邵 壘，毛虹霖，邢 勝，利 威，方子淇，侯 洋

高空風(fēng)力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)研究綜述*

邵 壘?，毛虹霖，邢 勝，利 威，方子淇，侯 洋

（重慶交通大學(xué) 航空學(xué)院，重慶 400074）

高空風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)（AWES）主要通過采用系留航空器在一定高度下捕獲穩(wěn)定的風(fēng)能并將其轉(zhuǎn)化為電能，具有低成本、高效率、無污染等優(yōu)勢，近年來受到較大關(guān)注。本文介紹了幾種AWES技術(shù)的基本原理、發(fā)展歷程以及應(yīng)用現(xiàn)狀，并對幾種AWES技術(shù)的結(jié)構(gòu)特點、發(fā)電成本等進(jìn)行了分析和比較，以期為我國未來發(fā)展AWES技術(shù)提供參考。

高空風(fēng)力發(fā)電；高空風(fēng)能；系留航空器

0 引 言

大力發(fā)展可再生能源已成為世界各國尋求可持續(xù)發(fā)展的重要途徑和培育新的經(jīng)濟(jì)增長點的重大戰(zhàn)略選擇。國家能源局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2019年我國風(fēng)電累計裝機2.1億kW，風(fēng)電發(fā)電量4 057億kW?h，約占全國全部發(fā)電量的5.5%，且呈逐年上升趨勢[1-2]。目前，國內(nèi)外的風(fēng)能利用以低空風(fēng)能發(fā)電為主，雖然低空風(fēng)力發(fā)電獲得了快速的發(fā)展，但是仍然存在較多問題：①低空風(fēng)能易受季節(jié)氣候、地理位置、地表環(huán)境以及人類活動等因素的影響，存在分布不均、風(fēng)力不足等問題，直接影響發(fā)電效率和發(fā)電量；②低空發(fā)電技術(shù)占地面積大、噪聲污染嚴(yán)重，建設(shè)成本和管理維護(hù)費用都相對較高；③氣流瞬息萬變，風(fēng)的脈動、季節(jié)變化十分明顯，波動很大。風(fēng)電的不穩(wěn)定性給平穩(wěn)供應(yīng)帶來困難，時斷時續(xù)的供應(yīng)也會縮短線路的壽命，電能運輸消耗方面存在較大的難點[3-5]。

近年來很多國家開始研究高空風(fēng)能發(fā)電技術(shù)，該技術(shù)主要利用距離地面約500 ~ 12 000 m之間的風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電。ARCHER等[6]對世界范圍內(nèi)海拔與風(fēng)能資源分布關(guān)系進(jìn)行研究時發(fā)現(xiàn)，海拔高度每增加1 m，風(fēng)能密度增加0.25 ~ 0.37 W/m2，當(dāng)高度為500 m時，平均風(fēng)能密度約225 W/m2，約為地面風(fēng)能密度的2倍；當(dāng)高度在1 000 m時，風(fēng)能密度能達(dá)到500 W/m2，約為地面風(fēng)能的5倍。我國高空風(fēng)能主要集中在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的華東地區(qū)，當(dāng)海拔高度在10 000 m時，其最高風(fēng)能密度甚至能達(dá)到10 kW/m2，約為地面風(fēng)能的100倍[7]。根據(jù)全國900多個氣象站數(shù)據(jù)進(jìn)行估算，全國平均風(fēng)能密度僅為100 W/m2，說明高空風(fēng)能具有巨大的開發(fā)價值[8]。

實現(xiàn)高空風(fēng)能發(fā)電的主要技術(shù)是高空風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)（airborne wind energy system, AWES），即采用系留航空器達(dá)到傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機無法達(dá)到的高度，在此高度下捕獲穩(wěn)定的風(fēng)能并將其轉(zhuǎn)化為電能。事實上，國外早在20世紀(jì)70年代爆發(fā)能源危機時，各類AWES的設(shè)計就不斷涌現(xiàn)，發(fā)達(dá)國家對高空風(fēng)能發(fā)電的研究從未停止，美國、荷蘭、意大利等國都多次進(jìn)行過高空風(fēng)能發(fā)電試驗[9-11]。目前，全球已經(jīng)超過50家高空風(fēng)能發(fā)電公司，注冊了數(shù)百項專利，開發(fā)了許多樣機和示范區(qū)，世界各地的數(shù)十個研究小組目前正在研究包括控制、電子和機械設(shè)計的技術(shù)問題，其中最具代表性的有三類技術(shù)：①系留風(fēng)箏式AWES技術(shù)，代表性公司有KiteGen、SkySails Power、KitePower等；②系留飛行器式AWES技術(shù)，代表性公司有Makani Power、Sky Wind Power、、對Conference, Ampyx Power等；③系留浮空器式AWES技術(shù)，代表性公司有Altaeros Energies。

