中國儲能網(wǎng)訊：當一座座高聳的白色風電機組持續(xù)轉(zhuǎn)動，將風能轉(zhuǎn)化為電流輸送至千家萬戶時，中國新能源開發(fā)的版圖已不局限于廣袤大地與遼闊海面。如今，對風力的利用更是拓展至千米高空。
高空風力發(fā)電，是指利用自主系留空中組件捕獲300米以上高空風能，實現(xiàn)風能到電能轉(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)”，高空風能具有風速高、風向穩(wěn)定、風能密度大等優(yōu)勢，蘊藏著巨大潛力。
11月12日，我國首個高空風能國家重點研發(fā)計劃核心裝備——世界最大5000平方米高空風力發(fā)電捕風傘在內(nèi)蒙古阿拉善左旗試驗場成功開傘。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)定試驗科目，標志著全球首臺兆瓦級商用空中風力發(fā)電系統(tǒng)首次試飛成功。
面積巨大的“空中捕風傘”、外形似飛艇的“空中發(fā)電站”……今年，我國高空風力發(fā)電領(lǐng)域捷報頻傳。作為世界風能資源最豐富的國家之一，我們正在“向天要電”的征途上邁進。
風中能量與風速三次方成正比
在1500米高空挖掘“風能富礦”
當長60米、寬40米、高40米的SAWES-1500順利升至1500米高空時，北京臨一云川能源技術(shù)有限公司CEO兼首席設(shè)計師頓天瑞頗為感慨，“這離我們‘向更高空捕風，云端電站點亮未來’的目標又近了一步?！?/span>
浮空風力發(fā)電系統(tǒng)SAWES-1500，這個外形似飛艇的龐然大物，由輕質(zhì)浮空囊體、高效涵道風輪、智能系纜和地面控制站組成，能夠在1500米高空捕獲穩(wěn)定強風進行發(fā)電。“就像把發(fā)電站從地面搬到‘風力高速公路’上。”頓天瑞比喻道。
飛在空中的發(fā)電站，聽起來似乎像個科幻場景。不過，要想讓科幻成功照進現(xiàn)實，也并不容易。頓天瑞介紹，這座“高空發(fā)電站”就像一個充滿氦氣的巨無霸飛艇，工作原理主要分三步——
首先，像“放風箏”一樣，讓這艘特殊材料制成的、裝著氦氣的飛艇攜帶發(fā)電機升到1500米以上高空；其次，通過可以自動調(diào)整角度的“智能風帆”，帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)發(fā)電；最后，像“傳輸數(shù)據(jù)”一樣，把產(chǎn)生的電能通過高強度特質(zhì)系纜輸送回地面基站。
在高空風力發(fā)電領(lǐng)域，這種通過把輕型風力發(fā)電機搭載在輕量級飛行器上飛行實現(xiàn)空中發(fā)電的方式，屬于空基技術(shù)路線。
與SAWES-1500不同，我國首個高空風能國家重點研發(fā)計劃核心裝備——世界最大5000平方米高空風力發(fā)電捕風傘，則是走的陸基路線。
這一高空風力發(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“大風箏”的做功傘，在500-5000米高度范圍內(nèi)往復(fù)捕獲風能，再通過牽引纜繩，拉動地面的發(fā)電機轉(zhuǎn)動發(fā)電。也就是說，兩者的核心區(qū)別在于發(fā)電機的位置。
無論面積巨大的“空中捕風傘”，還是外形似飛艇的“空中發(fā)電站”，都是我國在高空發(fā)電領(lǐng)域的新嘗試。
那么，為什么要向更高空捕風呢？答案很簡單，因為高空是“風能富礦”！一般說來，在大氣邊界層內(nèi)，離地面越高，風速越大。
根據(jù)風力發(fā)電的基本原理，風中的能量與風速的三次方成正比，所以風電機組捕獲的能量將隨風速的提高而呈指數(shù)級的增大。風電領(lǐng)域?qū)＜彝醭桑ɑ┫蛴浾呓忉尩?，這意味著，如果風速提升至2倍，捕獲能量增加到8倍（2的三次方），如果風速提升至3倍，捕獲能量就增加為27倍（3的三次方）。
據(jù)美國國家環(huán)境預(yù)報中心1979年至2006年的數(shù)據(jù)資料，在500米至10000米的高度范圍，風的流向穩(wěn)定，且高度越高、風的強度越大，穩(wěn)定性就會越好；當靠近地面時，受地形等影響，風具有很強的隨機性，強度也顯著下降。在高空，理論發(fā)電時間可以超過95%，年發(fā)電時間可高達6500小時以上。
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，高空發(fā)電這一概念由來已久，早在20世紀就有科學家提出這一構(gòu)想，但目前仍處于尚未規(guī)模開發(fā)的新能源“無人區(qū)”。
“風能一直被認為是發(fā)展?jié)摿薮蟮男屡d綠色能源，目前全世界有多個國家在持續(xù)探索。”王成表示。
在我國，早在2023年，國家重點研發(fā)計劃啟動“可再生能源技術(shù)”重點專項申報，其中就包括“新型高空風力發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)及裝備”項目，旨在探索新型高效高空風力發(fā)電實現(xiàn)機理，提出大功率新型高空風力發(fā)電解決方案。
