一種新型風(fēng)能發(fā)電裝置的可行性研究

黃張弛 禤贊宇

江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東江門市 529000

1 研究概況

1.1 目的意義

風(fēng)能作為一種綠色能源，很早就被人們利用，然而傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電實(shí)現(xiàn)起來是有一定限制的，一是需要有特殊的地理位置，二是需要有常年比較穩(wěn)定的風(fēng)源。然而對(duì)于后者來講，近地表的風(fēng)有不可控的因素，是相對(duì)難以穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)的，因此風(fēng)力發(fā)電在所有發(fā)電方式中的占比還很低。

本次研究有鑒于此，認(rèn)為可以脫離傳統(tǒng)角度，通過研究從其他領(lǐng)域獲取高質(zhì)量風(fēng)能的方法，來改善傳統(tǒng)風(fēng)能獲取的不穩(wěn)定和難持續(xù)的問題，使風(fēng)力發(fā)電也能成為新型的發(fā)電主流。且研究發(fā)現(xiàn)，在近千米高空對(duì)流層處能獲得強(qiáng)勁而且穩(wěn)定的風(fēng)源，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的電能顯然要多于地面，而且其發(fā)電效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)發(fā)電許多倍。因此利用高空風(fēng)能發(fā)電可以解決傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電的許多制約，值得在這方面投入精力去研發(fā)新技術(shù)。

1.2 國(guó)內(nèi)外概況

目前國(guó)內(nèi)外均有一些企業(yè)對(duì)高空風(fēng)能發(fā)電項(xiàng)目進(jìn)行各自的研究，衍生出不同類型的高空風(fēng)能發(fā)電方式，如無人機(jī)發(fā)電，氦氣風(fēng)箏發(fā)電等，但在研發(fā)的道路上也遇到不少技術(shù)難題，還在不斷發(fā)展的階段。

鑒于在同一領(lǐng)域研究發(fā)展的相關(guān)機(jī)構(gòu)并不多見，而且各自的項(xiàng)目方案均有很大的不同。因此，要找出更為合理的研究角度，將是該類型新能源領(lǐng)域在未來的發(fā)展方向。

1.3 市場(chǎng)預(yù)測(cè)和發(fā)展趨勢(shì)

在我國(guó)，隨著對(duì)高空風(fēng)源的深入分析研究，通過預(yù)測(cè)，未來利用高空風(fēng)能發(fā)電的成本可控制在每千瓦時(shí)0.15元以下，這是一個(gè)很可觀的經(jīng)濟(jì)效益。相比德國(guó)，其再生能源的利用量占比也是年年攀升，甚至占據(jù)了總能源的50%以上。這些新能源利用率的例子也能體現(xiàn)出未來利用高空風(fēng)能發(fā)電的趨勢(shì)，其必將會(huì)是再生能源的一個(gè)重要組成部分，而來自國(guó)內(nèi)外企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)也必然會(huì)逐步加劇。

2 研究開發(fā)內(nèi)容、方法、技術(shù)路線

2.1 具體研究開發(fā)內(nèi)容和重點(diǎn)解決的關(guān)鍵技術(shù)問題

本類型研究著眼于用新的方法利用高空急速對(duì)流風(fēng)能來發(fā)電，因此我們主要探索兩個(gè)領(lǐng)域，包括：1）如何使用飛行器，使其在高空能利用急速對(duì)流風(fēng)力來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的牽引爬升；2）如何利用新設(shè)備實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的物理發(fā)電，并儲(chǔ)存利用，關(guān)鍵點(diǎn)是能保持發(fā)電的持續(xù)性；此外，該設(shè)備還需要兼顧飛行器的高空維持能力，使其不墜落，同時(shí)具備回收飛行器的能力。

要使新型風(fēng)力飛行器與新式物理發(fā)電設(shè)備結(jié)合起來，我們需要重點(diǎn)解決以下關(guān)鍵技術(shù)問題：

一是發(fā)電設(shè)備可持續(xù)性的大量而且高效的物理發(fā)電問題。發(fā)電過程是靠引線帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)物理發(fā)電，然而受航空領(lǐng)域飛行高度限制，牽引線的長(zhǎng)度必然是一個(gè)有限的量，如何在這個(gè)有限值的基礎(chǔ)上盡可能大的實(shí)現(xiàn)一次高效率發(fā)電，然后通過回收并重復(fù)放飛來實(shí)現(xiàn)循環(huán)發(fā)電，將是值得研究的課題。

