高空风能由于密度高、设备轻量化、年利用小时数提高,理论上讲,风电效益会显著高于低空风电项目。因此,2013全球风能理事会已经做出预测,认为高空风能是新一代的新能源技术,高空风能可在不同程度上消除现有新能源技术的缺点,且具有新的优点,将部分代替目前巨额的传统风能市场,是新能源领域的投资热点和发展方向。
高空风能与我国的用电格局存在着天然的匹配。美国国家环境预报中心曾对全球的风能密度做过严密测算,显示我国的传统风能资源(100米)主要分布在内蒙、吉林、新疆和东南沿海较为狭窄的部分地区。这些地区与经济中心距离较远,造成了发电单位与用电单位地理位置不匹配(其它火电、水电等传统能源亦有类似的问题)。由于我国特殊的地理环境,当高度超过500米后,风能密集地区便逐渐向东南沿海移动,在3000米到1000米范围内,高空风能资源最密集的区域正好集中在华东、华中、华南等经济最发达地区,如果高空风能可以大规模收集利用,则无需耗费巨资建设长距离、大容量的输电通道。
高空风电全球进入技术赛跑期
全球50多家公司投入巨资研发高空风电,技术路线不一,但总的来说高空风能技术分为两大类:
一类是利用氦气球等升力作用,将发电机升到半空中,在高空中利用丰富的风能转化为机械能,机械能转化为电能,之后通过电缆传到地面电网。
该类技术路线的缺陷主要是发电功率受限制,发电机功率增加,重量一般也会增加,升空难度加大;此外,由于系统整体较重,发电机组很难升到千米以上的高度,同时因为发电系统位于高空无法实现增压,大功率情况下势必使用大电流输电,所以必须使用直径较粗的导线。这无疑又加大了整个系统的重量,从而限制了该类技术路线的公司设备上升高度。气球类技术路径的风电设备升空高度多分布在300至500米的范围内。
这一技术路线的典型代表为Altaeros energies 的高空风电系统“空中浮动涡轮”(BAT)。发电机被装在一个巨大的充氦飞艇里,上升高度约为300米左右,BAT 利用高空的高速风流,发电量比地面风力发电装置高一倍。 另一类技术路径是将发电机组固定在地面,通过巨型“风筝”在空中利用风能拉动地面发电机组,从而将风能转化为机械能,带动地面的发电机转化为电能。从而解决电缆和发电机的自重问题。
意大利KiteGen的MARS(Magenn AirRotor System)系统是该类技术路线的典型代表。MARS系统主要由高空的拖曳风筝和地面的发电设备两部分组成。拖曳风筝和地面的风力涡轮机相连,并通过安装在发电设备上的航空感应器来控制风筝旋转的方向和路径,以最大限度带动地面涡轮机旋转并发电。
该类技术路线的最大难点在于控制发电系统的稳定性。出于空域利用效率的原因,KiteGen的高空单元往往采取做“∞”字形或圆周运动来收集风能。对于控制系统而言,要不间断改变风筝的运行轨迹,除了牵涉到空中坐标(X,Y,Z),还要改变俯仰角、倾角等共5个坐标,加之控制缆绳受空中扰流和缆绳自身延展性的影响,地面输出动作传导到空中单元往往容易“失真”,使得空中单元姿态控制难度很大。公司将大量的精力投入到软件控制方面,KiteGen公司曾经一度有200多人的软件团队。而KiteGen早期的发电实验,往往在空中运行几分钟之后就无法正常运转了。至今,KiteGen空中单元控制方面的问题也没有很好的解决。
energies公司研发的高空风电系统“空中浮动涡轮”(BAT)名列榜首。