目前國內(nèi)還沒有針對AWES展開深入研究，在技術(shù)上和國外存在一定差距。鑒于此，本文在分析三類AWES技術(shù)基本原理、發(fā)展歷程以及國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，深入研究不同技術(shù)的特點和適用特性，剖析AWES技術(shù)的難點，并對其進(jìn)行分析和比較，以期為我國AWES總體方案設(shè)計提供參考。

1 系留風(fēng)箏式AWES技術(shù)

系留風(fēng)箏式AWES技術(shù)目前有兩種方式實現(xiàn)：①滑翔傘式系留風(fēng)箏，即通過控制滑翔傘在高空按特定的“8”字型或者“圓形”軌跡運動從而拖動系留繩，并通過系留繩的牽引作用使發(fā)電機發(fā)電，其原理如圖1a所示。②傘梯狀系留風(fēng)箏，即通過控制傘梯狀系留風(fēng)箏開閉，實現(xiàn)風(fēng)箏上下循環(huán)運動，進(jìn)而拖動發(fā)電機發(fā)電，其原理如圖1b所示。

圖1 系留風(fēng)箏式AWES原理圖：（a）滑翔翼系留風(fēng)箏；（b）傘梯狀系留風(fēng)箏

Fig. 1 The schematic of tethered kite AWES: (a) hang-glider moored kite; (b) umbrella ladder moored kite

1.1 滑翔傘式系留風(fēng)箏

意大利KiteGen公司自21世紀(jì)初以來一直是風(fēng)箏發(fā)電的先驅(qū)，其開發(fā)的AWES如圖2a所示，該系統(tǒng)不僅具有發(fā)電效率高的優(yōu)勢，而且占用的空間和面積也非常小，9個風(fēng)箏發(fā)電機組成的一個風(fēng)電場占地面積為0.025 km2，總功率可達(dá)到27 MW，只需使用5 ~ 6 km2的面積就可以達(dá)到傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電廠占地250 ~ 300 km2的發(fā)電能力[12-13]。根據(jù)KiteGen公司的估計，MARS系統(tǒng)的發(fā)電成本約為0.02 ~ 0.05美元/(kW?h)。目前，KiteGen公司對高空風(fēng)電技術(shù)難點的解決方案受到了多個國家40余項的專利保護(hù)。KiteGen公司建設(shè)了世界上首個規(guī)?；娘L(fēng)箏發(fā)電站，該電站于2015年4月投入使用，裝機容量3 MW。2019年3月13日，意大利石油和天然氣服務(wù)公司Saipem和KiteGen公司簽署了一項協(xié)議，以支持高空風(fēng)電技術(shù)的開發(fā)、建設(shè)和商業(yè)化[14]。

德國SkySails Power公司是滑翔傘式風(fēng)箏系統(tǒng)領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)先者，也是世界上第一家成功將滑翔傘式風(fēng)箏發(fā)電技術(shù)發(fā)展成工業(yè)應(yīng)用的公司，SkySails power公司的200 kW AWES是其主要產(chǎn)品，如圖2b所示，該系統(tǒng)可以滿載達(dá)6 500 h，足夠支撐100個家庭的日常生活用電。與塔式風(fēng)電相比，其發(fā)電量顯著提高，按照不同尺寸，材料使用量減少了70% ~ 90%，生產(chǎn)成本減少了20% ~ 75%，占地面積減少了75%以上，并且該系統(tǒng)可安裝在陸地和海面上，增大了使用范圍。同時，SkySails Power公司還將該技術(shù)用于船舶輔助動力系統(tǒng)（風(fēng)力輔助發(fā)電機），按目前燃料價格計算，發(fā)電成本為0.12 ~ 0.16美元/(kW?h)，風(fēng)力輔助發(fā)電機成本降至0.03 ~ 0.06美元/(kW?h)[15]。此輔助系統(tǒng)不僅降低了燃料消耗成本，還減少了排放，改善了船只的性能；不同于固定動力系統(tǒng)，輔助發(fā)電機可以很容易從一艘船轉(zhuǎn)移到另一艘船上，更高效地利用了風(fēng)力輔助發(fā)電機[16]。

