高空飞行的风筝能否实现为家庭供电的目标?

2022-04-11 来源:新浪科技 原文链接:点击获取

将近十多家公司正押注于用计算机控制的飞行器,试图以此利用风能,在未来实现家庭供电。

任何一个放过风筝的孩子都知道一个道理:只要风筝能够顺利飞到空中,就更有可能找到稳定的微风,使其保持在空中。新兴的风力发电行业也很清楚这一点。一些公司正准备将大型风筝放到距离地面200米或更高的地方,以利用那里的风来发电。

在欧洲和美国,至少有10家公司正在开发不同的风筝能源利用方式。如果他们能取得成功,这些风筝就可以在风力不足以支撑传统风力涡轮机的地方成为新型的风力发电场。风筝也可能是利用海上风力发电的更好选择,有朝一日甚至可能取代目前常用的锚塔。

  高空风能风筝有两种基本的发电方式。“抽运发电”是利用风筝的牵引运动,使地面的枢轴旋转,为发电机提供动力(较多的电,黄色);当绳索放完时,风筝将被收回并重新开始(用少量的电,红色)。“搭载发电”则是由安装在风筝上的涡轮机来发电,要求刚性的风筝设计。

  高空风能风筝有两种基本的发电方式。“抽运发电”是利用风筝的牵引运动,使地面的枢轴旋转,为发电机提供动力(较多的电,黄色);当绳索放完时,风筝将被收回并重新开始(用少量的电,红色)。“搭载发电”则是由安装在风筝上的涡轮机来发电,要求刚性的风筝设计。

风筝电力系统开发公司Kitekraft的联合首席执行官和首席技术官弗洛里安·鲍尔说:“它的制造成本更低,运输成本更低,而且效率更高。”这家公司的总部位于德国慕尼黑。鲍尔还指出,风筝发电的碳足迹也小得多,“如果你拥有所有这些优势,为什么还要建造一个传统的风力涡轮机呢?”

不过,正如鲍尔及其同事在即将发表的论文《2022年度回顾:控制、机器人和自主系统》(2022 Annual Review of Control, Robotics and Autonomous Systems)中所描述的那样,要想让高空风能成为广泛的电力来源,还需要克服许多技术和商业障碍。此外,高空风力发电还必须证明是安全的,不会伤害野生动物,也不会给居民区制造难以忍受的噪音和视觉干扰。

目前,高空风力发电还处于起步阶段。大多数公司都在进行相对较小规模的试点项目,还没有一家公司将他们的技术扩大到能与传统风力涡轮机相媲美的兆瓦级别。不过,市场上已经可以见到小型的发电风筝版本。

2021年,总部位于德国汉堡的SkySails Power成为第一家提供商业化高空风力发电产品的公司,其产品模型包括一个柔软的、可操纵的风筝,面积高达180平方米。这架风筝用一条800米长的绳索与地面站相连,后者被放置在一个集装箱内。

在运行过程中,风筝会在空中画出巨大而优美的8字形,同时为地面发电机提供动力。这些发电机的平均发电量可达80千瓦,足以供应大约60个普通美国家庭的电力。与典型的2.75兆瓦风力涡轮机相比,这个数字微不足道,但其规模已经接近许多便携式工业柴油发电机。按SkySails Power公司的设计,这架风筝装置适合在远离电网的偏远地区使用。

开发高空风能技术的公司希望能最终建造更大的风筝,能够产生兆瓦级的电力。他们还设想数百只风筝共同组成高空风力发电场,为电网提供电力。

  侧风飞行可以提高速度,使风筝从风中获得潜在的能量。这里展示的是Kitemill公司的KM1原型机的实验结果,显示了这一过程。蓝线显示了风筝在起飞和降落时的低速,黄线显示了风筝在侧风环绕飞行时达到的更高的飞行速度。

  侧风飞行可以提高速度,使风筝从风中获得潜在的能量。这里展示的是Kitemill公司的KM1原型机的实验结果,显示了这一过程。蓝线显示了风筝在起飞和降落时的低速,黄线显示了风筝在侧风环绕飞行时达到的更高的飞行速度。

