每一個放過風(fēng)箏的孩子應(yīng)該都知道這樣一條經(jīng)驗(yàn)：一旦你可以讓風(fēng)箏離開地面并升入空中，你就更有可能找到穩(wěn)定的微風(fēng)使風(fēng)箏保持在高空。
一個新興的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)吸取了這條經(jīng)驗(yàn)。一些公司將重型風(fēng)箏放飛到 200 米或更高的高空，利用高空中維持風(fēng)箏穩(wěn)定的風(fēng)發(fā)電。
歐洲和美國共有至少十家公司正在開發(fā)各種各樣的這類風(fēng)箏發(fā)電系統(tǒng)。如果它們成功了，那么人們將可能用風(fēng)箏在那些風(fēng)力不足以支持傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪機(jī)發(fā)電塔的地方建立風(fēng)電場。風(fēng)箏也可能是海上風(fēng)電的更好的選擇，有朝一日甚至可以取代至少部分目前正在使用的錨定風(fēng)力發(fā)電塔。
“風(fēng)箏發(fā)電系統(tǒng)生產(chǎn)和運(yùn)輸成本都更低，并且效率更高?！?慕尼黑一家正在開發(fā)風(fēng)箏發(fā)電系統(tǒng)的公司風(fēng)箏動力 (Kitekraft) 的聯(lián)合首席執(zhí)行官兼首席技術(shù)官弗洛里安?鮑爾 (Florian Bauer) 這樣評論。風(fēng)箏發(fā)電的碳足跡也更低，鮑爾說，“如果你有這樣多的優(yōu)勢，那么為什么還要建設(shè)傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪機(jī)呢？”
但是在成為廣泛使用的電力來源之前，“空中風(fēng)電”（這個詞是風(fēng)箏發(fā)電系統(tǒng)的別稱）需要克服相當(dāng)多的技術(shù)難題和商業(yè)挑戰(zhàn)。另外人們還需要證明這一技術(shù)是安全的，不會傷害野生動植物，并且不會給附近的居民帶來難以忍受的噪音或視覺干擾。
目前，風(fēng)箏發(fā)電尚處在新生階段。大多數(shù)公司致力于相對小型的驗(yàn)證性風(fēng)箏發(fā)電裝置，沒有人將他們的發(fā)電技術(shù)擴(kuò)大到可以和傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)比擬的兆瓦量級。但是這種小版本的發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入市場了。
在 2021 年，漢堡的天帆電力 (SkySails Power) 公司成為了第一家提供商業(yè)產(chǎn)品的公司。它的產(chǎn)品模型包括一個面積可達(dá) 180 平方米的可操控風(fēng)箏。這個風(fēng)箏通過一根長 800 米的繩索連接著一個裝進(jìn)集裝箱中的地面站。
風(fēng)箏工作時在天空中飛行的軌跡繪成巨大的優(yōu)美的“8”字形，并驅(qū)動地面上的發(fā)電機(jī)，平均可產(chǎn)生 80 千瓦的輸出功率，這足夠?yàn)榇蠹s 60 戶美國普通家庭供電了。雖然這相比于一個典型的 2.75 兆瓦的風(fēng)力渦輪機(jī)是非常微小的，但它的功率和許多便攜的工業(yè)用柴油發(fā)電機(jī)是相當(dāng)?shù)摹＿@樣的發(fā)電單元是為在遠(yuǎn)離電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)用電而設(shè)計的。
最終這些公司的目標(biāo)是建造能夠以兆瓦量級的功率發(fā)電的風(fēng)箏。他們構(gòu)想上百個風(fēng)箏在風(fēng)電廠成群飛行，為電網(wǎng)提供電力。
利用高速的風(fēng)
靠近地面的風(fēng)會受到來自樹、建筑物、山丘和地面本身的摩擦力而減速。所以在越高的地方，風(fēng)速就越大 —— 在 500 米高度處風(fēng)速平均比在 100 米高度處快 3~7 公里每小時。在過去的幾十年中，人們提出了大量的方案用于開發(fā)利用這些更快的高空風(fēng)，包括把渦輪發(fā)電機(jī)安裝在比空氣輕的飛行器上、或?qū)⑵鋺覓煸陟o止于空中的風(fēng)箏上。但多數(shù)公司正在尋求一種方法利用可操縱的、計算機(jī)控制的風(fēng)箏，使其按照特定模式在空氣中飛行，以此來收獲更多能量。
