高空风能的好处罗伯特·克莱顿/ 2012年12月 矗立于高塔上的风力发电机遍布各地，但机载于高空中的系统有更令人惊奇的优势。 ------------------------------ 为开发产品筹集资金不是件容易的事，任何科技企业的人都是这样认为的。但当我面对这个困难时,它还有其独特的复杂性：我的公司，WindLift，正在开发用风筝发电系统，我们的设计原型能生产12千瓦电能，可以为那些使用的柴油发电的人节省了大量金钱。但是当我费劲的向潜在投资者介绍自己的技术时，他们好像只能回想起儿时折腾的那些风筝，那些用小棍细绳制作的廉价飞行物，让他们相信我公司愿景是不可能的。 然而问题不在于大多数人都只把风筝当成玩具，而是他们没有意识到这种玩具可以变得如此复杂尖端！比如风筝冲浪。自20世纪90年代中期以来，越来越多的爱好者使用大型风筝进行冲浪，和通常用摩托艇拉着滑一样刺激。用风筝冲浪，就可以不用船了，取而代之的是一个大号风筝拉着你在浪尖飞舞。 风筝冲浪中使用的的风筝有20平方米大，相当于一个小广告牌。有了这个风筝，专业的风筝冲浪者真的可以飞起来：在2010年，风筝冲浪速度世界纪录保持者罗布·道格拉斯达到了103公里每小时，比最快的帆船还快。专业的风筝冲浪者能飞到超过15米的空中，然后轻轻地滑回到水面。 能有这样壮举的风筝可就绝非小孩玩的玩意能相提并论的了——它是一个设计巧妙的动力翼。而且它拥有高科技含量的绳索，其强度是钢的15倍。对设计这种风筝和其使用的绳索，人们已经开展了大量的研究，现在仅仅是轻轻地拉下控制线，这些就风筝能在极小的空间里完成翻转。它们能通过调整立即减少产生的拉力，这个特点非常重要，因为即使狂风大作，风筝冲浪者依然能安然无恙的游弋。 利用风筝已经有了这些长足的进步，所以当有几家公司试图利用这些技术进一步进行创新时，应该不是那么让人惊讶吧。一些人用大型风筝拖拉货船和游艇，来减少燃料消耗。我的公司也想通过使用风筝以减少燃料使用，但是通过完全不同的方式——将风筝用于偏远地区的发电设备。在那些地方，用于发电的柴油可是稀缺商品。那些地方的柴油太贵了，所以用风力带动发电机发电是很有经济意义了。 利用风筝来发电的并不是只有我一家公司。较之传统的风力发电机，这种高空风力发电系统有众多优势，最明显的就是这种带绳索的飞行器能到达更高的空中，那里的风能更加强劲稳定。此外，风筝能覆盖的区域受发电机自身直径的限制，因此，这种高空发电系统在本质上更有效率。最后，也用不着支撑巨大旋转叶片的高塔了，这就大幅度削减了建设成本和安装时间。 当然，有优势是一方面，相比于标准的风力发电机，风筝发电系统还要面临一些难题。比如，风力发电机组就不会崩溃。而为了避免风筝发电系统崩溃，必须能够控制风筝，使其能规则的飞行，即便风力变幻莫测也能保持。而且为了系统的稳定和可靠，这种控制必须是自动的。当今市场上还没有符合上述要求的产品，要有估计也是几年以后的事了。 所以我认为现在的情况就和当年人类实现飞翔梦想前的先驱时代一样，没有人知道什么样机翼和控制方式是最好的，或者整个产业是不是一个空谈。但是如果风筝发电的工程师们能持之以恒并足够智慧，这项技术就能像早期的航空业一样迅速发展壮大。 早在19世纪初， 风筝就用来拉小货车。但直到1980年左右，关于风筝发电才有了科学严谨的技术分析。在加利福尼亚州的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室，研究员万里.劳埃德研究了相关的物理学问题，并以《侧风中的风筝所具备的能量》为名在杂志上发表。 