編譯 騰慧月

放過風(fēng)箏的人都知道，只要能讓風(fēng)箏升入高空，就很容易利用高空的風(fēng)讓它保持穩(wěn)定飛行。如今，科學(xué)家正在嘗試在離地面200 米以上的高空安置大型“風(fēng)箏”，利用這一特性發(fā)電。

越高，越高能

靠近地面的風(fēng)往往因與樹木、山丘和建筑物等的摩擦而減速甚至變向。隨著高度增加，平均風(fēng)速會(huì)增大。高空的風(fēng)能儲(chǔ)量更豐富、更穩(wěn)定，是目前近地面的風(fēng)能無法比擬的。在過去的幾十年里，人類已經(jīng)提出許多利用高空風(fēng)能的設(shè)想，比如在飛行器上安裝渦輪機(jī)。目前看來，較為可行的一種方法是用計(jì)算機(jī)操控形態(tài)可變的“風(fēng)箏”。

“風(fēng)箏”風(fēng)能系統(tǒng)的發(fā)電思路有兩種。第一種，空中飛行，地面發(fā)電——纜繩一端連接“風(fēng)箏”，另一端纏繞在卷揚(yáng)機(jī)上，當(dāng)“風(fēng)箏”在風(fēng)中飛行時(shí)，它會(huì)拉緊纜繩，帶動(dòng)地面的卷揚(yáng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而發(fā)電。隨后，閉合“風(fēng)箏”，減小其升力，纜繩拽著“風(fēng)箏”自然收回。重復(fù)上述過程，就能周期性發(fā)電。第二種，空中飛行，空中發(fā)電——將“風(fēng)箏”設(shè)計(jì)成類似飛機(jī)機(jī)翼的剛性結(jié)構(gòu)，其上托載小型風(fēng)力渦輪機(jī)。當(dāng)“風(fēng)箏”飛起來時(shí)，風(fēng)就會(huì)帶動(dòng)渦輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，由此產(chǎn)生的電順著帶金屬芯的纜繩發(fā)往地面。

與傳統(tǒng)的風(fēng)車發(fā)電相比,“風(fēng)箏”發(fā)電在材料成本方面大有優(yōu)勢(shì)。建造發(fā)電風(fēng)車需要消耗大量石土和鋼材，將轉(zhuǎn)輪“舉”在適當(dāng)?shù)母叨取６凇帮L(fēng)箏”發(fā)電系統(tǒng)中，這些結(jié)構(gòu)被小得多的地面站和纜繩所取代。一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，一套50 兆瓦的“風(fēng)箏”發(fā)電系統(tǒng)在其20 年的使用壽命內(nèi)僅會(huì)消耗913 噸各類材料，而風(fēng)車運(yùn)轉(zhuǎn)20 年消耗的材料多達(dá)2868 噸。毫無疑問，“風(fēng)箏”發(fā)電更環(huán)保、更省錢。

“風(fēng)箏”發(fā)電對(duì)海上風(fēng)力發(fā)電更是意義重大。在目前的海上風(fēng)電領(lǐng)域，當(dāng)水過深以至于難以建造風(fēng)車基座時(shí)，就需要將風(fēng)力渦輪機(jī)裝載在巨大的、類似駁船的結(jié)構(gòu)上，該結(jié)構(gòu)需要承載渦輪機(jī)漂浮海上，因此造價(jià)不菲。而“風(fēng)箏”發(fā)電系統(tǒng)的體積小、質(zhì)量輕，對(duì)漂浮結(jié)構(gòu)的要求相對(duì)寬松。

不過，上述優(yōu)勢(shì)是以技術(shù)的復(fù)雜性為代價(jià)的?！帮L(fēng)箏”發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益只有建立在長(zhǎng)期運(yùn)行和較少人力投入之上方能體現(xiàn)，這無疑對(duì)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制研究領(lǐng)域提出了考驗(yàn)。要知道，“風(fēng)箏”在發(fā)電時(shí)并不是隨意地飄在空中：只有當(dāng)箏面垂直于氣流方向時(shí)，才能最大限度地獲得升力，從而使發(fā)電效率最高。這種靈活的機(jī)動(dòng)性需要通過計(jì)算機(jī)不斷調(diào)整“風(fēng)箏”來保障。其中，對(duì)剛性“風(fēng)箏”的控制通過調(diào)整襟翼和方向舵等轉(zhuǎn)向部件實(shí)現(xiàn)，就像飛機(jī)一樣；對(duì)柔性“風(fēng)箏”的控制則通過調(diào)整轉(zhuǎn)向線的長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)，類似于降落傘。

在風(fēng)力保持穩(wěn)定的情況下，目前最先進(jìn)的“風(fēng)箏”發(fā)電系統(tǒng)能夠在機(jī)載計(jì)算機(jī)和地面計(jì)算機(jī)的方向控制下連續(xù)飛行數(shù)天。但要想拓展應(yīng)用規(guī)模，“風(fēng)箏”就必須能夠可靠地應(yīng)對(duì)突如其來的天氣變化，比如強(qiáng)風(fēng)或陣雨。在極端惡劣的天氣下，自動(dòng)起降的功能也很有必要?？茖W(xué)家表示，短時(shí)間的順利運(yùn)行是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，他們正在努力讓設(shè)備的運(yùn)行壽命達(dá)到幾年甚至幾十年，為此，要走的路還很長(zhǎng)。

技術(shù)難關(guān)還很多

其實(shí)，除了先前提到的對(duì)飛行器的控制、風(fēng)雨雷暴等極端天氣下設(shè)備的安全性和運(yùn)行的穩(wěn)定性以外，高空風(fēng)能在工程應(yīng)用上面臨的挑戰(zhàn)還很多。比如，耐用纜繩的制造、纜繩輸電的損耗、高空低溫環(huán)境下設(shè)備的運(yùn)行能力、壽命、飛行器（包括纜繩）的除冰能力等。而尤其讓人頭疼的一點(diǎn)是，如何確定兩臺(tái)設(shè)備的最近間隔距離（以防纜繩纏繞打結(jié)）。這不難理解——放飛得越高，纜繩越長(zhǎng)，需要的設(shè)備間隔距離就越遠(yuǎn)，對(duì)地面系統(tǒng)規(guī)模的要求也就越高。關(guān)于這個(gè)間隔距離怎樣界定，尚無定論。

作為一項(xiàng)新技術(shù)，工程難題和社會(huì)影響總是相互伴隨的。傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)時(shí)常受到附近居民投訴，機(jī)械噪聲、空間遮擋等都會(huì)影響他們的居住體驗(yàn)。那么，是否能確保該技術(shù)對(duì)生活環(huán)境的影響在可接受的范圍內(nèi)呢？很遺憾，根據(jù)已發(fā)表的研究報(bào)告，盡管“風(fēng)箏”沒有發(fā)電風(fēng)車那么大，但其升降動(dòng)作產(chǎn)生的噪聲仍不容忽視。

此外，目前尚不清楚“風(fēng)箏”會(huì)對(duì)鳥類產(chǎn)生什么影響。支持該技術(shù)的科學(xué)家認(rèn)為，“風(fēng)箏”對(duì)鳥類的傷害應(yīng)該小于風(fēng)車，畢竟“風(fēng)箏”的工作點(diǎn)一般高于鳥類的飛行高度。然而，纜繩本身移動(dòng)很快，而且很難看到，鳥類可能很難避開它們。