中国首次实现“空中发电”，发电量远超地面发电！会撞上飞机吗？

你肯定知道风力发电，但是你知道“放风筝”发电吗？这种被称为高空风力发电的技术，如今又取得新的突破。

本月7日，中电工程设计投产的安徽绩溪高空风能发电项目，成功发电，这也是我国第一个已成功并网发电的高空风电项目。

那么问题来了，这种放风筝的模式究竟是怎么发电的？从技术到应用现状上又有哪些特点呢？

风力发电环保且可持续，多年来各国都在大力推动。我国截至到2022年的风电装机已达到3.7亿千瓦。

然而，传统的风力发电会受到选址影响。在运行的时候，也存在噪音污染和成本高等问题。正是在这种情况下，高空风力发电技术才应运而生。

顾名思义，高空自然就是在很高的天上，数据显示，当高度超过500米后，空中的风力不但稳定而且很大。而且每提到一段距离，风速还会更大。风力充足，技术上怎么实现呢？

简单来说，就像放风筝一样，将设备放飞到高空区域，而后在风力的作用下发电。在业内，这被称为系留式飞行器。

该发电设备，由飞行器、系留部件、发电机和地面设施四部分组成。飞行器需要将其他三种部件带到高空，所以属于核心部件。

目前在技术上，根据飞行器类型的不同，具体分为系留风筝式飞行器、系留飞行器式、系留浮空器式三种。

第一种系留风筝式飞行器，具体又可分为伞梯状和滑翔式两种。伞梯状系留风筝，能够控制风筝的开合，这样风筝在高空就能上下循环运动，从而可以带动发电机发电。

滑翔式飞行模式，在空中是按照固定的轨迹运行的。它的一根绳子牵引着发电机，带动后者发电。

值得一提的是，系留风筝式的技术，发电机是在地面而不是在空中，通过绳子的牵引带动发电机发电，整套系统设置起来简单，成本也比较低。

此外，在工作中的优点是，发电机在地面相对容易控制。缺点是由于发电机在地面的牵引限制，空中的飞行器无法满足升力运动。而且，最终会因为保持平衡的特性，难以保证电力输出的平衡。

第二种是系留飞行器式发电装置。这种技术类型，分为机载发电机式和地面发电机式两种。

机载类型是将发电机固定在飞行器上，飞到空中后迎风飞行，从而带动发电机发电。最后再利用牵引的绳子以及电线，将电能传送回地面。

另一种则是发动机位于地面，到达高空的只有飞行器，它通过绳子和地面的设备相连接，然后飞行器在空中风力的作用下，持续进行着“8”字型运动，最终牵引发电机发电。

对比起来，将发电机带到空中，可以选择不同的飞行模式，还能适应复杂的风力环境。如果发动机在地面，将会受限于风力和飞行器材料的影响，无法平衡风能的捕获和系统整体安全。

第三种是系留浮空器式发电装置。这种模式是利用空气的浮力来提供上升的动力，该技术类型分为镂空型和涡轮型两种类型。

镂空型是将发电机固定在飞行器上，然后升到空中进行发电。浮空器本身因为形状和角度的原因，从而能够随着风力旋转变化。

涡轮型同样是将发电机带到空中，然后利用风力造成的旋转带动发电机发电。

综合上述三大类型看，目前应用比较广泛的，是系留浮空器式发电技术类型。它比较简单，且容易控制，能够长时间平稳发电。

但是它的缺点也是显而易见的，由于体积比较大，一旦风力加强抵抗性就降低。而且，其总体的发电量相比第一种和第二种类型较少。

说完了技术类型，接下来再来看看发电系统的关键技术是什么。

高空风力发电，最关键的是有效控制飞行器。因为空中风力一直在变化，如果飞控技术不够好，飞行器难以被掌控，轻则发电无法平稳，严重的还会发生坠毁事故。

因此飞控技术的关键，是既要实行飞行的平稳，同时还要实现发电的平稳。

从发电机置于地面的飞行方式来看，飞行组件在运行的同时，关键是要提升牵引绳的效率。牵引绳稳定与否，直接关系到空中的飞行器是否能平稳运行。

另一种模式是将发电机带到空中发电，这要运用到推力控制、阻尼控制以及导航控制。尤其飞行器的稳定更加关键，同时在风能的捕获过程中，可以实现多架飞行器一起升空运行，这在很大程度上能提高效率。