二是飛行器牽引繩回收時(shí)的反向耗電問題。飛行器引繩回收的時(shí)候必然會(huì)消耗能量，加上飛行物回收時(shí)會(huì)遇到的風(fēng)阻問題，在回收引繩的過程中如何能做到耗電量最小，將是一個(gè)需要解決的難題，否則將得不償失。

三是能高效且大量?jī)?chǔ)存電能的問題。發(fā)電機(jī)發(fā)出來的電若要方便存儲(chǔ)，從容易實(shí)現(xiàn)的角度考慮，應(yīng)該轉(zhuǎn)變成直流電然后通過電瓶來貯存。但是如何能做到高效并且大量的貯存足夠的、有經(jīng)濟(jì)效益的電能，而且是方便存放、運(yùn)輸和使用，則是需要著重考慮的又一方面。

2.2 項(xiàng)目的特色和創(chuàng)新之處

該項(xiàng)目的創(chuàng)新性研究方向與傳統(tǒng)的利用風(fēng)車的風(fēng)能發(fā)電方式完全不同。我們的項(xiàng)目必須要從占地空間小和設(shè)備規(guī)模精簡(jiǎn)等方面做出創(chuàng)新，并能實(shí)現(xiàn)持續(xù)性發(fā)電，而且獲得的電量可以更大。

我們知道傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電只是在風(fēng)力較大的地方建設(shè)大型風(fēng)車，利用風(fēng)力推動(dòng)風(fēng)車轉(zhuǎn)動(dòng)從而使能量轉(zhuǎn)換成電能。然而這種傳統(tǒng)模式有局限點(diǎn)，不管是利用山風(fēng)還是利用海洋風(fēng)力，都會(huì)受到自然氣候環(huán)境所影響，風(fēng)力往往不能持續(xù)，因此我們很多時(shí)候見到的風(fēng)車是停轉(zhuǎn)的狀態(tài)。

而就目前的風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目來看，必須指出，要獲得更多的電量一般有兩個(gè)途徑，一是增加發(fā)電機(jī)的數(shù)量，二是提升發(fā)電機(jī)的功率；前者受到土地面積的制約，而后者則使發(fā)電成本提高。有鑒于前者，我們常?？吹斤L(fēng)力發(fā)電往往呈集群式布局特征，一個(gè)風(fēng)力發(fā)電站動(dòng)輒幾十甚至幾百臺(tái)發(fā)電機(jī)，這將直接造成風(fēng)力發(fā)電占地面積的不斷擴(kuò)大，伴隨裝機(jī)擴(kuò)容而來的就是土地侵占問題，這將可能掣肘風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展。而想要增加風(fēng)機(jī)的功率，要實(shí)現(xiàn)在最小的面積上獲得最大的電力，就只能提高單位風(fēng)機(jī)的發(fā)電量。因此，對(duì)風(fēng)機(jī)的研發(fā)也呈現(xiàn)出一個(gè)明顯的趨勢(shì)，那就是個(gè)體風(fēng)機(jī)功率越來越大，體積也越來越大。比如丹麥曾經(jīng)造出了當(dāng)時(shí)世界上最大的風(fēng)機(jī)，每個(gè)葉片長(zhǎng)達(dá)88.4米，風(fēng)輪直徑180米，高達(dá)220米，而建造這么大的風(fēng)機(jī)，顯然是很耗成本的。

而傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電往往只從這兩方面拓展的根本原因，與風(fēng)的活動(dòng)區(qū)域分不開。我們知道，在對(duì)流層內(nèi)，越往高處，風(fēng)力越大；而近地面的風(fēng)存在很大的不穩(wěn)定性。那么，為了獲取強(qiáng)勁而持續(xù)的風(fēng)力，人們只好把風(fēng)機(jī)越做大、越做越高，并且在數(shù)量上取勝。但是，當(dāng)風(fēng)機(jī)建造數(shù)量和風(fēng)機(jī)功率大小到了一定程度之后，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)成本和收益的拐點(diǎn)，需要十幾年甚至更長(zhǎng)時(shí)間才能收回成本，顯然不是必然的發(fā)展方向，必須要從其他角度去研究來改善風(fēng)力發(fā)電的效益問題。

