開新的研究進(jìn)展。該公司研發(fā)的小型驗證機如圖7所示[7]。

圖7 Joby Energy的小型驗證機

3 切風(fēng)模式風(fēng)力發(fā)電飛行器的關(guān)鍵問題

高空風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)擁有巨大的發(fā)電潛力，因而吸引了國內(nèi)大量科研人員及單位從事相關(guān)研究。郭井寬[33]研究了國內(nèi)高空風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域的專利分布情況，可以看出國內(nèi)的相關(guān)研究主要集中在非切風(fēng)模式AWES上，且尚處于起步階段。

對于切風(fēng)模式AWES的主要載體——切風(fēng)飛行器，北京航空航天大學(xué)飛行器創(chuàng)新研究團隊開展了部分研究。該團隊試制了常規(guī)布局，翼展2 m，單一電機的驗證機，如圖8所示。該驗證機采用了獨特的側(cè)向升力面設(shè)計，在航線頂端和底端補充部分升力，在保證能夠沿航跡飛行的基礎(chǔ)上，簡化了操縱和控制系統(tǒng)。該驗證機目前已經(jīng)進(jìn)行了圓形軌跡試飛，初步掌握了切風(fēng)飛行的飛行原理，下一步還將繼續(xù)推進(jìn)后續(xù)研究。

圖8 北京航空航天大學(xué)研制的小型驗證機

結(jié)合國際上的研究進(jìn)展和國內(nèi)的初步探索，提出國內(nèi)研究人員在后續(xù)研究中需要重點突破的關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 低阻輕質(zhì)系留纜繩技術(shù)

首先，需要關(guān)注的是纜繩的阻力問題。纜繩在空中隨飛行器一起運動會產(chǎn)生空氣阻力，運動速度越快，參與運動的繩長越長，阻力帶來的能量消耗也越多。降低纜繩的阻力可有效提升飛行器的飛行速度和高度[34]，為此有學(xué)者提出了“零纜繩阻力”的概念。P.R.Payne[35]提出了一種“跳舞飛機”構(gòu)型，從地面站伸出一根主纜繩，纜繩頂端分出兩根繩，分別連接兩個在同一圓形軌跡上分別做切風(fēng)飛行的飛行器，只有這兩架飛機和兩根較短纜繩處于運動狀態(tài)，而最長的主纜繩相對地面是靜止的，可大幅降低纜繩的阻力，但目前該方案還停留在理論階段[36]。第二種方案提出了一種“多纜繩”概念[37]，地面上有三臺發(fā)電機伸出三根纜繩，三根纜繩的頂端系在一起，再從交點繼續(xù)向上伸出一根纜繩，該纜繩頂端有一架飛行器做切風(fēng)飛行。在飛行器飛行過程中，只有頂端的纜繩隨飛行器一起運動，三根主纜繩不需要跟隨飛行器旋轉(zhuǎn)，只是張力呈周期性變化。上述兩種概念的目標(biāo)都是減少隨飛行器運動的纜繩的長度，從而減少纜繩的阻力。此外，還可以通過對纜繩的截面形狀進(jìn)行設(shè)計從而減小纜繩阻力。

其次，要關(guān)注的是纜繩的重量問題。飛行器飛行高度越高，則纜繩越長，重量也越大，因而纜繩重量是限制飛行高度的主要因素之一。對于空基AWES來說，纜繩還要承擔(dān)將機上產(chǎn)生的電能傳輸?shù)降孛娴娜蝿?wù)，增加纜繩導(dǎo)電功能會進(jìn)一步增大單位長度纜繩的重量。對于陸基AWES來說，纜繩如果內(nèi)部不導(dǎo)電，則可能在閃電產(chǎn)生的沖擊電場中產(chǎn)生電火花[38]，無法在雷雨天氣工作的，如果對纜繩進(jìn)行一些防靜電處理，也會進(jìn)一步增加纜繩重量。作為制約整個系統(tǒng)發(fā)電能力的關(guān)鍵因素，低阻輕質(zhì)纜繩技術(shù)這一難題還有待進(jìn)一步的研究與發(fā)展。

3.2 切風(fēng)飛行器精確動力學(xué)建模與控制技術(shù)

