中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：當(dāng)一座座高聳的白色風(fēng)電機(jī)組持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電流輸送至千家萬戶時(shí)，中國(guó)新能源開發(fā)的版圖已不局限于廣袤大地與遼闊海面。如今，對(duì)風(fēng)力的利用更是拓展至千米高空。
高空風(fēng)力發(fā)電，是指利用自主系留空中組件捕獲300米以上高空風(fēng)能，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能到電能轉(zhuǎn)換的新能源技術(shù)。目前主要有陸基和空基兩種技術(shù)路線。作為尚未規(guī)模開發(fā)的新能源“無人區(qū)”，高空風(fēng)能具有風(fēng)速高、風(fēng)向穩(wěn)定、風(fēng)能密度大等優(yōu)勢(shì)，蘊(yùn)藏著巨大潛力。
11月12日，我國(guó)首個(gè)高空風(fēng)能國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃核心裝備——世界最大5000平方米高空風(fēng)力發(fā)電捕風(fēng)傘在內(nèi)蒙古阿拉善左旗試驗(yàn)場(chǎng)成功開傘。更早前，9月19日-21日，由北京臨一云川能源技術(shù)有限公司自主研制的S1500型浮空風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)（SAWES），在新疆哈密淖毛湖基地順利完成一系列預(yù)定試驗(yàn)科目，標(biāo)志著全球首臺(tái)兆瓦級(jí)商用空中風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)首次試飛成功。
面積巨大的“空中捕風(fēng)傘”、外形似飛艇的“空中發(fā)電站”……今年，我國(guó)高空風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域捷報(bào)頻傳。作為世界風(fēng)能資源最豐富的國(guó)家之一，我們正在“向天要電”的征途上邁進(jìn)。
風(fēng)中能量與風(fēng)速三次方成正比
在1500米高空挖掘“風(fēng)能富礦”
當(dāng)長(zhǎng)60米、寬40米、高40米的SAWES-1500順利升至1500米高空時(shí)，北京臨一云川能源技術(shù)有限公司CEO兼首席設(shè)計(jì)師頓天瑞頗為感慨，“這離我們‘向更高空捕風(fēng)，云端電站點(diǎn)亮未來’的目標(biāo)又近了一步?！?/span>
浮空風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)SAWES-1500，這個(gè)外形似飛艇的龐然大物，由輕質(zhì)浮空囊體、高效涵道風(fēng)輪、智能系纜和地面控制站組成，能夠在1500米高空捕獲穩(wěn)定強(qiáng)風(fēng)進(jìn)行發(fā)電?！熬拖癜寻l(fā)電站從地面搬到‘風(fēng)力高速公路’上?！鳖D天瑞比喻道。
飛在空中的發(fā)電站，聽起來似乎像個(gè)科幻場(chǎng)景。不過，要想讓科幻成功照進(jìn)現(xiàn)實(shí)，也并不容易。頓天瑞介紹，這座“高空發(fā)電站”就像一個(gè)充滿氦氣的巨無霸飛艇，工作原理主要分三步——
首先，像“放風(fēng)箏”一樣，讓這艘特殊材料制成的、裝著氦氣的飛艇攜帶發(fā)電機(jī)升到1500米以上高空；其次，通過可以自動(dòng)調(diào)整角度的“智能風(fēng)帆”，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電；最后，像“傳輸數(shù)據(jù)”一樣，把產(chǎn)生的電能通過高強(qiáng)度特質(zhì)系纜輸送回地面基站。
在高空風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，這種通過把輕型風(fēng)力發(fā)電機(jī)搭載在輕量級(jí)飛行器上飛行實(shí)現(xiàn)空中發(fā)電的方式，屬于空基技術(shù)路線。
與SAWES-1500不同，我國(guó)首個(gè)高空風(fēng)能國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃核心裝備——世界最大5000平方米高空風(fēng)力發(fā)電捕風(fēng)傘，則是走的陸基路線。
這一高空風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由空中組件、牽引纜繩和地面組件三部分構(gòu)成。利用在空中展開的、像“大風(fēng)箏”的做功傘，在500-5000米高度范圍內(nèi)往復(fù)捕獲風(fēng)能，再通過牽引纜繩，拉動(dòng)地面的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電。也就是說，兩者的核心區(qū)別在于發(fā)電機(jī)的位置。
