俞增盛 上海市能效中心吳 俊 中路能源（上海）有限公司

高空風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與產(chǎn)業(yè)前景綜述

俞增盛 上海市能效中心
吳 俊 中路能源（上海）有限公司

高空風(fēng)力發(fā)電技術(shù)應(yīng)用是我國(guó)實(shí)現(xiàn)2030年減排目標(biāo)的重要組成部分；我國(guó)在該領(lǐng)域技術(shù)研究已取得突破性進(jìn)展，有效解決了高空材料和高空風(fēng)能發(fā)電持續(xù)性和穩(wěn)定性問(wèn)題，具有大力推廣的可行性、經(jīng)濟(jì)性和必要性。

高空風(fēng)力發(fā)電；傘梯組合；新能源

我國(guó)高度重視氣候變化問(wèn)題，長(zhǎng)期以來(lái)主動(dòng)承擔(dān)相應(yīng)責(zé)任，積極參與國(guó)際對(duì)話，努力推動(dòng)全球氣候談判。2015年6月，向《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》秘書處提交自主貢獻(xiàn)文件，提出到2030年單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放將比2005年下降60～65%等目標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)2030年減排目標(biāo)，改善能源結(jié)構(gòu)、有效提升可再生能源在我國(guó)能源消費(fèi)中的比重至關(guān)重要。因此，進(jìn)一步推進(jìn)風(fēng)能高效利用，尤其是高空風(fēng)能的合理應(yīng)用具有重大的戰(zhàn)略意義。

1 風(fēng)能資源與應(yīng)用現(xiàn)狀分析

目前，國(guó)內(nèi)外的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)幾乎是基于低空風(fēng)力發(fā)電技術(shù)而形成的。低空風(fēng)力發(fā)電由于受到地表和環(huán)境等因素的影響，發(fā)電功率和年發(fā)電時(shí)間都受到很大程度的制約，低空風(fēng)力發(fā)電占地面積大，諸多因素使低空風(fēng)力發(fā)電行業(yè)正積極尋求技術(shù)的更新?lián)Q代。

美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心的數(shù)據(jù)資料表明：在500～15 000 m的高度范圍，風(fēng)的流向是穩(wěn)定的，而且高度越高，風(fēng)的強(qiáng)度越大，穩(wěn)定性越好；高空中蘊(yùn)藏的風(fēng)能超過(guò)人類社會(huì)總需能源的100多倍。高空風(fēng)風(fēng)速大，高空風(fēng)能密度通常是地表風(fēng)能密度的幾十～幾百倍。

中國(guó)高空風(fēng)能資源儲(chǔ)量是世界最豐富的國(guó)家之一，一定高度以上，各地區(qū)都是高空風(fēng)能資源富集地區(qū)。例如，當(dāng)高度在5 000 m以上時(shí)，我國(guó)絕大部分地區(qū)的風(fēng)能密度在1 000 W/m2以上，而新疆北部、內(nèi)蒙古、甘肅北部等中國(guó)低空風(fēng)能資源最富集地區(qū)的平均有效風(fēng)能密度約300～500 W/m2。圖1是我國(guó)四個(gè)地區(qū)在不同高度的有效風(fēng)能密度均值（1979～2006年）的曲線圖。

世界各國(guó)都在積極行動(dòng)，搶占高空風(fēng)能發(fā)電領(lǐng)域的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的制高點(diǎn)。2010年第二屆國(guó)際高空風(fēng)能會(huì)議在美國(guó)斯坦福大學(xué)舉行，會(huì)議達(dá)成一個(gè)共識(shí)：高空風(fēng)能應(yīng)用最合適于中國(guó)和印度這兩個(gè)國(guó)家發(fā)展（從對(duì)能源尤其是對(duì)新能源的需求，以及該國(guó)的地理環(huán)境、地表風(fēng)及高空風(fēng)資源分布等多方面來(lái)考察）。

