Author(s):
Brian MacCleery - National Instruments

Industry:
Energy/Power, Research

Products:
NI 9237, NI SoftMotion Module, LabVIEW, CompactRIO, DIAdem, FPGA Module, cRIO-9112, LabVIEW Real-Time Module, NI Developer Suite, cRIO-9014, NI 9476, NI 9217, Control Design and Simulation Module, NI 9853E, NI 9201, NI 9425, PID and Fuzzy Logic

The Challenge:
在北半球的大部分地區距離地面幾千英尺的地方，有著能夠與世界上最好的地面風力電站媲美的風力資源尚未得到開發。再往上10倍高的對流層則有著世界上能量密度最高的可再生能源。

The Solution:
Makani Power是空中風力發電領域中資金雄厚的領導者，它相信空中風力渦輪（AWT）技術能夠將可開發的地面風力資源擴大五倍，覆蓋美國大陸表面的80％。空中風力渦輪與基于地面的渦輪一起將通過減小發電波動，并縱向拓展能源采集的區域，幫助緩解能源問題。

        "我想當今處于領先地位的競爭者應該能通過仔細設計將空氣動力效率最大化，提供包含板載飛行控制系統的可以工作在邊緣層的系統"

         您可能是傳統水平與垂直風力渦輪的專家，但是您是否聽說過空中風力發電？按照目前新生的空中風力發電領域的創新速度，十年之后“空中風力發電渦輪”將會成為家喻戶曉的詞匯。在北半球的大部分地區距離地面幾千英尺的地方，有著能夠與世界上最好的地面風力電站媲美的風力資源尚未得到開發。再往上10倍高的對流層則有著世界上能量密度最高的可再生能源。

         利用高海拔風力資源可能還需要一些重要的技術突破，但是靠近地球的空中風力發電將在十年內成為成本低、實用并且可以用于大型公用規模的發電方式。大多數空中風力發電公司都將其重點放在位于距離地面數千英尺的“邊緣層”。將在這個海拔下可以用于大型公用規模的空中風力發電帶入市場并不需要重大突破，僅需要扎實的工程工作、研發投資以及富有經驗的地面風力發電團體的支持和指導。

         世界上至少有30個新興企業和研究小組都在努力讓空中風力發電成為現實。豐富的商用（COTS）技術和工具讓他們能夠達到可觀的創新速度。在過去的幾年中，他們的原型系統已經證實了空中風力發電的基本原則，并且將規模提高到數十千瓦級。行業領導者的下一步是證實系統能夠在現場長期連續可靠地運行。

        空中風力發電還處于初始階段，因為現在的地面渦輪并不具備很高的性價比，如果能夠離開地面，就可以讓空中風力發電領域延伸到新的地方。Makani Power是空中風力發電領域中資金雄厚的領導者，它相信空中風力渦輪（AWT）技術能夠將可開發的地面風力資源擴大五倍，覆蓋美國大陸表面的80％。空中風力渦輪與基于地面的渦輪一起將通過減小發電波動，并縱向拓展能源采集的區域，幫助緩解能源問題。

通過同化進行創新
         空中風力發電從傳統的風力發電領域中沿用了許多成熟技術，有時甚至使用相同類型的發電機、齒輪箱和并網型逆變器。表1比較了地面渦輪和空中風力渦輪之間的相同點和不同點。空中風力渦輪的主要不同點是從風中提取能量的方式。并非使用大型鋼塔結構，而是使用繩索電纜將系統固定在地面上。不使用旋轉葉片，而是使用專門設計的機翼掃過空中的一條路徑提取能量。掃過空中更大截面的能力是空中風力發電吸引人的主要原因之一，從而能夠使用中等大小的機翼從高空中更強更持續的風中提取大量能量。與傳統渦輪葉片尖端相似，機翼以風速的數倍在空中側風畫圈或是畫八字形，如圖1所示。空中風力渦輪和地面渦輪都根據相同的空氣動力學法則工作。正如傳統的風能一樣，發電量與空氣密度的一半乘以風速的立方成正比（方程1）。