劳埃德的研究表明，相比于悬在空中某一点，风筝如果在风中来回飞动能产生相当大能量，根据他的计算，翼展如果能达到洛克希德C-5军事运输的机翼的大小（68米长），在理论上，从每秒10米的风力中就能获得兆瓦级的能量，这完全能和当今最大的风力发电机相提并论。 按劳埃德的设计，通过风筝获取电能有两种方式：一是在风筝机翼上安装涡轮机叶片，类似螺旋桨，空气流过时带动叶片旋转产生电能，然后通过能导电的绳索将电能传送到地面，现在应用这种方式的技术被称作“飞翔的发电机”；另一种方案是通过风筝施加给控制绳索的力，带动安装在地面的设备发电。 但劳埃德没有研究另一种可能性，就是涡轮叶片不仅仅作为能量收集装置，而且可以同时产生上升拉力。这是澳大利亚工程师布赖恩·罗伯茨在1979年开始尝试的技术，他称之为“gyromill”，现在他和总部位于加州“天空风电“公司正在合作研究。 从20世纪90年代开始，世界各地的其他团体也开始尝试各种风筝发电的技术。但其中大部分的计划都涉及雄心勃勃的庞大系统，因此即便取得了很多专利，也无法实现。这些早期发明家中最有名的可能就是乌波·欧克斯了，荷兰第一个宇航员，他于1993年提出了“多风筝梯形电站”。欧克斯现在是航空航天工程学教授，他的“梯形电站”虽然一直未能建成，但他在荷兰代尔夫特理工大学开发空中发电系统所取得研究成果备受推崇。 总部位于汉堡的"天帆“公司创始人之一斯蒂芬·弗拉格也是这一领域领军人物，他已经筹集了七千多万美元用于开发能带动船舶前进的风筝。致力于开发空中风电的个人和公司不断涌现，他们所孕育的理念都非常引人入胜。 我自己开始思风筝来发电是在2005年。那时我洪都拉斯旅行归来，在那里电网到不了的地区迫切需要便宜的电力。在那些农村地区只能依靠柴油发电，但由于燃料成本限制，他们不能连续用电。 众多发展中世界面临同样的问题。在那些地方，即使是移动通讯业也要依靠持续的柴油发电，无线通讯服务因而价格昂贵。事实上，据位于伦敦的全球移动通信系统协会（GSM Association）测算，在全球范围内，移动通讯运营商为偏远信号基站花费的柴油发电费用约15亿美元。 在战时，柴油稀缺也个大问题，在战争区域用于移动发电的燃料成本接近4美元每千瓦时，是通常电网电费的10倍。（译者：这个比喻似乎不合适，战时军人们不能天天放风筝呀，太显眼了吧）因此，如果利用风筝发电能抵消那怕是小部分的柴油消耗，将会节省大量军用开销，无论是金钱和为保护备用补给线而牺牲的生命。 我开始探索利用风筝发电补充柴油发电时，我正在威斯康星麦迪逊大学读MBA一年级。我当时异想天开。我完全注意到这个领域已经取得成果，想法天真。接着，我创办了WindLift，开始寻找研发展经费。 我和风险投资家第一次会面没有拉来钱，但我得到一些很好的建议，那位风投建议我研究下风筝冲浪，他在夏威夷度假时发现了这个运动。我赶紧搜索互联网，终于见识到了人们如何利用大风筝蕴含的能源。为了确保我能学到风筝冲浪的经验，我自己玩起了风筝冲浪。 将风筝用于冲浪或用于发电的设计者都有个大致相同目标，即使风筝能对绳索产生最大的张力。因此，WindLift的第一个设计原型就是使用现成的用于冲浪的风筝进行系统测试，这也是几乎是我独立开发的第一个模型。2008年，我和我羽翼未丰的公司来到北卡罗莱纳州的威斯康星，就是要利用这里充沛的海风，而且用于测试的季节更长些。也是基于同样的原因，1900年莱特兄弟选择了北卡罗莱纳州的基蒂霍克进行试验。可惜的是，从那以后国家的海岸得到了高度开发，当年莱特兄弟试验飞行的孤独沙丘现在每年聚集着数以百万计的游客。所以WindLift的工程师和我选择在几公里外的内陆旷野进行试飞。 作者在陆地上使用冲浪风筝进行WindLift的发电试验,他举着风筝,等着风力足够时放飞.