2 國(guó)內(nèi)外高空風(fēng)能應(yīng)用研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)

世界范圍內(nèi)已超過(guò)40家公司對(duì)高空風(fēng)能的利用進(jìn)行研究。其中技術(shù)較為領(lǐng)先的包括google 實(shí)驗(yàn)室及其收購(gòu)的Makani Power，意大利KiteGen，美國(guó)Al taeros、中路的天風(fēng)（SkyHaul）等。

高空風(fēng)能發(fā)電方式主要有兩大類：（1）將發(fā)電機(jī)懸置于空中，如美國(guó)的Sky Wind Power，加拿大的Magenn Power；（2）將發(fā)電機(jī)設(shè)置在地面，如中國(guó)的傘梯組合高空風(fēng)能發(fā)電技術(shù)（SkyHaul）、意大利的KiteGen、美國(guó)的Makani Power。

2.1 發(fā)電機(jī)懸置于空中的高空渦輪發(fā)電

美國(guó)麻省理工學(xué)院下屬的 Al taeros 風(fēng)能公司最近成功研制出一款空中風(fēng)力渦輪機(jī)（AWT）（如圖2所示），這架風(fēng)電機(jī)成功試驗(yàn)漂浮到350 f t的空中，收集的電量為地面標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)電機(jī)的2倍。

圖1 我國(guó)四個(gè)地區(qū)在不同高度的有效風(fēng)能密度均值（1979～2006年）的曲線圖

發(fā)電機(jī)在空中的渦輪機(jī)型高空風(fēng)能發(fā)電，受制于空中系統(tǒng)的重量和體積，發(fā)電規(guī)模難以做大。龐大的氦氣球和渦輪機(jī)上升到高空不但 要客服巨大的自重，安全性能和收集的風(fēng)能也不是很理想。而且此類發(fā)電方式同樣需要解決空中系統(tǒng)的穩(wěn)定性難題及系統(tǒng)控制技術(shù)瓶頸 問(wèn)題。因此，發(fā)電機(jī)在空中的設(shè)計(jì)方案，目前看來(lái)并非高空風(fēng)能發(fā)電的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

圖2 Al taeros風(fēng)能公司的AWT（左）/加拿大的Magenn Power（右）

2.2 發(fā)電機(jī)設(shè)置于地面的高空風(fēng)箏型發(fā)電

高空風(fēng)能發(fā)電的主流是發(fā)電機(jī)在地面的風(fēng)箏型發(fā)電，空中風(fēng)能采集部分主要是軟體（由輕質(zhì)高強(qiáng)度化纖材料組成），如意大利的Kite Gen、美國(guó)的Makani Power的高空風(fēng)電技術(shù)。目前國(guó)際主流的風(fēng)箏型高空風(fēng)能發(fā)電技術(shù)，大多數(shù)空中系統(tǒng)的穩(wěn)定性難題和空中系統(tǒng)控制技術(shù)瓶頸還沒(méi)有完全得到有效解決。據(jù)英國(guó)媒體報(bào)道，英國(guó)計(jì)劃建造首個(gè)商業(yè)規(guī)模的試驗(yàn)風(fēng)箏發(fā)電站，選址位于蘇格蘭的斯特蘭拉爾郡附近，裝機(jī)容量500 kW，預(yù)計(jì)于2017年3月投入運(yùn)營(yíng)。

圖3 美國(guó)Makani Power公司高空風(fēng)電技術(shù)

2.3 中路股份公司的傘梯組合型高空風(fēng)電技術(shù)

