據(jù)耶魯360網(wǎng)站報道，國際上許多公司正在開發(fā)空中發(fā)電技術，利用大型風箏在距離地面半英里以上的空中收集風能。雖然仍處于初級階段，但空中風力發(fā)電技術潛力很大，有可能用于偏遠地區(qū)，或從離岸較遠的駁船上升空發(fā)電。
仰望毛里求斯的白色沙灘，你可能會看到一個巨大的8字型的帆，很像滑翔傘或風箏沖浪者使用的那種帆，大小相當于一套三居室的公寓。這不是旅游景點，而是為這個東非海岸島國的發(fā)電設施。由德國公司SkySails Power去年12月發(fā)射世界上第一個商業(yè)“空中風能”(Airborne Wind Energy)系統(tǒng)。該公司表示，在過去兩個月里，這個系統(tǒng)的發(fā)電出力大約100千瓦，足以為50戶家庭供電。當然，這只是該島電力需求的極小部分，但SkySails公司希望，這個技術是未來的一個發(fā)展方向。
隨著世界向凈零排放目標邁進，未來電力生產(chǎn)的幾乎每一條途徑都預見到風能的巨大作用。國際能源協(xié)會(International Energy Association)預測，到2050年風能將猛增11倍，風能和太陽能共同占全球電力需求的70%。由于遍布全球的農(nóng)田和山脊線上的風力渦輪機數(shù)量不斷增加，風力發(fā)電的成本在過去十年中大幅下降了約40%。
但一些專家表示，這些大型風力渦輪機并不總是最好的解決方案——可能成本高昂，或者不可能安裝在偏遠地區(qū)或深水中，而且無法達到風力最強的高空。要收獲這些空中能源，解決方法可能是“放風箏”。數(shù)十家公司和部分學術機構正在研發(fā)這樣的技術和設備，包括將拖船和風箏繩上的拉力轉(zhuǎn)化為有用能量的軟翼，以及搭載渦輪機和發(fā)電機并將輸送電力的復雜飛行器。
空中風能有一些關鍵的優(yōu)勢。在一些國家適合風力發(fā)電場的土地越來越少：風力發(fā)電場通常需要高達71英畝的土地來發(fā)電一兆瓦，而化石燃料發(fā)電廠只需要12英畝的土地，理想的風電場地點最終會用光。而空中風能系統(tǒng)可以達到800米高(半英里)，遠遠高于最高的風力渦輪機200到300米的頂端。據(jù)估計，高空風力發(fā)電的理論全球極限約為地面風力發(fā)電量的4.5倍。
空中風能吸引人的是在材料的簡單性和成本方面。將發(fā)電風箏帶到偏遠地區(qū)相對便宜，也比較容易;這些系統(tǒng)裝在集裝箱中，可以在任何有道路或碼頭的地方放置。它們還可以被拴在深水中的錨定駁船上，而傳統(tǒng)的風力渦輪機在深水中無法站穩(wěn)。它們的高度是可適應的，因此可以向上或向下移動到風力最大的地方，而風力通常會隨著季節(jié)的變化而變化。空中風電場可以容納數(shù)百只風箏漂浮在離岸較遠的深水駁船上，幫助偏遠島嶼、臨時軍事設施或山區(qū)采礦作業(yè)供電。
這些想法已經(jīng)存在了幾十年，但使用風箏或無人機捕捉風能的道路并不平坦。例如，2020年一家被谷歌收購的航空風能公司因工程師無法使其系統(tǒng)經(jīng)濟運行而關閉了運營。但其他追求更輕、更簡單的技術版本的公司，比如SkySails，現(xiàn)在正在走向商業(yè)化。2021年美國能源部向國會提交的報告得出結(jié)論，這一技術路徑具有很大的潛力，機載系統(tǒng)可能有能力獲得與美國地面風系統(tǒng)相同數(shù)量的能量。但他們補充說：這項技術要成為美國能源解決方案的重要組成部分還有很長的路要走。
實際上，SkySails早在2001年就建造柔軟的風箏翅膀，在海上拉動船只。其想法是機翼可以像古代的帆一樣，幫助大幅降低船舶的燃料需求。這是一個超前的概念，但SkySails預計油價將繼續(xù)上漲，使其產(chǎn)品更具吸引力。現(xiàn)在，隨著聯(lián)合國國際海事組織(International Maritime Organization)對船舶減排提出了更嚴格的要求，其他公司，包括空客(Airbus)的子公司也在制造拖船翼發(fā)電設施。
和其他幾個正在開發(fā)的系統(tǒng)一樣，SkySails的系統(tǒng)依靠一個大約150平方米的降落傘式機翼在風中飛行。空中沒有渦輪機，繩子也不是電線。取而代之的是，能量是在地面上由纜繩上的拖船產(chǎn)生的。系統(tǒng)以8字形模式自主地放風箏，以獲得產(chǎn)生能量的最大拉力。然后，該系統(tǒng)會改變機翼的飛行模式，以便以最小的阻力將其拉入，并消耗一點能量將其卷回。這種模式會重復，產(chǎn)生的能量遠遠超過消耗的能量。
聽起來很簡單，發(fā)電系統(tǒng)也很標準。但SkySails的首席技術官斯蒂芬·布拉貝克(Stephan Brabeck)表示，該團隊花了大約7年的時間來完善飛行系統(tǒng)，尤其是為了讓發(fā)電機翼能夠安全著陸并自主發(fā)射。布拉貝克說，他們現(xiàn)在已經(jīng)制造并銷售了五臺，其中毛里求斯是第一臺投入使用的。由于暴雨、不合適的風或雷雨，機翼每年必須著陸14次。航空工程師布拉貝克(Brabeck)說，偶爾會有颶風，機載系統(tǒng)可以在地面上經(jīng)受住，這使得該島不適合使用傳統(tǒng)的風力渦輪機。
布拉貝克說，與傳統(tǒng)渦輪機相比，風帆對天際線的干擾更小，也更安靜。他說，對于目前從柴油發(fā)電機每千瓦時支付超過30美分的成本來說，這都是有經(jīng)濟意義的。但也有挑戰(zhàn)。法吉亞諾說，風力渦輪機可以殺死或傷害候鳥，鳥類對這些風箏的反應“尚未得到很好的研究”。任何此類系統(tǒng)上的系繩理論上都可能絆倒無人機甚至小型飛機。如果纜繩斷裂或?qū)Ш较到y(tǒng)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)可能會墜地。
無論是谷歌還是其他公司，現(xiàn)在都在尋找更好的解決方案。這包括總部位于荷蘭的Kitepower，它在加勒比海有一個項目，以及總部位于挪威的Kitemill，它的目標是制造兆瓦級系統(tǒng)。SkySails計劃在美國中西部地區(qū)測試一個機載風電場的概念，然后再搬到海上。
隨著商業(yè)活動的增加，最大的障礙之一是監(jiān)管：空域規(guī)則的設計不是為了適應這些發(fā)電風箏。但是這是雞和蛋的問題：只要沒有技術，他們就不會制定法規(guī);沒有法規(guī)，公司很難籌集資金。隨著首批商業(yè)試點產(chǎn)品的推出，在偏遠地區(qū)，空中發(fā)電成本已經(jīng)相當具有競爭力。如果空中風力系統(tǒng)開始大規(guī)模生產(chǎn)，毫無疑問將生產(chǎn)出價格合理的能源。
