一種新型風(fēng)能發(fā)電裝置的可行性研究

黃張弛 禤贊宇

摘 要：本裝置主要面向新能源發(fā)電領(lǐng)域，對(duì)比傳統(tǒng)風(fēng)能發(fā)電的現(xiàn)狀，從能源獲取的角度進(jìn)行探索，利用高空域強(qiáng)氣流的優(yōu)勢(shì)獲取清潔能源，并設(shè)法使該動(dòng)作能持續(xù)連貫進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)不間斷發(fā)電。兼且考慮該電能獲得之后的存儲(chǔ)問題，結(jié)合新能源應(yīng)用范疇，進(jìn)一步思考本設(shè)計(jì)的可應(yīng)用領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：綠色能源 風(fēng)能發(fā)電 高空 急氣流

Abstract：This device is mainly oriented to the field of new energy power generation. Compared with the status quo of traditional wind power generation， it is explored from the perspective of energy acquisition， using the advantages of strong airflow in high altitudes to obtain clean energy， and trying to make this action continue and coherent， so as to achieve no Intermittent power generation. Considering the storage problem after the electric energy is obtained， combined with the application scope of new energy， the applicable fields of this design are further considered.

Key words：green energy， wind power generation， high altitude， jet stream

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

2.1.1 具體研究開發(fā)內(nèi)容

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。

2.1.2 重點(diǎn)解決的技術(shù)關(guān)鍵問題

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

2.3.1 技術(shù)指標(biāo)

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?？紤]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。

2.3.2 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

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。

2.3.3 社會(huì)效益

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

2.4.1 采用的方法

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?，同時(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。

2.4.2 技術(shù)路線及流程

項(xiàng)目設(shè)計(jì)路線及流程如圖1：

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。

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