KitePower是荷蘭代爾夫特理工大學(xué)附屬的高空風(fēng)力發(fā)電公司，該公司20 kW的高空風(fēng)電系統(tǒng)在2007年理論上得到了證實[17]。KitePower公司宣稱其開發(fā)的100 kW AWES峰值功率可達(dá)到180 kW，年發(fā)電量為450 MW?h，相比塔式風(fēng)電，其使用材料減少了90%，平均的能源成本不到塔式風(fēng)電的25%，發(fā)電量增加一倍以上，如圖2c所示。并且該系統(tǒng)可以放置在一個6 m長的集裝箱中，具有高度的可移動性，易于部署和維護(hù)。2018年6月在荷蘭法爾肯堡，KitePower公司成功應(yīng)用了該風(fēng)箏發(fā)電系統(tǒng)。但該項目只是KitePower公司的一個試驗性項目，非完全商業(yè)性質(zhì)。

圖2 各公司的滑翔傘式系留風(fēng)箏AWES產(chǎn)品[18-20]：（a）意大利KiteGen公司；（b）德國SkySails power公司；（c）荷蘭KitePower公司

1.2 傘狀系留風(fēng)箏

如圖3所示，廣東高空風(fēng)能技術(shù)公司開發(fā)的傘狀系留風(fēng)箏AWES與KiteGen等公司的高空風(fēng)力發(fā)電實現(xiàn)方案有明顯差異，其結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)能夠在更復(fù)雜的風(fēng)力環(huán)境下實現(xiàn)穩(wěn)定功率發(fā)電。傘梯組合系統(tǒng)在電站投資成本上并沒有節(jié)省太多，但發(fā)電時間和穩(wěn)定性都極大超過了塔式風(fēng)電，其年發(fā)電時間達(dá)6 500 h，比塔式風(fēng)電全年滿負(fù)荷發(fā)電時間只有2 300 h有明顯的提升。其發(fā)電成本低于0.3元/(kW?h)，不僅低于普通風(fēng)電，甚至低于火力發(fā)電。傘梯組合AWES實現(xiàn)了從“能發(fā)電”到“穩(wěn)定功率發(fā)電”的突破。該公司于2010年4月研制出了中國首臺100 kW高空風(fēng)電系統(tǒng)樣機。目前，首臺2.5 MW高空風(fēng)能發(fā)電機組已經(jīng)在安徽羌湖完成安裝，首個400 MW高空風(fēng)能項目已經(jīng)進(jìn)入籌備期[21]。

圖3 廣東高空風(fēng)能技術(shù)公司傘梯狀系留風(fēng)箏AWES產(chǎn)品圖[22]

2 系留飛行器式AWES技術(shù)

系留飛行器式高空風(fēng)電技術(shù)分別通過兩種方式實現(xiàn)：①機載發(fā)電式系留飛行器，將永磁電機固定在飛行器的機翼或槳葉上，控制飛行器迎風(fēng)飛行，使永磁電機轉(zhuǎn)動發(fā)電，并通過系留繩將電能引入儲能設(shè)備，其原理如圖4a所示。②地面發(fā)電式系留飛行器，控制固定翼飛行器在高空按特定的“8”字型軌跡運動從而拖動系留繩，并通過系留繩的牽引作用使地面發(fā)電機發(fā)電，其原理如圖4b所示。

圖4 兩種系留飛行器式AWES原理圖：（a）機載發(fā)電式系留飛行器；（b）地面發(fā)電式系留飛行器

2.1 機載發(fā)電式系留飛行器

美國Makani Power公司設(shè)計了型號為M600的飛行器，其翼展長達(dá)26 m，機翼搭載永磁發(fā)電機，額定功率可達(dá)600 kW，如圖5a所示。該飛行器可以通過全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）和其他傳感器來控制其飛行狀態(tài)和飛行軌跡，并且該公司還設(shè)計了多種飛行模式以適應(yīng)不同環(huán)境，保證了發(fā)電量的最大化[23]。據(jù)該公司估計，這樣一套系統(tǒng)可以為大約300戶家庭供電。2019年，該公司成功展示了海上機載風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)用輕質(zhì)材料取代了數(shù)噸鋼材，能長時間漂浮在海上持續(xù)不斷地發(fā)電。Makani Power公司在挪威卡莫伊的一個海上浮動平臺上成功演示了側(cè)風(fēng)飛行，證明了該模型符合現(xiàn)實，如圖5b所示[24-25]。