AWES的發(fā)電功率隨著飛行器升力系數(shù)的增大而增大[39]。因此，若能對飛行器姿態(tài)進(jìn)行精確實時控制，使飛行器根據(jù)飛行狀態(tài)對姿態(tài)進(jìn)行實時調(diào)整，維持升力系數(shù)最大，則可以使總體發(fā)電功率最大化。對于任意一個AWES系統(tǒng)，飛行器與地面設(shè)備通過纜繩連接在一起，若要實現(xiàn)對飛行器的精確實時自動控制，則需要將系統(tǒng)作為整體進(jìn)行分析。在進(jìn)行動力學(xué)建模時，不能把纜繩簡單的當(dāng)作直線進(jìn)行分析，要將纜繩的長度、重量、阻力、拉力及懸垂程度等因素考慮在內(nèi)，因而對于纜繩受力特性的分析非常復(fù)雜[40]；在研究控制方法時，需要將地面站里纜繩的收放作為一項控制量考慮在內(nèi)。

在起降階段，飛行器速度很低，其巨大的翼面對于風(fēng)場的變化非常敏感，而低速時氣動面操縱效果較差，尤其是對于需要采用特殊操縱進(jìn)行回收的大型風(fēng)箏，需要借助纜繩的快速收放實現(xiàn)對飛行器的操縱，因此，該階段是最難實現(xiàn)自動控制的階段。此外還需要對起降模式與切風(fēng)飛行間過渡狀態(tài)的控制方法，及控制系統(tǒng)在變化風(fēng)場中的魯棒性問題進(jìn)行研究。

3.3 多功能隨動基站設(shè)計與控制技術(shù)

集成了多種功能的地面基站是每一個AWES不可或缺的一部分，因而吸引了部分學(xué)者對其設(shè)計與控制中存在的技術(shù)問題開展研究[41]。由于纜繩的存在，地面基站至少要有一個可實時控制的絞盤，用來根據(jù)天氣情況和飛行情況自動收放纜繩，并參與對飛行器的控制。在飛行器飛行過程中，地面基站需要自動跟隨飛行器的位置旋轉(zhuǎn)，以保證纜繩在高頻收放時能夠較好地貼合絞盤，不會纏繞到絞盤之外。對于陸基AWES系統(tǒng)，絞盤要連接發(fā)電機，并且要具備主動收放纜繩和被動發(fā)電兩種狀態(tài)間的自動切換能力，由于功率輸出不連續(xù)，還需要在地面站中配備整流設(shè)備。對于空基AWES系統(tǒng)，需要用高壓電將飛行器上產(chǎn)生的電能傳輸?shù)降孛嬉詼p少損失，因此需要在基站內(nèi)集成變壓器及能量儲存裝置。對于采用圓周軌跡進(jìn)行飛行的系統(tǒng)，還需要采用特殊的設(shè)計來抵消飛行器沿同一方向持續(xù)飛行在纜繩上所造成的扭力。為了避免飛行器起降階段或在基站停放時與基站發(fā)生碰撞，不僅面要提升飛行器的控制精度，還要在基站上設(shè)計特殊的對接裝置和固定裝置。要保證集成上述諸多功能的地面基站的可靠性，對于研究人員是一個不小的挑戰(zhàn)。

3.4 切風(fēng)飛行綜合優(yōu)化技術(shù)

當(dāng)前關(guān)于AWES的研究主要圍繞整個系統(tǒng)的運行方式開展，多數(shù)研究單位使用了成熟的飛行器構(gòu)型，而忽視了飛行器設(shè)計本身能夠給系統(tǒng)帶來的發(fā)電功率的提升。若從飛行器設(shè)計的角度出發(fā)，進(jìn)一步細(xì)化分析飛行器的設(shè)計參數(shù)和性能與系統(tǒng)發(fā)電功率的關(guān)系，以提升系統(tǒng)發(fā)電功率為目標(biāo)，對飛行器進(jìn)行全新的設(shè)計和優(yōu)化，能夠使發(fā)電功率進(jìn)一步提升。

