劉耀廣，王耀坤，萬志強，嚴德

（北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京100191）

0 引 言

清潔能源的開發(fā)已成為各國的研究重點，而風(fēng)能作為一種無污染、可再生、成本低、相對安全、方便采集的新能源有著巨大的發(fā)展?jié)摿?，近十年全球風(fēng)力發(fā)電規(guī)模保持快速穩(wěn)定的增長趨勢。我國自2005年頒布《可再生能源法》以來，已形成上網(wǎng)電價、研發(fā)補貼、稅收優(yōu)惠等多種鼓勵政策，形成良好的發(fā)展環(huán)境?，F(xiàn)如今中國已成為全球規(guī)模最大、增長最快的風(fēng)電市場。因此作為我國第三大電力能源的風(fēng)力發(fā)電仍然具備強有力的發(fā)展勢頭。

目前開發(fā)風(fēng)能的主要方式是低空架設(shè)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，其本身存在局限性：（1）主要利用200 m以下的低空風(fēng)能，風(fēng)速較低且通常是湍流，風(fēng)力發(fā)電容量系數(shù)（風(fēng)力機年平均輸出功率與其額定輸出功率的比值）一般低于35%；（2）基建與安裝復(fù)雜，成本昂貴，與高度的5次方成正比；（3）只能固定安裝在常年風(fēng)場條件較佳的地區(qū)，部署受限。因此，低空架設(shè)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備無法依靠傳統(tǒng)形式獲得高產(chǎn)能、低成本的電力資源。

500~12 000 m的高空范圍內(nèi)蘊含豐富的風(fēng)能資源，足以滿足全世界的能源需求。為此在20世紀70年代誕生一種利用系留飛行器進行高空風(fēng)能發(fā)電的設(shè)計概念，但早期受制于技術(shù)難度大、成本投入高等問題，高空風(fēng)力發(fā)電優(yōu)勢不明顯，研究不多。近幾年得益于航空材料、飛行控制、空氣動力學(xué)等航空技術(shù)的深入研究，以及對清潔可再生能源的重視，已有包括Makani、KiteGen等50多家高空風(fēng)電機構(gòu)利用系留式的固定翼、風(fēng)箏、多旋翼、浮空器等航空器進行試驗研究。其應(yīng)用優(yōu)勢主要體現(xiàn)以下3點：（1）高空強勁的風(fēng)場使風(fēng)力發(fā)電容量系數(shù)達70%以上；（2）降低土地需求和建設(shè)成本；（3）可移動部署，應(yīng)用場景多樣化。預(yù)計未來高空風(fēng)力發(fā)電將迎來新一輪發(fā)展契機。

高空風(fēng)力發(fā)電技術(shù)形式繁多，導(dǎo)致現(xiàn)有研究類型劃分和研究重點各不相同。王若欽等根據(jù)飛行原理的不同，將高空風(fēng)力發(fā)電分為切風(fēng)模式和非切風(fēng)模式，并對切風(fēng)模式的特點與挑戰(zhàn)進行了論述；M.Barnard根據(jù)飛行狀態(tài)的不同，將其分為切風(fēng)飛行和靜態(tài)飛行；高金蘭等則主要根據(jù)飛行平臺的結(jié)構(gòu)形式和發(fā)電方式將切風(fēng)飛行的風(fēng)力發(fā)電飛行平臺劃分為不同種類。而本文所述的系留懸浮式風(fēng)力發(fā)電是指飛行平臺通過纜繩系留地面，并以非切風(fēng)的方式飛行，相對靜止或單純的上下浮動，整體速度較低。該形式控制簡單、飛行安全可靠、功率輸出相對平穩(wěn)，具有顯著的發(fā)展優(yōu)勢。

本文通過分析系留懸浮式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的組成和發(fā)展現(xiàn)狀，梳理系留懸浮式風(fēng)力發(fā)電的主要技術(shù)類型和特點，歸納并展望未來需要進一步探索的關(guān)鍵技術(shù)。

1 系留懸浮式風(fēng)力發(fā)電的一般系統(tǒng)組成與發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 系留懸浮式風(fēng)力發(fā)電的一般系統(tǒng)組成