我們的項(xiàng)目就從新的角度和高度去考慮，重新選擇風(fēng)源，就是比山崗更高的高空對(duì)流層，那里的空氣對(duì)流度更活躍，而且更容易出現(xiàn)持續(xù)性氣流；借助飛行物（如滑翔設(shè)備或風(fēng)箏等）利用高空氣流使其爬升的原理，通過牽引放飛，利用引線帶動(dòng)卷?yè)P(yáng)發(fā)電設(shè)備就能進(jìn)行發(fā)電。只要能解決高效和持續(xù)發(fā)電這兩大問題，則該項(xiàng)目就可以獲得很好的效益。

2.3 可達(dá)到的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益

根據(jù)有關(guān)研究報(bào)告從宏觀角度上指出，高空中的急速氣流在任何時(shí)候所含的風(fēng)能，均可超出近地表風(fēng)能的1000多倍。而從我國(guó)大部分地區(qū)的平均高空急氣流的風(fēng)力密度來考慮的話，該項(xiàng)目所需要的風(fēng)力密度應(yīng)不低于5千瓦/平方米。這是比較容易達(dá)到的一個(gè)指標(biāo)，例如，在浙江、江蘇、山東等區(qū)域的高空急流風(fēng)力密度甚至達(dá)到了30千瓦/平方米，為世界之最，而我們廣東的數(shù)據(jù)也在平均值以上。

在考慮高空急流區(qū)域的高度選取問題時(shí)，考慮到飛機(jī)除起降之外的最低安全飛行高度一般在海拔5000米到8000米之間（還屬于對(duì)流層的領(lǐng)域），而且本項(xiàng)目中飛行物的放飛地點(diǎn)一般選取在具有一定海拔高度的領(lǐng)域（一般在2000米）以下，因此我們所考慮的高空領(lǐng)域應(yīng)該為3000米以下。

在飛行器的選擇上，由于該項(xiàng)目著眼于把設(shè)備往輕巧便利的方向研發(fā)，因此我們不選用滑翔機(jī)，而采用較為輕巧的風(fēng)箏，翼展2米以內(nèi)，以至放飛時(shí)能有足夠的牽引力拖動(dòng)滾輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。而風(fēng)箏的牽引線長(zhǎng)度也應(yīng)該不大于3000米；為了使引線耐磨，我們選用韌度較高的碳纖維8股編織線作為引線。

對(duì)于物理發(fā)電機(jī)，該項(xiàng)目計(jì)劃使用傳統(tǒng)的卷?yè)P(yáng)滾筒發(fā)電機(jī)，并加以創(chuàng)新改造。為了輕便考慮，滾筒設(shè)計(jì)應(yīng)使直徑小于20cm，因?yàn)闈L筒周長(zhǎng)越小，風(fēng)箏在上升相同距離的情況下，滾筒轉(zhuǎn)過的圈數(shù)越多，發(fā)電量越大；滾筒長(zhǎng)度設(shè)計(jì)在1米以內(nèi)，方便風(fēng)箏在運(yùn)動(dòng)過程中按軌跡游走。此外，滾筒除了負(fù)責(zé)滾動(dòng)發(fā)電之外，還需要具備分析風(fēng)箏所反饋回來的風(fēng)力利用情況，進(jìn)而適時(shí)地收放引線來調(diào)節(jié)牽引力，使風(fēng)箏保持穩(wěn)定上升，直到引線放至盡頭。而當(dāng)引線放進(jìn)的時(shí)候，發(fā)電機(jī)滾輪同時(shí)需要負(fù)責(zé)反向收回引線，以便繼續(xù)進(jìn)行循環(huán)放飛；這時(shí)候需要耗費(fèi)部分能量，要求所耗能量不應(yīng)大于發(fā)電量的5%，因此風(fēng)箏的翼展幅度要求可以變小，以便回收的時(shí)候能耗更小。