此外，還可以對系統(tǒng)的其他參數(shù)進(jìn)行綜合優(yōu)化。例如，對變化風(fēng)場中飛行器的飛行高度、航線大小以及飛行軌跡與地面的夾角等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以實現(xiàn)發(fā)電功率最高的總體飛行規(guī)劃。需要注意的是，優(yōu)化的結(jié)果很大程度上取決于初始條件，但初始條件通常有很大一部分基于假設(shè)。而對于AWES系統(tǒng)，纜繩阻力的微小變化可能導(dǎo)致優(yōu)化得到飛行高度相差近千米[42]。因此優(yōu)化設(shè)計通常需要對整個系統(tǒng)的精確分析(例如精確的動力學(xué)模型等)來支撐，而這一步目前難度較大，還需要研究人員的進(jìn)一步努力。

4 結(jié)束語

通過對切風(fēng)飛行原理的簡要分析及國際上典型切風(fēng)模式AWES的發(fā)展概述，可以看出目前切風(fēng)模式AWES發(fā)展尚不成熟，大部分項目尚處于實驗驗證階段，還有諸多問題亟待解決。

對系留纜繩進(jìn)行進(jìn)一步減阻和減重，可以減少全系統(tǒng)氣動阻力，提升飛行高度，一方面降低系統(tǒng)運行的能量損耗，另一方面可以觸及高空密度更大的風(fēng)能。切風(fēng)飛行器及纜繩等運動部件的受力情況較為復(fù)雜，受風(fēng)力影響大，相互之間還存在制約，若能更加精準(zhǔn)地對其進(jìn)行建模與控制，則有助于提升全系統(tǒng)的仿真與分析能力。地面基站集成了輸電、控制、隨動等復(fù)雜功能，其設(shè)計水平直接影響到整個系統(tǒng)的性能，目前還存在較大的優(yōu)化設(shè)計空間。對包括切風(fēng)飛行器優(yōu)化設(shè)計、考慮環(huán)境參數(shù)變化的飛行策略優(yōu)化設(shè)計等在內(nèi)的全系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，可進(jìn)一步實現(xiàn)發(fā)電功率的提升。

相信通過研究人員不懈努力，當(dāng)下切風(fēng)飛行器所面臨的問題必能夠得到解決，屆時高空風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展水平將邁上一個新的臺階。

[1] Archer C L, Caldeira K. Global assessment of high-altitude wind power[J]. Energies, 2009: 2(2): 307-319.

[2] Marvel K, Kravitz B, Caldeira K. Geophysical limits to global wind power[J]. Nature Climate Change, 2013, 3(2): 118-121.

[3] Miles L Loyd. Crosswind kite power(for large-scale wind power production)[J]. Journal of Energy, 1980, 4(3): 106-111.

[4] Diehl M. Airborne wind energy: basic concepts and physical foundations[C]∥U.Ahrens, M.Diehl, R.Schmehl. Airborne wind energy. Berlin: Springer, 2013: 3-22.

[5] Makani Power website.[EB/OL].[2017-10-19]. https:∥www.google.com/makani.

[6] Antonello Cherubini. Airborne wind energy systems: A review of the technologies[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2015, 51: 1461-1476.

[7] Roland Schmehl. Airborne Wind Energy Conference 2015[C]. The Netherlands: TU Delft, 2015.

[8] Williams P, Lansdorp B, Ockels W J. Optimal crosswind to wing and power generation with tethered kites[J]. Journal of Guidance, Control and Dynamics, 2008, 31(1): 81-93.

[9] Canale M, Fagiano L, Milanese M. KiteGen: a revolution in wind energy generation[J]. Energy, 2009, 34(3): 355-361.

[10] Ippolito M. System and process for automatically controlling the flight of power wing airfoils: US, 8152106B2[P]. 2012-04-10.

[11] Ippolito M. Tether for tropospheric aeolian generator: US, 8539746B2[P]. 2013-09-24.

[12] Canale M, Fagiano L, Ippolito M, et al. Control of tethered airfoils for a new class of wind energy generator[C]. USA: IEEE, 2006: 4020-4026.

[13] KiteGen Website.[EB/OL].[2017-10-19]. www.kitegen.com.

[14] Dunker S. Ram-air wing design considerations for airborne wind energy[C]∥Ahrens U, Diehl M, Schmehl R. Airborne wind energy. Berlin: Springer, 2013: 517-546.

[15] Ampyx Power website.[EB/OL].[2017-10-19]. http:∥www.ampyxpower.com.

[16] Sieberling S, Ruiterkamp R. The power plane an airborne wind energy system conceptual operations[C]∥11th AIAA ATIO conference, Virginia Beach: AIAA, 2011.

