本文來自微信公眾號：Engineering（ID：engineering2015），作者：Peter Weiss，原文標題：《高空墜落物成為空中風力發(fā)電的一大殺手丨Engineering》，頭圖來自：視覺中國(12.900, 0.35, 2.79%)
2020年1月，一則源于美國加利福尼亞州的流言傳到了歐洲的研究人員和企業(yè)家那里。歐洲是一個橫跨大西洋(3.200, 0.02, 0.63%)的小型工程研究和開發(fā)領域蓬勃發(fā)展的中心，主要進行高空風力發(fā)電（AWE）項目的研究和開發(fā)。
美國科技巨頭谷歌公司的母公司Alphabet正在悄無聲息地關閉Makani公司，它把這家令人敬畏的子公司培育成了世界最先進、最引人注目以及設計資金最雄厚并且制造繩系飛行器（用AWE的術語講是風箏）的企業(yè)，其最終目的是生產(chǎn)兆瓦級的風能。
在2019年的夏天，總部位于美國加利福尼亞州阿拉米達的Makani Technologies公司得到了Alphabet和Royal Dutch Shell公司的支持，首次在海上風力發(fā)電領域受到媒體關注。在谷歌商業(yè)帝國7年的巨額財政支持下以及頂著巨大的業(yè)績壓力，這家初創(chuàng)公司最先進的原型機M600風箏發(fā)電系統(tǒng)——實際上是一架巨大的、用繩索系住的無人機，翼展堪比波音737——在挪威海岸的一個浮動基地演示了一系列具有挑戰(zhàn)性的自主飛行動作。
Makani聲稱，通過這些舉措可以利用風速高、資源豐富的離岸風或其他具有巨大能量的風（這些風的高度要高于最高的傳統(tǒng)風力渦輪機葉片到達的高度），產(chǎn)生高達600 kW的電力——這款風箏發(fā)電系統(tǒng)的設計目標是為大約300個美國家庭提供電力。
然而，不幸的是，測試產(chǎn)生了令人失望的結(jié)果，其中一些反復出現(xiàn)的缺陷在早些時候的陸上飛行試驗中被注意到。也許最讓人警醒的事故是飛機完全沉沒在挪威沿海水域。2020年2月，流言成為官方公告，來自Alphabet公司和Makani公司的首席執(zhí)行官Fort Felker在一篇博客文章中寫道：“盡管強大的技術得以進步，但商業(yè)化之路比想象的要更長且風險更大，Makani子公司在Alphabet公司的時代就要走到盡頭了。”
Royal Dutch Shell公司也撤消了對Makani公司的支持。2020年9月，Makani公司完全停止了運營。首先，該公司向公眾公開了其成立13年來積累的知識產(chǎn)權(quán)。在前企業(yè)支持者的鼓勵下，Makani公司向社會承諾可以不受限制地使用其400多項專利和專利申請，而不會受到法律約束。此外，該公司的檔案管理員還發(fā)布了一部近兩個小時的紀錄片，該片生動地展示了公司的發(fā)展歷程。
除紀錄片外，檔案管理員還發(fā)布了許多其他視頻、內(nèi)部報告、軟件、數(shù)據(jù)和材料，所有這些都在由Makani公司的工程人員撰寫的1200頁、包含了三個部分的分析的報告，即《風箏發(fā)電系統(tǒng)》（The Energy Kite）中有所體現(xiàn)。首席工程師兼該報告的合著者Paula Echeverri在宣布公開知識產(chǎn)權(quán)的博客中寫道：“通過公開我們的工作和故事，我們希望為下一代科學家、發(fā)明家和登月者創(chuàng)造有利條件，以解決幾乎不可能的問題。”
Makani公司的突然退出在AWE領域引發(fā)了短暫的危機感。但到目前為止，它的失敗似乎主要引起了這樣一個問題——如果Makani公司沒有將風箏沖浪的根源、生態(tài)價值、浮華的工程和Alphabet公司的贊助結(jié)合在一起以吸引媒體關注，那么公眾和投資者將如何看待AWE？
荷蘭代爾夫特理工大學（TU Delft）航空航天工程(16.580, 0.48, 2.98%)專業(yè)副教授、AWE研究員以及該領域的倡導者和組織者Roland Schmehl說，即使失去了Makani公司，但最近的事態(tài)發(fā)展表明AWE在國內(nèi)和國際上都得到了支持，其人氣持續(xù)上升。
Schmehl是位于代爾夫特的AWE公司Kitepower的聯(lián)合創(chuàng)始人和顧問委員會成員，該公司開發(fā)的軟翅風箏的機翼是由柔性織物制成的，具有繩系、加固、可彎曲的翼型，比剛性機翼更符合人們對風箏的普遍認知（圖1）。
圖1. 2013年，荷蘭代爾夫特理工大學航空航天工程專業(yè)的研究生發(fā)射了一個25 m2的實驗性軟翼能量風箏，利用纜繩上絞車的牽引力來對抗風力，幫助風箏提高升力。在過去10年里，小而靈活、擁有簡單曲線設計的風箏，其尺寸已經(jīng)比圖中的風箏大得多。事實證明，這些軟翼風箏適用于小范圍使用的中等功率的AWE系統(tǒng)，如毛里求斯共和國于2020年11月從德國Skyails公司購買的首個商業(yè)銷售系統(tǒng)。預測和控制更大、更強的軟翼AWE風箏的運動更難也更復雜，仍有待進一步研究和測試。注：資料來源：TU Delft，獲得許可
2020年9月下旬，國際能源署（IEA）的一個風能技術項目組在法國巴黎召開了一次技術專家虛擬會議， 旨在確立該項目的首個專項任務，即促進AWE廣泛的國際研究和合作。