中路股份公司下屬?gòu)V東高空風(fēng)能公司于2010年4月研制出國(guó)內(nèi)首臺(tái)100 kW高空風(fēng)電系統(tǒng)樣機(jī)，中路股份公司下屬天風(fēng)高空風(fēng)力技術(shù)公司在蕪湖建設(shè)完成2.5 MW首臺(tái)套示范高空風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)際測(cè)試單繩也超過(guò)600 kW，成為全球首臺(tái)實(shí)用性大功率高空風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)。目前正在研發(fā)50 MW機(jī)組，將成為世界最大風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。該技術(shù)為自主創(chuàng)新、研發(fā)出具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的傘梯組合高空風(fēng)能發(fā)電技術(shù)，涵蓋中高空風(fēng)能發(fā)電的技術(shù)研發(fā)、發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建造、風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)等。該公司是國(guó)內(nèi)首家擁有中高空風(fēng)能發(fā)電技術(shù)的企業(yè)，是世界上獨(dú)家擁有傘梯組合風(fēng)能采集技術(shù)的企業(yè),可以為形成中國(guó)占領(lǐng)高空風(fēng)能發(fā)電領(lǐng)域提供技術(shù)優(yōu)勢(shì)，這是世界新興戰(zhàn)略性新能源產(chǎn)業(yè)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的制高點(diǎn)，且在我國(guó)具有巨大的產(chǎn)業(yè)化推廣潛力。

3 高空風(fēng)力發(fā)電技術(shù)難點(diǎn)淺析

高空風(fēng)能發(fā)電主要面臨兩大技術(shù)難題：（1）材料問(wèn)題，主要是高空風(fēng)能收集、風(fēng)能-機(jī)械能轉(zhuǎn)換等所需要的輕質(zhì)高強(qiáng)度材料難以獲得；（2）控制技術(shù)問(wèn)題，主要是高空風(fēng)能發(fā)電的持續(xù)性和穩(wěn)定性，也就是空中部分的穩(wěn)定性一直沒(méi)有得到有效控制。隨著材料技術(shù)的發(fā)展，輕質(zhì)高強(qiáng)度材料不斷涌現(xiàn)，設(shè)備設(shè)計(jì)的不斷提高，高空風(fēng)能的裝備成本逐年下降，迅速達(dá)到了成熟應(yīng)用的階段。同時(shí)，各國(guó)不斷地研發(fā)以使穩(wěn)定性和發(fā)電效率兼顧，中路股份經(jīng)過(guò)7年的研發(fā)突破發(fā)展了傘梯技術(shù)，創(chuàng)造性的解決解決了其他高空風(fēng)發(fā)電技術(shù)在空中的做功和穩(wěn)定性互相制約的問(wèn)題，在保證了發(fā)電效率穩(wěn)定及可控。

4 高空風(fēng)力發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)前景

我國(guó)風(fēng)力發(fā)電科技正在逐步實(shí)現(xiàn)從量到質(zhì)的轉(zhuǎn)變，完善和發(fā)展風(fēng)力發(fā)電科技的實(shí)力，實(shí)現(xiàn)從風(fēng)電大國(guó)向風(fēng)電強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變。根據(jù)我國(guó)《“十二五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中指出到2020年，全國(guó)累計(jì)并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)2億kW以上，年發(fā)電量超過(guò)3 800億kWh。風(fēng)電裝備具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，技術(shù)創(chuàng)新能力達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。迄今，國(guó)內(nèi)外的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)基本上是基于低空（300 m以下）風(fēng)力發(fā)電技術(shù)而形成的，因此，國(guó)內(nèi)外風(fēng)電市場(chǎng)目前的競(jìng)爭(zhēng)格局基本上是也是依據(jù)于低空風(fēng)力發(fā)電技術(shù)而形成。

