肖利坤

（國家電投集團廣東電力有限公司廣州分公司，廣東 廣州 511458）

1 高空風力發(fā)電技術前景分析

中國高空風能資源儲量是世界最豐富的國家之一。據(jù)了解，當國內(nèi)風能資源的使用達到60%時，它產(chǎn)生的電能滿足當前全國用戶用電需求[1]。高空風相比地面風，不僅風速大而且密度一般是地面風能密度的幾十到幾百倍[2]。標準空氣密度為1.225 kg/m2，海拔高度每升高1000 m，空氣密度約降低10%。在高度1000 m以上，特別是在6000～12000 m的高空，風功率密度可高10 kW/m2以上[3]。

美國國家環(huán)境預報中心（NCEP）的數(shù)據(jù)資料表明：在6000 m高空中，我國大部分地區(qū)的風能密度均值超過5 kW/m2，是目前低空風力資源的平均風能密度的20倍以上。

高空風力發(fā)電主要具有以下幾個方面的優(yōu)點。發(fā)電輸出穩(wěn)定、功率大且可調(diào)節(jié)（機組單臺功率達50 MW，集中發(fā)電方式功率更大）。常規(guī)風電年利用小時數(shù)只有約3000 h，而高空風力發(fā)電利用小時達到6000 h，發(fā)電時間更長、單位功率造價成本更低。高空風力發(fā)電對環(huán)境生態(tài)和人們生活幾乎無影響，所以風力發(fā)電站選址受限少。因此它是新能源發(fā)電的重要發(fā)展方向，不僅可以改變現(xiàn)狀的能源供應結構，還可以解決能源短缺及空氣污染的問題[4]，由此可見發(fā)展高空風力發(fā)電前景廣闊[5]。

2 國內(nèi)外技術發(fā)展現(xiàn)狀及路線

高空風力發(fā)電有2種方式理論思路，從理論的角度看都是可行的。一是在高空建造發(fā)電站，利用風力發(fā)電后把電力通過電纜傳輸?shù)降孛?；二是通過把傳動設備放在高空[6]，將風能轉(zhuǎn)化為機械能，再傳遞到地面的發(fā)電機設備用來發(fā)電[7]。

利用這2種理論，目前高空風能發(fā)電主要有3種技術路線，廣東高空風能技術有限公司是目前國內(nèi)為數(shù)不多在高空風能發(fā)電技術方面從研發(fā)、系統(tǒng)設計到發(fā)電站建造全過程的企業(yè)[8]。

2.1 發(fā)電機懸置于空中的技術路線

把發(fā)電機置于高空的技術路線優(yōu)點是不必把笨重的電力轉(zhuǎn)換設備置于空中，只是將較為簡單的風力驅(qū)動設備在高空就將發(fā)出來的電通過傳輸電纜就可以輸送到地面得設備，通過電力的轉(zhuǎn)換后，就能實現(xiàn)發(fā)電，這樣的系統(tǒng)易于控制在空中停留的時間[9]。

在高空風能發(fā)電的發(fā)電機渦輪機型，由于受到發(fā)電設備在重量重和體積大的影響，要做到大規(guī)模發(fā)電難以實現(xiàn)。同時龐大的空中平臺上升到高空也難以承擔克服發(fā)電系統(tǒng)巨大的自重，安全性能和收集的風能也不是很理想，控制系統(tǒng)相較也復雜。同時此類發(fā)電方式也須要解決如何把發(fā)電機產(chǎn)生的電能從空中傳輸?shù)降孛娴膽脠鼍皢栴}。這一類發(fā)電技術很難建造MW級發(fā)電系統(tǒng)，當前往往用于小型化場景應用[10]。

2.2 發(fā)電機置于地面的技術路線（非傘梯型）

目前國際主流的高空風能發(fā)電技術，多采用發(fā)電機置于地面的系留風箏型技術路線，從而克服發(fā)電機置于空中，功率等級較低的局限性。同時，非傘梯型結構升空高度仍然受限，其空中系統(tǒng)運行軌跡的穩(wěn)定性難題和空中系統(tǒng)控制技術瓶頸仍面臨挑戰(zhàn)。當前，此技術路線的發(fā)電設備功率等級仍停留在百千瓦級。

2.3 發(fā)電機置于地面的技術路線（傘梯型）

2022年1月17日，由中國能建采用梯傘組合高空風能發(fā)電技術，在我國投資、建設、運營實施的安徽績溪高空風能發(fā)電示范項目正式開工，該項目屬于我國首創(chuàng)一體化高空風能項目[11]。

2010年4月中路股份公司下屬廣東高空風能公司研制出基于傘梯組合型高空風能發(fā)電技術的國內(nèi)首臺100 kW高空風電系統(tǒng)樣機。2015于蕪湖建設完成2.5 MW高空風能試驗電站，實際測試單繩功率超過600 kW，蕪湖2.5 MW高風風能系統(tǒng)試驗站如圖1所示。