美國Sky WindPower公司開發(fā)了飛行風(fēng)力發(fā)電機（flying electric generators, FEG）系統(tǒng)，如圖6[26-28]，F(xiàn)EG系統(tǒng)額定功率為240 kW，轉(zhuǎn)子直徑約10 m，其占地面積約為額定功率相同的塔式風(fēng)力發(fā)電機占地面積的四分之一。FEG系統(tǒng)可以根據(jù)風(fēng)和天氣條件對飛行器進(jìn)行編程以實現(xiàn)自動起飛和降落，其設(shè)計工作高度為5 km，可以攜帶有效載荷（例如監(jiān)視、通信設(shè)備），并且仍然可以向地面發(fā)送大量電能，該系統(tǒng)每年的發(fā)電量將達(dá)到數(shù)兆瓦時。2011年12月，Sky WindPower公司的Jabiru II原型機測試取得成功。

圖5 Makani Power M600機載發(fā)電式AWES[24-25]：（a）M600飛行器；（b）海上浮動平臺飛行演示

圖6 Sky WindPower公司機載發(fā)電式AWES產(chǎn)品[26-28]

2.2 地面發(fā)電式系留飛行器

荷蘭Ampyx Power公司在制造自動飛機方面擁有很多經(jīng)驗，該公司將飛行器用于高空風(fēng)電系統(tǒng)，由先進(jìn)的復(fù)合材料制成的AP3飛行器如圖7所示，其翼展達(dá)12 m，常規(guī)飛行高度為200 ~ 450 m，極限高度可達(dá)750 m，最大荷載可達(dá)4.2 t[29-30]。該飛行器可實現(xiàn)全天候自動進(jìn)行發(fā)射、發(fā)電、著陸操作，無需人工干預(yù)。同時，該公司研發(fā)了AP4和AP5飛行器，AP4是Ampyx Power公司的第一個商業(yè)化產(chǎn)品，150 m2的機翼能和各種發(fā)電機組合使用；AP5采用200 ~ 250 m2的機翼，結(jié)合5 MW的發(fā)電機組，發(fā)電量大幅提升，并且開拓了海上浮動風(fēng)能市場。2017年，該公司與德國公用事業(yè)公司RWE簽署了合作協(xié)議，兩家公司將建立海上測試站[31]。

圖7 Ampyx Power公司地面發(fā)電式AWES產(chǎn)品[32]

3 系留飛行器式AWES技術(shù)

目前，系留浮空器式AWES技術(shù)可以通過兩種方式實現(xiàn)：一是將風(fēng)扇發(fā)電機組固定在一個鏤空形浮空器中，漂浮在一定高度，利用高空風(fēng)能發(fā)電，其原理如圖8a所示。二是將渦輪形浮空器上升到一定高度，利用高空風(fēng)吹動浮空器旋轉(zhuǎn)，從而帶動浮空器兩端的發(fā)電機發(fā)電，原理如圖8b所示。

美國麻省理工學(xué)院成立的初創(chuàng)公司Altaeros Energies設(shè)計了第一個浮動風(fēng)力渦輪機（buoyant airborne turbine, BAT）系統(tǒng)[33]，如圖9。BAT系統(tǒng)利用成熟的航空航天技術(shù)，將風(fēng)力渦輪機提升到高空進(jìn)行發(fā)電，可根據(jù)實際情況自由設(shè)定漂浮高度，并且輸出電能不受任何天氣障礙的影響[34]。據(jù)Altaeros Energies公司介紹，該裝置最高可在離地約600 m的高空持續(xù)發(fā)電18個月，產(chǎn)生的能量是相同大小的塔式風(fēng)力發(fā)電機的兩倍多，其安裝簡單快捷，不需要大型地下基礎(chǔ)設(shè)施來安裝，同時消除了傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪機面臨的許多后勤挑戰(zhàn)。2014年12月，日本軟銀公司向Altaeros Energies公司投資700萬美元，以支持BAT系統(tǒng)的持續(xù)開發(fā)和商業(yè)化[35]。

圖9 Altaeros Energies公司系留浮空器式AWES產(chǎn)品[36]