利用高空风能

靠近地面的风会与树木、建筑物、山丘和地面摩擦,因此趋于逐渐减速。距离地面越高,风的传播速度就越快——在500米的高空,风的移动速度平均要比100米处快3到7千米/小时。在过去的几十年里,有很多关于利用这些高空风能的建议,包括在比空气还轻的飞行器上装上涡轮机,或者把涡轮机悬挂在稳定的风筝上。但包括SkySails在内的大多数公司都在寻求一种方法,利用可操纵的、由计算机控制的风筝,在空中以特定的轨迹飞行,从而收集更多的能量。

高空风能系统主要采用两种基本的发电方式。SkySails等公司采用基于地面的方法,使用“抽运动力”装置来驱动地面上的发电机。地面的绳索末端缠绕在绞车上,当风筝在风中飞行时,绞车松开,驱动发电机发电;之后,飘浮在空中的风筝将被拉回地面,再次开始循环。

另一种方式是依靠风筝上的涡轮装置发电。机载发电会采用刚性的风筝,类似于飞机机翼,以支撑小型风力涡轮机。当风筝飞起来时,风带动涡轮机运转,所产生的电力通过缆绳输送到地面站。

弗洛里安·鲍尔的Kitekraft公司采用了第二种方式,并开发了双用途的涡轮叶片。在发射和降落的过程中,涡轮叶片由发动机提供动力,成为螺旋桨,使风筝像无人机一样飞行和盘旋。一旦风筝到达合适的高度,涡轮叶片就会转而利用风力发电。

就所用材料而言,风筝比今天广泛使用的风塔更有潜在的优势。风力涡轮机塔需要混凝土基础和钢结构来使涡轮机保持在合适的高度。而在以风筝为基础的系统中,这种结构被一个相对较小的地面站和一条轻型系绳取代。欧洲高空风力行业协会的一项研究发现,一个50兆瓦的风筝发电场在20年的使用寿命中会使用913吨材料,而一个典型的风塔发电场会使用2868吨材料。风筝系统所使用的材料更少,从而更环保、更便宜。

风筝也可能用于深水离岸风力发电当中。在目前的技术条件下,当水太深而无法构建地基时,风力涡轮机就会漂浮在巨大的、像驳船一样的结构上,这些结构必须能够承受涡轮机的重量并保持稳定。相比之下,风筝没有那么笨重,可以使用更轻、更便宜的驳船。

然而,风筝发电的这些优势是以复杂性为代价的。为了使风筝发电在经济上更划算,它们需要运行很长时间,期间只有很少的人为操作,或者完全是无人运行。美国北卡罗来纳州立大学可再生能源控制与优化及能源效率实验室主任、风筝发电技术公司Windlift的顾问克里斯·弗米利恩指出,这涉及到一个十分复杂的计算机控制问题。

风筝并不是被动地飘浮在空中,相反,它们会利用自身的空气动力学特性,以“侧风”模式飞行,有点类似船只在风中的来回移动。当风筝垂直于风向飞行时,翅膀处会产生升力,并更用力地拉住绳索。这种额外的升力将转化为额外的速度,可以为地面发电提供更大的力,也可以转化为更大的空气流通速度,从而驱动机载涡轮机更快运转。无论哪种方式,与没有侧风运动的飞行相比,可用的功率都会至少增加一个数量级。

然而,这种复杂的机动操作需要操作者或计算机不断地调整和控制风筝。刚性的风筝装置是通过调整转向部件,如襟翼和方向舵来控制的,类似于飞机飞行的方式。软性风筝则是通过调整操纵线的长度来控制的,类似于降落伞的引导方式。

当今最先进的风筝系统能够在计算机控制下飞行数小时或数天,通过机载和地面计算机不断修正并控制方向。弗米利恩表示,当风保持稳定时,这些风筝都能很好地完成工作。但是,如果想成为主流的发电方式,风筝必须能够可靠地应对突发和不可预测的变化,比如强风。它们还需要能够自动起飞和降落,从而在恶劣天气时下降,在风力条件良好时上升。

