风筝发电

吕　静

这已不是奇思妙想，要真正获得更多的风能，我们需要另类利用蓝天的思路

1827年，英国发明家乔治·波考克曾在“航空艺术”一文中写道：“天空中还有很多没有被发掘的不可见的能源穿行的疆域，在那里，风帆从来没有招展，机械也从来没有被引入，那里的发明也从没有按部就班地传播开来，那就是大气层的较高区域，当下面的风很慢时，那里却有强大和稳定的快速空气流动。这些迄今几乎一直没有被地球居民注意到。因为高高在上的行程使得其远离人类的征服。”

在过去，从对流层无穷无尽的风中获取能源的想法仅仅只能是个梦，而今，一只放飞的风筝能帮助人们实现这个梦想——利用高纬度的风产出便宜的电力。

的确，风筝能是一种新方向。当绿色环保运动的推动者奋力争取更多涡轮风力发电机的时候，新一轮有着环保动机的工程师已在考虑涡轮发电机是否落伍的问题了。

近年来将风筝作为一种可再生能源概念的一位先行者叫皮特·林恩，他是和风筝一块长大的新西兰风筝设计师，一家美国公司马卡尼电力的顾问。

风筝取代涡轮

一般涡轮发电机都矗立在离地面80米处，那里具代表性的风速是每秒钟4．6米，而在800米的高空，风速可以升高到每秒7．2米，而且风的可靠性，既超过特定速度的风所发生的频数，也是随着高度而增加的。其结果，可获得的风能与风速的立方紧密相关，所以风筝的高度是一个相当有吸引力的选项，这让它比涡轮机所在的高度多发电4倍。上升到离地1千米的高空，就能获得约为地面风电8倍的电能，你所需要做的就是用一根很长的线缆系住风筝。

至少在理论上，风筝能是一个清洁、低廉能源的简单菜单。马卡尼电力公司更有吸引力的一点，就是他们业已收到去年11月份来自谷歌的1000万美元投资。

欧洲的风筝发电开发者也有同样的目标。巴斯·兰兹朵和他在荷兰代夫特理工大学的同事正在开发一个包含风筝、电缆和发电机组的系统。去年，这个系统第一次在一次展示中发出了电。在早期实验中，他们放飞的是一只10平方米的风筝，发电量为3千瓦。那个风筝是用一个操纵杆遥控的，该小组正在开发软件、电子设施和地面站来对风筝进行自动控制。据推测，一个20平方米的自动控制风筝可发电20千瓦。

兰兹朵对自己小组的系统能按比例逐级放大充满自信，但又对其在能源市场未来地位的置评很谨慎，他说：“我们现在已经了解了这个概念的工作原理，有很多原因让人相信这种电力很低廉，但是能源市场是个复杂的事情。”

另外一个风筝研究小组是意大利一家叫做风筝发电的公司。去年9月份，这家公司在米兰一个机场测试了其原型风筝系统。这次测试为期3天，风筝被放飞到400米的高空。测试结果相当好，按照风筝发电公司研究小组科学主任都灵理工大学的马里奥·米兰尼斯所言，用一个10平方米的风筝，在风速为每秒4米的情况下，平均发电量为2．5千瓦。该系统比预计的仿真实验效果还要好。米兰尼斯说：“我们认为关键的技术问题已得到了足够的评估，只要有足够的财力支持，我们计划在2到3年内生产出工业原型。”

用线放风筝

那么，这些系统开发出来后会是什么样子呢?

最基本的想法就是，当控制线缆展开的时候，风筝就像溜溜球一样旋转，所以发电机能够通过拽拉风筝的风板而驱动(见图)。在风筝发电公司的风筝构造中，风筝是由两条线缆牵拉飞行的，每条线缆都由一个与计算机控制的绞盘相连的独立绕线鼓所把握。一旦风筝被放飞并到了稳定的飞行阶段，就需要靠这两只线缆来牵拉收放，绞盘则负责放松。这些线缆的旋转带动了发电机的转动。当几乎所有的线缆都放开的时候，绞盘就开始将其拉回，让风筝回到其原来的位置。

当然，这中间还有许多的问题需要克服。在风的间歇期使其提升力维持在一定水平或最大化的最有效途径是什么?如何能让风筝在没风的时候尽可能长时间地漂浮在高空，又怎么能防止风筝不被吹破呢?还有一个技术上的挑战是在收线拽回风筝的时候如何尽可能使空气阻力最小化。兰兹朵说：“当人们放风筝的时候，并不在乎收回来的阶段，但是我们却很在乎这一点，因为我们不仅想在放风筝的时候产生更多的电力，也想在收线回来的时候尽可能少地消耗电力。”

阿里斯特·福瑞和他在英国苏塞克斯大学的同事音曼·哈维(Inman Harvey)用中枢网络来负责看管虚拟风筝，用网络使得风筝保持飞行的最长时间以产生更好的解决方案。最终就算是有一阵狂风或风有停歇的时候，这些网络对风筝在高空漂浮和让线缆张力保持最大也都变得很精通。福瑞和哈维现在正在为风筝发电公司工作，他们会将算法和仿真模型变成真实世界中的风筝控制机械装置。

这就是自动控制风筝的目标，这种技术并不是简单地按比例扩大，按照兰兹朵的说法就是：它将决定风筝电力的经济。他还说：“按比例放大在原则上并不难，自动控制才是有挑战性的部分，我们还不知道能将自动控制的过程发展到什么程度。”今年的代夫特-鲁汶计划就是创建一个能够发电20千瓦控制风筝和绞盘系统的算法，一旦风筝被发射上天，不用监督和外部控制就可以操作。

放飞风筝的热点地区

当然，到现在为止，这些风筝发电设备也只是空中美景而已，人们现在还不要期望太多太快，利用空中的动力将是昂贵和困难的。

建立风筝能发电农场将需要占用大量的空间，那么这项技术到底能不能实现呢?荷兰代夫特理工大学的研究人员分析了风能和人口模式，得出了空间不成问题的结论。代夫特小组的兰兹朵说：“就算在人口密集的荷兰乡村，也有足够的空间建风筝发电场。又比如，西班牙对可再生能源有足够的地方和足够大的胃口。而像中国和澳大利亚也有地方建，所以空间完全不是问题。”

一个对风筝能计划的经常性异议就是，在1千米的高空，风筝会侵入飞机飞行的航道。兰兹朵说：“人们称这对飞机很危险，但实际上这是无稽之谈。风筝并不比其他飞机更危险：所以你需要做的就是有一台好的雷达发射接收机和一座灯塔。”

飞机的飞行区域不适合安放风筝，飞机也会避免在核电站的上空飞行。意大利都灵理工大学的马里奥·米兰尼斯(MarioMilanese)说：核电站退役后，这些地方是风筝基础发电机组的绝佳场地。在这样的空间中，一个风筝系统的发电量可达1兆瓦，他指出，这个量与核电站的发电能力相仿。风筝的飞行空间在意大利也不是什么大问题，米兰尼斯已经与意大利航空权威合作进行过测试，他们还将继续合作，寻找未来的测试点。

米兰尼斯说：“我们对此信心十足，因为现在已经有足够的政治意向批准新地址。”