高空风能从试验地迈向开发场——长期可用性和系统自愈性挑战仍需攻克

来源：科技日报

高空风筝将强劲的风力转化为电能，依靠自主控制技术提供可靠且可直接并网的电力。

图片来源：美国趣味工程网

在爱尔兰西海岸的邦戈埃里斯测试场，大西洋的海风经年不息。这里并非一处普通的荒野，而是经过全球范围内的严格筛选，最终确立的高空风能发电（AWE）技术核心试验场。这片基地正见证着一场可再生能源领域的颠覆性变革。

据美国趣味工程网近日报道，AWE系统摒弃了笨重的混凝土基础，依靠运行在离地数百米高空的系留风筝，捕捉当前传统风机难以企及的高空风能。目前，这项技术正从实验边缘迈向商业开发阶段，在欧洲和美国表现得尤为明显。然而，其底层的工程难题，即如何自动且可靠地控制这些飞行装置，同时提供电网可调度的稳定功率输出，目前仍有待进一步攻克。

物理规律暗含高空风能先天优势

空中风能系统的核心优势在于基础物理原理：风速是高度的函数。

在对流层低层，风速遵循基本的幂律剖面分布，这意味着在300米至500米的高空，平均风速不仅远高于地面，且分布更加均匀、稳定。相比之下，传统地表风机常年受困于随阵风剧烈波动的低空乱流，而高空风能则像是一座永不停歇、能量密度更高的“矿山”。

不过，只有高度是不够的。早在20世纪，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的相关分析就已确立了一项基本原则，即风筝通过在空中进行高速的横风运动，获取的功率密度远高于静态系缆。这意味着，风筝不应只是被动地悬浮，而必须像在空气中高速收割能量的镰刀，通过快速切割气流来产生巨大的牵引力。

这种高速运动产生的牵引力，在目前的地面发电系统中被转化为持续的电流。这一过程被称为“泵送循环”。

泵送循环分为两个阶段。在“放线阶段”，当风筝以“8”字形路径飞行时，会产生强大的牵引力，将系缆从地面站的绞盘中拉出，从而产生电力。当系缆达到最大长度时，系统通过调整风筝角度使其失去拉力并悬停在基站上方，随后以极少的能耗将系缆收回，进入“收线阶段”。通常这两个阶段分别持续80秒与20秒，这种周而复始的律动，构成了空中风能持续发电的“脉搏”，其发电稳定性远超地面风机。

算法驱动下的“减法”革命

这种循环不仅高效，还极大地节省了结构材料。与动辄使用数千吨钢材和混凝土的150米级传统风机相比，AWE系统主要由轻质复合材料翼型和高强度系缆组成。

空中风能的本质，是用主动的控制算法取代被动的材料约束。在实际飞行中，系统完全依靠复杂的自主飞控软件驱动，每秒进行数百次的数据计算。算法需要实时融合系缆张力、风速感应及空间坐标，精准控制风筝的每一个转弯角度，以确保在每次旋转中精准产生高达2.5吨的强劲拉力。

德国能源巨头莱茵集团介绍称，他们当前的测试设备——一套翼展达40米的巨型风筝，其包含传感器单元在内的总重量仅为80公斤。该设备采用迪尼玛系缆，这种高性能合成纤维的强度高于同尺寸钢索，重量却不足其十分之一。这种极高的功率重量比，使得AWE系统具备极低的隐含碳足迹，并展现出极速部署的灵活性。

在地面上扮演风筝“飞行员”的帕德里克·多尔蒂介绍称，这款风筝可飞至约400米高空，然后收回至约190米，产生约30千瓦的电力用于存储。电力储存在电池中，类似于太阳能光伏系统。

这种AWE系统的另一个优势还在于灵活。多尔蒂说：“我们可在24小时内完成安装，并且可以把它带到任何地方。它超级灵活，而且不需要建造昂贵、耗时耗力的涡轮机基础。”

此外，AWE系统对景观的破坏性远小于风力涡轮机。它能产生清洁能源，而且不需要燃料供应链来维持运行。

仍需探索规模化应用路径

邦戈埃里斯的实践并非孤军奋战。在欧洲，德国SkySails电力公司正推进配备自动驾驶仪的智能风筝，而德国EnerKite与瑞士TwingTec等公司则深耕自主模块化系统，试图将原型机推向规模化。在美国，尽管谷歌母公司“字母表”旗下的Makani项目已于2020年终止，但长达13年的研发积累并未付诸东流。目前，美国能源部与先进能源研究计划局正利用这些宝贵的经验，重点研究其留下的高强度空气动力学数据与机载飞控系统。

目前，高空风能正处于从物理可行性转向“电网级可靠性”的关键转折点。虽然该技术在土地可用性不足、成本过高或物流受限的地区具有独特优势，但下一步仍需攻克设备长期可用性、空域监管审批以及复杂环境下的系统自愈性等挑战。

只有实现与现有电网的无缝集成，这种轻盈的“能源镰刀”才能真正从实验室走向深蓝海洋，成为未来全球能源组合中不可或缺的一环。