一、google是高空风电先行者
目前致力于高空风能发电的欧美知名公司主要有 WindLift、Makani Power、Altaeros energies 等几家,这些公司和机构正加快其高空风电技术的商业化进程,同时还有更多不知名的公司、机构、团队也在加紧推进高空风电技术研发项目
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MakaniPower 方案
Makani Power 由 Corwin Hardham, Don Montague, and SaulGriffith 三人于 2006 年在美国加州阿拉米达市成立。2006 年 Makani 获得了谷歌 1500 万美元的种子资金、美国高级研究计划局 300 万美元的拨款以及其他私人投资,2008 年谷歌公司投资又增加到2000 万美元。2013 年 5 月,Makani Power 被谷歌公司收购,并入 Google X 部门。Google X 开发了 Google Glass、无人驾驶汽车、超高空(平流层)Wi-Fi 气球,以及可以监测血糖的“智能”隐形眼镜等著名产品。
Makani Power 已经制造出大型碳复合材料风筝,每个风筝配备 4 台带螺旋桨发电机。在起飞前,这些发电机作为电动机带动螺旋桨转动,作为风筝上天的动力。风筝起飞后就能在风中飞行,飞行所产生提升力很快就是能使风筝在不需要其他助力下前行。一旦靠风带来的推力能和螺旋桨产生拉力平衡,此时,螺旋桨风力发电机的叶片了,发电机将开始产生电力。风筝的飞行电脑将引导风筝被绳索牵引沿着弧线飞行,不断围绕地面基站转圈。
Makani Power 在研发特大功率风筝涡轮发电机,其利用翼状风筝收集高海拔风能的试验已实现的发电成本是使用风力涡轮发电的 50%。2012 年,Makani 推出了额定功率 30 千瓦的自动飞行控制系统原型。他们的工程师们宣称这个系统在不同的风力条件下都能满足设计预期。目前,Makani 正在研发功率为600 kilowatt 的 M600 产品,M600 将是 Makani 第一个商用化产品,可以为 300 户家庭提供基本用电。
WindLift方案
RobertCreighton 于 2006 年在美国威斯康辛州建立了 Windlift。美国国防部在 2009 年9 月授予 Windlift 开发产品 8 的合同。产品 8 是一个具有 12Kw 功率的移动可再生能源系统。产品 8 的目的是为了给冲突结束后的发展中国家战乱地区提供能源。
Wiindlift 目前的系统使用了一个 90 厘米直径的滚筒,和一个 60 千瓦发电机连接,这个发电机最初用于混合动力汽车。风筝通过拉动绳索转动滚筒带动发电机发电,电能存储到铅酸电池里,然后通过控制线使风筝释放拉力,在这个过程中,反过来通过电力带动电机,反转滚筒并再次拉紧风筝。
目前,Windlift 系统仍为半自动运行系统,需要一位操作员手动操作控制杆来飞行机翼。Windlift 正在研发全自动运行系统。
Altaerosenergies 方案
阿尔泰罗能源公司成立于 2010 年,是由麻省理工学院(MIT)和哈佛大学(HarvardUniversity)校友成立的。2012 年,研究小组完成测试了 35 英尺尺寸的空中风力发电机样机,是在缅因州(Maine)利姆斯特(Limestone)测试的。
Altaerosenergies 公司的高空风能发电系统被称为 BAT(Buoyant Airborne Turbine), 结合了飞艇与风电涡轮机。该系统由四个部分组成:第一部分为壳,壳由工业纺织物构成,里面充满惰性气体氦气,壳的作用是用来带涡轮机飞上天,并且让涡轮机在高空保持稳定;第二部分为涡轮机,涡轮机为传统的轻量型的三叶风能涡轮机,涡轮机被垂直固定在壳内;第三部分为缆绳,缆绳本身具有高强度、比重极轻的特性,缆绳与地面工作站相连,用来固定住涡轮,同时缆绳也被用于把电力传送到地面工作站;第四部分为地面工作站,地面工作站是移动的,包含自动控制系统和电源调节设备。
BAT 工作过程为,充满氦气的壳带着涡轮机飞上天,到风能能量密度足够的高空,然后固定住,涡轮机开始利用风能进行发电,通过缆绳把电力传回地面工作站。
