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技术交流 2018-11-09 09:56
中国电工网讯:
    过去两年时间,在美国、欧洲涌现了一批研发高空风电技术的公司,撇开成立时间较早的MakaniPower、KiteGen不谈,新近涌现的公司有三四十家之多,经粗略统计,高空风能发电公司全球已经有50家。
    大多数人对高空风电技术都很陌生。2013年谷歌[微博]首次以GoogleX为名宣布收购空中风力涡轮发电设备公司MakaniPower,高空风电技术引起了小范围的公众关注。但就像谷歌眼镜、谷歌Wifi热气球计划一样,科技发烧友认为,高空风电从技术走向商业化还需要很长时间。
 
    谷歌收购的MakaniPower公司设计的空中风力涡轮发电设备
 
    可能改变世界的能源技术
 
    欧美等发达国家的资本源源不断在高空风能发电技术上烧钱,主要是因为高空风能发电优势明显,很有可能是改变世界的能源技术:
 
    高空的风能密度是低空风能的十倍至百倍。利用风能发电,需要考虑项目所在地的风能密度,风能密度低于200瓦/平方米,则不适宜发展风电。随着海拔提高,优质空域的风能密度可以达到2000瓦/平方米。如果进一步上升到万米高空,风能密度是百米空域的百倍。
 
    以湖北宜昌某地2000年1月1日的风能数据为例,高度131米时,风速1米/秒,风能密度为0.64瓦/平方米,不具备开发价值;但当高度达到3000米以上时,风速会从百米高度的1米/秒提高到11米/秒,风能密度提高到627瓦/平方米,具有较高的开发价值。
 
    高空风能由于密度高、设备轻量化、年利用小时数提高,理论上讲,风电效益会显著高于低空风电项目。因此,2013全球风能理事会已经做出预测,认为高空风能是新一代的新能源技术,高空风能可在不同程度上消除现有新能源技术的缺点,且具有新的优点,将部分代替目前巨额的传统风能市场,是新能源领域的投资热点和发展方向。
 
    高空风能与我国的用电格局存在着天然的匹配。美国国家环境预报中心曾对全球的风能密度做过严密测算,显示我国的传统风能资源(100米)主要分布在内蒙、吉林、新疆和东南沿海较为狭窄的部分地区。这些地区与经济中心距离较远,造成了发电单位与用电单位地理位置不匹配(其它火电、水电等传统能源亦有类似的问题)。
 
    由于我国特殊的地理环境,当高度超过500米后,风能密集地区便逐渐向东南沿海移动,在3000米到1000米范围内,高空风能资源最密集的区域正好集中在华东、华中、华南等经济最发达地区,如果高空风能可以大规模收集利用,则无需耗费巨资建设长距离、大容量的输电通道。
 
    高空风电全球进入技术赛跑期
 
    全球50多家公司投入巨资研发高空风电,技术路线不一,但总的来说高空风能技术分为两大类:
 
    一类是利用氦气球等升力作用,将发电机升到半空中,在高空中利用丰富的风能转化为机械能,机械能转化为电能,之后通过电缆传到地面电网。
    该类技术路线的缺陷主要是发电功率受限制,发电机功率增加,重量一般也会增加,升空难度加大;此外,由于系统整体较重,发电机组很难升到千米以上的高度,同时因为发电系统位于高空无法实现增压,大功率情况下势必使用大电流输电,所以必须使用直径较粗的导线。这无疑又加大了整个系统的重量,从而限制了该类技术路线的公司设备上升高度。气球类技术路径的风电设备升空高度多分布在300至500米的范围内。
 
    这一技术路线的典型代表为Altaerosenergies的高空风电系统“空中浮动涡轮”(BAT)。发电机被装在一个巨大的充氦飞艇里,上升高度约为300米左右,BAT利用高空的高速风流,发电量比地面风力发电装置高一倍。
 
    另一类技术路径是将发电机组固定在地面,通过巨型“风筝”在空中利用风能拉动地面发电机组,从而将风能转化为机械能,带动地面的发电机转化为电能。从而解决电缆和发电机的自重问题。
 