我们目前的系统使用了一个90厘米直径的滚筒，和一个60千瓦发电机连接，这个发电机最初用于混合动力汽车。风筝通过拉动绳索转动滚筒带动发电机发电，电能存储到铅酸电池里，然后通过控制线使风筝释放拉力，在这个过程中，反过来通过电力带动电机，反转滚筒并再次拉紧风筝。 我们最初的模型用“翼伞”构建的，和现代降落伞原理类似。但是我们很快就意识到，在再次拉紧过程中，需要内部结构稳定飞行的状态。在这个过程中，风筝将释放所有拉力，或者更好的情况是让拉力为负数，即让空气把风筝向下推。 但是翼伞只有在完全收起翼展时才能释放绳索大部分的拉力，因此，我们又使用了一种技术先进的充气风筝，在风筝翅膀前面有一条细长的空气泡，用来保持翅膀形状。即便如此，翅膀还是过于灵活，在再次拉紧过程中难以控制。我们正在做的工作就是设法提高翅膀的强度，但又不能太过僵硬，否则在硬着陆时会损坏或撞坏接触到的东西。如果这样行不通，想要不消耗过多能量就拉回风筝，我们就只能采取完全刚性的翅膀了。 到目前为止，我们已经建立了两个地面发电站，并使用上述带空气泡的冲浪风筝来测试发电。这些风筝无法产生满足我们所设计系统需要的巨大拉力。但这很快就能由我们自己新设计的风筝来完成，预计明年开始试飞。在这之前，只使用标准的冲浪风筝，我们的系统发不了多少电，但是这些试验让我们能将现场测量值和数值模型进行比较，并且研发电子遥测设备和控制自动飞行。 我们并不是独行者。在我们的竞争对手中，最先进的是使用刚性翅膀而不是纤维做的翅膀。这样的设计往往更昂贵，并且在着陆时容易产生损坏.但是这些刚性翅膀比纤维翅膀更符合空气动力学，从而也能从风中获取更多的能量。 位于加利福尼亚州阿拉梅达的公司Makani Power就是是采取这种方式的龙头企业之一。Makani获得了谷歌1500万美元的种子资金、美国高级研究计划局300万美元的拨款以及其他私人投资，他们已经制造出大型碳复合材料风筝，每个风筝配备4台带螺旋桨发电机。在起飞前，这些发电机作为电动机带动螺旋桨转动，作为风筝上天的动力。风筝起飞后就能在风中飞行，飞行所产生提升力很快就是能使风筝在不需要其他助力下前行。一旦靠风带来的推力能和螺旋桨产生拉力平衡，此时，螺旋桨风力发电机的叶片了，发电机将开始产生电力。那时的风筝运行速度非常快，因此Makani的风力发电机可以齿轮变速箱，从而降低了重量和维护成本。
Makani公司在刚性的翅膀上安装发电机.
就在今年早些时候，Makani推出了额定功率30千瓦的自动飞行控制系统原型。他们的工程师们宣称这个系统在不同的风力条件下都能满足设计预期，这就表明，Makani很快就能生产出能投入实际使用制造可靠电力的设备，这将在空中风能领域拔得头筹。 Makani的工程师的最终目标是在海上部署他们的系统，并将生产电能接入电网。我一直怀疑Makani的这种采用刚性翼的方法，因为具有经济意义的是产能50千瓦至5兆瓦的更大的设备，但无论如何，我很钦佩Makani令人印象深刻的技术成就，他们使空中发电更接近商业化了。 如果你依然认为通过风筝发电是天方夜谭，那就想想现在已达到发电厂规模的风力涡轮发电在25年前也显得遥不可及。现在世界上风力发电装机容量已超过238万千瓦，10年就增长了10倍。当然这只能占世界电力需求的一小部分，但是这个比例在不断上升，在加上空中发电，上升速度会更快，进一步削弱对化石燃料的依赖。 所有参与的团队需要进行大量的创造和试验才能成功。航空业的先驱们也有同样的经历，他们面对同样挑战和质疑，但他们最终克服了障碍。我们现在享受着成果，坐飞机时从没有想过是那些非凡的技术让航空旅行变得安全和平常。高空发电也将如此。后人们都将会从中受益，但他们不会去多想这个属于高空的产业在自己起步腾空之前，曾经历过的所有那些失败的实验，曾跨越过的那些无数技术鸿沟。
本文最初以“风电产业：去放风筝吧！”为名发表。 关于作者： 罗伯特·克赖顿在美国威斯康星-麦迪逊大学攻读工商管理硕士学位时开始研发高空风力发电。期间他发现了风筝冲浪运动，并为了研究怎样控制风筝，自己也进行这样运动。他的努力得到了回报，他创办了WindLift公司，并成为开发精密风筝发电原型的几家公司之一 |
|
|
