一、google是高空風(fēng)電先行者
目前致力于高空風(fēng)能發(fā)電的歐美知名公司主要有 WindLift、Makani Power、Altaeros energies 等幾家,這些公司和機(jī)構(gòu)正加快其高空風(fēng)電技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程,同時(shí)還有更多不知名的公司、機(jī)構(gòu)、團(tuán)隊(duì)也在加緊推進(jìn)高空風(fēng)電技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目
MakaniPower 方案
Makani Power 由 Corwin Hardham, Don Montague, and SaulGriffith 三人于 2006 年在美國加州阿拉米達(dá)市成立。2006 年 Makani 獲得了谷歌 1500 萬美元的種子資金、美國高級(jí)研究計(jì)劃局 300 萬美元的撥款以及其他私人投資,2008 年谷歌公司投資又增加到2000 萬美元。2013 年 5 月,Makani Power 被谷歌公司收購,并入 Google X 部門。Google X 開發(fā)了 Google Glass、無人駕駛汽車、超高空(平流層)Wi-Fi 氣球,以及可以監(jiān)測血糖的“智能”隱形眼鏡等著名產(chǎn)品。
Makani Power 已經(jīng)制造出大型碳復(fù)合材料風(fēng)箏,每個(gè)風(fēng)箏配備 4 臺(tái)帶螺旋槳發(fā)電機(jī)。在起飛前,這些發(fā)電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng),作為風(fēng)箏上天的動(dòng)力。風(fēng)箏起飛后就能在風(fēng)中飛行,飛行所產(chǎn)生提升力很快就是能使風(fēng)箏在不需要其他助力下前行。一旦靠風(fēng)帶來的推力能和螺旋槳產(chǎn)生拉力平衡,此時(shí),螺旋槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片了,發(fā)電機(jī)將開始產(chǎn)生電力。風(fēng)箏的飛行電腦將引導(dǎo)風(fēng)箏被繩索牽引沿著弧線飛行,不斷圍繞地面基站轉(zhuǎn)圈。
Makani Power 在研發(fā)特大功率風(fēng)箏渦輪發(fā)電機(jī),其利用翼狀風(fēng)箏收集高海拔風(fēng)能的試驗(yàn)已實(shí)現(xiàn)的發(fā)電成本是使用風(fēng)力渦輪發(fā)電的 50%。2012 年,Makani 推出了額定功率 30 千瓦的自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)原型。他們的工程師們宣稱這個(gè)系統(tǒng)在不同的風(fēng)力條件下都能滿足設(shè)計(jì)預(yù)期。目前,Makani 正在研發(fā)功率為600 kilowatt 的 M600 產(chǎn)品,M600 將是 Makani 第一個(gè)商用化產(chǎn)品,可以為 300 戶家庭提供基本用電。
WindLift方案
RobertCreighton 于 2006 年在美國威斯康辛州建立了 Windlift。美國國防部在 2009 年9 月授予 Windlift 開發(fā)產(chǎn)品 8 的合同。產(chǎn)品 8 是一個(gè)具有 12Kw 功率的移動(dòng)可再生能源系統(tǒng)。產(chǎn)品 8 的目的是為了給沖突結(jié)束后的發(fā)展中國家戰(zhàn)亂地區(qū)提供能源。
Wiindlift 目前的系統(tǒng)使用了一個(gè) 90 厘米直徑的滾筒,和一個(gè) 60 千瓦發(fā)電機(jī)連接,這個(gè)發(fā)電機(jī)最初用于混合動(dòng)力汽車。風(fēng)箏通過拉動(dòng)繩索轉(zhuǎn)動(dòng)滾筒帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電,電能存儲(chǔ)到鉛酸電池里,然后通過控制線使風(fēng)箏釋放拉力,在這個(gè)過程中,反過來通過電力帶動(dòng)電機(jī),反轉(zhuǎn)滾筒并再次拉緊風(fēng)箏。
目前,Windlift 系統(tǒng)仍為半自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng),需要一位操作員手動(dòng)操作控制桿來飛行機(jī)翼。Windlift 正在研發(fā)全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)。
Altaerosenergies 方案
阿爾泰羅能源公司成立于 2010 年,是由麻省理工學(xué)院(MIT)和哈佛大學(xué)(HarvardUniversity)校友成立的。2012 年,研究小組完成測試了 35 英尺尺寸的空中風(fēng)力發(fā)電機(jī)樣機(jī),是在緬因州(Maine)利姆斯特(Limestone)測試的。
Altaerosenergies 公司的高空風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)被稱為 BAT(Buoyant Airborne Turbine), 結(jié)合了飛艇與風(fēng)電渦輪機(jī)。該系統(tǒng)由四個(gè)部分組成:第一部分為殼,殼由工業(yè)紡織物構(gòu)成,里面充滿惰性氣體氦氣,殼的作用是用來帶渦輪機(jī)飛上天,并且讓渦輪機(jī)在高空保持穩(wěn)定;第二部分為渦輪機(jī),渦輪機(jī)為傳統(tǒng)的輕量型的三葉風(fēng)能渦輪機(jī),渦輪機(jī)被垂直固定在殼內(nèi);第三部分為纜繩,纜繩本身具有高強(qiáng)度、比重極輕的特性,纜繩與地面工作站相連,用來固定住渦輪,同時(shí)纜繩也被用于把電力傳送到地面工作站;第四部分為地面工作站,地面工作站是移動(dòng)的,包含自動(dòng)控制系統(tǒng)和電源調(diào)節(jié)設(shè)備。
BAT 工作過程為,充滿氦氣的殼帶著渦輪機(jī)飛上天,到風(fēng)能能量密度足夠的高空,然后固定住,渦輪機(jī)開始利用風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電,通過纜繩把電力傳回地面工作站。
天風(fēng)技術(shù)方案