空中風(fēng)電系統(tǒng)使用兩種方法來發(fā)電。一種是在地面發(fā)電的方法，利用“抽水機(jī)”模式在地面上運(yùn)行發(fā)電機(jī)。放風(fēng)箏的繩索的地面端纏繞在一個轆轤上，當(dāng)風(fēng)箏在風(fēng)中飛行時它會拉動繩索從轆轤上松開，這會帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動從而產(chǎn)生電能。之后風(fēng)箏懸停在空中，并重新收回繩索纏繞在轆轤上，然后下一個循環(huán)就開始了。
另一種方法是在風(fēng)箏上發(fā)電。由風(fēng)箏搭載的發(fā)電方式要求風(fēng)箏是剛性的，類似于飛機(jī)機(jī)翼，用于安裝小型風(fēng)力渦輪。當(dāng)風(fēng)箏飛行時，風(fēng)力驅(qū)動渦輪產(chǎn)生電能，并且通過線纜傳輸?shù)降孛嬲军c(diǎn)。
鮑爾所在的公司采用的是風(fēng)箏搭載的發(fā)電方式，這使得渦輪槳葉可以兩用。在發(fā)射和著陸階段，槳葉由發(fā)動機(jī)提供動力，成為可以讓風(fēng)箏像空中無人機(jī)一樣飛行和盤旋的螺旋槳。一旦風(fēng)箏到達(dá)了合適的高度，渦輪就轉(zhuǎn)換到發(fā)電模式從風(fēng)中獲得能量。
建造風(fēng)箏發(fā)電系統(tǒng)在使用的材料上相比當(dāng)今的風(fēng)電塔有一個潛在優(yōu)勢。建設(shè)風(fēng)力渦輪塔必須要有堅實(shí)的地基和鋼鐵結(jié)構(gòu)，用來將風(fēng)輪架設(shè)到合適的高度?；陲L(fēng)箏的發(fā)電系統(tǒng)中不再需要這些堅固的支撐結(jié)構(gòu)，取而代之的是相對小型的地面站點(diǎn)和一根輕型繩索。歐洲的一個貿(mào)易協(xié)會，歐洲空中風(fēng)電協(xié)會 (Airborne Wind Europe)，在一項研究中發(fā)現(xiàn)，一個裝機(jī)容量五十兆瓦的基于風(fēng)箏的風(fēng)電廠在 20 年的工作壽命內(nèi)將消耗 913 噸建筑材料，與之對比，一個典型的風(fēng)電塔發(fā)電站需要 2868 噸。更少的原料消耗使得風(fēng)箏發(fā)電系統(tǒng)更加環(huán)保并且成本更低。
在深水離岸風(fēng)力發(fā)電方面風(fēng)箏也可能有用武之地。現(xiàn)今，如果建造海上風(fēng)電的位置水太深而無法打地基，風(fēng)力渦輪機(jī)就要漂浮在巨大的駁船狀結(jié)構(gòu)上，這些結(jié)構(gòu)必須能夠承受渦輪機(jī)的重量并保持穩(wěn)定。因?yàn)轱L(fēng)箏比風(fēng)力渦輪機(jī)輕得多，它們只需用到更輕并且更便宜的駁船來固定。
但是這些優(yōu)勢的代價是系統(tǒng)復(fù)雜性的增加。如果想要風(fēng)箏發(fā)電系統(tǒng)真正帶來經(jīng)濟(jì)上的收益，它們必須能夠在極少有或沒有人監(jiān)控的狀態(tài)下長時間運(yùn)行。北卡羅來納州立大學(xué)可再生能源和能源效率控制與優(yōu)化實(shí)驗(yàn)室主任、一家風(fēng)箏動力技術(shù)公司的顧問克里斯?弗米林 (Chris Vermillion) 說，這一要求將一個計算機(jī)控制的難題擺在人們面前。
發(fā)電用的風(fēng)箏并不是被動地飄在空中。相反，風(fēng)箏利用自身空氣動力學(xué)特點(diǎn)按照“側(cè)風(fēng)”模式飛行，這有點(diǎn)像帆船運(yùn)動中迎風(fēng)時按“之”字形在風(fēng)中來回穿行的技術(shù)。當(dāng)風(fēng)箏垂直于風(fēng)向飛行時，它們的機(jī)翼會產(chǎn)生升力并以更大的力拉動繩索。這個額外和升力可以轉(zhuǎn)換成額外的速度，它既可以為基于地面的發(fā)電產(chǎn)生更大拉動纜繩的力，也可以轉(zhuǎn)化為更大的空氣流速以更快地驅(qū)動機(jī)載渦輪機(jī)。不管是哪種發(fā)電方式，發(fā)電量都比不按照“側(cè)風(fēng)”模式運(yùn)動增加至少一個數(shù)量級。
但是這種高技術(shù)含量的操作要求對風(fēng)箏連續(xù)地調(diào)整和控制，這是需要飛行員或者計算機(jī)來完成的。剛性的風(fēng)箏是通過調(diào)節(jié)襟翼和方向舵等轉(zhuǎn)向部件來控制的，這與飛機(jī)的飛行控制方式相同。軟風(fēng)箏通過調(diào)整轉(zhuǎn)向線的長度來控制，類似于控制降落傘轉(zhuǎn)向的方式。
