高空風(fēng)能：前景可期的綠能場？
近期，我國自主研制的浮空風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)成功升空發(fā)電，引發(fā)業(yè)內(nèi)關(guān)注。高空風(fēng)能作為新能源領(lǐng)域的重要組成部分，因其清潔、可再生、能量密度大、可利用小時數(shù)高等優(yōu)勢，被認為是前景可期的綠色能源。采集高空風(fēng)能可以獲得清潔、低成本、高穩(wěn)定性的風(fēng)電，對其的開發(fā)和利用或?qū)θ蚰茉吹木G色轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生深遠影響。
我國是世界高空風(fēng)能資源最豐富的國家之一，相關(guān)技術(shù)發(fā)展如何？距離應(yīng)用階段還有多遠？如何謀篇布局，為能源結(jié)構(gòu)的綠色轉(zhuǎn)型提供新動力？記者帶著這些問題對相關(guān)企業(yè)和專家進行調(diào)研和采訪，了解我國在高空風(fēng)能領(lǐng)域的探索與實踐。
自主研制 成功升空發(fā)電
10月10日，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的S500型涵道式浮空風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，在湖北荊門漳河機場試驗區(qū)域輕盈放飛升空，順利達到500米高度并成功發(fā)電。
據(jù)介紹，涵道式浮空風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，是利用充氦浮空器將輕量化的發(fā)電機組運升至設(shè)定高度，利用涵道引射擴散原理，通過系纜將電能傳輸至地面的技術(shù)及裝備系統(tǒng)。整個系統(tǒng)由浮空平臺、發(fā)電模塊、電力傳輸和系留線纜組成。此前297米的升空高度和30千瓦的發(fā)電功率，長期由國外研究團隊保持。
北京臨一云川能源技術(shù)有限公司聯(lián)合清華大學(xué)、中科院空天院等多家科研機構(gòu)協(xié)同創(chuàng)新。研發(fā)團隊已經(jīng)完成了初始驗證樣機、工藝驗證樣機、萬米浮空樣機和原理測試樣機，形成了應(yīng)急搶險型號（S500）與發(fā)電高度不超過3000米的初級電網(wǎng)型號兩大產(chǎn)品系列。
“S500型涵道式浮空風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是為應(yīng)急救援、智能測繪、城市安保等低空經(jīng)濟應(yīng)用場景研制的產(chǎn)品系列。當?shù)卣?、洪?zāi)發(fā)生后，它能迅速升空，幫助保障現(xiàn)場供電、通訊暢通等，并將前方實時畫面?zhèn)骰刂笓]中心?！北本┡R一云川能源技術(shù)有限公司首席技術(shù)官翁翰鈳介紹，直徑15米、長度23米的S500順利升空至500米高度，載荷量、升阻比、風(fēng)能利用率達標，迎風(fēng)姿態(tài)穩(wěn)定，發(fā)電功率保持在50千瓦以上。后續(xù)還將測試1000米高度及100千瓦發(fā)電功率。
北京臨一云川能源技術(shù)有限公司創(chuàng)始人兼CEO頓天瑞說，S500型涵道式浮空風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，已構(gòu)建了以引射擴散升力體涵道布局為基礎(chǔ)，以廣域低溫氣體循環(huán)技術(shù)、光量子風(fēng)場遙感預(yù)測系統(tǒng)、晶振高功率密度直流發(fā)電系統(tǒng)為主干的自主技術(shù)體系。
各方競逐 尚待開發(fā)
距地面500米至10000米的高空風(fēng)能是人類迄今還沒有開發(fā)利用的新能源。這是一種儲量豐裕、分布廣泛的可再生清潔能源。國外環(huán)境和氣候科學(xué)家的研究報告指出，高空中蘊藏的風(fēng)能超過人類社會總需能源的100多倍。高空風(fēng)的特點是風(fēng)速高、分布廣、風(fēng)向穩(wěn)定、常年不斷，具有很高的能源開發(fā)價值。
在風(fēng)能資源豐富的風(fēng)力發(fā)電站區(qū)域，地面風(fēng)力也遠小于高空，地面附近的風(fēng)力密度低于每平方米1千瓦。而在高空區(qū)域，風(fēng)力密度則可以達到每平方米5至10千瓦，甚至更高。