有關(guān)電量存儲(chǔ)問題，一般采用蓄水形式或改用直流蓄存。考慮到產(chǎn)業(yè)化經(jīng)濟(jì)方面，本項(xiàng)目采用直流貯存的形式，在發(fā)電的同時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡鎯?chǔ)于大電瓶之中；而對(duì)于電瓶的選用，考慮鉛酸蓄電池或光合硅能蓄電池，在考慮環(huán)境溫度性能以及高海拔性能等因素的情況下，光合硅能蓄電池是更好的選擇；在該項(xiàng)目中，考慮多電源并舉的方式，要求光合硅能蓄電池的性能為12V65A（10HR），適用溫度為-40度至+70度，25度時(shí)的浮充電壓為13.5V～13.8V，均充電壓為14.5V～15.0V。另外，根據(jù)產(chǎn)業(yè)需求，可以為其相應(yīng)的電瓶進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)出，如蓄電池組，特制電池，甚至是充電寶電池組等，以直接給行業(yè)企業(yè)所用。

該項(xiàng)目所研究的這種創(chuàng)新性的發(fā)電方式，能極大程度節(jié)省發(fā)電成本，原因在于，相較于近地面風(fēng)力的不穩(wěn)定，高空上可以獲得強(qiáng)勁而且穩(wěn)定的風(fēng)源，是近地面風(fēng)力的100倍，因此在單位時(shí)間內(nèi)高空中所產(chǎn)生的電能顯然多于地面。若以傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益推算，我們得出一個(gè)理想的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)：這種形式的發(fā)電每小時(shí)產(chǎn)生1億瓦的電力，而每千瓦時(shí)的成本控制到0.15元，是目前該地區(qū)電費(fèi)價(jià)格的三分之一。此外，這種利用高空風(fēng)力的發(fā)電系統(tǒng)不需要建造巨大的高塔和旋轉(zhuǎn)葉片，從而可以大幅度的節(jié)省建設(shè)成本。

該項(xiàng)目不僅能促進(jìn)風(fēng)力利用的研究和發(fā)展，而且非常具有實(shí)用價(jià)值；具有易于制造加工，安全性好，運(yùn)行成本低，容易維護(hù)，無噪音污染等明顯特點(diǎn)，可以廣泛普及推廣，適應(yīng)我國(guó)節(jié)能減排的需求，大有市場(chǎng)前景。一旦將高空風(fēng)力發(fā)電與光電發(fā)電、光熱發(fā)電有效結(jié)合在一起，我們就能盡最大程度滿足日益上升的全球電力消耗的需求。

2.4 采用的方法、技術(shù)路線以及工藝流程

在本次研究分析中，結(jié)合我們要實(shí)現(xiàn)的利用高空風(fēng)源發(fā)電的模式，從結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，我們需要做出大量創(chuàng)新，在滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電的模型基礎(chǔ)上，采用雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)，然而在結(jié)構(gòu)、大小以及效率上都需要有很大的變化。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，雙饋型感應(yīng)發(fā)電 機(jī)（Double-Fed Induction Generator）在風(fēng)能發(fā)電中的應(yīng)用越來越廣。這種技術(shù)不過分依賴于蓄電池的容量，而是從勵(lì)磁系統(tǒng)入手，對(duì)勵(lì)磁電流加以適當(dāng)?shù)目刂?，從而達(dá)到輸出一個(gè)恒頻電能的目的。雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上類似于異步發(fā)電機(jī)，但在勵(lì)磁上雙饋發(fā)電機(jī)采用交流勵(lì)磁。我們利用一個(gè)脈振磁勢(shì)可以分解為兩個(gè)方向相反的旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)，而三相繞組的適當(dāng)安排可以使其中一個(gè)磁勢(shì)的效果消去，這樣一來就得到一個(gè)在空間旋轉(zhuǎn)的磁勢(shì)，這就相當(dāng)于同步發(fā)電機(jī)中帶有直流勵(lì)磁的轉(zhuǎn)子。雙饋發(fā)電機(jī)的優(yōu)勢(shì)就在于，交流勵(lì)磁的頻率是可調(diào)的，這就是說旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)的頻率可調(diào)。由于飛行器利用高空急流爬升過程中的上升速度不是一個(gè)恒定值，這樣當(dāng)原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不定時(shí)，適當(dāng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的頻率，就可以滿足輸出恒頻電能的目的。由于目前電力電子元器件的容量已經(jīng)變得越來越大，所以雙饋發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力也越來越強(qiáng)，這使得雙饋機(jī)的單機(jī)容量得以提高。雖然，部分理論還在完善當(dāng)中，但是雙饋反應(yīng)發(fā)電機(jī)的在本項(xiàng)目中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)尤為明顯。