既然是要飞行，所用材料就必须得轻盈，但是强度又要高，这就又涉及到很关键的制造技术了。

目前，高空发电飞行器所用的是蒙皮材料，这是一种碳纤维复合材料，是碳纤维和树脂混合而成，通过层叠和固化工艺制造而成的构件。它的特点是轻盈、韧性高和刚度高，而且还非常耐腐蚀。

除了飞行器的材料外，牵引飞行器的绳子也很关键，毕竟绳子如果不结实的话，空中的飞行器可能直接挣脱就“逃走了”。

目前，制作牵引绳所用材料，有玻璃纤维复合材料，金属材料，尼龙材料以及碳纤维复合材料。

几种材料对比起来，各有各的有点，但也各有短板。比如金属材料，虽然稳定性和强度最好，可是它太重，在空中的阻力也是最大的。

再比如尼龙材料的绳子，轻盈且耐腐蚀，然而它的强度不稳定，时间长了就容易损坏。使用什么样的牵引绳，关键要看应用的场景，以及应用的时长如何。

最后，整套发电系统的运行状况如何，要有全方位的经济分析技术。相关的技术分析，可以从发电系统的能耗和环境影响上，对下一步系统的优化进行指导，有助于改善和提升系统本身。

我国是世界上高空风力资源最丰富的国家之一，在东南沿海和西北地区，空中区域的风能最集中。此前在2016年，发改委和能源局制定的相关政策中，也明确将高空风能发展提上了日程。

技术应用上，目前国内外在研发上都在发力，既要推动技术整体的效率和可靠性，同时也要降低其成本。

比如将发电机带到空中运行的空基类型，目前各大制造商都推出了多种技术方案。

将发电机带上天的模式，地面不用建立任何基础设施，因此搭建起来相当的快捷方便。从应用场景来看，在偏远地区临时居住等情况下，这种轻便设备能快速提供电能。

此外，还有一些制造企业设计出了椭球形的浮空飞行装置。它虽然运转速度比较低，但是整体的发电性能却最稳定。

利用无人机式飞行器控制飞行的话，则需要使用牵引绳索，将飞机放飞到一定的空域来进行，这个高度通常在250米到600米之间。在飞行的过程中，机翼的涡轮机通过旋转而发电。

如果是将发电机固定在地面，由飞行器带动发电的话，这类技术方案更适合大规模发电利用。

广东的一家公司，专门进行高空风能技术开发，他们研发了伞梯组合式风力发电设备。而大唐集团则开发了一种无人机型的风力发电项目，通过无人机的垂直起降在高空利用风能。

而在意大利，利用拱形风筝捕获风能发电，相关企业此前已经建立起了规模化的风筝发电站。

从整体来看，目前的应用还主要集中在技术研发领域。实际应用前景广泛，但同样还有很多问题需要进行评估。

从发展前景看，高空风能发电属于可再生和可持续能源，而且相比传统的风力发电，发电量在规模化利用后会更高。

相比于传统风力发电要占用土地，高空风力发电对地面环境的影响比较小。很多风能集中的区域比如山区、沙漠、高海拔地带等，都是人口相对稀少的区域，这对于本地的影响就相对更小。

未来，利用分布式能源网络，还可以组成智能电网，高效利用电能的同时，也能满足不同地区的用电需求。

虽然应用前景广泛，但目前还有不少问题也需要解决。一个是高空风力发电如果大规模开启后，或许会影响到鸟类的迁徙路径。另一个情况，则可能会对飞行器产生影响。

不过，整体的情况究竟如何，还需要在未来做进一步评估才能知道。毕竟，现在大规模的应用还没有开启。

就技术层面看，有些问题还需要解决，比如风能的准确监测和预报情况，这会直接影响到发电机组的运行和优化设计。再有就是针对不同的应用场景，系统设备的稳定性也需要进一步增强。

总体来看，高空风能利用，本就是跟相对恶劣的环境对抗，系统本身的可靠和耐久性，依然是它能否被大规模推广应用的关键。

再者，由于目前应用还不广泛，利用高空风能发出来的电，成本相比较而言还是很高。未来，技术进一步成熟后，降低其整体成本就成了大势所趋。

我国在绩溪建设的高空风力发电系统，本身就属于国家级的示范项目。所以下一步它运行的怎么样，发出来的电多还是少，系统整体的稳定性如何，都会给未来的新项目上马，提供重要的参考依据。

参考资料：

《高空风力发电关键技术、现状及发展趋势》 分布式能源 2023年

《高空风能发电取得重大技术突破！》 九派新闻 2024年1月9日