    意大利KiteGen的MARS(MagennAirRotorSystem)系统是该类技术路线的典型代表。MARS系统主要由高空的拖曳风筝和地面的发电设备两部分组成。拖曳风筝和地面的风力涡轮机相连,并通过安装在发电设备上的航空感应器来控制风筝旋转的方向和路径,以最大限度带动地面涡轮机旋转并发电。
 
    该类技术路线的最大难点在于控制发电系统的稳定性。出于空域利用效率的原因,KiteGen的高空单元往往采取做“∞”字形或圆周运动来收集风能。对于控制系统而言,要不间断改变风筝的运行轨迹,除了牵涉到空中坐标(X,Y,Z),还要改变俯仰角、倾角等共5个坐标,加之控制缆绳受空中扰流和缆绳自身延展性的影响,地面输出动作传导到空中单元往往容易“失真”,使得空中单元姿态控制难度很大。
 
    公司将大量的精力投入到软件控制方面,KiteGen公司曾经一度有200多人的软件团队。而KiteGen早期的发电实验,往往在空中运行几分钟之后就无法正常运转了。至今,KiteGen空中单元控制方面的问题也没有很好的解决。
 
    高空风电中国制造
 
    在高空风电这一前沿领域,一家中国公司跑在了所有企业前面。2009年,张建军、邹南之等人从美国回到中国,在广州成立了广东高空风能技术有限公司,是亚洲第一家从事高空风电技术研发的公司。虽然成立时间晚于MakaniPower、KiteGen等公司,但张建军他们走了一条不同的技术路线,成功实现弯道超车。目前,广东高空风能技术有限公司首个400MW高空风能项目进入筹备期,芜湖2.5兆瓦试验电站项目(400MW项目的前期试验机组)厂房建设、设备安装基本完成。
 
    尽管欧美等发达国家有多家公司都在积极研发高空风电技术,其中不乏谷歌、NASA等实力金主供血,但作为商业化起跑线上的第一人,张建军十分自信。“我们不担心国外的竞争,因为我们有明显的技术优势。”
 
    广东高空风能技术有限公司采取“风筝式”技术路线,但系统设计与KiteGen等公司有明显差异。
 
    1、高空风能利用方式舍弃巨型“风筝”,改为伞形结构,降落伞的圆形对称结构有利于提高系统稳定性。利用高空风能做上下运动,产生的机械能拉动地面发电机转化为电能。空中系统只需要改变高度即可,空中控制系统存在自稳定特点,容易控制飞行姿态。系统做功过程只是上下运动,不会有“乱跑”的问题。
    简单说,广东高空风能系统是通过降落伞的上下循环往复运动实现发电。“当伞张开的时候,在风的作用下往上升,升上去的时候做功,到了一定高度的时候,伞就会收掉。整个过程由伞上的控制器决定。比如我们设定3000米,他到3000米的时候就收掉,下滑到300米的时候伞就打开,上升过程中就会发电。”张建军介绍。
 
    目前,全球高空风电试验项目多集中在300米至500米的空域,如谷歌MakaniPower的风筝发电机可以上升到80-350米的高度,新近准备放飞的发电机可以飞到450米高空。而广东高空风电系统可以上升到数千米以上的高空。
 
    2、采用伞梯组合形式,机组主要由两部分组成:空中系统和地面系统。空中系统由多个做功伞、若干平衡伞外加飘空气球组成;地面系统主要是由发电机、卷扬机(滚筒和反向转动电机)和万向滑轮组成;伞之间、做功伞与卷扬机之间是通过轻质高强度缆绳连接。
 
    风电系统的发电量由当天的风速决定。理论上看,在空中系统的捕获面积(风筝的大小)一定的情况下,风速越高,功率越大,反之亦然。这在客观上导致了风电系统功率时大时小,给电网带来了较大压力。
 
    而伞梯组合的特点是能在任意风力环境下实现稳定功率发电。当风力较低时,空中控制系统在上升阶段将打开全部的做功伞。风力较大时,则只有部分做功伞被打开,从而实现任何风力环境下的稳定功率输出。伞梯组合的形式实现了高空风电系统从“能发电”到“稳定功率发电”的突破。
 