此外，在選用飛行器的方式上，我們計(jì)劃采用帶有氦氣的且翼展可以變化的中小型風(fēng)箏。當(dāng)其上升時(shí)翼展完全打開，利用其表面垂直于氣流時(shí)產(chǎn)生的拉力最大原理，風(fēng)箏通過繩索拉動(dòng)滾筒裝置，通過變速箱拖動(dòng)地面上的發(fā)電機(jī)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)做功發(fā)電。風(fēng)箏上需要安裝一些傳感器，微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)和通訊平臺(tái)，地面上設(shè)置通訊接收器，通過計(jì)算機(jī)來調(diào)控風(fēng)箏翼展的迎風(fēng)角度、翼展姿態(tài)等。當(dāng)風(fēng)速過大時(shí)，適當(dāng)減小風(fēng)箏的迎風(fēng)角度以減少受風(fēng)面積，避免損壞風(fēng)箏。另外，當(dāng)風(fēng)箏表面平行于氣流時(shí)，風(fēng)箏的拉力最小，卷?yè)P(yáng)機(jī)適當(dāng)回轉(zhuǎn)拉回風(fēng)箏，直至繼續(xù)迎風(fēng)爬升，以這樣的節(jié)奏放飛直至引線放盡。

當(dāng)引線放盡時(shí)風(fēng)箏就要回收到指定高度位置，這時(shí)候必然要消耗小部分能量。為了解決這個(gè)技術(shù)難題，有相關(guān)研究采用了所謂的雙風(fēng)箏模式，利用另一只風(fēng)箏的放飛爬升，反向帶動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)，再適當(dāng)附加小部分能量，從而回收先前放飛出去的第一只風(fēng)箏。這樣的做法好處是可以很大程度上降低所要附加的那一部分能量，但是要考慮的難點(diǎn)在于，雙風(fēng)箏的兩條引線難以保證在高空上不纏繞。

因此，我們的項(xiàng)目采用單風(fēng)箏模式，對(duì)于回收時(shí)如何使到能耗最少的問題，我們考慮從風(fēng)箏本身結(jié)構(gòu)出發(fā)，回收的時(shí)候翼展收縮到較小的范圍，只保持適當(dāng)?shù)囊碚箒砭S持適當(dāng)?shù)姆较颍瑫r(shí)控制翼展的迎風(fēng)角度，使其盡量平行于氣流方向以阻力減小；另外，為了避免翼展收縮而伴隨而來的飛行物墜落問題，氦氣起到了很好的作用，這時(shí)候需要把風(fēng)箏內(nèi)部的氦氣適當(dāng)減少，只保留預(yù)先計(jì)算得出的能維持自身重量平衡而懸浮的氦氣量，這樣對(duì)于降低滾筒回收引線所需要額外耗費(fèi)的能量來說是非常理想的。當(dāng)風(fēng)箏順利回收后，繼續(xù)重復(fù)放飛，如此實(shí)現(xiàn)循環(huán)發(fā)電，就可以獲得大量的綠色電能。

項(xiàng)目設(shè)計(jì)路線及流程如圖1：

圖1 技術(shù)設(shè)計(jì)流程圖

3 總結(jié)與引申

本文分析研究新型綠色能源的獲取方法，具有環(huán)保、高效利用能源、促進(jìn)環(huán)保行業(yè)發(fā)展等社會(huì)效益，且對(duì)環(huán)境沒有影響。此種方法所獲取的綠色能源可用于各類型供電場(chǎng)合，比如作為電網(wǎng)的接入補(bǔ)充，新能源汽車預(yù)充電電池的置換環(huán)節(jié)等。該方法在新能源的發(fā)展路上無疑是一種新型的增補(bǔ)力量，具有積極正面的發(fā)展意義。