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将发电装置用类似放风筝的方式飘到空中,利用高空充裕的风能进行发电,看似天方夜谭,但经过科学界的不断研发,理想之光正在照进现实。
根据海外的最新一项调研,未来可能改变世界的十大发明中,高空风电赫然居首。科学界的评价是,其可能深刻改变全球未来的能源结构和现状。
近两年来,一场关于高空风电技术的赛跑已然开始。经粗略统计,高空风能发电公司全球已经超过50家。随着实验样机的成功,2015年全球将正式开启高空风能的商用化市场。
根据全球风能协会GWEC(Global Wind Energy Council)对2012年-2016年全球风电累计装机量预测,以高空风能发电产业化初期在风电行业市场占有率为20%计算,高空风电行业市场需求量超过1000亿美元。芜湖天风新能源(2197.34,9.130,0.42%)科技有限公司总经理邹南之在接受中国证券报采访时表示,我国发展高空风电有着独特的资源禀赋。在国内外市场需求的推动下,高空风电设备、高空风电站建设的市场规模难以估量。但也有分析人士称,受制于空域管制和“弃风”的情况,高空风电的发展仍有诸多掣肘,其产业化前景光明但道路依旧漫长。
风电新的解决方案
从定义看,高空风电是利用距地面约1600至40000英尺高空的风力来发电。早在20世纪70年代爆发能源危机时,各类高空风电的设计就不断涌现。发达国家对高空风电的研究从未停止。美国、荷兰、意大利等国都多次进行过高空风能发电试验。目前主要有两种高空风电的构架方式。第一种是在空中建造发电站,然后通过电缆输送到地面;第二种类似“放风筝”,即通过拉伸产生机械能,再由发电机转换为电能。
从技术层面看,高空“风筝型”发电有两大关键环节,首先是高空风能收集环节,其次是高空风能转化环节。其中,在高空风能收集环节,为了把“风筝”凭借风力送上天,至少需要100吨拉力。如果用钢铁做绳子,如此远距离,钢绳连自身重力都无法承受,因此采用的材料必须比重极轻,并具备高强度、耐腐蚀的特点。
高空风能转化环节,则需要有效解决空中系统的稳定性,高空风能发电的持续性和稳定性难以得到有效保障。“风筝型”高空风力发电系统中,由于“风筝”既担负平衡作用,又担负做功的主体,平衡运动与做功运动互相耦合,所以不能分别控制,对平衡的控制必然影响到做功运动。而做功运动也必然会影响到系统的平衡。在整个运行做功的过程中,系统的平衡稳定很容易被破坏,而寻找平衡与做功的最佳控制模式复杂而又困难。
站在能源格局的角度,利用好风能十分必要。风能是太阳能的转化形式,是一种不产生污染物排放的可再生自然资源。受破解化石能源日趋枯竭、保障能源供应安全和保护环境等诉求驱动,20世纪70年代中期以来,世界主要发达国家和一些发展中国家均十分重视风能的开发利用。特别是自20世纪90年代初以来,现代风能的最主要利用形式——风力发电发展十分迅速,全球风电机装机年均增长率超过30%,从1990年的216万千瓦升至2003年的4020万千瓦。
同时,风电商业性开发的可行性已得到了验证,限制风能大规模商业开发利用的主要因素——风力发电成本过去20年中有了大幅下降。随风力资源不同、风电场规模不同和采用技术不同,风力发电的成本也相应有所不同。目前低风力发电成本已降至每千瓦时3至5美分,高风力发电成本也降至每千瓦时10至12美分。到2010年,其更将降至每千瓦时2至4美分和每千瓦时6至9美分,达到与化石能源展开竞争的水平。
随着风能这一态势的发展,全球风力发电装机到2020年预计达12.45亿千瓦,发电量占全球电力消费量的12%。业内普遍认为,风能将是21世纪最有发展前途的绿色能源,是当前人类社会经济可持续发展的最主要的新动力源之一。
