肖利坤

（國(guó)家電投集團(tuán)廣東電力有限公司廣州分公司，廣東 廣州 511458）

1 高空風(fēng)力發(fā)電技術(shù)前景分析

中國(guó)高空風(fēng)能資源儲(chǔ)量是世界最豐富的國(guó)家之一。據(jù)了解，當(dāng)國(guó)內(nèi)風(fēng)能資源的使用達(dá)到60%時(shí)，它產(chǎn)生的電能滿足當(dāng)前全國(guó)用戶用電需求[1]。高空風(fēng)相比地面風(fēng)，不僅風(fēng)速大而且密度一般是地面風(fēng)能密度的幾十到幾百倍[2]。標(biāo)準(zhǔn)空氣密度為1.225 kg/m2，海拔高度每升高1000 m，空氣密度約降低10%。在高度1000 m以上，特別是在6000～12000 m的高空，風(fēng)功率密度可高10 kW/m2以上[3]。

美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）的數(shù)據(jù)資料表明：在6000 m高空中，我國(guó)大部分地區(qū)的風(fēng)能密度均值超過5 kW/m2，是目前低空風(fēng)力資源的平均風(fēng)能密度的20倍以上。

高空風(fēng)力發(fā)電主要具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)。發(fā)電輸出穩(wěn)定、功率大且可調(diào)節(jié)（機(jī)組單臺(tái)功率達(dá)50 MW，集中發(fā)電方式功率更大）。常規(guī)風(fēng)電年利用小時(shí)數(shù)只有約3000 h，而高空風(fēng)力發(fā)電利用小時(shí)達(dá)到6000 h，發(fā)電時(shí)間更長(zhǎng)、單位功率造價(jià)成本更低。高空風(fēng)力發(fā)電對(duì)環(huán)境生態(tài)和人們生活幾乎無(wú)影響，所以風(fēng)力發(fā)電站選址受限少。因此它是新能源發(fā)電的重要發(fā)展方向，不僅可以改變現(xiàn)狀的能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)，還可以解決能源短缺及空氣污染的問題[4]，由此可見發(fā)展高空風(fēng)力發(fā)電前景廣闊[5]。

2 國(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及路線

高空風(fēng)力發(fā)電有2種方式理論思路，從理論的角度看都是可行的。一是在高空建造發(fā)電站，利用風(fēng)力發(fā)電后把電力通過電纜傳輸?shù)降孛?；二是通過把傳動(dòng)設(shè)備放在高空[6]，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再傳遞到地面的發(fā)電機(jī)設(shè)備用來(lái)發(fā)電[7]。

利用這2種理論，目前高空風(fēng)能發(fā)電主要有3種技術(shù)路線，廣東高空風(fēng)能技術(shù)有限公司是目前國(guó)內(nèi)為數(shù)不多在高空風(fēng)能發(fā)電技術(shù)方面從研發(fā)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)到發(fā)電站建造全過程的企業(yè)[8]。

2.1 發(fā)電機(jī)懸置于空中的技術(shù)路線

把發(fā)電機(jī)置于高空的技術(shù)路線優(yōu)點(diǎn)是不必把笨重的電力轉(zhuǎn)換設(shè)備置于空中，只是將較為簡(jiǎn)單的風(fēng)力驅(qū)動(dòng)設(shè)備在高空就將發(fā)出來(lái)的電通過傳輸電纜就可以輸送到地面得設(shè)備，通過電力的轉(zhuǎn)換后，就能實(shí)現(xiàn)發(fā)電，這樣的系統(tǒng)易于控制在空中停留的時(shí)間[9]。

