零碳发电技术前瞻：高空“捕风手”

高空风能发电技术是一种通过专用装备采集地面上空500-10000米的风能，并将风能转化为机械能，带动发电机发电的技术。

相对于500米以下低空风资源，500-10000米的高空风资源具有风速高、风向稳定、能量密度大（是地表风能的几十至几百倍）、可利用小时数高（年利用小时长达6500小时以上）等优势。据统计全球高空风资源丰富且分布广泛，如果能安全高效利用高空风资源，将是解决全球能源问题的一条有效途径。

按照发电机安装位置区分，目前世界上的高空风能发电技术分为两种类型。第一种是发电机高位布置，即利用氦气球、飞行器等设施将捕风装置和发电机升到空中，通过叶轮、涡轮等装置捕集高空风能带动发电机发电，电能由电缆传到地面，受发电设备和传导电缆重量限制，捕风装置高度一般在500米以下，发电功率小于0.5MW；第二种是发电机低位布置，即利用氦气球、飞行器等设施的升力作用将捕风装置升到空中，滑翔伞、降落伞等捕风装置在高空风力作用下通过绳索带动安装在地面或者水面上的发电机发电，捕风装置活动高度可达10000米，发电功率可达MW级，甚至达到GW级。

国际高空风能发电技术

发展动态

从20世纪70年代开始，美国、意大利、德国、荷兰等国家陆续有公司开展高空风能发电技术的研究和应用。据估算，目前全球开展高空风能发电业务的公司有40家左右，谷歌、波音、阿尔斯通、费斯托等大型知名企业也有投资参与。

当前，各个公司开展的技术路线探索不尽相同，大多数公司仍处于技术研发、试验、样机试制、商业试用阶段。技术相对成熟已推广应用的以发电功率在0.5MW以下的小型机组为主，主要应用于孤岛供电、野外科考、海上作业平台、轮船等电网无法触及的分布式场景和移动式应急电源，大功率、大规模集中应用案例较少。从事高空风能发电的主流厂家有德国的SkySails、美国的Makani Power、美国Sky WindPower公司、加拿大Magenn Power公司、意大利的KiteGen Research公司。

美国Sky WindPower公司

该公司利用澳大利亚科学家Bryan Roberts的研究成果开发了飞行发电机FEG（Flying Electric Generator）技术，其原理是在一个特别设计的风筝上安装4个相互连接的带有叶片的涡轮机，风力使叶片旋转而发电，电能通过电缆输送到地面。2011年12月，该公司的Jabiru II原型机测试取得成功。设计工作高度为500米，额定功率为240kW，可以根据天气条件对飞行器进行编程以实现自动起飞和降落（如图1所示）。

图1 Sky WindPower的飞行发电机

Sky WindPower公司官网信息2018年停止更新，目前飞行发电机FEG技术应用情况不详。

美国Makani Power公司

该公司创始人Makani带领200人团队进行了13年的研发工作，其采用的技术路线为将涡轮发电机安装在类似于小型飞机的飞行器上，起飞阶段利用外部电源，将飞行器升到一定高度后，自带涡轮发电机在高空风力的作用下开始发电，一部分电能用来维持飞行器稳定，多余电量通过电缆输送至地面（如图2所示）。其开发的产品M600设计功率为0.6MW,于2019年8月在挪威进行海上发电试飞，但测试结果不及预期。

图2 Makani Power高空涡轮发电机

2013年，Makani Power被Google X收购。2019年，Makani Power从Google X中分离，成为Alphabet的子公司，并与壳牌建立合作关系。2020年，Makani Power由于商业化困境被迫关闭，随后它公开了自己13年间的技术开发报告以及随附的开源代码储存库、飞行日志和项目视频合集，并对其专利做出不主张承诺，所有人可以免费使用。

加拿大Magenn Power公司

2008年，加拿大Magenn Power公司开发了名为“空气转子系统”(Magenn air rotor system，MARS) 的空中发电技术（如图3所示）。该技术原理是利用充满氦气的气球将水平轴封涡轮机提升至200-300米，利用马格努斯效应使气球在空中固定位置保持稳定，涡轮机在高空风力的作用下转动发电，电能通过电缆输送到地面。