天风技术方案
天风技术方案由广东高空风能技术有限公司创造性地提出。广东高空风能技术有限公司由留美博士张建军于 2009 年回国在广州建立。高空风能是目前国内唯一从事300-10000 米高空风能发电技术研发、发电系统设计和高空风能发电站建造等业务的企业。以张建军博士为首的高空风能技术团队成员,专业技术涵盖了流体物理、精密机械制造、机电控制、无线电通信、智能传感、联网技术、软件工程及自动控制等。
天风技术方案由空中系统和地面系统的各自组成。空中系统由一个或数个做功伞、若干平衡伞组成;地面系统主要是由发电机、卷扬机(滚筒和反向转动电机)和万向滑轮组成;伞之间、做功伞与卷扬机之间是通过轻质高强度缆绳连接。
空中系统上升到预定起始高度后,做功伞接收到打开指令,伞体打开,在风力作用下，做功伞向上运行,并通过缆绳拉动卷扬机滚筒转动,(此时反向转动电机不开动，电磁离合器处于脱离状态),卷扬机滚筒的转动通过联轴器、制动/离合装置而带动发电机转子转动,从而实现发电。上行到预定高度或行程后,做功伞接收到闭合指令,伞体闭合，此时风阻力大大减少,同时反向转动电机启动,电磁离合器处于接合状态,卷扬机高速反转,通过缆绳拉动做功伞快速向下运行;做功伞回至起始高度,卷扬机停转,做功伞再次打开,开始新一轮上升做功。
天风技术伞梯组合型高空风电机组创造性地解决了高空风能发电系统不稳定的问题。这也是国外 Makani 公司与 Windlift 公司产品尚未完全解决的问题。
天风技术摒弃了其他高空风能发电技术采用风筝采集风能,以及将升力平衡系统和做功系统混合为一的做法,而是采用全新的伞梯组合风能采集技术,同时将升力平衡系统和做功系统分开、分别控制,很好地解决了高空风能采集稳定性这一重大技术问题,解决了系统空中部分控制的技术瓶颈。同时,天风技术高空风力发电系统采用模块组合结构,系统运行高度与发电规模可以根据需求进行优化,实现发电功率在 10 ~ 1000 兆瓦范围内变更。
天风技术中,升力平衡系统与做功系统是分开、分别控制的。平衡系统在风的作用下产生升力,维持整个系统在空中的平衡,本身不参与做功,所以这种平衡系统是一种稳定系统。做功系统在风的作用下运动,将风能转换为机械能,拉动地面的发电机转动发电。由于做功系统和平衡系统的相对独立,在风的随机扰动下,平衡系统可以自我调节而不影响做功。做功过程中对系统的扰动也不会直接传递到平衡系统,所以平衡系统在整个运行过程中都处于稳定状态,从而保证了做功的稳定进行。
用天风技术建设的高空风电场项目,可以获得稳定性高的风电输出,一改目前常规风电稳定性低的“垃圾电”现象。采用天风技术建设的高空风电场,无需建造塔筒及叶片,由于风电系统采用模块组合结构而容易实现规模效应,因此项目建设造价可低于常规风电场。采用模块组合结构,高空风电场的发电功率可达 1000 兆瓦,实现的发电成本低于 0.30 元 / 千瓦时。
目前高空风能研发的最新产品-2.5 兆瓦双轴异步双传动高空风能发电机组。首台机组年内将在安徽芜湖安装,将会是世界上首台实用性大功率高空风能发电系统。
二、投资前瞻:黑马初具雏形
依据高空发电系统核心部件的构成,我们认为,其中的几项关键环节存在产业化前景,且有可能在 A 股出现投资机会。其中一是发电机制造,二是特种缆绳制造,三是提供整体解决方案的风电运营。
发电机
高空风能发电机与传统风能发电机并无本质的差别。传统风能发电机经过改装可用于高空风能发电。国内上市公司中,东 方电气(SH.600875)是我国最大的发电设备制造企业之一,主要从事水力发电机组、燃煤发电机、燃气发电机、核电汽轮发电机和交直流电机及控制装置的生产及销售。
2010 年 3 月,广东高空风能与东 方电气集团签署“合作研发高空风电产业化样机”协议。据报道,广东高空风能与德阳将联合开发10 兆瓦级基本机型,东 方电机负责地面设备,广东高空风能负责天上设备。虽然后续合作无实质性进展,但当初高空风能公司选择与东 方电气合作,显示东 方电气发电机产品是可以改装后适用于高空风能发电系统的。
特种缆绳
为了把风筝凭借风力送上天,至少需要 100 吨的拉力。如果用钢铁做绳子,如此远的距离,钢绳连自己的重力都无法承受,因此必须采用比重极轻的材料。同时具备高强度、耐腐蚀的特点。