的確，相較于常規(guī)陸上風電，高空風電可節(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。
以浮空風力發(fā)電系統(tǒng)SAWES-1500為例，相比傳統(tǒng)陸上風機，其無需建設(shè)大噸位塔筒，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)簡潔，可節(jié)省材料40%，度電成本下降30%，且可快速“轉(zhuǎn)場”，適用于戈壁、海島、礦區(qū)等場景。“就像個‘巨型充電寶’，哪兒缺電飛哪?！鳖D天瑞說。
或許有人會疑惑：讓發(fā)電站飛在空中，會影響飛機飛行嗎？對此，王成表示，高空風力發(fā)電對飛行安全的影響不大。從理論上說，其運行的高度可能會影響飛機的起飛和著陸，不會影響飛機的正常巡航階段的飛行，但事實上，在高空風力發(fā)電場宏觀選址時，會避開飛機起飛和著陸的航線。
“不管是試飛還是固定飛行，我們都會向相關(guān)部門協(xié)調(diào)空域使用，在航線中進行空中障礙區(qū)標注，所以并不會影響飛機飛行安全?！鳖D天瑞表示。
不過，目前在全球市場上，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，當下高空風力發(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、全壽命周期的運維成本及其度電成本不明。
此前，世界最大高空捕風傘成功開傘后，中國能建中電工程高級技術(shù)專家霍少磊向媒體表示：超大型做功傘的成功展開，證實了傘梯式陸基高空風力發(fā)電技術(shù)路線具備實現(xiàn)大容量、大功率的可行性。后續(xù)還將進一步進行多傘放飛試驗測試，計劃明年底進入發(fā)電試驗階段。
同樣，臨一云川也處于持續(xù)深耕之中。頓天瑞告訴記者，浮空風力發(fā)電系統(tǒng)SAWES-1500能在戈壁強風等極端工況下完成各項預(yù)設(shè)目標，是產(chǎn)品工程化應(yīng)用的重要里程碑，此后還將在國內(nèi)多地開展多環(huán)境、多場景驗證，團隊計劃在2026年實現(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)型浪潮的推動下，高空風力發(fā)電應(yīng)用場景廣闊，但‘上天’之后也還有不短的路要走?！蓖醭烧J為，這一領(lǐng)域確實值得探索，但并非一片坦途。
從后進生到領(lǐng)跑者
中國風電的“逆襲”之路
近幾十年來，中國在風電領(lǐng)域的表現(xiàn)無疑是亮眼的——當下，我國海上風電累計裝機容量已連續(xù)4年（2021—2024年）位居全球第一，新增裝機容量連續(xù)7年（2018—2024年）全球第一。截至2024年底，累計并網(wǎng)容量達4127萬千瓦，占全球累計容量的49.6%。
不過，回望來時路，中國并非是最早大力發(fā)展風電、占據(jù)先手優(yōu)勢的國家，這是一段后來居上的奮斗史。
1986年，我國第一座“引進機組、商業(yè)示范性”的馬蘭風電場在山東榮成并網(wǎng)發(fā)電。作為世界最大風力發(fā)電企業(yè)，國家能源集團1994年建成投產(chǎn)的新疆達坂城風電場，拉開我國商業(yè)化運營風電場的序幕。“中國風電發(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?！痹谕醭煽磥恚覈陲L電領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新經(jīng)歷了國外引進、消化吸收和風電機組大型化領(lǐng)跑三個階段。中國不僅連續(xù)十多年保持全球最大風電裝機容量，而且目前已經(jīng)是全球最大的風電裝備制造基地，在全球風電產(chǎn)業(yè)鏈中有著舉足輕重的作用。
據(jù)央視新聞2024年12月報道，中國風電葉片產(chǎn)能占全球市場的64%、齒輪箱產(chǎn)能全球占比約80%，發(fā)電機產(chǎn)能全球占比約73%。
在當下，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“必爭之地”。
而在這一賽道上，不管是世界最大5000平方米高空風力發(fā)電捕風傘成功開傘，還是全球首臺兆瓦級商用空中風力發(fā)電系統(tǒng)首次試飛成功，都印證著我們在高空風能利用領(lǐng)域已經(jīng)成功“搶跑”。
“現(xiàn)在我們的浮空風力發(fā)電系統(tǒng)能飛到1500米，但我們的目標不止于此，我們還要邁向風速更高的天空，努力建一座‘空中三峽’?！鳖D天瑞表示，團隊希望讓浮空風電成為平價綠電的重要組成部分，也為全球能源轉(zhuǎn)型貢獻有價值的中國方案。
在不遠的將來，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，這不是飄渺的想象，而是一場正在醞釀的可再生能源革命。