無論面積巨大的“空中捕風(fēng)傘”，還是外形似飛艇的“空中發(fā)電站”，都是我國(guó)在高空發(fā)電領(lǐng)域的新嘗試。
那么，為什么要向更高空捕風(fēng)呢？答案很簡(jiǎn)單，因?yàn)楦呖帐恰帮L(fēng)能富礦”！一般說來，在大氣邊界層內(nèi)，離地面越高，風(fēng)速越大。
根據(jù)風(fēng)力發(fā)電的基本原理，風(fēng)中的能量與風(fēng)速的三次方成正比，所以風(fēng)電機(jī)組捕獲的能量將隨風(fēng)速的提高而呈指數(shù)級(jí)的增大。風(fēng)電領(lǐng)域?qū)＜彝醭桑ɑ┫蛴浾呓忉尩?，這意味著，如果風(fēng)速提升至2倍，捕獲能量增加到8倍（2的三次方），如果風(fēng)速提升至3倍，捕獲能量就增加為27倍（3的三次方）。
據(jù)美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心1979年至2006年的數(shù)據(jù)資料，在500米至10000米的高度范圍，風(fēng)的流向穩(wěn)定，且高度越高、風(fēng)的強(qiáng)度越大，穩(wěn)定性就會(huì)越好；當(dāng)靠近地面時(shí)，受地形等影響，風(fēng)具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，強(qiáng)度也顯著下降。在高空，理論發(fā)電時(shí)間可以超過95%，年發(fā)電時(shí)間可高達(dá)6500小時(shí)以上。
尚未規(guī)模開發(fā)的新能源“無人區(qū)”
真正商業(yè)化還有不少路要走
其實(shí)，高空發(fā)電這一概念由來已久，早在20世紀(jì)就有科學(xué)家提出這一構(gòu)想，但目前仍處于尚未規(guī)模開發(fā)的新能源“無人區(qū)”。
“風(fēng)能一直被認(rèn)為是發(fā)展?jié)摿薮蟮男屡d綠色能源，目前全世界有多個(gè)國(guó)家在持續(xù)探索?！蓖醭杀硎尽?/span>
在我國(guó)，早在2023年，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃啟動(dòng)“可再生能源技術(shù)”重點(diǎn)專項(xiàng)申報(bào)，其中就包括“新型高空風(fēng)力發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)及裝備”項(xiàng)目，旨在探索新型高效高空風(fēng)力發(fā)電實(shí)現(xiàn)機(jī)理，提出大功率新型高空風(fēng)力發(fā)電解決方案。
的確，相較于常規(guī)陸上風(fēng)電，高空風(fēng)電可節(jié)約占地、減少用鋼、降低成本，在大型化、商業(yè)化上都具有較大優(yōu)勢(shì)。
以浮空風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)SAWES-1500為例，相比傳統(tǒng)陸上風(fēng)機(jī)，其無需建設(shè)大噸位塔筒，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，可節(jié)省材料40%，度電成本下降30%，且可快速“轉(zhuǎn)場(chǎng)”，適用于戈壁、海島、礦區(qū)等場(chǎng)景?！熬拖駛€(gè)‘巨型充電寶’，哪兒缺電飛哪?！鳖D天瑞說。
或許有人會(huì)疑惑：讓發(fā)電站飛在空中，會(huì)影響飛機(jī)飛行嗎？對(duì)此，王成表示，高空風(fēng)力發(fā)電對(duì)飛行安全的影響不大。從理論上說，其運(yùn)行的高度可能會(huì)影響飛機(jī)的起飛和著陸，不會(huì)影響飛機(jī)的正常巡航階段的飛行，但事實(shí)上，在高空風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)宏觀選址時(shí)，會(huì)避開飛機(jī)起飛和著陸的航線。
“不管是試飛還是固定飛行，我們都會(huì)向相關(guān)部門協(xié)調(diào)空域使用，在航線中進(jìn)行空中障礙區(qū)標(biāo)注，所以并不會(huì)影響飛機(jī)飛行安全?！鳖D天瑞表示。
不過，目前在全球市場(chǎng)上，高空發(fā)電還沒有大規(guī)模、成熟的商業(yè)應(yīng)用案例。王成表示，當(dāng)下高空風(fēng)力發(fā)電的關(guān)鍵問題是理論和技術(shù)的成熟度不夠、工程商業(yè)化距離大、全壽命周期的運(yùn)維成本及其度電成本不明。
此前，世界最大高空捕風(fēng)傘成功開傘后，中國(guó)能建中電工程高級(jí)技術(shù)專家霍少磊向媒體表示：超大型做功傘的成功展開，證實(shí)了傘梯式陸基高空風(fēng)力發(fā)電技術(shù)路線具備實(shí)現(xiàn)大容量、大功率的可行性。后續(xù)還將進(jìn)一步進(jìn)行多傘放飛試驗(yàn)測(cè)試，計(jì)劃明年底進(jìn)入發(fā)電試驗(yàn)階段。