圖1 蕪湖2.5 MW高風風能系統(tǒng)試驗站

傘梯型風力發(fā)電技術，包括地面系統(tǒng)和高空系統(tǒng)2部分。地面系統(tǒng)由卷揚機（滾筒和反向轉(zhuǎn)動電機）、發(fā)電機、滑輪組成。高空系統(tǒng)又包括多個平衡傘、做功傘組成。傘之間、做功傘與卷揚機之間連接是通過輕質(zhì)高強度纜繩實現(xiàn)的[12]。蕪湖實驗站放飛試驗現(xiàn)場如圖2所示。

圖2 蕪湖實驗站放飛試驗現(xiàn)場

傘梯型高空風能發(fā)電技術的升力平衡系統(tǒng)與做功系統(tǒng)是分別控制的。首先平衡系統(tǒng)在風的作用下產(chǎn)生升力，自己不參與做功，但是它維持整個系統(tǒng)在空中的平衡，保持穩(wěn)定。做功系統(tǒng)在風的作用下起作用，將風能轉(zhuǎn)換為機械能，再傳遞到地面的發(fā)電機轉(zhuǎn)動發(fā)電。而做功系統(tǒng)和平衡系統(tǒng)相對保持獨立，在風的隨機擾動下，平衡系統(tǒng)依然可以達到自我調(diào)節(jié)而不影響做功系統(tǒng)的做功。并且做功過程中對系統(tǒng)的擾動也不會直接傳遞到平衡系統(tǒng)，從而使平衡系統(tǒng)在整個運行過程中都保持穩(wěn)定狀態(tài)，最后保證了整個系統(tǒng)做功的穩(wěn)定進行，達到了發(fā)電的要求。

3 市場前景與經(jīng)濟效益分析

經(jīng)過對高空傘梯組合式風能發(fā)電系統(tǒng)分析，發(fā)展高空風能發(fā)電科技示范工程項目，按優(yōu)化平穩(wěn)運行方式最低規(guī)模配置為6 MW（4 × 2 MW系統(tǒng)），通過“三升一降”模式運行，可實現(xiàn)發(fā)電運行曲線基本平滑穩(wěn)定（類似汽車四缸發(fā)動機原理，交替上升發(fā)電）。

項目投資占比空中設備18%～20%，地面設備40%～45%，剩余為輸變電設備及其他。未來技術成熟設備量產(chǎn)后，預期裝機成本可降低至6000元/kW區(qū)間，預期發(fā)電成本降至0.1元/kW·h。項目經(jīng)濟性如表1所示。

表1 10 MW發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟性

4 風險點分析

4.1 項目選址

高空風能項目可發(fā)電區(qū)間500～8000 m，考慮軍用飛機、民航飛機等飛行器的空域管制，東部城市密集地區(qū)可用空間為500～3000 m，項目選址有較多受限性，應充分考慮現(xiàn)有及規(guī)劃空軍基地、民航機場、飛行線路、空間飛行器試驗基地、區(qū)域管制高度、禁飛區(qū)等多重因素。另外升空須當?shù)剀娛虏块T審批[13]，如選址風險分析不充分，可能導致項目無法或者較少時間升空發(fā)電，將嚴重影響項目運行小時數(shù)。

4.2 無長時間滯空運行試驗

國內(nèi)高空風力發(fā)電系統(tǒng)尚無長時間滯空發(fā)電試驗，受限于試驗項目選址附近有空軍基地等原因，最長滯空發(fā)電市場為10 h，對高空風力發(fā)電系統(tǒng)長時間滯空發(fā)電的穩(wěn)定性缺乏相應數(shù)據(jù)支撐。

4.3 缺乏高空測風數(shù)據(jù)

目前高空風力發(fā)電項目缺乏高空測風數(shù)據(jù)，試驗數(shù)據(jù)基于美國國家環(huán)境預報中心的衛(wèi)星數(shù)據(jù)及實驗室吹風試驗，對高空風資源缺乏關鍵數(shù)據(jù)，高空雷擊、臺風等惡劣天氣數(shù)據(jù)僅為預估，無實際試驗數(shù)據(jù)。

4.4 功率預測系統(tǒng)待完善

功率預測系統(tǒng)缺失，風速儀安裝在高空，隨高空捕風裝置漂浮，測風數(shù)據(jù)不精確，不能準確進行發(fā)電機組功率預測。系統(tǒng)因空域管控等缺乏長時間滯空運行試驗數(shù)據(jù)。

5 總結

高空風能發(fā)電技術不受區(qū)域資源稟賦限制，占地面積遠低于光伏發(fā)電及風機發(fā)電，如實現(xiàn)技術成熟且項目穩(wěn)定運行，可實現(xiàn)對低風速區(qū)域的清潔能源布局及城市遠郊的能源開發(fā)供給，助力實現(xiàn)碳中和。