系留懸浮式風(fēng)力發(fā)電平臺主要由飛行平臺、系留纜繩、發(fā)電機、地面基站四部分組成。

（1）飛行平臺的主要作用是提供維持留空的升力，包括浮升力或氣動升力以維持空中懸浮，部分也提供姿態(tài)調(diào)整的氣動控制力，并搭載發(fā)電機等設(shè)備捕獲風(fēng)能。

（2）系留纜繩連接飛行平臺和地面基站，將飛行平臺束縛在一定的高度區(qū)域內(nèi)運行，也可具備電力傳輸?shù)墓δ堋?/p>

（3）發(fā)電機主要作用是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，但為滿足提供氣動升力的需求，也存在發(fā)/用電狀態(tài)的電動發(fā)電機。根據(jù)發(fā)電機位置不同，可以分為空基和陸基兩種，即發(fā)電機安裝在飛行平臺上或發(fā)電機置于地面?？栈呖诊L(fēng)電與傳統(tǒng)風(fēng)電模式類似，利用氣流吹過葉片平面帶動發(fā)電機發(fā)電；陸基高空風(fēng)電則主要通過飛行平臺以某種飛行方式帶動纜繩往復(fù)牽引地面發(fā)電機轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生電能。

（4）地面基站主要控制纜繩的長度，同時使發(fā)電機輸出電力可利用，實現(xiàn)電力儲存或并網(wǎng)。

1.2 系留懸浮式風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)外對系留懸浮式風(fēng)力發(fā)電研究較多，且技術(shù)形式多樣，不同之處主要體現(xiàn)在飛行平臺飛行原理和發(fā)電方式，技術(shù)形式各有優(yōu)勢。目前筒形浮空風(fēng)力發(fā)電、基于馬格努斯效應(yīng)的浮空風(fēng)力發(fā)電、高空多旋翼風(fēng)力發(fā)電以及傘梯組合式風(fēng)力發(fā)電均有所突破，下面對國內(nèi)外這四種類型進行詳細闡述與分析。

（1）筒形浮空風(fēng)力發(fā)電

飛行平臺外形類似筒形氣囊，飛行原理與浮空飛行器相似，依靠筒形氣囊內(nèi)氦氣的浮升力升空，筒形中間為變截面的氣流通道，通道中央的風(fēng)力發(fā)電機迎風(fēng)發(fā)電，通過飛行平臺的系留纜繩將電能傳輸至地面。這種形式的好處是風(fēng)能提取有超越貝茨極限（貝茨極限是指風(fēng)力發(fā)電機在理想條件下，將自由氣流動能最大程度轉(zhuǎn)化為風(fēng)輪輸出功率的比例為59.3%）的可能，現(xiàn)實中常規(guī)風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)力利用系數(shù)無法達到這一數(shù)值，而筒形浮空風(fēng)力發(fā)電利用先收縮后擴張的變截面氣流通道，提高葉輪前的氣流速度，即

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，發(fā)電機轉(zhuǎn)盤平面上的氣流功率超過環(huán)境自由流中的氣流功率，在一定程度上能使功率系數(shù)超過貝茨極限。氣流通道形狀如圖1所示。

圖1 氣流通道形狀［12］Fig.1 Shape of airflow channel［12］

該技術(shù)形式以美國Altaeros Energies公司研制 的Buoyant Airborne Turbine（BAT）為 代 表 ，BAT運行高度最高達600 m以上，最大可承受44.7 m/s的風(fēng)速，可自主起飛或降落，能夠自動調(diào)整引導(dǎo)平臺進入強風(fēng)高度，并且在大風(fēng)或強降雨等惡劣的天氣時，能夠自主?？康孛嬲军c，待條件允許后繼續(xù)升空發(fā)電。BAT試驗機如圖2所示。