    此外,伞梯组合受风面积大:广东高空风电系统利用多个巨型降落伞收集风能,受风面积大,KiteGen的风筝式收集风能方式兜风面积较小,MakaniPower以涡轮叶片顶端(类似于直升机螺旋桨)的风能收集方式兜风面积更小。
 
    广东高空风能过去五年来要解决的最大难题就是伞体控制的问题。伞梯组合型发电系统的难点在于如何实现巨型降落伞的自由开合。“到目前为止,很多人都不相信我们这么大的伞可以在空中实现自由开合,我们一个伞是几百平米甚至上千平米的面积,很多人认为你开了就合不上,合上了就打不开。
 
    所以在空中巨大升力的情况下,如何灵活控制伞的开合是一个难题。”张建军说,控制器是该公司的核心技术。目前控制器相关的技术已经申请计算机软件著作权并获得授权,设备已成功运行。
 
    3、系统可模块化和规模化复制:伞梯组合功率扩容相对“风筝式”更加容易,只需要增加每组伞梯组合中的做功伞数量就可以提高发电功率,同时可以采取四组到十几组伞梯系统同时牵引地面机组的配置,规模复制能力强。而谷歌MakaniPower的“风筝式”风电系统为提高发电功率,需要进一步增加风力涡轮机的机翼面积以安装更多的螺旋桨,他们从翼长8.5米到今年增加至25.6米,耗时三年时间。
 
    通过以上一系列革命性的设计,伞梯系统具有以下一些优点:
 
    1、理论时间发电时间可以超过95%。年发电时间可高达6500小时以上,对比传统风电全年满负荷发电小时数只有2300小时有明显的改善。虽然高空风电与普通风电在电站投资上并没有节省太多,但由于发电时间和稳定性高于普通风能,高空风电的度电成本不仅秒杀普通风电,甚至可以超过火电,广东高空风能的度电成本低于0.3元。
    2、地面系统集中,高空风能占地面积远小于其他新能源技术。以100兆瓦发电能力为例,高空风电、海上传统风电、陆上传统风电、太阳能发电占地面积分别为100亩、320亩、350亩、4000亩。
 
    3、无需远距离输电:当高度上升到500米后,中国绝大部分区域的风能具备商业开发价值,因此,高空风电基本不受地域限制。高空风能资源条件优异的地方同时也是经济发达的地方。
 
    目前,MakaniPower最新的风电系统发电功率为600千瓦(0.6MW),Altaerosenergies公司研发的高空风电系统“空中浮动涡轮”(BAT)发电功率为100千瓦(0.1MW),更适宜于为偏远地区提供工作生活用电,难以建设大型集中电站。
 
    广东高空风能的商业化则走在了所有高空风电公司前面,车载式高空风能发电系统已完成开发并实现了长时间复杂天气状况下的发电。位于芜湖的首个地面型电站—2.5兆瓦试验电站(400MW项目的前期试验机组)项目目前厂房建设、设备安装基本完成,400MW的电站项目规划也将浮出水面。从近年来的多次实验获得的数据测算,公司高空风电技术商业化之后度电成本有继续下降的潜力,可以达到远低于0.3元的水平,芜湖新厂建设好之后,为进一步保证系统的稳定性,公司将自主生产控制器、降落伞等关键设备。
 
    此外,在空域方面,项目所在地的空域已经多次获得军方批准的使用权,未来将根据项目的运行稳定程度进一步延长时限。低空空域管理改革自去年以来,有加速迹象,1000米以下低空空域飞行有望全面放开,制约高空风电发展的因素将进一步消除。
 
    风筝是我国一项古老的发明,春秋时期,鲁班制木鸢以窥宋城,以科技颠覆了力量的格局。在当代中国科技人手里,这一古老的发明又能否另一次改变世界能源格局呢?中国高空能源展翅高飞还需要相关部门在空域管理、并网发电及后期的产业化方面给予更多的政策支持和鼓励,让中国的技术优势真正引领世界。
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