图3 Magenn Air Rotor System

该公司在2009年发布信息显示，其开发的产品可以在300米的高度飞行，产生0.8-1.6MW的功率。但在其公布相关数据之后再无后续，目前情况不详。

意大利KiteGen公司

意大利KiteGen公司自21世纪初以来一直是风筝发电的先驱。该公司开发的高空风能发电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（如图4所示）。拖曳风筝和地面的发电机相连，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，最大限度带动地面设施发电。其原理与伞梯技术类似，区别在于其做功风筝为半刚性材料，牵引绳索同时为控制电缆。

图4 KiteGen公司风筝发电技术示意图

当做功风筝上升到适合的切入风速（通常在500到800米），飞行轨迹形成“∞”形，达到做功状态，风筝在风力作用下上升，通过牵引绳索带动地面发电机发电，当风筝到达最高高度时，控制系统调整风筝风翼减少受力面积，地面设施开始收回绳索，风筝回到起始位置时，再调整风筝风翼恢复做功姿态，在风力作用下再次上升发电，如此循环往复，每次上升阶段发电量减去下降阶段消耗的电量即可形成电能输出。

另外KiteGen公司从2015开始研发适合于陆地和海上的旋转型GW级风力发电技术（如图5所示），该系统由空中风筝群和地面垂直轴风力涡轮机构成，涡轮机系统拴着若干小型动力风筝，动力风筝飞行时拉动涡轮机转动而产生电能。据测算直径2000米的转盘系统发电功率可达5GW。

图5 KiteGen公司大功率转盘发电技术示意图

2015年4月KiteGen公司建设了世界上首个规模化的风筝发电站投入使用，装机容量3MW。2019年，KiteGen与意大利建筑承包商Saipem签署战略合作协议，为其石油和天然气设施提供清洁电力。KiteGen公司官网以博客形式运行，但更新并不频繁，当前可查的官方信息更新至2019年，其最新研发情况和应用情况不详。

德国SkySails公司

德国SkySails Power公司是滑翔伞式风筝系统领域的技术领先者，也是世界上第一家成功将滑翔伞式风筝发电技术发展成工业应用的公司，所用技术与意大利KiteGen公司的风筝发电系统基本相同，区别在于风筝的活动高度在200 到400米之间。属于低空、小功率类型，主打产品功率为200kW（如图6所示）。

SkySails比较特殊的一点是它将这种风筝系统应用在轮船上，可以提高轮船航行速度、降低燃料消耗并减少碳排放，这项技术预计每年减少碳排放高达1亿吨。

国内高空风能发电技术

发展动态

从本世纪初开始，国内就有研究人员关注高空风能发电技术。直到2010年前后，我国才逐渐有高校、研究机构、企业开展相关技术的研究。截至目前，我国对于高空风能发电技术的研究成果主要以学术论文和专利为主，实质性开展高空风能发电技术研究和应用的只有广东高空风能技术有限公司（以下简称“广东高能”）一家。该公司于2009年在广州高新区注册成立，在安徽芜湖设有生产和试验基地。

与国外主流技术不同，该公司研发的高空风能发电技术叫“伞梯”，拥有自主知识产权和多项专利。

伞梯高空风能发电技术应用风筝原理将做功伞（类似降落伞）放飞至500米以上高空，做功伞在高空风力的作用下向远、向高运动，牵引绳索带动地面发电设备旋转产生电力。当做功伞上升到一定高度后（数千米），由固定在做功伞附近绳索上的控制机构将做功伞收起（类似于雨伞收起），地面卷扬机旋转将绳索收回带动做功伞下降至500米初始高度，再由控制机构将做功伞打开，依靠风力再次牵引绳索上升带动地面设备旋转发电。如此不停反复，每次循环上升阶段产生的能量减去下降阶段消耗的能量即可形成有效电能输出（如图7所示）。

图7 伞梯高空风能发电技术示意图

根据当前的研究及实践经验，为了增大出力，可以在一根绳索上串联多个做功伞形成伞梯，增大受力面积，加快上升速度。为了解决一根绳索发电的间歇性问题（下降阶段不发电），地面发电设备可以配套多套伞梯，控制系统将每套伞梯上升和下降的时间错开，确保发电设备可以连续不间断旋转，形成稳定电力输出（如图8所示）。为了保持绳索稳定，在每根绳索末端装有氦气球和平衡伞，防治失控坠落。