值得注意的是，這與參加會議的美國國家可再生能源實驗室（NREL）最近對AWE表現(xiàn)出的興趣不謀而合。與此同時，兩家歐洲AWE風箏制造商和AWE的歐洲工業(yè)協(xié)會最近獲得了MegaAWE項目的資助，這是歐盟委員會的一個1500萬美元的項目，用于推進歐洲西北部地區(qū)兆瓦級AWE的商業(yè)化。Schmehl表示，AWE領域預計將有一個更大的歐盟（EU）資助項目，名為Horizon Europe，歐盟已在2021年年初的融資會議中表示對AWE的提議很感興趣。
隨著Makani公司的退出，荷蘭海牙的Ampyx Power公司（在MegaAWE融資中被選中的風箏制造商之一） 現(xiàn)在成為了擁有最強動力、可操作原型的剛性機翼 AWE的開發(fā)商。其最新推出的150 kW、AP3無人機于2020年12月在西班牙進行了微風試飛。Schmehl注意到Ampyx公司于2020年12月發(fā)布了一個新的引人注目的視頻，該視頻引起了投資者的注意。Schmehl表示Ampyx公司將會取代Makani公司成為AWE最引人注目的開發(fā)商。
Ampyx公司的首席執(zhí)行官Fabrizio Nastri表示，盡管Makani公司公布了其互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP），但Makani公司的關閉既沒有損害他的公司也沒有讓他的公司獲得利益，因為兩家公司的設計是截然不同的。
Makani M600 是一種非常規(guī)的垂直起飛和降落的飛機，機翼上攜帶了沉重的發(fā)電渦輪機。Nastri說，這兩種選擇對于一項要擴大到兆瓦級的技術來說都很復雜且有風險。相比之下，Ampyx公司的風箏盡管有機械輔助，但堅持以普遍和廣為人知的航空標準水平起飛和降落以最小化跑道尺寸。Ampyx公司的風箏沒有攜帶發(fā)電機，而是通過拉一根牽引繩，旋轉(zhuǎn)發(fā)電機，在風箏的浮動基站上發(fā)電（圖 2）。
圖2. 圖片展示的是一個兆瓦級的、剛性機翼的AWE風箏，該風箏通過甲板上三角形端口的纜繩與浮動平臺相連接，其正準備從離岸的浮動平臺上起飛。利用纜繩上的一個類似于彈射器的輔助裝置發(fā)射風箏，然后由飛行器上的電池驅(qū)動的渦輪機轉(zhuǎn)子驅(qū)動風箏飛到操作高度。當風箏達到飛行高度時，只靠風力和重力推動，風箏拉緊纜繩以放纜退繞的方式帶動甲板下的絞車轉(zhuǎn)動，進而帶動平臺上的發(fā)電機發(fā)電。在纜繩全部解開后，當被重新纏繞到絞車上時，飛機就會無動力滑翔回平臺。風箏降落在甲板上時，準備再次起飛，進行另一次能量生產(chǎn)飛行注：資料來源：Ampyx Power，獲得許可
Nastri說：“我們從系統(tǒng)工程的角度來做這個，使用和航空航天工業(yè)相同的標準，因此我們有很多工程師。并且，我們在構(gòu)建10個AP3的時候并沒有期望有9個AP3會墜毀，只剩一個會成功，我們是在設計不會墜毀的AP3。”
一系列因素，尤其是遠低于預期的發(fā)電量，似乎導致了Makani M600的失敗。Makani公司的工程師在《風箏發(fā)電系統(tǒng)》中討論了M600的9個缺點。例如，風箏的渦輪機轉(zhuǎn)子減少了通過風的能量，降低了控制面， 如副翼和升降機的效率。然而，M600的設計并沒有彌補這一缺陷，它限制了機動性，阻礙了電力生產(chǎn)。雖然在某些情況下，人們獲得了關于能量風箏與普通飛機的不同之處的新見解，作者說這可能會讓AWE整體受益但對能量風箏空氣動力學的誤解導致了原型設計失誤。
報告結(jié)論稱，設計的M600（一個比Makani公司之前做的要大得多的風箏）放大了缺陷。Makani公司倒閉時， 還在設計一種名為MX2的新型風箏（這也在報告中進行了討論），它的機翼面積增加了60%，控制面更大， 并進行了其他改進，以糾正M600的缺陷。
除了在Makani公司的工程工作站和制造車間發(fā)生的變化外，其他一些變化也可能對公司倒閉起到了重要作用。在全球能源市場中，現(xiàn)有可再生能源和豐富而經(jīng)濟的天然氣的成本不斷下降，導致電價大幅下降，使得新型可再生能源的發(fā)展更加困難。
據(jù)報道，Makani公司沒有預料到這些價格趨勢，這使得其對投資者來說越來越?jīng)]有吸引力。通用電氣（General Electric）、維斯塔斯（Vestas）和西門子（Siemens）等大公司正在展開競爭，它們將建造傳統(tǒng)的、但具有像足球場一樣大的葉片的風力渦輪機。這些渦輪機的尺寸特別大，功率也特別高，將進一步挑戰(zhàn)AWE的生存能力。
Makani公司顯然也受到了谷歌公司創(chuàng)始人Larry Page和Sergey Brin的特別關注，后者表示特別喜歡AWE公司，但兩人都在2019年年底退出了谷歌公司的日常管理。有人表示，這一變化很容易引起外界對Makani公司的擔憂，即Alphabet子公司造成的高額虧損，且其與谷歌公司旗下的高利潤核心業(yè)務沒有直接關聯(lián)（如互聯(lián)網(wǎng)搜索和廣告）。
以上內(nèi)容來自：Peter Weiss. After Highflyer Crashes, Airborne Wind Energy Regroups[J]. Engineering, 2021, 7(3):277-279.
