一、高空风能可利用资源量巨大
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风是由空气流动引起的一种自然现象,它是由太阳辐射热引起的。太阳光照射在地球表面上,使地表温度升高,地表的空气受热膨胀变轻而往上升。热空气上升后,低温的冷空气横向流入,上升的空气因逐渐冷却变重而降落,由于地表温度较高又会加热空气使之上升,这种空气的流动就产生了风。目前主流的风力发电技术主要集中在低于 100 米的空间内,风力受地形变化影响较大,同时风向不稳定,需要建设大规模的支杆和叶片。而高空风能将目光投向更高的天空,随着高度提升,风力显著上升,同时受地形等影响较弱。
黑色区域风能密度低于 200 瓦/平方米区域, 不适宜发展风电。高度达到 500 米时,超过 200 瓦/平方米区域已覆盖国内绝大部分地区,尤其是沿海用电大省。在高度上升到3000 米、10000 米高度时,风能密度达 100 米地面风能密度百倍。
研究表明,高空中蕴藏的风能超过人类社会总需能源的 100 多倍,国内地面风能市场规模已超千亿,而高空风能在全球范围内还刚刚起步。我们认为,随着技术的不断前进,这一新能源领域将会吸引越来越多的资金和人才进入,潜力巨大。
二、技术原理先进并具备可操作性
广东高空风能技术有限公司由留美博士张建军创立,2009 年入驻广州科学城,注册资金1.5 亿元人民币,是国内最早从事500-10000 米高空风能发电的技术研发、发电系统设计和高空风电厂建造等业务的企业。公司自行研发的伞梯组合风能采集技术世界领先。
“天风技术”高空风能发电系统由空中部分、地面部分和系统控制构成。空中部分由一个或数个做功伞、若干平衡伞组成;地面部分主要有发电机和卷扬机;各部分之间通过轻质高强度缆绳连接。
平衡伞组的作用是将做功伞拉升到空中的预订高度并保持空中部分在高空中的相对平衡和稳定;做功伞的作用是使伞和伞联结的缆绳沿轴向向上运动,拉动卷扬机转动而带动发动机发电;系统控制主要是软件系统,实现对空中部分和地面部分的控制。
空中部分上升到预设起始高度,做功伞打开并在风力作用下向上运行,通过缆绳拉动卷扬机转动而带动发电机转动。到达预设终止高度后,做功伞闭合,风阻力大大减少,此时反向转动电机启动使卷扬机高速反转拉动做功伞快速向下运行至起始高度,卷扬机停转,做功伞再次打开,开始新一轮上升做功。做功伞反复上下运行,以这种方式将高空风能转化为机械能,拉动发电机发电,从而系统实现高空风能发电。
高空风能项目占地面积小,噪音低,是真正的无污染能能源。
三、与现有新能源比优势显著
我们将公司的高空风能技术与现有的传统能源火电及新能源进行对比,发现其高空风能技术在固定投资,占地面积及效率方面均有较大的优势。首先,不同于太阳能发电需要大量的场地,高空风能主要向空中发展,地面占地面积很少,因此可以在城市周边进行建设,而不用到偏远的地区。其次,就固定投资成本来看,其固定资产成本与陆上风电相当;第三,由于高空风力相对持续,可以昼夜发电并保证功率的稳定,从而避免对电网的冲击,提升发电小时数。据公司估算,一旦形成兆瓦级的规模化发电,每度电的综合成本仅 0.3 元左右,大幅低于现有的新能源技术。
四、 市场关心的问题
1. 超高分子量聚乙烯纤维能承受巨大拉力
据估算,要实现规模化发电,风筝在高空要产生的拉力达 100 吨以上。考虑到钢绳的自重,其并非是理想的材料。公司计划采用帝斯曼的超高分子量聚乙烯纤维作为拉绳,其强度 37.8cN/dtex 是同等截面钢丝的 15 倍,模量 1765cN/dtex,密度仅 1 克/立方厘米。超高分子量聚乙烯纤维与碳纤维和对位芳纶并称三大特种纤维,性能优越。我们以 30mm 直径计算,每千米超高分子量聚乙烯纤维重量仅 0.7 吨,自重很小,成本也较低。
2 多装置配合实现 6500 小时的超高利用小时数,并且保持平稳
发电风电,太阳能发电等都存在利用小时数偏低,发电不平稳的问题。一年 8760 小时,而高空发电 6500 利用小时数意味着利用率高达 75%。
我们以公司芜湖 2.5MW 发电项目为例,其有两组高空风能-机械能转化系统和发电机系统组成。当第一组高空风能-机械能转化系统处于发电工作状态时(即做功伞处于向上运行状态),第二组系统则处于非发电工作状态(即做功伞处于向下运行状态),或者 2组系统之间的相反工作状态保持一定相位差,这样整个发电系统就能实现连续发电。
这里我们必须要提到中央控制系统的作用。做功伞的开合指令由中央控制系统发送给空中控制系统,并由空中控制系统执行。中央控制系统根据两组伞空中位置,风速和用电负载参数决定各组伞的运行速度和开合伞时间。收伞下行速度高于开伞上行做功的速度,所以待开启的伞总是预先到达开启位置等待开伞指令。中央控制系统综合发电输出要求,风速,高度和运行伞的数目,决定系统运行速度和做功伞的开伞数目,已达到输出稳定的目的,同时还可以由中央控制系统发出指令,控制导向体,改变运行轨道角度,调节输出功率。
3 高空空域能否放开将是高空风能技术发展的关键.
在中国,无论低空还是中高空,主管空域的机构是“国务院、中央军委空中交通管制委员会”(简称国家空管委)。国家空管委成立于 1986 年 1 月,这一机构实际由中国军队主导,办公室设在总参谋部,具体工作由其协调,人员也主要来自中国人民解放军军队。具体工作由总参谋部承担。国家空中交通管制委员会办公室设在总参谋部作战部。国家空管委划设了 2 个空中禁区、66 个空中危险区、199 个空中限制区,以及若干个军事训练空域。由于高空风能涉及到低中空空域,在目前空域改革尚未完全实现的情况下,要大范围铺开存在难度。但是从公司芜湖项目的进展来看,高空风能并非空管委禁止的项目。此外,公司 2.5 兆瓦项目占地面积较小,未来即使提升到百兆瓦占地面积也有限。如果示范项目运行良好,预计会有越来越多的地方政府会有兴趣并大力推进,届时空域问题有望改善。我们认为,作为一个新兴能源,在起步阶段总会遇到各种问题,以公司现在的体量,空域问题要成为阻碍公司的核心问题还为时尚早。
原标题：Google为何看好“风筝上的电能”？
