◎本報記者　張佳欣

在愛爾蘭西海岸的邦戈埃里斯測試場，大西洋的海風(fēng)經(jīng)年不息。這里并非一處普通的荒野，而是經(jīng)過全球范圍內(nèi)的嚴(yán)格篩選，最終確立的高空風(fēng)能發(fā)電（AWE）技術(shù)核心試驗場。這片基地正見證著一場可再生能源領(lǐng)域的顛覆性變革。

據(jù)美國趣味工程網(wǎng)近日報道，AWE系統(tǒng)摒棄了笨重的混凝土基礎(chǔ)，依靠運行在離地數(shù)百米高空的系留風(fēng)箏，捕捉當(dāng)前傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)難以企及的高空風(fēng)能。目前，這項技術(shù)正從實驗邊緣邁向商業(yè)開發(fā)階段，在歐洲和美國表現(xiàn)得尤為明顯。然而，其底層的工程難題，即如何自動且可靠地控制這些飛行裝置，同時提供電網(wǎng)可調(diào)度的穩(wěn)定功率輸出，目前仍有待進(jìn)一步攻克。

物理規(guī)律暗含高空風(fēng)能先天優(yōu)勢

空中風(fēng)能系統(tǒng)的核心優(yōu)勢在于基礎(chǔ)物理原理：風(fēng)速是高度的函數(shù)。

在對流層低層，風(fēng)速遵循基本的冪律剖面分布，這意味著在300米至500米的高空，平均風(fēng)速不僅遠(yuǎn)高于地面，且分布更加均勻、穩(wěn)定。相比之下，傳統(tǒng)地表風(fēng)機(jī)常年受困于隨陣風(fēng)劇烈波動的低空亂流，而高空風(fēng)能則像是一座永不停歇、能量密度更高的“礦山”。

不過，只有高度是不夠的。早在20世紀(jì)，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的相關(guān)分析就已確立了一項基本原則，即風(fēng)箏通過在空中進(jìn)行高速的橫風(fēng)運動，獲取的功率密度遠(yuǎn)高于靜態(tài)系纜。這意味著，風(fēng)箏不應(yīng)只是被動地懸浮，而必須像在空氣中高速收割能量的鐮刀，通過快速切割氣流來產(chǎn)生巨大的牽引力。

這種高速運動產(chǎn)生的牽引力，在目前的地面發(fā)電系統(tǒng)中被轉(zhuǎn)化為持續(xù)的電流。這一過程被稱為“泵送循環(huán)”。

泵送循環(huán)分為兩個階段。在“放線階段”，當(dāng)風(fēng)箏以“8”字形路徑飛行時，會產(chǎn)生強(qiáng)大的牽引力，將系纜從地面站的絞盤中拉出，從而產(chǎn)生電力。當(dāng)系纜達(dá)到最大長度時，系統(tǒng)通過調(diào)整風(fēng)箏角度使其失去拉力并懸停在基站上方，隨后以極少的能耗將系纜收回，進(jìn)入“收線階段”。通常這兩個階段分別持續(xù)80秒與20秒，這種周而復(fù)始的律動，構(gòu)成了空中風(fēng)能持續(xù)發(fā)電的“脈搏”，其發(fā)電穩(wěn)定性遠(yuǎn)超地面風(fēng)機(jī)。

算法驅(qū)動下的“減法”革命

這種循環(huán)不僅高效，還極大地節(jié)省了結(jié)構(gòu)材料。與動輒使用數(shù)千噸鋼材和混凝土的150米級傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)相比，AWE系統(tǒng)主要由輕質(zhì)復(fù)合材料翼型和高強(qiáng)度系纜組成。

空中風(fēng)能的本質(zhì)，是用主動的控制算法取代被動的材料約束。在實際飛行中，系統(tǒng)完全依靠復(fù)雜的自主飛控軟件驅(qū)動，每秒進(jìn)行數(shù)百次的數(shù)據(jù)計算。算法需要實時融合系纜張力、風(fēng)速感應(yīng)及空間坐標(biāo)，精準(zhǔn)控制風(fēng)箏的每一個轉(zhuǎn)彎角度，以確保在每次旋轉(zhuǎn)中精準(zhǔn)產(chǎn)生高達(dá)2.5噸的強(qiáng)勁拉力。

德國能源巨頭萊茵集團(tuán)介紹稱，他們當(dāng)前的測試設(shè)備——一套翼展達(dá)40米的巨型風(fēng)箏，其包含傳感器單元在內(nèi)的總重量僅為80公斤。該設(shè)備采用迪尼瑪系纜，這種高性能合成纖維的強(qiáng)度高于同尺寸鋼索，重量卻不足其十分之一。這種極高的功率重量比，使得AWE系統(tǒng)具備極低的隱含碳足跡，并展現(xiàn)出極速部署的靈活性。

在地面上扮演風(fēng)箏“飛行員”的帕德里克·多爾蒂介紹稱，這款風(fēng)箏可飛至約400米高空，然后收回至約190米，產(chǎn)生約30千瓦的電力用于存儲。電力儲存在電池中，類似于太陽能光伏系統(tǒng)。

這種AWE系統(tǒng)的另一個優(yōu)勢還在于靈活。多爾蒂說：“我們可在24小時內(nèi)完成安裝，并且可以把它帶到任何地方。它超級靈活，而且不需要建造昂貴、耗時耗力的渦輪機(jī)基礎(chǔ)?！?/p>

此外，AWE系統(tǒng)對景觀的破壞性遠(yuǎn)小于風(fēng)力渦輪機(jī)。它能產(chǎn)生清潔能源，而且不需要燃料供應(yīng)鏈來維持運行。

仍需探索規(guī)模化應(yīng)用路徑

邦戈埃里斯的實踐并非孤軍奮戰(zhàn)。在歐洲，德國SkySails電力公司正推進(jìn)配備自動駕駛儀的智能風(fēng)箏，而德國EnerKite與瑞士TwingTec等公司則深耕自主模塊化系統(tǒng)，試圖將原型機(jī)推向規(guī)?；?。在美國，盡管谷歌母公司“字母表”旗下的Makani項目已于2020年終止，但長達(dá)13年的研發(fā)積累并未付諸東流。目前，美國能源部與先進(jìn)能源研究計劃局正利用這些寶貴的經(jīng)驗，重點研究其留下的高強(qiáng)度空氣動力學(xué)數(shù)據(jù)與機(jī)載飛控系統(tǒng)。

目前，高空風(fēng)能正處于從物理可行性轉(zhuǎn)向“電網(wǎng)級可靠性”的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點。雖然該技術(shù)在土地可用性不足、成本過高或物流受限的地區(qū)具有獨特優(yōu)勢，但下一步仍需攻克設(shè)備長期可用性、空域監(jiān)管審批以及復(fù)雜環(huán)境下的系統(tǒng)自愈性等挑戰(zhàn)。

只有實現(xiàn)與現(xiàn)有電網(wǎng)的無縫集成，這種輕盈的“能源鐮刀”才能真正從實驗室走向深藍(lán)海洋，成為未來全球能源組合中不可或缺的一環(huán)。