        因此，風速的較小變化將導致能量的較大變化，風速翻倍則得到八倍能量。和傳統渦輪葉片尖端相似，機翼以高速通過空氣，使用空氣動力提升有效獲取能量。翼展與風力渦輪葉片長度可比，讓空中風力渦輪可以掃過更大的空中區域，從而獲得將近10倍的能量。空中風力渦輪可以在不同海拔高度上下移動，調節飛行路徑從而調節風力狀況。在機械結構上，由于空中風力渦輪并非固定在地面上，可以在飛行中受到空氣枕緩沖。但是快速移動產生的g力負荷將會對機翼和繩索電纜施加很大的張力。

高海拔下工作
         通過超出地面渦輪的范圍，空中風力機器在高海拔下采集持續強勁的風力資源。在2000英尺高度下，北半球大部分地區超過40％的時間風速超過8米/秒。其能量密度（kW/m2）與世界上最好的地面風力區域相媲美，如圖2所示。因此，空中風力渦輪能夠讓風力領域延伸到全新區域，并且可以更加靠近人口密集中心。

          盡管邊緣層的風比較容易被現在的企業加以利用，最為可觀的是位于對流層的噴氣流風。在35000英尺高度，平均能量密度超過20 kW/m2，可用總資源用數千兆兆瓦（TW）計算，比世界能源需求高幾百倍。“從環境角度而言，制造巨大的兆兆瓦級別的可再生能源系統是十分重要的。”Carnegie Institution of Washington大學的Ken Caldeira在2010年風力能源大會上說道。“風力能源能夠達到滿足民用需求的規模這一觀點是言之有理的。風力能源是為數不多的民用規模發電技術之一。”
         Caldeira是世界著名的氣候科學家，他研究了從高海拔提取民用規模能量對環境造成的潛在影響。他的模型表明：提取能夠滿足世界能量需求的18TW并不會對氣候產生巨大影響，只會造成幾乎可以忽略的0.04 oC降溫效果。當然，讓世界切換到使用便宜、清潔、無碳能源將必然為環境帶來正面影響。利用高海拔風力資源是一個大膽的設想，也同時帶來了許多技術挑戰和后勤挑戰，例如尋找足夠堅韌輕質的繩索電纜，以獲得美國聯邦飛行管理（FAA）許可和進行空間清理。即便在邊緣層海拔仍然需要解決FAA許可問題。至少對于現在而言，將對流層的風力資源投入商業應用是不太可能的。即便將目標定在對流層的公司也計劃從更加適中的高度開始。“在1000英尺高度，世界上70％的地區可以通過風力資源獲利。”     MAGENN Power公司CEO，Pierre Rivard說道。MAGENN Power是一家開發比空氣輕的類似飛艇和漂浮手機基站的發電機公司。

探索設計空間

         從整體上看共有三種對空中風力發電系統進行分類的基本方法：1）海拔：低海拔、邊緣層或對流層；2）機翼類型：比空氣輕或重、固定或活動、拖動、提升或基于旋翼機；3）發電機位置和類型：地面或空中、齒輪箱或直接驅動。

        和地面風力發電領域的早期相似，空中風力發電的研究員正在測試所有可能的設計選擇，找出最佳方案。即便使用計算機模型，目前仍然沒有物理原型的替代物。可以工作的原型系統也在努力說服持有懷疑態度的人并設法吸引投資者。“我想多年之前人們仍然持有相當的懷疑態度，但是現在有許多新興公司都在進行研發。”Joby Energy商業開發總監Archan Padmanabhan說道。“在過去的幾年中，行業中出現了許多原型系統，我們看到它們成長到數十千瓦。在Joby，我們從地面發電機設計開始，測試自轉概念，并最終制造了帶有機翼的空中發電系統，它具有多個螺旋槳，將電能通過電纜傳送下來。現在我們正在探索能夠簡化起飛和降落的機翼。

克服技術難關