圖2 BAT試驗機［13］Fig.2 Test generator of BAT［13］

這種技術(shù)類型由于依靠浮升力升空，無需通過消耗額外能源克服飛行平臺重力，使其可以最大限度將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能；對風(fēng)場條件要求較低，易實現(xiàn)自動起飛降落；工作狀態(tài)相對穩(wěn)定安全，且容易運輸部署。這些特點更適合在風(fēng)場條件不佳或不穩(wěn)定區(qū)域發(fā)揮作用，比如災(zāi)區(qū)或者軍事基地等地區(qū)的臨時緊急供電。多股系留纜繩不僅控制飛行平臺整體運行高度，其纜繩間的差動控制也可調(diào)整飛行平臺姿態(tài)，因此姿態(tài)控制方式簡單。但是由于無法保證氣囊完全密閉，氦氣等輕質(zhì)氣體存在泄漏，需要定期補充，增加額外的運營成本；且受制于浮空氣囊龐大的體積、重量受限和結(jié)構(gòu)剛度等問題，工作高度難以提升，發(fā)電功率規(guī)模也難以做大。

（2）基于馬格努斯效應(yīng)的浮空風(fēng)力發(fā)電

該類型飛行平臺主體近似橢球形浮空器，運行時橢球軸線與地面平行同時垂直氣流方向，內(nèi)部氦氣提供浮升力；囊體外安裝有氣流葉片，兩端設(shè)有發(fā)電機，再通過系留纜繩連接地面，氣流經(jīng)過表面葉片時提供旋轉(zhuǎn)扭矩，氣囊整體繞軸線旋轉(zhuǎn)帶動兩端發(fā)電機工作，通過纜繩向地面輸出功率。該類型充分利用馬格努斯效應(yīng)，即垂直于氣流方向旋轉(zhuǎn)的物體，由于流經(jīng)物體兩側(cè)表面的相對流速不同，使得兩側(cè)面產(chǎn)生壓力差，進而產(chǎn)生向上的偏轉(zhuǎn)力，且隨風(fēng)速增加而增大。

Magenn Power公司采用此技術(shù)路線，其研制的風(fēng)力發(fā)電平臺命名為Magenn Air Rotor System（MARS），MARS工作在300 m以內(nèi)的高度范圍內(nèi)，適用風(fēng)速為2.5~30 m/s。MARS試驗機如圖3所示。

圖3 Magenn Power的試驗機［17］Fig.3 Test generator of Magenn Power［17］

此種形式的升力來源主要為浮升力，但與傳統(tǒng)浮空器不同，其還利用馬格努斯效應(yīng)產(chǎn)生部分動升力；馬格努斯效應(yīng)提高總升力的同時，也能使空中平臺穩(wěn)定在預(yù)設(shè)高度受控且受限的范圍內(nèi)，減小平臺向后向下漂移。另外其風(fēng)力發(fā)電模式與傳統(tǒng)方式不同，平臺整體垂直于風(fēng)向旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生陀螺效應(yīng)，具有穩(wěn)定性；且轉(zhuǎn)速較低，對鳥類相對安全。但是此形式具有較大的迎風(fēng)面積，同時整體繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，對浮空氣囊結(jié)構(gòu)的強度和剛度提出較高要求，另外也面臨氣體泄漏以及工作高度和發(fā)電規(guī)模受限的情況。

（3）高空多旋翼風(fēng)力發(fā)電

高空多旋翼風(fēng)力發(fā)電是一種類似于系留多旋翼的設(shè)計，不同之處在于采用電動發(fā)電機，既能用電提供升力，又能在氣流帶動下發(fā)電輸出電力。平臺升空時類似于系留多旋翼飛行器，由地面提供電力通過系留纜繩驅(qū)動電動發(fā)電機帶動旋翼產(chǎn)生升力升空，待到達目標高度，控制器將使多旋翼平臺整體傾斜一定角度，在此過程中雙工況電機逐漸由用電轉(zhuǎn)為發(fā)電，在空中旋翼平面與水平面成一定角度，氣流流過旋翼平面，旋翼旋轉(zhuǎn)帶動雙工況電機發(fā)電，同時旋翼受力的豎直分量作為升力，保持平臺穩(wěn)定懸浮在空中，旋翼產(chǎn)生的電能通過系留纜繩傳輸至地面。平臺姿態(tài)控制通過旋翼之間的差動實現(xiàn)。

