風箏式高空風電機模擬示意圖

我國是資源大國，但是很少有人注意到，我國還是高空風能大國。

今年早些時候，美國媒體報道，科學家正嘗試用高空風電為紐約市供電。利用該技術，科學家將從萬米高空采集風能。

其實，我國江浙魯地區的高空風能密度遠大于紐約，為世界之最。

風電是現今世界發展最快的能源產業，10年來它以每年30%的速度增長。然而，目前的風能利用僅限于幾十米至百米的低空，其一大缺點就是不恒定可靠。而在幾千米至1萬米的高空，不僅風速更大，且風力穩定，一年中不刮風的時間不足5%。專家普遍認為高空風能要比地面高出數百倍。

斯坦福大學卡內基研究所的氣候科學家肯·卡爾代拉認為，風中包含的總能量是地球上的人所需總能量的100倍，但是大部分風能都位于高空。澳大利亞悉尼科技大學機械工程學教授布萊恩·羅伯茨表示，海拔4600米到1萬米的高空，氣流強勁穩定，是理想的空中風電廠。

雖然聽起來很美，但要制造一個高達萬米的渦輪機顯然不可能。目前，很多發達國家都在開發高空風電技術。

近日，在山東東營舉行的2009清潔能源國際高峰論壇上，加州天風有限公司董事長張建軍博士介紹了自己研發的高空風電技術，并透露將在廣東省建立中國第一個高空風電示范項目。

世界各地的高空風電

早在20世紀70年代爆發能源危機時，各類高空風電的設計就不斷涌現。美國能源部曾開展過一個高空風電項目，但是到了80年代，由于能源部官員將經費挪為他用，最終使其無疾而終。不過，發達國家對高空風電的研究并未停止。

據記者了解，目前主要有兩種高空風電的構架方式。第一種是在空中建造發電站，然后通過電纜輸送到地面；第二種類似放“風箏”，通過拉伸產生機械能，再由發電機轉換為電能。

荷蘭科學家放入高空的就是一個典型的風箏。2008年，據英國《衛報》報道，荷蘭代爾夫特工業大學的科學家將一只面積為10平方米的風箏放入1000米的高空，風箏通過拉與地面發電機連接的繩子最終產生了10千瓦的電力。研究人員還設計了一個由眾多風箏組成的梯形電站，能產生100兆瓦電流。

同荷蘭的風箏相比，意大利的裝置更像是放風箏的“旋轉木馬”。據意大利媒體報道，2007年，意大利推出了風箏風力發電機KiteGen的計劃。該裝置的發電原理是：500～800米高的風箏在風力作用下，帶動地面的轉盤在磁場中旋轉產生電能。研究人員通過計算估計，一個直徑1600米的轉盤、2000平方米的風箏的發電能力可達100萬千瓦，這相當于意大利目前電力的1/30。

當意大利在積極建造旋轉木馬風箏時，美國也推出了“高空風車場”計劃。 在這個計劃中，發電機等主要發電設備全部跟隨風箏由風輪機帶動飛入空中，最終懸停在1萬米高空。在這里，時速近320公里的強勁氣流吹動風車葉片發電，再由電纜將電能以2萬伏的高壓輸送到地面。專家稱，300個這樣的發電風箏就足以供應整個芝加哥市的電力需求。

此外，世界各地還有關于風箏發電的許多設想。如加拿大的“飛艇風車”，德國的屋頂小型家用風箏電站等。

據計算，這些高空風電的建設成本和發電成本遠低于化石燃料和常規低空風能。幾乎所有人都稱之為“一場能源革命”。

然而，事實卻是，國外的一些研究由于沒有經費支持已經停止。如“高空風車場”雖然已在地面風洞試驗成功，但仍遭到投資者冷遇。美國國家可再生能源實驗室發言人喬治·道格拉斯指出：“我們現在很大程度上只盯著那些可以快速商業化的項目。”

目前，美國、意大利的幾家公司仍在繼續高空風電機的開發，已在市場中占有先機。美國Magenn公司預計在2010年出售2到4臺工作原型機。專家指出，該項技術進入市場的速度取決于將有多少投資。如果資金充足，風箏電站很有可能在5年內進入商業操作階段。

登陸中國的高空發電

北美東海岸和中國沿海地區是絕佳的高空風力資源區。

據記者了解，最先進的地面風力發電站的風力密度低于1千瓦/平方米。而在紐約上空急流附近，風力密度可達到16千瓦/平方米；中國陸地上空萬米高空處大部分地區的風力密度均值超過5千瓦/平方米，而江浙魯地區上空的高空急流附近的風力密度甚至達到30千瓦/平方米，為世界之最。

中國氣象局國家氣候中心研究員張秀芝提出，江浙魯是利用高空風能的絕佳地帶。張建軍表示，這也是他回到中國應用高空風電技術的原因之一。

張建軍出生于廣東省梅州市，畢業于中山大學電子系，后在美國獲得博士學位，曾在美國幾家公司擔任技術總監，擁有多項發明專利。2005年，他自立門戶，在加州創建了天風公司，發明了一種新型的高空風電技術，稱為“天風技術”。這也是一種“風箏”式的高空風電技術。

據他向《科學時報》記者介紹，天風技術的主要原理就是使風箏如滑翔機般借助風力上升，產生的拉力拉動纜繩帶動發電機發電；當風箏上升到最大高度后，再通過控制系統調整風箏翅膀的角度，使其利用自身重力下降。之后再上升供電，如此反復。

張建軍指出，這種高空風電技術主要有兩大技術難點，一是材料，二是控制技術。首先，為了把風箏憑借風力送上天，風箏必須采用超輕材料，同時具備高強度、耐腐蝕的特點。他最終選擇的材料直到最近兩年才被研發出來。而選用的纜繩雖然比水還輕，卻具有很高的強度，完全耐切割。

高空風電的原理雖然簡單，但具體的控制技術卻異常復雜、精細。通過幾年的研究，學電子出身的張建軍在控制技術上形成了突破。最終，天風公司在美國自主研制的3套不同功率的樣機不僅在臺風及暴風雨情形下能正常運轉；通過在各種天氣條件下的測試，張建軍還發現，同國外現有的高空風電技術相比，天風技術更為穩定，并且高低空皆可運行。

張建軍表示，同傳統風電相比，高空風電投資成本約為常規風電的1/3～1/2, 發電成本約為1/3，而占地面積僅為1/30，并且無噪音，對環境影響較小。不過，其范圍內的高空必須禁飛。

目前，該項技術已經獲得投資公司的青睞，將在中國開展商業化開發工作。該投資公司負責人表示，之所以對其投資主要看中該技術是具有定價權和核心競爭力的創新技術。

最近一段時間，張建軍特別忙，他正在廣東組建廣東高空風能技術有限公司，打算逐步把美國公司搬到中國。同時，還將在廣東建立首個高空風能研究中心及風洞實驗室，并將在廣東建造首座10萬千瓦級高空風能發電系統。他透露，10萬千瓦級系統的發電成本約為0.2元/度。另外，如果一切順利，明年的上海世博會期間，天風公司在中國的第一臺樣機將正式與公眾見面。