高空風(fēng)能發(fā)電，具有發(fā)電輸出穩(wěn)定、時(shí)間長(zhǎng)（發(fā)電時(shí)間6 000 h/a以上高于常規(guī)風(fēng)電約為2倍以上）、成本低、功率大（單機(jī)組功率可達(dá)50 MW）、占地面積?。ú坏酵纫?guī)模常規(guī)風(fēng)電的1/2）、對(duì)環(huán)境生態(tài)無(wú)影響、電站選址受限少（在空域許可的條件下各地均可建發(fā)電站，可選在主干電網(wǎng)附近或大城市周邊、現(xiàn)有風(fēng)電場(chǎng)附近）等諸多優(yōu)點(diǎn)，是新能源發(fā)展道路上具有遠(yuǎn)大前景的重要領(lǐng)域，能有效解決日益嚴(yán)重的能源短缺和空氣污染問(wèn)題。據(jù)測(cè)算，我國(guó)大力推進(jìn)高空風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，以到2030年規(guī)劃推廣應(yīng)用1 000套（100 MW/套）該高空風(fēng)能發(fā)電技術(shù)測(cè)算，可實(shí)現(xiàn)能年發(fā)電量6 000億kWh，年節(jié)約燃煤消耗總量2億t原煤，減少CO2排放量約5億t，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)值約8 000億元；快速推動(dòng)我國(guó)可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展和我國(guó)節(jié)能減排工作目標(biāo)。

5 總結(jié)

高空風(fēng)能發(fā)電技術(shù)已經(jīng)作為一個(gè)嶄新的新能源技術(shù)進(jìn)入人類能源可持續(xù)發(fā)展序列，其經(jīng)濟(jì)性和資源的豐富潛力決定了將對(duì)能源供應(yīng)產(chǎn)生重大影響。但是高空風(fēng)力能源的應(yīng)用還需要引起國(guó)家和行業(yè)的重視。

（1）以谷歌、意大利Kite Gen，美國(guó)Al taeros等為首的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手擁有強(qiáng)大的資金、人脈和技術(shù)力量，以國(guó)內(nèi)研發(fā)及應(yīng)用進(jìn)度預(yù)測(cè)只有2.5年甚至更少的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。我國(guó)的高空風(fēng)能技術(shù)要保持目前的世界范圍內(nèi)的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，必須率先完成大功率（百兆瓦級(jí)）商業(yè)電站的應(yīng)用，同時(shí)在國(guó)內(nèi)迅速鋪開，在世界范圍內(nèi)搶占高空風(fēng)能的技術(shù)制高點(diǎn)；因此加大力度支持國(guó)有高空風(fēng)力發(fā)電示范應(yīng)用迫在眉睫。

（2）新技術(shù)推向商業(yè)化，項(xiàng)目實(shí)施涉及空域、土地、接入、融資等多個(gè)環(huán)節(jié)，涉及空軍、民航、各級(jí)政府、銀行等多個(gè)領(lǐng)域，審批環(huán)節(jié)多、項(xiàng)目立項(xiàng)難。迫切需要進(jìn)一步提升高空風(fēng)能發(fā)電技術(shù)戰(zhàn)略高度，通過(guò)更高層次的關(guān)心和支持,跟高規(guī)格的宏觀指導(dǎo)、統(tǒng)一規(guī)劃，加大政策和資金扶持，推進(jìn)落地商業(yè)示范項(xiàng)目。

（3）大型低速發(fā)電設(shè)備、傳動(dòng)設(shè)備、控制設(shè)備等配套設(shè)備的研發(fā)升級(jí)，將大大降低高空風(fēng)力發(fā)電的成本，迅速提高技術(shù)成熟度和經(jīng)濟(jì)性，使該項(xiàng)新能源技術(shù)快速由成本接近火電價(jià)格發(fā)展為售電價(jià)格向火電看齊。

Overview of H igh Attitude Wind Pow er Generation Technology and Industry Prospect

Yu Zengsheng Shanghai Energy Efficiency Center Wu Jun ZhongLu Energy(Shanghai)Limited Company

High attitude Wind power generation technology application is the main part of realizing 2030 em ission reduction task in China. China has achieved breakthrough progress in this field and solved high attitude materials and Wind power generation sustainability and stability, which is feasible and econom ically effective and necessary to be into market promotion.

High Attitude Wind Power Generation, Umbrella and Ladder Combination, New Energy

表1 風(fēng)電技術(shù)比較一覽表

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.07.002