在高空風(fēng)能發(fā)電的發(fā)電機(jī)渦輪機(jī)型，由于受到發(fā)電設(shè)備在重量重和體積大的影響，要做到大規(guī)模發(fā)電難以實(shí)現(xiàn)。同時(shí)龐大的空中平臺(tái)上升到高空也難以承擔(dān)克服發(fā)電系統(tǒng)巨大的自重，安全性能和收集的風(fēng)能也不是很理想，控制系統(tǒng)相較也復(fù)雜。同時(shí)此類發(fā)電方式也須要解決如何把發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能從空中傳輸?shù)降孛娴膽?yīng)用場(chǎng)景問題。這一類發(fā)電技術(shù)很難建造MW級(jí)發(fā)電系統(tǒng)，當(dāng)前往往用于小型化場(chǎng)景應(yīng)用[10]。

2.2 發(fā)電機(jī)置于地面的技術(shù)路線（非傘梯型）

目前國(guó)際主流的高空風(fēng)能發(fā)電技術(shù)，多采用發(fā)電機(jī)置于地面的系留風(fēng)箏型技術(shù)路線，從而克服發(fā)電機(jī)置于空中，功率等級(jí)較低的局限性。同時(shí)，非傘梯型結(jié)構(gòu)升空高度仍然受限，其空中系統(tǒng)運(yùn)行軌跡的穩(wěn)定性難題和空中系統(tǒng)控制技術(shù)瓶頸仍面臨挑戰(zhàn)。當(dāng)前，此技術(shù)路線的發(fā)電設(shè)備功率等級(jí)仍停留在百千瓦級(jí)。

2.3 發(fā)電機(jī)置于地面的技術(shù)路線（傘梯型）

2022年1月17日，由中國(guó)能建采用梯傘組合高空風(fēng)能發(fā)電技術(shù)，在我國(guó)投資、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)實(shí)施的安徽績(jī)溪高空風(fēng)能發(fā)電示范項(xiàng)目正式開工，該項(xiàng)目屬于我國(guó)首創(chuàng)一體化高空風(fēng)能項(xiàng)目[11]。

2010年4月中路股份公司下屬?gòu)V東高空風(fēng)能公司研制出基于傘梯組合型高空風(fēng)能發(fā)電技術(shù)的國(guó)內(nèi)首臺(tái)100 kW高空風(fēng)電系統(tǒng)樣機(jī)。2015于蕪湖建設(shè)完成2.5 MW高空風(fēng)能試驗(yàn)電站，實(shí)際測(cè)試單繩功率超過600 kW，蕪湖2.5 MW高風(fēng)風(fēng)能系統(tǒng)試驗(yàn)站如圖1所示。

圖1 蕪湖2.5 MW高風(fēng)風(fēng)能系統(tǒng)試驗(yàn)站

傘梯型風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，包括地面系統(tǒng)和高空系統(tǒng)2部分。地面系統(tǒng)由卷?yè)P(yáng)機(jī)（滾筒和反向轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)）、發(fā)電機(jī)、滑輪組成。高空系統(tǒng)又包括多個(gè)平衡傘、做功傘組成。傘之間、做功傘與卷?yè)P(yáng)機(jī)之間連接是通過輕質(zhì)高強(qiáng)度纜繩實(shí)現(xiàn)的[12]。蕪湖實(shí)驗(yàn)站放飛試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。

圖2 蕪湖實(shí)驗(yàn)站放飛試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

傘梯型高空風(fēng)能發(fā)電技術(shù)的升力平衡系統(tǒng)與做功系統(tǒng)是分別控制的。首先平衡系統(tǒng)在風(fēng)的作用下產(chǎn)生升力，自己不參與做功，但是它維持整個(gè)系統(tǒng)在空中的平衡，保持穩(wěn)定。做功系統(tǒng)在風(fēng)的作用下起作用，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再傳遞到地面的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電。而做功系統(tǒng)和平衡系統(tǒng)相對(duì)保持獨(dú)立，在風(fēng)的隨機(jī)擾動(dòng)下，平衡系統(tǒng)依然可以達(dá)到自我調(diào)節(jié)而不影響做功系統(tǒng)的做功。并且做功過程中對(duì)系統(tǒng)的擾動(dòng)也不會(huì)直接傳遞到平衡系統(tǒng)，從而使平衡系統(tǒng)在整個(gè)運(yùn)行過程中都保持穩(wěn)定狀態(tài)，最后保證了整個(gè)系統(tǒng)做功的穩(wěn)定進(jìn)行，達(dá)到了發(fā)電的要求。