[17] Licitra G, Koenemann J, Horn G, et al. Viability assessment of a rigid wing airborne wind energy pumping system[C]. Strbske Pleso, Slovakia: IEEE, 2017: 452-458.

[18] Licitra G, Sieberling S, Engelen S, et al. Optimal control for minimizing power consumption during holding patterns for airborne wind energy pumping system[C]. Aalborg, Denmark: IEEE, 2016: 1574-1579.

[19] Erhard M, Strauch H. Control of towing kites for seagoing vessels[J]. IEEE Transaction on Control Systems Technology, 2013, 21(5): 1629-1640.

[20] Maass J, Erhard M. Software system architecture for control of tethered kites[C]∥Ahrens U, Diehl M, Schmehl R. Airborne wind energy, Berlin: Springer, 2013: 599-611.

[21] Wrage S, Brabeck S. Starting and recovering device for an aerodynamic profiled element, and aerodynamic profiled element. PCT Patent, WO2008019700[P]. 2008-02-21.

[22] Erhard M, Strauch H. Flight control of tethered kites in autonomous pumping cycles for airborne wind energy[J]. Control Engineering Practice, 2015, 40: 13-26.

[23] Ockels W J. Laddermill, a novel concept to exploit the energy in the airspace[J]. Aircraft Design, 2001, 4(2): 81-97.

[24] Kitepower website.[EB/OL].[2017-10-19]. https:∥kitepower.nl.

[25] Fechner U. A methodology for the design of kite-power control systems[D]. Delft: TU Delft, 2016.

[26] Fechner U, Schmehl R. Downscaling of airborne wind energy systems[J]. Journal of Physics: Conference Series, 2016, 753(10): 102002.

[27] Loyd M L. Wind driven apparatus for power generation: US, 4251040A[P]. 1981-02-17.

[28] Lind D V, Niekerk B V, Hardam C. Tethered system for power generation: US, 2010295303A1[P]. 2010-11-25.

[29] Griffith S, Lynn P, Montague D, et al. Faired tether for wind power generation systems: US, 20090289148A1[P]. 2009-11-26.

[30] Bevirt J. Tethered airborne power generation system with vertical take-off and landing capability: US, 2010283253A1[P]. 2010-11-11.

[31] Bevirt J, Peddie M. System and method for controlling a tethered flying craft using tether attachment point manipulation: US, 2011121570A1[P]. 2011-05-26.

[32] Bevirt J. Tethered sheaths and aerodynamic tether assemblies: US, 20110266395A1[P]. 2011-11-03.

[33] 郭井寬. 中國高空風(fēng)力發(fā)電專利分布研究[J]. 經(jīng)濟管理者, 2016, (19): 7-8.

Guo Jingkuan. Research on distribution of airborne-wind-energy patents in China[J]. Manager Journal, 2016, (19): 7-8.(in Chinese)

[34] Cherubini A. Kite dynamics and wind energy harvesting[D]. Milan, Italy: Politecnico di Milano, 2012.

[35] Payne P R. Self-erecting windmill: US, 3987987A[P]. 1976-10-26.

[36] Zanon M, Gros S, Andersson J, et al. Airborne wind energy based on dual airfoils[J]. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2013, 21(4): 1215-1222.

[37] Tigner B. Multi-tether cross-wind kite power: US, 80662 25B1[P]. 2011-11-29.

[38] Ji Y, He J. Analysis on lightning triggering possibility along transmission tethers of high altitude wind energy exploitation system[J]. Electric Power Systems Research, 2013, 94: 16-23.

[39] Lind D V. Analysis and flight test validation of high performance airborne wind turbines[C]∥Ahrens U, Diehl M, Schmehl R. Airborne wind energy. Berlin: Springer, 2013: 473-490.

[40] Argatov I, Rautakorpi P, Silvennoinen R. Apparent wind load effects on the tether of a kite power generator[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2011, 99(10): 1079-89.

[41] Prieto I G, Duran M J, Che H S, et al. Fault-tolerant operation of six-phase energy conversion systems with parallel machine-side converters[J]. IEEE Transaction on Power Electronics, 2016, 31(4): 3068-3079.

[42] Cherubini A. Kite dynamics and wind energy harvesting[D]. Milan: Politecnico di Milano, 2012.