超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE),强度是同等截面钢丝的 15 倍,密度约 0.97 ~0.98g/cm3,密度轻到可以浮在水面,还具有耐切割性,因此 UHMWPE 成为高空风能发电系统用缆绳的较优选择。
超高分子量聚乙烯纤维作为三大高科技纤维之一,是密度最小(0.97g/cm3)的高性能纤维,也是目前发展最快的品种。若按纺织单位计,其强度(37.8cN/dtex)冠于一切纤维,而模量(1765cN/dtex)位居第二位;然而若以工程单位计,上述 2 品种的强度和模量3.7GPa 和 175GPa 左右,模量不及 T300 碳纤维,但其比强度和比模量甚高,不足的是长期使用温度为 130°C左右,蠕变相对较大,而且与树脂的粘合性较差,需要进行低温等离子表面处理或在纤维中加少许碳纳米管等加以改善。UHMWPE 纤维可广泛应用于航空航天、军工、通讯、医疗、体育器材、建筑和海洋渔业等领域。
UHMWPE 纤维研发时间较晚,但发展速度极快。UHMWPE 纤维是在 20 世纪70 年代首先研制成功,当时所用的聚乙烯分子量只有 10 万。此后荷兰 DSM 公司发明了凝胶纺丝法,制备出了 UHMWPE 纤维,并实现了工业化生产。超高分子量聚乙烯纤维生产技术曾经被几个国家所垄断,如:荷兰、美国两个国家具有完全自主知识产权,因此,也就垄断了该行业。如今我国东华大学的化学纤维研究所已经能够成功研制 UHMWPE纤维并投产,并且在 2000 年由宁波大成联合科研院实现了产业化。
在国外,目前欧美和日本在 UHMWPE 纤维的用途结构上有一定差异。欧美主要用于防弹衣和武器装备,占总量的 60%-70%,其次为:绳缆为 20%,渔网等占 5%,劳动防护占 5%。日本主要用于绳缆、渔网、防护类特别是防切割手套等,在汽车生产涂漆工序中的使用已达到 UHMWPE 纤维总需求量的 1/4。
在国内,UHMWPE 纤维旺盛的需求主要得益于下游产品——防弹无纬布的销售带动。UHMWPE 纤维的无纬布材料加工利润实际占其企业初期总利润的70%以上。同时,UHMWPE 纤维的应用领域很多,预计国内缆绳行业的纤维材料年需求量在 3000 吨以上。根据对超高分子量聚乙烯纤维及无纬布的国内市场预测,近几年国内纤维需求量应该在 8600 吨以上。
UHMWPE 纤维全球生产集中于荷兰、美国和日本,产能达1.4 万吨。目前,国外UHMWPE 纤维主要生产商为荷兰帝斯曼(DSM)、美国霍尼韦尔(HONEYWELL)和日本东洋纺(TOYOBO)等 3 家公司,2011 年这三大主要生产厂商产能已达到年产 14000 吨。
现阶段我国的 UHMWPE 纤维生产厂商已发展至 20 家左右,2010 年总产能达到 1.7 万吨。目前国内生产 UHMWPE 纤维的企业主要有北京同益中、湖南中泰、宁波大成、中石化仪征化纤、上海斯瑞聚合体科技、山东爱地高分子材料等。
在已上市公司中,中纺投资(600061.SH)全资控股的子公司北京同益中具备每年 1200吨 UHMWPE 纤维的产能。由中纺投资 2013 年报可知,北京同益中特种纤维技术开发有限公司为公司全资子公司,主要从事高强 PE 纤维及复合材料研究、开发及生产,注册资本 8000 万元。本报告期末,资产总额 28528 万元,净资产 21754 万元。
风电运营
风电运营厂商提供高空风能发电技术研发/发电系统设计和高空风能发电站建造等综合业务。
国内上市公司中,中路股份(SH.600818)对广东高空风能技术有限公司以人民币 3000万元进行增资入股,并占增资扩股后高空风能 16.073%股权。高空风能是目前国内唯一从事 300-10000米高空风能发电技术研发、发电系统设计和高空风能发电站建造等业务的企业,其开发应用最新的发电技术—— “天风”风电技术。目前高空风能研发的最新产品-2.5 兆瓦双轴异步双传动高空风能发电机组。首台机组年内将在安徽芜湖安装,将会是世界上首台实用性大功率高空风能发电系统。
原标题：Google的高空风电被并入Google X ，然后呢