美國Sky Windpower公司研制的Flying Elec‐tric Generator（FEG）風(fēng)力發(fā)電技術(shù)采用此種形式，在機架上安裝有四個雙工況旋翼，機架通過系留纜繩連接地面。FEG設(shè)計目標是利用4 500~9 000 m高空內(nèi)的大氣急流區(qū)的高速氣流，旋翼平面最高可傾斜50°，在4 600 m的運行高度上，滿足滯空和能量輸出的最小風(fēng)速約為10 m/s。目前該公司已經(jīng)完成原型機的測試，能夠完成從自動起飛、到達預(yù)定高度、轉(zhuǎn)換工作模式到自動著陸完整工作流程。FEG模型如圖4所示。

圖4 FEG模型［21］Fig.4 Model of FEG［21］

該形式飛行平臺起飛或降落時對旋翼供電產(chǎn)生升力，易實現(xiàn)自主起飛降落；主要適用高風(fēng)速環(huán)境，因此高海拔可以充分利用高速氣流的優(yōu)勢；但對高風(fēng)速環(huán)境的依賴又限制了多樣化應(yīng)用，應(yīng)用場景較為單一。同時為了避免高海拔對航空安全的影響，也要增大多設(shè)備同時運行時的間距，系留纜繩的重量也成為影響平臺性能的重要因素；傾斜角度與風(fēng)速有關(guān)，因此氣流并非垂直進入旋翼平面，很大一部分風(fēng)能用來維持平臺滯空，影響風(fēng)力發(fā)電轉(zhuǎn)化效率。

（4）傘梯組合式風(fēng)力發(fā)電

該類型主要包括空中系統(tǒng)和地面系統(tǒng)：地面系統(tǒng)主要為發(fā)電機及附屬設(shè)備；空中系統(tǒng)由多個做功傘、平衡傘以及飄空氣球組成，間隔分布在纜繩上，利用多傘兜風(fēng)實現(xiàn)風(fēng)能的高效利用，飄空氣球和一直處于打開狀態(tài)的平衡傘提供系統(tǒng)升力和保持系統(tǒng)空中穩(wěn)定。做功傘在風(fēng)場內(nèi)通過反復(fù)開合帶動空中整體上下往復(fù)運動，牽引纜繩帶動地面發(fā)電機發(fā)電；做功傘打開時整體拉升處于發(fā)電狀態(tài)，做功傘收起時整體下落，處于發(fā)電準備狀態(tài)。傘與傘之間、做功傘與地面系統(tǒng)之間是通過輕質(zhì)高強度纜繩連接。傘梯組合演示圖如圖5所示。

圖5 傘梯組合演示圖［23］Fig.5 Illustration of multi-stage umbrella［23］

我國廣東高空風(fēng)能技術(shù)有限公司研發(fā)的傘梯組合式風(fēng)力發(fā)電命名為天風(fēng)技術(shù)。該系統(tǒng)設(shè)計目標工作在500~10 000 m高空，系統(tǒng)采用模塊組合結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整系統(tǒng)運行高度和改變模塊數(shù)量實現(xiàn)發(fā)電功率10~1 000 MW可調(diào)節(jié)，目前已突破空中系統(tǒng)控制穩(wěn)定性問題。

傘梯組合式風(fēng)力發(fā)電運用全新的理念，將升力平衡系統(tǒng)和做功系統(tǒng)分開、單獨控制，兩者互不影響，同時由于圓形傘結(jié)構(gòu)的單一自由度，系統(tǒng)只需控制傘的開合帶動牽引纜繩實現(xiàn)升降運動，自穩(wěn)定性較好；傘梯組合受風(fēng)面積更大，單位面積下的風(fēng)能利用率更高；另外可以通過改變做功傘的數(shù)量實現(xiàn)穩(wěn)定的功率輸出或系統(tǒng)功率的擴容；但其復(fù)雜的工作模式對飛行控制要求較高；同時由于往復(fù)運動的發(fā)電模式導(dǎo)致功率輸出不穩(wěn)定。

2 系留懸浮式風(fēng)力發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)

通過對國內(nèi)外現(xiàn)有系留懸浮式風(fēng)力發(fā)電技術(shù)原理與特點的分析，充分結(jié)合當前空氣動力學(xué)、航空材料、飛行控制等專業(yè)的發(fā)展，以及目前國內(nèi)外相關(guān)的研究熱點與進展，歸納出未來系留漂浮式風(fēng)力發(fā)電中需要重點突破的航空相關(guān)技術(shù)。