天風(fēng)技術(shù)方案由廣東高空風(fēng)能技術(shù)有限公司創(chuàng)造性地提出。廣東高空風(fēng)能技術(shù)有限公司由留美博士張建軍于 2009 年回國在廣州建立。高空風(fēng)能是目前國內(nèi)唯一從事300-10000 米高空風(fēng)能發(fā)電技術(shù)研發(fā)、發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)和高空風(fēng)能發(fā)電站建造等業(yè)務(wù)的企業(yè)。以張建軍博士為首的高空風(fēng)能技術(shù)團(tuán)隊(duì)成員,專業(yè)技術(shù)涵蓋了流體物理、精密機(jī)械制造、機(jī)電控制、無線電通信、智能傳感、聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、軟件工程及自動(dòng)控制等。
天風(fēng)技術(shù)方案由空中系統(tǒng)和地面系統(tǒng)的各自組成。空中系統(tǒng)由一個(gè)或數(shù)個(gè)做功傘、若干平衡傘組成;地面系統(tǒng)主要是由發(fā)電機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)(滾筒和反向轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī))和萬向滑輪組成;傘之間、做功傘與卷揚(yáng)機(jī)之間是通過輕質(zhì)高強(qiáng)度纜繩連接。
空中系統(tǒng)上升到預(yù)定起始高度后,做功傘接收到打開指令,傘體打開,在風(fēng)力作用下，做功傘向上運(yùn)行,并通過纜繩拉動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng),(此時(shí)反向轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)不開動(dòng)，電磁離合器處于脫離狀態(tài)),卷揚(yáng)機(jī)滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)通過聯(lián)軸器、制動(dòng)/離合裝置而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電。上行到預(yù)定高度或行程后,做功傘接收到閉合指令,傘體閉合，此時(shí)風(fēng)阻力大大減少,同時(shí)反向轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng),電磁離合器處于接合狀態(tài),卷揚(yáng)機(jī)高速反轉(zhuǎn),通過纜繩拉動(dòng)做功傘快速向下運(yùn)行;做功傘回至起始高度,卷揚(yáng)機(jī)停轉(zhuǎn),做功傘再次打開,開始新一輪上升做功。
天風(fēng)技術(shù)傘梯組合型高空風(fēng)電機(jī)組創(chuàng)造性地解決了高空風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)不穩(wěn)定的問題。這也是國外 Makani 公司與 Windlift 公司產(chǎn)品尚未完全解決的問題。
天風(fēng)技術(shù)摒棄了其他高空風(fēng)能發(fā)電技術(shù)采用風(fēng)箏采集風(fēng)能,以及將升力平衡系統(tǒng)和做功系統(tǒng)混合為一的做法,而是采用全新的傘梯組合風(fēng)能采集技術(shù),同時(shí)將升力平衡系統(tǒng)和做功系統(tǒng)分開、分別控制,很好地解決了高空風(fēng)能采集穩(wěn)定性這一重大技術(shù)問題,解決了系統(tǒng)空中部分控制的技術(shù)瓶頸。同時(shí),天風(fēng)技術(shù)高空風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用模塊組合結(jié)構(gòu),系統(tǒng)運(yùn)行高度與發(fā)電規(guī)模可以根據(jù)需求進(jìn)行優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)發(fā)電功率在 10 ~ 1000 兆瓦范圍內(nèi)變更。
天風(fēng)技術(shù)中,升力平衡系統(tǒng)與做功系統(tǒng)是分開、分別控制的。平衡系統(tǒng)在風(fēng)的作用下產(chǎn)生升力,維持整個(gè)系統(tǒng)在空中的平衡,本身不參與做功,所以這種平衡系統(tǒng)是一種穩(wěn)定系統(tǒng)。做功系統(tǒng)在風(fēng)的作用下運(yùn)動(dòng),將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,拉動(dòng)地面的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電。由于做功系統(tǒng)和平衡系統(tǒng)的相對(duì)獨(dú)立,在風(fēng)的隨機(jī)擾動(dòng)下,平衡系統(tǒng)可以自我調(diào)節(jié)而不影響做功。做功過程中對(duì)系統(tǒng)的擾動(dòng)也不會(huì)直接傳遞到平衡系統(tǒng),所以平衡系統(tǒng)在整個(gè)運(yùn)行過程中都處于穩(wěn)定狀態(tài),從而保證了做功的穩(wěn)定進(jìn)行。
用天風(fēng)技術(shù)建設(shè)的高空風(fēng)電場項(xiàng)目,可以獲得穩(wěn)定性高的風(fēng)電輸出,一改目前常規(guī)風(fēng)電穩(wěn)定性低的“垃圾電”現(xiàn)象。采用天風(fēng)技術(shù)建設(shè)的高空風(fēng)電場,無需建造塔筒及葉片,由于風(fēng)電系統(tǒng)采用模塊組合結(jié)構(gòu)而容易實(shí)現(xiàn)規(guī)模效應(yīng),因此項(xiàng)目建設(shè)造價(jià)可低于常規(guī)風(fēng)電場。采用模塊組合結(jié)構(gòu),高空風(fēng)電場的發(fā)電功率可達(dá) 1000 兆瓦,實(shí)現(xiàn)的發(fā)電成本低于 0.30 元 / 千瓦時(shí)。
目前高空風(fēng)能研發(fā)的最新產(chǎn)品-2.5 兆瓦雙軸異步雙傳動(dòng)高空風(fēng)能發(fā)電機(jī)組。首臺(tái)機(jī)組年內(nèi)將在安徽蕪湖安裝,將會(huì)是世界上首臺(tái)實(shí)用性大功率高空風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)。
