Author(s):
Brian MacCleery - National Instruments
Industry:
Energy/Power, Research
Products:
NI 9237, NI SoftMotion Module, LabVIEW, CompactRIO, DIAdem, FPGA Module, cRIO-9112, LabVIEW Real-Time Module, NI Developer Suite, cRIO-9014, NI 9476, NI 9217, Control Design and Simulation Module, NI 9853E, NI 9201, NI 9425, PID and Fuzzy Logic
The Challenge:
在北半球的大部分地區(qū)距離地面幾千英尺的地方，有著能夠與世界上最好的地面風(fēng)力電站媲美的風(fēng)力資源尚未得到開發(fā)。再往上10倍高的對(duì)流層則有著世界上能量密度最高的可再生能源。
The Solution:
Makani Power是空中風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域中資金雄厚的領(lǐng)導(dǎo)者，它相信空中風(fēng)力渦輪（AWT）技術(shù)能夠?qū)⒖砷_發(fā)的地面風(fēng)力資源擴(kuò)大五倍，覆蓋美國(guó)大陸表面的80％。空中風(fēng)力渦輪與基于地面的渦輪一起將通過減小發(fā)電波動(dòng)，并縱向拓展能源采集的區(qū)域，幫助緩解能源問題。
"我想當(dāng)今處于領(lǐng)先地位的競(jìng)爭(zhēng)者應(yīng)該能通過仔細(xì)設(shè)計(jì)將空氣動(dòng)力效率最大化，提供包含板載飛行控制系統(tǒng)的可以工作在邊緣層的系統(tǒng)"
您可能是傳統(tǒng)水平與垂直風(fēng)力渦輪的專家，但是您是否聽說過空中風(fēng)力發(fā)電？按照目前新生的空中風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的創(chuàng)新速度，十年之后“空中風(fēng)力發(fā)電渦輪”將會(huì)成為家喻戶曉的詞匯。在北半球的大部分地區(qū)距離地面幾千英尺的地方，有著能夠與世界上最好的地面風(fēng)力電站媲美的風(fēng)力資源尚未得到開發(fā)。再往上10倍高的對(duì)流層則有著世界上能量密度最高的可再生能源。
利用高海拔風(fēng)力資源可能還需要一些重要的技術(shù)突破，但是靠近地球的空中風(fēng)力發(fā)電將在十年內(nèi)成為成本低、實(shí)用并且可以用于大型公用規(guī)模的發(fā)電方式。大多數(shù)空中風(fēng)力發(fā)電公司都將其重點(diǎn)放在位于距離地面數(shù)千英尺的“邊緣層”。將在這個(gè)海拔下可以用于大型公用規(guī)模的空中風(fēng)力發(fā)電帶入市場(chǎng)并不需要重大突破，僅需要扎實(shí)的工程工作、研發(fā)投資以及富有經(jīng)驗(yàn)的地面風(fēng)力發(fā)電團(tuán)體的支持和指導(dǎo)。
世界上至少有30個(gè)新興企業(yè)和研究小組都在努力讓空中風(fēng)力發(fā)電成為現(xiàn)實(shí)。豐富的商用（COTS）技術(shù)和工具讓他們能夠達(dá)到可觀的創(chuàng)新速度。在過去的幾年中，他們的原型系統(tǒng)已經(jīng)證實(shí)了空中風(fēng)力發(fā)電的基本原則，并且將規(guī)模提高到數(shù)十千瓦級(jí)。行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者的下一步是證實(shí)系統(tǒng)能夠在現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期連續(xù)可靠地運(yùn)行。
空中風(fēng)力發(fā)電還處于初始階段，因?yàn)楝F(xiàn)在的地面渦輪并不具備很高的性價(jià)比，如果能夠離開地面，就可以讓空中風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域延伸到新的地方。Makani Power是空中風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域中資金雄厚的領(lǐng)導(dǎo)者，它相信空中風(fēng)力渦輪（AWT）技術(shù)能夠?qū)⒖砷_發(fā)的地面風(fēng)力資源擴(kuò)大五倍，覆蓋美國(guó)大陸表面的80％。空中風(fēng)力渦輪與基于地面的渦輪一起將通過減小發(fā)電波動(dòng)，并縱向拓展能源采集的區(qū)域，幫助緩解能源問題。
通過同化進(jìn)行創(chuàng)新
空中風(fēng)力發(fā)電從傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域中沿用了許多成熟技術(shù)，有時(shí)甚至使用相同類型的發(fā)電機(jī)、齒輪箱和并網(wǎng)型逆變器。表1比較了地面渦輪和空中風(fēng)力渦輪之間的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)。空中風(fēng)力渦輪的主要不同點(diǎn)是從風(fēng)中提取能量的方式。并非使用大型鋼塔結(jié)構(gòu)，而是使用繩索電纜將系統(tǒng)固定在地面上。不使用旋轉(zhuǎn)葉片，而是使用專門設(shè)計(jì)的機(jī)翼掃過空中的一條路徑提取能量。掃過空中更大截面的能力是空中風(fēng)力發(fā)電吸引人的主要原因之一，從而能夠使用中等大小的機(jī)翼從高空中更強(qiáng)更持續(xù)的風(fēng)中提取大量能量。與傳統(tǒng)渦輪葉片尖端相似，機(jī)翼以風(fēng)速的數(shù)倍在空中側(cè)風(fēng)畫圈或是畫八字形，如圖1所示。空中風(fēng)力渦輪和地面渦輪都根據(jù)相同的空氣動(dòng)力學(xué)法則工作。正如傳統(tǒng)的風(fēng)能一樣，發(fā)電量與空氣密度的一半乘以風(fēng)速的立方成正比（方程1）。