2.1 輕質(zhì)高強系留纜繩設(shè)計與制造技術(shù)

飛行平臺的升空、回收均由系留纜繩提供牽引功能，承受較大拉力；數(shù)百米的系留纜繩被提升至空中，為飛行平臺帶來額外的重量，同時系留纜繩受到的氣動阻力也是限制工作高度上限和效率的主要因素之一；產(chǎn)生的電力只能依靠纜繩傳輸至地面，需要滿足電力傳輸效率，部分還具有信號傳輸?shù)囊?，以監(jiān)控設(shè)備運行；另外為保護設(shè)備免受雷擊破壞，系留纜繩也應(yīng)具有一定的防雷、泄雷作用。因此系留纜繩需要同時具有系留強度、輕質(zhì)密度、電力傳輸、防雷擊等各項綜合性能。

常規(guī)系留纜繩的承力元件一般由纖維制成。目前Kevlar 49芳綸纖維是大多數(shù)系留纜繩的首選材料，線密度為1.44 g/cm，具有2.8 GPa的抗拉強度、500℃的耐熱溫度以及115 GPa的拉伸模量，材料成本較低；而PBO纖維在1.54 g/cm的線密度下具有5.8 GPa的抗拉強度、270 GPa的拉伸模量和650℃的耐熱溫度，其強度和模量約為普通芳綸的2倍，特別是彈性模量，由于其直鏈高分子的特征，被認為具有極限的彈性模量，綜合性能及其優(yōu)越，但受到國外壟斷和進口限制，價格昂貴，無法普及應(yīng)用。系留纜繩在長期反復(fù)承受大拉力情況下，其各層抗拉結(jié)構(gòu)間容易產(chǎn)生磨損，產(chǎn)生疲勞損傷，導(dǎo)致性能下降，影響安全性與可靠性，這是系留纜繩設(shè)計過程中著重需要注意的問題。

結(jié)合目前系留纜繩的現(xiàn)狀與應(yīng)用，總結(jié)未來發(fā)展趨勢主要集中在以下3點：（1）小型輕質(zhì)化，新型材料技術(shù)的不斷應(yīng)用，可以利用體積與密度較小的抗拉件、電力傳輸件達到較高的抗拉強度與電力傳輸效率要求，也利于提高運行高度，這對提高飛行平臺整體性能具有重要作用；（2）高強度與耐疲勞，高強度與耐疲勞屬性確保系留纜繩壽命與使用可靠性；（3）功能多樣化，目前系留纜繩可以實現(xiàn)高載重、高抗拉強度與耐疲勞性能、優(yōu)良電力與光纖傳輸?shù)纫?，但隨著系留飛行技術(shù)的不斷發(fā)展，必然出現(xiàn)滿足更多功能需求的復(fù)合型系留纜繩。進一步探究和提升輕質(zhì)高強系留纜繩設(shè)計與制造技術(shù)，很有必要綜合考慮成本、密度、強度與耐疲勞性能、環(huán)境適用性等各方面因素。

2.2 高性能囊體復(fù)合材料技術(shù)

系留懸浮式風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的目標是在足夠的高度下長時間滯空運行，因此浮升囊體材料的重量與氣密性是決定浮升平臺能力的關(guān)鍵。而氣體透過率大小與氣體、材料種類、材料的宏微觀結(jié)構(gòu)、環(huán)境溫度、縫合工藝等方面都有顯著的關(guān)系。

目前具備優(yōu)良性能的復(fù)合材料技術(shù)被少數(shù)先進國家掌握，導(dǎo)致價格高昂、使用受控。如德國齊柏林飛艇公司skyship600載人飛艇的囊體采用層壓工藝，具有優(yōu)良的氣密性，使氦氣損耗率維持在每月1%的水平；美國TCOM公司的Mark-7s系留氣球材料利用不同屬性的層壓材料制成，抗拉強度40 kg/cm，氦氣滲漏率0.5 L/（m·d·atm），面密度278 g/m，而國內(nèi)大部分中小型系留艇由于囊體材料揉搓后氣密性變差以及制作工藝差距導(dǎo)致材料連接處易泄露，氦氣耗損率高達每月10%。