3 市場(chǎng)前景與經(jīng)濟(jì)效益分析

經(jīng)過對(duì)高空傘梯組合式風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)分析，發(fā)展高空風(fēng)能發(fā)電科技示范工程項(xiàng)目，按優(yōu)化平穩(wěn)運(yùn)行方式最低規(guī)模配置為6 MW（4 × 2 MW系統(tǒng)），通過“三升一降”模式運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)發(fā)電運(yùn)行曲線基本平滑穩(wěn)定（類似汽車四缸發(fā)動(dòng)機(jī)原理，交替上升發(fā)電）。

項(xiàng)目投資占比空中設(shè)備18%～20%，地面設(shè)備40%～45%，剩余為輸變電設(shè)備及其他。未來(lái)技術(shù)成熟設(shè)備量產(chǎn)后，預(yù)期裝機(jī)成本可降低至6000元/kW區(qū)間，預(yù)期發(fā)電成本降至0.1元/kW·h。項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性如表1所示。

表1 10 MW發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性

4 風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)分析

4.1 項(xiàng)目選址

高空風(fēng)能項(xiàng)目可發(fā)電區(qū)間500～8000 m，考慮軍用飛機(jī)、民航飛機(jī)等飛行器的空域管制，東部城市密集地區(qū)可用空間為500～3000 m，項(xiàng)目選址有較多受限性，應(yīng)充分考慮現(xiàn)有及規(guī)劃空軍基地、民航機(jī)場(chǎng)、飛行線路、空間飛行器試驗(yàn)基地、區(qū)域管制高度、禁飛區(qū)等多重因素。另外升空須當(dāng)?shù)剀娛虏块T審批[13]，如選址風(fēng)險(xiǎn)分析不充分，可能導(dǎo)致項(xiàng)目無(wú)法或者較少時(shí)間升空發(fā)電，將嚴(yán)重影響項(xiàng)目運(yùn)行小時(shí)數(shù)。

4.2 無(wú)長(zhǎng)時(shí)間滯空運(yùn)行試驗(yàn)

國(guó)內(nèi)高空風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)尚無(wú)長(zhǎng)時(shí)間滯空發(fā)電試驗(yàn)，受限于試驗(yàn)項(xiàng)目選址附近有空軍基地等原因，最長(zhǎng)滯空發(fā)電市場(chǎng)為10 h，對(duì)高空風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間滯空發(fā)電的穩(wěn)定性缺乏相應(yīng)數(shù)據(jù)支撐。

4.3 缺乏高空測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)

目前高空風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目缺乏高空測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)基于美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心的衛(wèi)星數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)室吹風(fēng)試驗(yàn)，對(duì)高空風(fēng)資源缺乏關(guān)鍵數(shù)據(jù)，高空雷擊、臺(tái)風(fēng)等惡劣天氣數(shù)據(jù)僅為預(yù)估，無(wú)實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4.4 功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)待完善

功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)缺失，風(fēng)速儀安裝在高空，隨高空捕風(fēng)裝置漂浮，測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)不精確，不能準(zhǔn)確進(jìn)行發(fā)電機(jī)組功率預(yù)測(cè)。系統(tǒng)因空域管控等缺乏長(zhǎng)時(shí)間滯空運(yùn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

5 總結(jié)

高空風(fēng)能發(fā)電技術(shù)不受區(qū)域資源稟賦限制，占地面積遠(yuǎn)低于光伏發(fā)電及風(fēng)機(jī)發(fā)電，如實(shí)現(xiàn)技術(shù)成熟且項(xiàng)目穩(wěn)定運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)對(duì)低風(fēng)速區(qū)域的清潔能源布局及城市遠(yuǎn)郊的能源開發(fā)供給，助力實(shí)現(xiàn)碳中和。