2008年，加拿大Magenn Power公司開發(fā)了名為空氣轉(zhuǎn)子系統(tǒng)（Magenn air rotor system, MARS）的AWES系統(tǒng)[37]，如圖10所示。MARS利用氦氣為空氣轉(zhuǎn)子提供升力，等上升到一定高度時，獲得高空強勁風(fēng)，使其內(nèi)置渦輪機旋轉(zhuǎn)發(fā)電。此外，旋轉(zhuǎn)還將引起馬格努斯效應(yīng)，該效應(yīng)不僅可以為系統(tǒng)提供額外的升力，而且還可以使設(shè)備保持穩(wěn)定，不隨風(fēng)漂動。Magenn Power公司稱其系統(tǒng)目標(biāo)運用高度在200 ~ 300 m，運行效率可達(dá)40% ~ 50%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過塔式風(fēng)電發(fā)電效率。MARS也有較強的移動性，有望成為一個非常靈活的系統(tǒng)，可以快速安裝到災(zāi)區(qū)或其他偏遠(yuǎn)的需電地區(qū)。目前，該系統(tǒng)進(jìn)展緩慢，仍處于概念驗證階段。

圖10 Magenn Power公司系留浮空器式AWES 產(chǎn)品[37]

總體而言，系留浮空器式AWES是目前高空風(fēng)電較好的解決方式，具有結(jié)構(gòu)簡單、容易控制、能夠?qū)崿F(xiàn)長時間高效率發(fā)電等優(yōu)點，但由于受制于浮空器本身抗風(fēng)性能及體積的限制，使得發(fā)電量難以提高。

4 關(guān)鍵技術(shù)分析

4.1 飛行控制

飛行控制是高空風(fēng)電技術(shù)實用化面臨的主要問題，AWES的做功結(jié)構(gòu)在實際飛行或漂浮中，無法避免各種擾動，如突風(fēng)、紊流等。這些擾動會極大地干擾做功過程，導(dǎo)致飛行軌跡偏離、飛行狀態(tài)紊亂，甚至有可能發(fā)生做功結(jié)構(gòu)墜毀[38]。因此，需要人為控制來調(diào)整其狀態(tài)，使系統(tǒng)保持穩(wěn)定。傳統(tǒng)的增穩(wěn)、控制技術(shù)主要是通過控制整體質(zhì)量來增加物體的穩(wěn)定性，但對于AWES而言，如果采取增重的方式保證其穩(wěn)定性，將會消耗許多功用于克服做功結(jié)構(gòu)的重量。目前各公司也在尋求方法來平衡兩者矛盾?；谀壳帮w行控制面臨的問題，為推進(jìn)AWES發(fā)展，應(yīng)該加強以下四個方面的研究[39]：

（1）加強新技術(shù)飛行器的特征研究。對于新興飛行器的控制機理、復(fù)雜的耦合特性、氣彈效應(yīng)等對飛行控制的影響，進(jìn)行深入研究。

（2）重視新的飛行控制方法研究。針對新技術(shù)飛行器面臨的控制問題，創(chuàng)新控制的基礎(chǔ)支撐理論和方法，重視智能控制在解決復(fù)雜問題上的優(yōu)勢，實現(xiàn)理論和工程應(yīng)用的有機結(jié)合。

（3）加強控制方式的創(chuàng)新研究。針對飛行器特點，創(chuàng)新飛行器控制方式，另辟蹊徑，有效解決目前飛行控制過程中碰到的難題，實現(xiàn)飛行器高效控制。

（4）加強高可靠容錯飛行控制系統(tǒng)的研究。研究低誤報率、高實時性的故障檢測與診斷方法，研究作動器的動態(tài)分配與協(xié)調(diào)方法，發(fā)展實時、大范圍、多學(xué)科優(yōu)化算法，實現(xiàn)任務(wù)在線規(guī)劃、指揮決策。

4.2 發(fā)電穩(wěn)定性

發(fā)電穩(wěn)定性是風(fēng)電技術(shù)難以克服的問題，塔式風(fēng)電主要是由于風(fēng)能不穩(wěn)定導(dǎo)致，但高空風(fēng)電相比塔式風(fēng)電存在更多的不確定因素：高度不斷變化會造成飛行軌跡偏離，系留繩受風(fēng)能干擾會導(dǎo)致傳遞動作的改變，做功結(jié)構(gòu)在做功的同時，還要保持自身平衡，做功運動與相平衡運動相互耦合、相互影響[40]。這些因素使系統(tǒng)的持續(xù)性和穩(wěn)定性受到極大的影響，同時發(fā)電穩(wěn)定性也得不到保障。因此想要做到穩(wěn)定發(fā)電需要滿足以下兩個基本前提：