图8 多组伞梯高空风能发电技术示意图

空中控制机构与地面控制室通过民用波段无线通讯。空中控制结构电源由自带电池提供，定期检修更换或安装微型风机或太阳能发电设施为电池充电。根据国内已开展的技术实践数据资料显示，该技术利用空域可高达10000米。

广东高能公司于2010年4月研制出0.1MW伞梯样机，2015年在芜湖试验基地完成2.5MW样机试验。2012年，该公司曾与国内大型发电企业在东营尝试开展兆瓦级商业试用项目建设，但由于投资高、无法享受政府补贴以及其他原因而终止。

根据最新消息，该公司正在与其他大型能源电力企业合作，开展首台套商业试用项目建设，设计出力2×2.4MW，使用空域高度为3000米，地点在安徽绩溪。该示范项目于今年1月份开工，预计2022年6月投运。

伞梯高空风能发电技术

大规模应用可行性分析

伞梯高空风能发电技术作为一种新型清洁能源利用技术，对解决目前全球环境和能源问题具有积极意义。特别是我国华东地区拥有非常丰富的高空风能资源，如果该技术能得以规模化利用，可以缓解我国能源分布和经济发展不平衡的问题。

但结合全球高空风能利用情况来看，伞梯高空风能发电小功率机组的成熟度有待示范项目验证，大规模推广应用还需从增大单机容量、提高运营经济性等方面进一步优化。

大功率机组技术可行性有待验证

目前伞梯高空风能发电技术样机试验和示范项目均为小功率机组。正在实施的安徽绩溪示范项目采用两组伞梯带动一套发电机组的方式，设计输出功率约2×2.4MW，与一台常规陆上风机出力相当。若要大规模推广应用，需提升单机出力以体现其优势。目前正在开展的单机10MW级的研发工作，主要方法是增加做功伞的面积和数量、增加伞梯组数量。大功率机组在技术上是否可行还有待进一步验证。

经济性还有待市场检验

根据厂家公开资料显示，伞梯高空风能发电投资成本为8000元/kW，运营期按20年计算，度电成本不高于0.3元，但这些数据还处于理论计算阶段，工程应用过程中设备利用小时数、检修周期长短、关键设备质量、气候等因素将有可能会对运营成本产生较大负面影响。如果要大规模推广应用需要通过批量生产、扩大单机容量、集中式布置、设计优化等措施降低投资和运营成本，但效果如何需要市场检验。

安全隐患有待进一步排除

对于各种可能存在的安全隐患，厂家均已从设备质量、气象预测、规范操作等方面做了充分考虑，但仍不能确保万无一失。首先，频繁伸缩和升降对牵引绳索、氦气球、平衡伞的质量要求很高，一旦发生绳索断裂、氦气球破裂、平衡伞失效事故，将发生高空坠物危险；其次，突发异常天气可能引发多套伞梯绳索互相纠缠事故（龙卷风）、空中控制器和执行机构损坏事故（雷击）；最后，作业空域被无人机等低空飞行器意外侵入与伞梯发生碰撞，造成设备损坏。一旦发生高空坠物事故，可能由于无法预判坠落地点而造成不可控危害。

可用空域资源有待普查

虽然我国空域资源丰富，但空域使用需经军方审批，全国能够布置伞梯高空风能发电设施的空域资源需做普查并与军方确认。由于该技术具备随时停用的灵活性，是否可间断性利用军方管控空域需要进一步确认。

供电不稳定无法避免

虽然高空风力相对稳定并且理论年利用小时数高达6500小时（示范项目预计为4000小时）,加之多组伞梯配合使用可以解决电力输出不稳定问题，但由于天气不可控因素较多，当前仍无法保证电力稳定输出。

我国发展高空风能技术

的相关建议

针对伞梯高空风能发电技术后续发展，提出如下建议：

一是密切关注示范项目应用情况。及时了解该项目实施进度、性能指标、运营成本等信息，为下一步评估收集基础资料。如果该示范项目试验成功，可尝试在孤岛、海上作业平台、荒漠等有电力需求但电网无法供电的地方推广应用。

二是积极创造有利条件支持后续研发。建议从国家层面积极协调军方、气象、电网等单位为该技术的研发和示范应用创造有利条件，鼓励和支持企业加大研发投入，提供便利的试验、示范场地和空间。

三是开展我国高空风能资源普查工作。联合气象部门、军方等相关单位共同开展我国的高空风能资源普查工作，掌握准确的数据，以供决策参考。