“我们还需要做更多的工作,才能使技术达到足够高的水平,使设备的使用寿命达到数年或数十年,而不仅仅用来做数天或数周的演示,”弗米利恩说道。

此外,我们还需要考虑规模的问题。较小的风筝制作成本更低,也更容易开发,但由于绳索的重量和阻力会随着高度的增加而增加,小型风筝在300米以上的高度并不能很好地工作,因为那里的风往往是最强的。许多公司希望扩大规模,制造更大、更高效的风筝,使其飞得更高,能够产生兆瓦级别的电力。当然,这一过程伴随着成本和风险的提高。

  通过将一组微型的、可移动的风车发射到高空,高空风能公司Kitekraft利用一架刚性飞行器实现了发电。这架风筝也可以为自身起飞和降落提供动力。目前这类风筝还处于原型阶段,未来有可能用于在更多地方建造高空风能发电场,或者为偏远地区提供电力。

  通过将一组微型的、可移动的风车发射到高空,高空风能公司Kitekraft利用一架刚性飞行器实现了发电。这架风筝也可以为自身起飞和降落提供动力。目前这类风筝还处于原型阶段,未来有可能用于在更多地方建造高空风能发电场,或者为偏远地区提供电力。

扩大规模的风险

一家名为Makani的公司就提供一个警示性的例子。这家总部位于美国加利福尼亚州的公司得到了谷歌母公司Alphabet的支持,致力于生产兆瓦级的发电风筝。但在2020年,Alphabet撤回了融资,导致该公司倒闭。

Makani公司是风筝发电技术的先行者,但也遇到了许多问题,比如难以实现对风筝的操控,此外还发生了数起坠落事故。在一份公开报告中,Makani公司首席执行官福特·费尔克表示,该公司往往在没有解决技术问题之前,有意更快速地推进风筝开发,并大幅增加风筝的尺寸。

鲍尔表示,Makani公司在没有解决技术难题的情况下,如此迅速地扩大规模,最终导致设计难度过高且成本昂贵,无法修正。另一方面,他也很同情地指出,那些需要很长时间才能达到市场规模的公司可能会失去投资者的支持。

最后一个阻碍将是确保风筝发电技术的社会和环境成本可被接受。传统的风力发电场经常面临附近居民的反对,他们担心风力涡轮机会带来噪音、视觉干扰和景观问题。风筝发电场的支持者预计,风筝对视觉和噪音的影响将比传统的风塔小得多。不过,一篇已发表的论文分析称,没有经验证据能支持这种说法。尽管风筝没有风塔那么大,但它们俯冲的动作和发出的噪音仍然可能比传统风塔造成同样甚至更多的破坏。

该论文还指出,目前还不清楚这些风筝会对鸟类产生什么影响。同样,支持者认为风筝可能比风力涡轮机更安全,因为这种风筝比一般的鸟类飞得更高。然而,连接风筝与地面站的绳索本身移动非常迅速,也很难被发现,鸟类可能难以避开它们。

以风筝为基础的高空风能发电将会有多广泛的应用,目前尚不得而知。像鲍尔这样的支持者认为,工程和计算问题是可以解决的,最终可以使风筝发电物有所值。

然而,美国能源部于2021年向国会提交的一份报告发出了警告,称风筝发电是“一项不成熟、未经证实的技术,需要取得进一步的发展,才能在国家层面上大规模部署”。该报告称,传统风力涡轮机发电的成本也在持续下降,这使得风筝发电系统更难显示出自己的优势。

弗米利恩对此表示赞同,他说:“我不认为机载风能系统可以取代大多数现有的传统陆地涡轮机。”但他同时认为,未来十年,风筝发电技术将在军事和离网应用领域找到合适的生态位。在某种程度上,它们可能会成为深水风力发电场的首选技术,较轻的重量将使它们具有比基于高塔的涡轮机更大的优势。(任天)