開發(fā)特性優(yōu)異的囊體復(fù)合材料以及加工工藝精細化是囊體材料技術(shù)的關(guān)鍵，而具備強度高、重量輕、耐環(huán)境、低氣體透過性、抗皺折、耐刮擦等優(yōu)良性能的囊體材料將大幅提高浮空飛行器性能，因此先進的復(fù)合材料設(shè)計技術(shù)與制備工藝將會是囊體材料的重要突破口。

2.3 穩(wěn)定與智能控制技術(shù)

保證發(fā)電持續(xù)性和穩(wěn)定性的控制技術(shù)是目前高空風(fēng)力發(fā)電主要技術(shù)難題之一。目前系留懸浮式風(fēng)力發(fā)電控制還難以在完全脫離人工干預(yù)下自動運行，并且高空風(fēng)并非一成不變，存在風(fēng)速風(fēng)向突變與風(fēng)梯度漸變的問題，導(dǎo)致飛行平臺飛行軌跡偏離、飛行狀態(tài)紊亂以及影響系統(tǒng)做功的穩(wěn)定輸出，尤其在運動系統(tǒng)和做功系統(tǒng)相互耦合、相互影響的情況下，持續(xù)性和穩(wěn)定性更難以得到保障。

王英勛等將飛行器的自主控制能力由低到高分為六級，最高程度的自主控制表述為能夠自學(xué)習(xí)且具有集群自組織協(xié)調(diào)的能力。高級的自主系統(tǒng)必須具有良好的學(xué)習(xí)和自我修復(fù)能力，能夠及時適應(yīng)環(huán)境突變，解決不確定性帶來的復(fù)雜問題，在無人介入的情況下實現(xiàn)高效穩(wěn)定運行。因此對于系留懸浮式風(fēng)力發(fā)電的控制系統(tǒng)，應(yīng)實時感知甚至預(yù)測周圍風(fēng)場變化，并及時給予調(diào)整來適應(yīng)環(huán)境，保證運行穩(wěn)定。且當環(huán)境不利于正常運行時可自動回收待機，待環(huán)境允許時再自動放飛運行，達到高可靠性的目標。另外平臺若能夠獲取周圍風(fēng)場參數(shù)，感知一定區(qū)域風(fēng)場內(nèi)高風(fēng)速位置，控制系統(tǒng)在沒有人工干預(yù)的條件下，自動調(diào)整工作狀態(tài)，使風(fēng)力發(fā)電平臺飄移至高風(fēng)速處運行，即控制系統(tǒng)具有趨利飛行的能力，最大程度提高發(fā)電功率，并且近幾年不斷推陳出新，對各類新型飛行器的控制機理、復(fù)雜的耦合特性、氣動彈性效應(yīng)等研究也將逐步深入。因此未來系留懸浮式風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)將實現(xiàn)控制穩(wěn)定可靠、趨利智能等目標。

2.4 高效風(fēng)力發(fā)電飛行平臺總體設(shè)計技術(shù)

國內(nèi)外各研究機構(gòu)自20世紀便提出形式多樣的高空風(fēng)力發(fā)電技術(shù)形式和專利，但目前廣泛應(yīng)用的類型局限在幾種特定形式，依托常規(guī)飛行平臺升空，缺少總體方案與構(gòu)型的創(chuàng)新設(shè)計，優(yōu)化措施大多限制在結(jié)構(gòu)材料、系統(tǒng)穩(wěn)定控制等，對風(fēng)力發(fā)電能力和環(huán)境適用性的提升并不明顯。如高空多旋翼風(fēng)力發(fā)電為滿足懸浮條件，槳葉平面與風(fēng)向并不垂直，難以實現(xiàn)風(fēng)能的高效轉(zhuǎn)化；同時其完全依靠旋翼動升力升空，實現(xiàn)空中穩(wěn)定懸浮與功率輸出必須依賴長久穩(wěn)定的大風(fēng)速環(huán)境。