（1）維持系統(tǒng)穩(wěn)定運行，抗干擾能力強，同時適應(yīng)各種天氣及環(huán)境。

（2）系統(tǒng)整體性強，各個部件配合完好，做到相互平衡，相互耦合。

4.3 低雷諾數(shù)下的空氣動力學(xué)特性

AWES的做功結(jié)構(gòu)與常規(guī)飛行器的空氣動力特性有很大的不同，其尺寸相對較小，飛行速度較低，導(dǎo)致雷諾數(shù)很小。低雷諾數(shù)下，空氣的黏性效應(yīng)顯著，氣動力出現(xiàn)一些與高雷諾數(shù)下明顯不同的特性。主要表現(xiàn)為阻力增大，升阻比減小，氣動力和力矩可能出現(xiàn)“滯回”現(xiàn)象[41]。做功結(jié)構(gòu)的附面層對迎角變化非常敏感，飛行器姿態(tài)的微小變化很可能會導(dǎo)致附面層分離而使升力大受損失。低雷諾數(shù)下的劇烈升阻比下降和升力曲線非線性變化，將會對氣動性能和控制帶來非常不利的影響[42]。

總的來看，微型飛行器所面臨的低雷諾數(shù)（102~ 105）空氣動力學(xué)問題與傳統(tǒng)飛機面臨的高雷諾數(shù)（>106）空氣動力學(xué)存在很大的不同。在低雷諾數(shù)范圍中，黏性效應(yīng)和非定常效應(yīng)表現(xiàn)明顯。由此，科學(xué)家由飛行生物激發(fā)靈感，采用拍動翼、柔性翼以及可變形翼等飛行方式和結(jié)構(gòu)特性來克服低雷諾數(shù)所帶來的不利影響，試圖改善微型飛行器的氣動和飛行性能。但是受投入的資金和人力限制，不管是在理論分析、風(fēng)洞試驗技術(shù)、CFD技術(shù)以及工程算法等方面尚未有成熟的工具，距離解決飛行器低雷諾數(shù)空氣動力學(xué)問題還有很長的路[43]。

4.4 輕質(zhì)高強度的蒙皮材料

在AWES中，做功結(jié)構(gòu)或承載結(jié)構(gòu)的壽命直接決定了整個系統(tǒng)的壽命，其結(jié)構(gòu)應(yīng)保證質(zhì)量輕。制造材料一般為蒙皮材料，但蒙皮材料一直是限制高空風(fēng)電技術(shù)發(fā)展的瓶頸技術(shù)之一[44]。優(yōu)質(zhì)蒙皮材料的加工工藝十分繁瑣，各道工序都會對蒙皮材料的強度、密封性等產(chǎn)生影響。一旦達(dá)不到AWES的使用要求，系統(tǒng)使用壽命將大大縮短，發(fā)電效率將極大降低，甚至不能進(jìn)行工作。因此，對輕質(zhì)高強度蒙皮材料有如下要求：

（1）強度高。由于材料強度取決于浮空器的體積，蒙皮材料的強度應(yīng)為5 000 ~ 6 500 N/5cm（按200 m級，數(shù)十萬立方米容積的飛行器，內(nèi)外壓差為3%，安全系數(shù)約為1.3 ~ 1.7）。

（2）質(zhì)量輕，密度為200 ~ 300 g/m2。過高的材料面密度會使浮空器的凈浮力極大喪失，難以升到預(yù)定高度。

（3）耐環(huán)境性能（耐候性）好。環(huán)境因素包括高低溫、濕度、超強紫外線輻射、耐臭氧等。

（4）阻氦氣滲漏性能強。不論浮空器采用氫氣或氦氣為浮升氣體，都需長期工作，阻氦氣滲漏性能十分重要，由于氫氣分子比氦氣分子更小，以氫氣為浮升氣體時對材料阻滲漏性能要求更高，蒙皮材料阻氦氣滲漏性能應(yīng)為0.22 ~ 1.14 L/(atm?m2?d)。