因此，風(fēng)速的較小變化將導(dǎo)致能量的較大變化，風(fēng)速翻倍則得到八倍能量。和傳統(tǒng)渦輪葉片尖端相似，機(jī)翼以高速通過空氣，使用空氣動(dòng)力提升有效獲取能量。翼展與風(fēng)力渦輪葉片長(zhǎng)度可比，讓空中風(fēng)力渦輪可以掃過更大的空中區(qū)域，從而獲得將近10倍的能量。空中風(fēng)力渦輪可以在不同海拔高度上下移動(dòng)，調(diào)節(jié)飛行路徑從而調(diào)節(jié)風(fēng)力狀況。在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，由于空中風(fēng)力渦輪并非固定在地面上，可以在飛行中受到空氣枕緩沖。但是快速移動(dòng)產(chǎn)生的g力負(fù)荷將會(huì)對(duì)機(jī)翼和繩索電纜施加很大的張力。
高海拔下工作
通過超出地面渦輪的范圍，空中風(fēng)力機(jī)器在高海拔下采集持續(xù)強(qiáng)勁的風(fēng)力資源。在2000英尺高度下，北半球大部分地區(qū)超過40％的時(shí)間風(fēng)速超過8米/秒。其能量密度（kW/m2）與世界上最好的地面風(fēng)力區(qū)域相媲美，如圖2所示。因此，空中風(fēng)力渦輪能夠讓風(fēng)力領(lǐng)域延伸到全新區(qū)域，并且可以更加靠近人口密集中心。
盡管邊緣層的風(fēng)比較容易被現(xiàn)在的企業(yè)加以利用，最為可觀的是位于對(duì)流層的噴氣流風(fēng)。在35000英尺高度，平均能量密度超過20 kW/m2，可用總資源用數(shù)千兆兆瓦（TW）計(jì)算，比世界能源需求高幾百倍。“從環(huán)境角度而言，制造巨大的兆兆瓦級(jí)別的可再生能源系統(tǒng)是十分重要的。”Carnegie Institution of Washington大學(xué)的Ken Caldeira在2010年風(fēng)力能源大會(huì)上說道。“風(fēng)力能源能夠達(dá)到滿足民用需求的規(guī)模這一觀點(diǎn)是言之有理的。風(fēng)力能源是為數(shù)不多的民用規(guī)模發(fā)電技術(shù)之一。”
Caldeira是世界著名的氣候科學(xué)家，他研究了從高海拔提取民用規(guī)模能量對(duì)環(huán)境造成的潛在影響。他的模型表明：提取能夠滿足世界能量需求的18TW并不會(huì)對(duì)氣候產(chǎn)生巨大影響，只會(huì)造成幾乎可以忽略的0.04 oC降溫效果。當(dāng)然，讓世界切換到使用便宜、清潔、無碳能源將必然為環(huán)境帶來正面影響。利用高海拔風(fēng)力資源是一個(gè)大膽的設(shè)想，也同時(shí)帶來了許多技術(shù)挑戰(zhàn)和后勤挑戰(zhàn)，例如尋找足夠堅(jiān)韌輕質(zhì)的繩索電纜，以獲得美國(guó)聯(lián)邦飛行管理（FAA）許可和進(jìn)行空間清理。即便在邊緣層海拔仍然需要解決FAA許可問題。至少對(duì)于現(xiàn)在而言，將對(duì)流層的風(fēng)力資源投入商業(yè)應(yīng)用是不太可能的。即便將目標(biāo)定在對(duì)流層的公司也計(jì)劃從更加適中的高度開始。“在1000英尺高度，世界上70％的地區(qū)可以通過風(fēng)力資源獲利。” MAGENN Power公司CEO，Pierre Rivard說道。MAGENN Power是一家開發(fā)比空氣輕的類似飛艇和漂浮手機(jī)基站的發(fā)電機(jī)公司。
探索設(shè)計(jì)空間
從整體上看共有三種對(duì)空中風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行分類的基本方法：1）海拔：低海拔、邊緣層或?qū)α鲗樱?）機(jī)翼類型：比空氣輕或重、固定或活動(dòng)、拖動(dòng)、提升或基于旋翼機(jī)；3）發(fā)電機(jī)位置和類型：地面或空中、齒輪箱或直接驅(qū)動(dòng)。
和地面風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的早期相似，空中風(fēng)力發(fā)電的研究員正在測(cè)試所有可能的設(shè)計(jì)選擇，找出最佳方案。即便使用計(jì)算機(jī)模型，目前仍然沒有物理原型的替代物。可以工作的原型系統(tǒng)也在努力說服持有懷疑態(tài)度的人并設(shè)法吸引投資者。“我想多年之前人們?nèi)匀怀钟邢喈?dāng)?shù)膽岩蓱B(tài)度，但是現(xiàn)在有許多新興公司都在進(jìn)行研發(fā)。”Joby Energy商業(yè)開發(fā)總監(jiān)Archan Padmanabhan說道。“在過去的幾年中，行業(yè)中出現(xiàn)了許多原型系統(tǒng)，我們看到它們成長(zhǎng)到數(shù)十千瓦。在Joby，我們從地面發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)開始，測(cè)試自轉(zhuǎn)概念，并最終制造了帶有機(jī)翼的空中發(fā)電系統(tǒng)，它具有多個(gè)螺旋槳，將電能通過電纜傳送下來。現(xiàn)在我們正在探索能夠簡(jiǎn)化起飛和降落的機(jī)翼。
克服技術(shù)難關(guān)