現(xiàn)階段最先進(jìn)的風(fēng)箏系統(tǒng)能夠在電腦的控制下一次連續(xù)飛行數(shù)小時或數(shù)天，它們采用風(fēng)箏搭載的計算機(jī)或地面上的計算機(jī)實(shí)現(xiàn)連續(xù)的轉(zhuǎn)向修正。弗米林表示，當(dāng)風(fēng)保持穩(wěn)定時，它們往往會工作得非常好。
但是為了推廣這一技術(shù)，風(fēng)箏必須具備應(yīng)對風(fēng)的狀態(tài)出現(xiàn)突發(fā)及難以預(yù)料的變化的可靠能力，例如應(yīng)對突然增強(qiáng)的陣風(fēng)的能力。它們也需要具備自動起飛和降落的能力，這樣它們就可以在惡劣天氣下降落，在風(fēng)向和風(fēng)速合適時升空。
弗米林說：“為了將風(fēng)箏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行壽命提高到數(shù)年或數(shù)十年的量級，而不是像在技術(shù)驗(yàn)證階段那樣，只要求風(fēng)箏發(fā)電系統(tǒng)可以連續(xù)運(yùn)行幾天或幾周，人們還有許多工作要做?！?/p>
風(fēng)箏尺寸的選擇也是一個問題。小型風(fēng)箏易于研發(fā)并且制造成本低。但是因?yàn)槔K索的重力和拉力隨著風(fēng)箏飛行高度遞增，在一般風(fēng)力最強(qiáng)的 300 米以上高空小型風(fēng)箏不能很好地工作。一些公司希望發(fā)展出更大、效率更高的風(fēng)箏，這些風(fēng)箏可以飛得更高并產(chǎn)生兆瓦級的輸出功率。但隨之而來的是更高的風(fēng)險和成本。
大風(fēng)箏帶來失敗風(fēng)險
馬卡尼 (Makani) 公司曾有領(lǐng)先的技術(shù)，但現(xiàn)在卻面臨一系列問題，包括控制風(fēng)箏的困難以及數(shù)次墜毀。在面向公眾的報告中，馬卡尼首席執(zhí)行官福特?費(fèi)爾克說該公司有意加快前進(jìn)步伐，經(jīng)常是在尚未解決之前的技術(shù)問題的情況下，過快地增大風(fēng)箏尺寸。
最后一個障礙是保證這項技術(shù)的社會和環(huán)境成本是可接受的。傳統(tǒng)的風(fēng)電廠經(jīng)常面臨居民的反對，因?yàn)樗麄儞?dān)心風(fēng)力發(fā)電機(jī)的渦輪會產(chǎn)生噪音、干擾視線和影響美觀。風(fēng)箏發(fā)電的提倡者估計，與傳統(tǒng)的風(fēng)電塔相比，風(fēng)箏的視覺和噪音影響會更小。但根據(jù)已發(fā)表的研究分析，沒有實(shí)驗(yàn)證據(jù)證明這是真的。盡管風(fēng)箏比風(fēng)電塔更輕，但研究的作者認(rèn)為它們的俯沖動作和噪音可能仍然會造成與風(fēng)電塔一樣多或更多的打擾。
報告稱，風(fēng)箏對鳥類的影響也是不明確的。同樣，倡導(dǎo)者認(rèn)為對鳥類來說風(fēng)箏可能比風(fēng)力渦輪機(jī)更安全，因?yàn)橥ǔｏL(fēng)箏比鳥類飛得更高。然而，繩索本身移動很快并且很難被發(fā)現(xiàn)，鳥類可能很難避開它們。
風(fēng)箏發(fā)電技術(shù)可以在多大范圍內(nèi)應(yīng)用仍是未知的。包括鮑爾在內(nèi)的倡導(dǎo)者們自信地認(rèn)為他們可以解決工程和計算機(jī)的問題，讓風(fēng)箏變得高效。
但是 2021 年美國能源部向國會的報告指出，風(fēng)箏發(fā)電是“一項不成熟且未被驗(yàn)證的技術(shù)，能夠在國家層面上部署到有意義的規(guī)模之前還要經(jīng)歷相當(dāng)長期的發(fā)展”。報告稱，傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電的成本持續(xù)下降，這讓風(fēng)箏發(fā)電更難展現(xiàn)出優(yōu)勢。
弗米林同意這一說法，他說：“我不認(rèn)為空中風(fēng)電是現(xiàn)有陸地傳統(tǒng)風(fēng)電的替代?！钡J(rèn)為風(fēng)箏將在未來十年在軍事和電網(wǎng)之外找到用武之地，這也是他咨詢的公司為他列出的潛在應(yīng)用。此外他認(rèn)為風(fēng)箏可能是深水風(fēng)電的優(yōu)勢選項，它較輕的重量相比風(fēng)力渦輪塔有巨大優(yōu)勢。
作者：Kurt Kleiner
翻譯：利有攸往
審校：云開葉落
原文鏈接：Could High-flying Kites Power Your Home?
本文來自微信公眾號：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：Kurt Kleiner
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