（5）其他性能。如抗皺折性能、為保持飛艇外形所需的抗蠕變性能、縫合工藝性及易于修補性能都應(yīng)當(dāng)優(yōu)良[45]。

4.5 低阻輕質(zhì)系留繩

在AWES中，系留繩是一種復(fù)合線纜，起著重要作用，除了控制飛行高度和飛行狀態(tài)外，還有傳輸電能、轉(zhuǎn)遞信號等作用。首先，需要關(guān)注的是纜繩的阻力問題。纜繩在空中隨飛行器一起運動會產(chǎn)生空氣阻力，運動速度越快，參與運動的繩長越長，阻力帶來的能量消耗也越多。降低纜繩的阻力可有效提升飛行器的飛行速度和高度。其次，要關(guān)注的是纜繩的重量問題。飛行器飛行高度越高，則纜繩越長，重量也越大，因而纜繩重量是限制飛行高度的主要因素之一[46]。對于AWES，纜繩還要承擔(dān)將機上產(chǎn)生的電能傳輸?shù)降孛娴娜蝿?wù)，增加纜繩導(dǎo)電功能會進(jìn)一步增大單位長度纜繩的重量。并且繩子在惡劣環(huán)境中長時間受到高強度荷載，會加劇老化速度，縮短其使用壽命[47]。一旦系留繩出現(xiàn)斷裂，做功系統(tǒng)將受到極大的破壞，整個系統(tǒng)將會暫停工作。因此，高強度系留繩是保證AWES正常工作的重要條件之一[48]。作為制約整個系統(tǒng)發(fā)電能力的關(guān)鍵因素，低阻輕質(zhì)纜繩技術(shù)這一難題還有待進(jìn)一步研究與發(fā)展。

5 對比分析

在新能源快速發(fā)展的今天，風(fēng)電技術(shù)受到越來越多人的關(guān)注，塔式風(fēng)電技術(shù)作為風(fēng)力發(fā)電的代表，有著優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、改善生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)社會和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)和諧發(fā)展等方面的優(yōu)勢[49]，但也存在受風(fēng)影響大、建設(shè)成本高、效率較低等缺點。高空風(fēng)電技術(shù)的出現(xiàn)，克服了塔式風(fēng)電技術(shù)這些方面的缺點。將塔式風(fēng)電技術(shù)與國內(nèi)外高空風(fēng)電技術(shù)進(jìn)行了簡單的對比，如表1所示[50-51]。

表1 風(fēng)電技術(shù)對比一覽表

6 總結(jié)與展望

開發(fā)高空風(fēng)能是未來能源技術(shù)發(fā)展的需要，AWES發(fā)電成本大多可控制在低于0.3元/(kW?h)，發(fā)電成本較低，電力輸出相對穩(wěn)定，風(fēng)電場的建設(shè)成本較低，占地面積較小，不易受地域差異的限制?？傮w而言，AWES在建設(shè)成本、發(fā)電效率、發(fā)電成本等方面有著較多優(yōu)勢。目前，AWES在我國的研究才處于起步階段，還存在較多技術(shù)上的困難，尤其是在諸如飛行控制、氣動特性、表面材料、發(fā)電穩(wěn)定性等方面存在較多技術(shù)難點。高空風(fēng)能作為一種潛力巨大的綠色新能源形式，如何對其進(jìn)行合理利用與開發(fā)，是我國新能源工業(yè)發(fā)展將要面臨的重大問題之一。

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Review on Development Status and Key Technology of Airborne Wind Energy System

SHAO Lei, MAO Hong-lin, XING Sheng, LI Wei, FANG Zi-qi, HOU Yang

(School of Aeronautics, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074)

Airborne wind energy system (AWES) refers to extract power from high altitude winds and convert into electricity by using the tethered aircraft systems. It has

considerable attention in recent years due to its low cost, high efficiency and no pollution. In this paper, the basic principle, development and application of several AWES technologies were introduced, and their performances were analyzed and compared. This work may provide some reference for the future development of AWES technologies.

airborne wind energy; high altitude energy; tethered aircraft

2095-560X（2020）06-0477-09

TK81

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2020.06.005

邵 壘（1989-），男，博士，講師，主要從事飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計研究。

2020-07-28

2020-09-15

重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項目（KJQN201900738）；飛行器環(huán)境控制與生命保障工業(yè)和信息化部重點實驗室開放課題（KLAECLS-E-202002）

邵 壘，E-mail：shaolei@cqjtu.edu.cn