風電新技術：風箏發電的三種方法

摘自《風電新技術：風箏發電的三種方法》

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大約20年前，越來越多的衝浪愛好者開始用大型風箏代替摩托艇拉著滑板衝浪，20平米大的風箏加上強度是鋼索15倍的高科技繩索，可以讓衝浪者飈出100公里開外的時速，或是飛到15米以上的空中再輕輕滑回水面。

　　眼下，科研人員正在努力賦予風箏一項新的功能讓它成為高空風力發電平台。在可預見的未來，「風電風箏」將會飛入高空，將那裡更強勁、更穩定的風能「捕獲」回來。

　　根據記載，雖然早在十九世紀初就有人用大型風箏來拉小火車，但直到1980年左右，才有人著手研究風箏發電的可能性。

　　開創這一領域理論研究的研究人員叫萬里-勞埃德，他在加利福尼亞州的勞倫斯利弗莫爾國家實驗室里計算出，相比於懸在空中某一點，風箏在風中來回飛動能產生更大的能量，如果翼展能達到洛克希德C-5運輸機機翼大小（68米長），理論上從每秒10米的風力中就能獲得兆瓦級的能量，這已能與當今大型地面風力發電機相提並論。

　　勞埃德提出兩種風箏發電的方式：一是在風箏機翼上安裝類似螺旋槳的渦輪機葉片，空氣帶動葉片旋轉產生電能，然後通過導電的繩索將電能傳送到地面，這種技術如今被昵稱作「飛翔的發電機」；另一種方案是通過空中的風箏給控制繩索的力，帶動地面設備發電。

　　與高塔、風車式樣的傳統風力發電機相比，這種「箏載」高空風力發電系統自有其優勢：這種帶繩索的飛行器能到達更高的空中，那裡的風能更加強勁穩定。此外，因為不用建高塔支撐巨大的旋轉葉片，這就大幅度削減了建設成本和安裝時間。

　　當然，與傳統風電設備相比，尚處於實驗室階段的風箏發電系統還有很多難題要克服。譬如，在這種系統中，風箏作為風能採集器將高空風能為機械能，同時也是保持系統穩定的平衡器，但平衡運動與運動相互耦合、相互影響，很難設計出平衡與的最佳控制模式，系統複雜，持續性和穩定性難以保障。另外還要考慮安全問題，碰到雷雨天氣，電站容易被「順繩索而下」的擊毀。

　　作為全球開發精密風箏發電原型的「者」之一，羅伯特-克萊頓創辦的WindLift公司從2005年開始開發風箏發電系統，目前他們正在陸地上使用衝浪風箏進行發電試驗。

　　實驗用的發電系統包括一個90厘米直徑的滾筒和一個60千瓦發電機連接，風箏通過繩索拉動滾筒帶動發電機發電，然後通過控制線使風箏拉力，在這個過程中反過來用電機反轉滾筒並再次拉緊風箏。

　　現在實驗面臨的問題是，在再次拉緊過程中，風箏需所有拉力或者最好讓拉力為負，即讓空氣把風箏向下推，但風箏只有完全收起翼展才能繩索大部分拉力，科研人員因此使用了一種翅膀前面有一條細長空氣泡的充氣風箏，用來保持翅膀形狀。即便如此，翅膀還是過於靈活，再次拉緊時難以控制。

　　WindLift的風箏用的是更接近傳統風箏的纖維翅膀，而它的部分競爭對手則根據第三種風箏發電的思，研究使用剛性翅膀，這種設計思更貴、著陸時更易損壞，但剛性翅膀比纖維翅膀更符合空氣動力學，能從風中獲得更多能量。

　　位於加利福尼亞州的Makani Power公司就是這種思的「龍頭企業」之一。他們製造的大型碳複合材料風箏，配備4台帶螺旋槳的發電機。起飛時，發電機作為電動機帶動螺旋槳轉動，作為風箏的動力；起飛後，產生的升力很快能讓風箏不需要其他助力飛行，一旦風帶來的推力和螺旋槳拉力平衡，發電機就開始發電。

　　去年，Makani推出了額定功率30千瓦的風箏發電系統原型。據了解，它的最終目標是在海上部署成型的風箏發電系統，並將生產的電能接入電網。

　　據統計，全球各大地面風力發電站的風力密度平均低於1千瓦/平方米，紐約上空急流附近風力密度可達到16千瓦/平方米，中國陸地上空萬米高空處大部分地區風力密度均超過5千瓦/平方米，而浙蘇魯地區上空高空急流附近風力密度甚至達到30千瓦/平方米，為世界之最。

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摘編者註：

1.「平衡運動與運動相互耦合」貌似改為「平衡運動與作功運動相互耦合」更貼切；

2.「風力密度」貌似應為「風能密度」；

3.被雷劈？！確定這不是為了搞笑？

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