根據(jù)風(fēng)力發(fā)電的基本原理，風(fēng)中的能量與風(fēng)速的三次方成正比。中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院浮空器高空發(fā)電項目負責(zé)人宮澤奇解釋說，這意味著，風(fēng)速增加1倍時，風(fēng)中的能量增加到8倍，3倍風(fēng)速則意味著高達27倍的能量。因此，風(fēng)速快的地方是理想的風(fēng)力發(fā)電場。
我國是世界高空風(fēng)能資源豐富的國家之一，內(nèi)蒙古、甘肅北部、東南沿海等地區(qū)低空風(fēng)能最富集，而高度在5000米以上時，我國大部分地區(qū)的風(fēng)能密度均超過每平方米1千瓦。采集高空風(fēng)能可以獲得清潔、低成本以及高穩(wěn)定性的風(fēng)電，這使得高空風(fēng)能的發(fā)電效率遠高于地面風(fēng)電。
近年來，隨著材料技術(shù)、浮空器技術(shù)、輕量化電機系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，高空風(fēng)能發(fā)電技術(shù)的價值逐步凸顯，為全球能源轉(zhuǎn)型提供了可持續(xù)、可再生的能源解決方案，成為全球能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵組成部分。
事實上，國外早在20世紀70年代出現(xiàn)能源危機時，各類高空風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計就不斷涌現(xiàn)。發(fā)達國家對高空風(fēng)能發(fā)電的研究從未停止，美國、法國、德國、荷蘭、意大利等多次進行過高空風(fēng)能發(fā)電試驗。目前，全球有超過50家高空風(fēng)能發(fā)電公司，注冊了數(shù)百項專利。
宮澤奇說，高空風(fēng)能的開發(fā)方式多樣，按照風(fēng)能捕獲與機電能量轉(zhuǎn)化方式的不同，目前，世界上的高空風(fēng)能發(fā)電技術(shù)可分為空基高空風(fēng)力發(fā)電、陸基高空風(fēng)力發(fā)電兩種類型。
加速從技術(shù)突破向?qū)嶋H利用邁進
隨著全球?qū)稍偕茉葱枨蟮娜找嬖鲩L，高空風(fēng)力發(fā)電技術(shù)正成為綠色能源領(lǐng)域的一顆新星。清華大學(xué)電機系副主任陸超教授認為，中國逐漸具備發(fā)展高空風(fēng)電的“天時、地利、人和”。
天時，政策與市場雙重驅(qū)動。我國堅定推進碳達峰、碳中和，高空風(fēng)能發(fā)電技術(shù)迎來了前所未有的發(fā)展機遇。出臺《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃（2016-2030年）》等系列政策，將高空風(fēng)力發(fā)電技術(shù)寫入國家重點研發(fā)計劃指南，為高空風(fēng)力發(fā)電行業(yè)提供了明確、廣闊的市場前景。此外，能源央企紛紛成立包括高空風(fēng)能開發(fā)的新能源業(yè)務(wù)板塊，高空風(fēng)電市場漸熱。
地利，豐富的高空風(fēng)能資源。中國獨特的高空風(fēng)能資源為高空發(fā)電技術(shù)發(fā)展提供了天然的地理優(yōu)勢。有國際權(quán)威氣候監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，高空風(fēng)能最佳地點就包括中國所在的亞洲東海岸。數(shù)據(jù)顯示，最先進的地面風(fēng)力發(fā)電站的風(fēng)力密度低于每平方米1千瓦，而中國陸地上空萬米高空處大部分地區(qū)的風(fēng)力密度均值逾每平方米5千瓦。其中，江浙魯?shù)貐^(qū)上空的高空急流附近的風(fēng)力密度甚至可達每平方米30千瓦。中國的高空風(fēng)能條件尤其好，風(fēng)力強且分布廣，大部分地區(qū)都具有適合發(fā)展高空風(fēng)電的氣候條件。
人和，技術(shù)突破與人才優(yōu)勢。據(jù)了解，中國企業(yè)在陸基和空基兩種技術(shù)路線的成功探索，使得中國在高空風(fēng)能顛覆式技術(shù)方面躋身世界前列。在此過程中培養(yǎng)而成的一批專業(yè)的技術(shù)和管理人才，也將為中國高空風(fēng)能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用提供穩(wěn)固、持續(xù)的智力支持。
陸超建議，通過政策支持、市場準入、國際合作、加快示范項目建設(shè)等，充分利用天時地利人和的優(yōu)勢，加速高空風(fēng)能早日從技術(shù)突破向?qū)嶋H利用邁進，實現(xiàn)商業(yè)化和規(guī)模化發(fā)展。