高空風(fēng)力發(fā)電應(yīng)緊密結(jié)合飛行器前沿研究。閆溟等以筒形浮空風(fēng)力發(fā)電為基礎(chǔ)，探究浮空器幾何尺寸、風(fēng)速、風(fēng)輪半徑和轉(zhuǎn)速變化對飛行平臺運行高度、發(fā)電功率輸出以及發(fā)電成本產(chǎn)生的影響，并得到該形式下的最佳發(fā)電模式；另外楊穆清等針對升浮一體飛行器的研究表明，其與常規(guī)飛行器相比具有較為突出的綜合優(yōu)勢。因此高效風(fēng)力發(fā)電飛行平臺總體設(shè)計技術(shù)是技術(shù)突破的重要途徑，從飛行器總體設(shè)計與方案優(yōu)化的角度入手，進行創(chuàng)新性布局以及系統(tǒng)的綜合優(yōu)化，進而探索新型高效的系留懸浮式風(fēng)力發(fā)電技術(shù)模式。

2.5 便利展開部署技術(shù)

目前部分系留懸浮式風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已具備快捷回收、起飛或可運輸?shù)墓δ?，如BAT可實現(xiàn)與運輸車輛一體化安裝設(shè)計，系統(tǒng)可在24 h之內(nèi)部署。但在設(shè)計上普遍還無法達到整機一體化、功能多樣化、快速部署等目標，考慮到未來具有商業(yè)化的趨勢，同時具有規(guī)模化應(yīng)用到災(zāi)區(qū)、軍事基地等特殊場景的需求，方便快捷地部署、起飛、收納和運輸也將會成為表征技術(shù)性能的重要指標。

美國的REAP快速升空氣球平臺的地面系統(tǒng)集成在一輛多用途機動輪車上，車上安裝有氦氣儲存罐，可直接向氣囊充入氦氣，進行放飛；另外與常規(guī)的單點或多點系留飛艇起落架裝置相比，新型氣墊式起降裝置是柔性體與剛性體的結(jié)合，能夠提供更加穩(wěn)定、可靠的起降過程，但目前仍處于試驗階段。同時集成多種功能的地面基站的重要性并不亞于飛行平臺本身，如多功能隨動基站的設(shè)計保證飛行平臺狀態(tài)變化時，基站控制多點系留纜繩快速響應(yīng)并給出適應(yīng)性調(diào)整。對于發(fā)電功率不連續(xù)的陸基發(fā)電機，需要配備相應(yīng)的整流與變壓設(shè)備。因此針對便利快捷放飛運行的目標，需要在輔助設(shè)備集成、運輸車輛適配、功能多樣化等多個角度進行針對性研究，便利展開部署也將成為系留懸浮式風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的重要研究方向。

3 結(jié)束語

在風(fēng)力發(fā)電高速發(fā)展的總體趨勢下，系留懸浮式風(fēng)力發(fā)電作為一種結(jié)合航空技術(shù)拓寬風(fēng)能利用范圍的技術(shù)形式，在應(yīng)用場景多樣化、相對簡單可靠、低成本與高產(chǎn)能等綜合優(yōu)勢下，必將迎來新一輪的發(fā)展機遇。

但目前整體仍處于初步研究發(fā)展階段，尤其國內(nèi)該領(lǐng)域研究大部分仍停留在專利技術(shù)論證，還未形成工程應(yīng)用的趨勢，已與國外形成明顯差距。同時由于系留懸浮式風(fēng)力發(fā)電技術(shù)依托飛行平臺總體設(shè)計、高性能復(fù)合材料、飛行與運行可靠控制等多種相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，是較為敏感的前沿技術(shù)領(lǐng)域，受到國外的嚴密封鎖，關(guān)鍵部件仍依賴進口。因此系留懸浮式風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展亟需復(fù)合材料、總體設(shè)計、自動控制等多學(xué)科的協(xié)同發(fā)展與綜合運用以及相關(guān)核心技術(shù)的創(chuàng)新性突破，以促進我國在該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)超前設(shè)計與應(yīng)用。在重視可再生清潔能源的有利背景下，抓住當前發(fā)展契機，進而保障我國在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的總體優(yōu)勢。