同樣，臨一云川也處于持續(xù)深耕之中。頓天瑞告訴記者，浮空風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)SAWES-1500能在戈壁強(qiáng)風(fēng)等極端工況下完成各項(xiàng)預(yù)設(shè)目標(biāo)，是產(chǎn)品工程化應(yīng)用的重要里程碑，此后還將在國(guó)內(nèi)多地開展多環(huán)境、多場(chǎng)景驗(yàn)證，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在2026年實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)并交付首批用戶并網(wǎng)發(fā)電。
“在全球能源轉(zhuǎn)型浪潮的推動(dòng)下，高空風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用場(chǎng)景廣闊，但‘上天’之后也還有不短的路要走?！蓖醭烧J(rèn)為，這一領(lǐng)域確實(shí)值得探索，但并非一片坦途。
從后進(jìn)生到領(lǐng)跑者
中國(guó)風(fēng)電的“逆襲”之路
近幾十年來，中國(guó)在風(fēng)電領(lǐng)域的表現(xiàn)無疑是亮眼的——當(dāng)下，我國(guó)海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量已連續(xù)4年（2021—2024年）位居全球第一，新增裝機(jī)容量連續(xù)7年（2018—2024年）全球第一。截至2024年底，累計(jì)并網(wǎng)容量達(dá)4127萬千瓦，占全球累計(jì)容量的49.6%。
不過，回望來時(shí)路，中國(guó)并非是最早大力發(fā)展風(fēng)電、占據(jù)先手優(yōu)勢(shì)的國(guó)家，這是一段后來居上的奮斗史。
1986年，我國(guó)第一座“引進(jìn)機(jī)組、商業(yè)示范性”的馬蘭風(fēng)電場(chǎng)在山東榮成并網(wǎng)發(fā)電。作為世界最大風(fēng)力發(fā)電企業(yè)，國(guó)家能源集團(tuán)1994年建成投產(chǎn)的新疆達(dá)坂城風(fēng)電場(chǎng)，拉開我國(guó)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)風(fēng)電場(chǎng)的序幕。“中國(guó)風(fēng)電發(fā)展背后，有產(chǎn)業(yè)政策的支撐，也有技術(shù)創(chuàng)新的加持?！痹谕醭煽磥?，我國(guó)在風(fēng)電領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新經(jīng)歷了國(guó)外引進(jìn)、消化吸收和風(fēng)電機(jī)組大型化領(lǐng)跑三個(gè)階段。中國(guó)不僅連續(xù)十多年保持全球最大風(fēng)電裝機(jī)容量，而且目前已經(jīng)是全球最大的風(fēng)電裝備制造基地，在全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈中有著舉足輕重的作用。
據(jù)央視新聞2024年12月報(bào)道，中國(guó)風(fēng)電葉片產(chǎn)能占全球市場(chǎng)的64%、齒輪箱產(chǎn)能全球占比約80%，發(fā)電機(jī)產(chǎn)能全球占比約73%。
在當(dāng)下，從建設(shè)成本、發(fā)電效率、發(fā)電成本等方面來看，開發(fā)高空風(fēng)能符合未來能源技術(shù)發(fā)展的需要。從陸地到海洋，高空或許就是下一個(gè)“必爭(zhēng)之地”。
而在這一賽道上，不管是世界最大5000平方米高空風(fēng)力發(fā)電捕風(fēng)傘成功開傘，還是全球首臺(tái)兆瓦級(jí)商用空中風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)首次試飛成功，都印證著我們?cè)诟呖诊L(fēng)能利用領(lǐng)域已經(jīng)成功“搶跑”。
“現(xiàn)在我們的浮空風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能飛到1500米，但我們的目標(biāo)不止于此，我們還要邁向風(fēng)速更高的天空，努力建一座‘空中三峽’?！鳖D天瑞表示，團(tuán)隊(duì)希望讓浮空風(fēng)電成為平價(jià)綠電的重要組成部分，也為全球能源轉(zhuǎn)型貢獻(xiàn)有價(jià)值的中國(guó)方案。
在不遠(yuǎn)的將來，我們?nèi)粘Ｊ褂玫碾娔埽蛟S就將來自于千米乃至數(shù)千米高空的風(fēng)，這不是飄渺的想象，而是一場(chǎng)正在醞釀的可再生能源革命。
