放风筝能发电？是的，足够好几十家用了

每一个放过风筝的孩子应该都知道这样一条经验：一旦你可以让风筝离开地面并升入空中，你就更有可能找到稳定的微风使风筝保持在高空。

一个新兴的风电产业吸取了这条经验。一些公司将重型风筝放飞到 200 米或更高的高空，利用高空中维持风筝稳定的风发电。

欧洲和美国共有至少十家公司正在开发各种各样的这类风筝发电系统。如果它们成功了，那么人们将可能用风筝在那些风力不足以支持传统风力涡轮机发电塔的地方建立风电场。风筝也可能是海上风电的更好的选择，有朝一日甚至可以取代至少部分目前正在使用的锚定风力发电塔。

“风筝发电系统生产和运输成本都更低，并且效率更高。” 慕尼黑一家正在开发风筝发电系统的公司风筝动力 (Kitekraft) 的联合首席执行官兼首席技术官弗洛里安・鲍尔 (Florian Bauer) 这样评论。风筝发电的碳足迹也更低，鲍尔说，“如果你有这样多的优势，那么为什么还要建设传统风力涡轮机呢？”

但是在成为广泛使用的电力来源之前，“空中风电”（这个词是风筝发电系统的别称）需要克服相当多的技术难题和商业挑战。另外人们还需要证明这一技术是安全的，不会伤害野生动植物，并且不会给附近的居民带来难以忍受的噪音或视觉干扰。

目前，风筝发电尚处在新生阶段。大多数公司致力于相对小型的验证性风筝发电装置，没有人将他们的发电技术扩大到可以和传统风力发电机比拟的兆瓦量级。但是这种小版本的发电系统已经进入市场了。

在 2021 年，汉堡的天帆电力 (SkySails Power) 公司成为了第一家提供商业产品的公司。它的产品模型包括一个面积可达 180 平方米的可操控风筝。这个风筝通过一根长 800 米的绳索连接着一个装进集装箱中的地面站。

风筝工作时在天空中飞行的轨迹绘成巨大的优美的“8”字形，并驱动地面上的发电机，平均可产生 80 千瓦的输出功率，这足够为大约 60 户美国普通家庭供电了。虽然这相比于一个典型的 2.75 兆瓦的风力涡轮机是非常微小的，但它的功率和许多便携的工业用柴油发电机是相当的。这样的发电单元是为在远离电网的偏远地区用电而设计的。

最终这些公司的目标是建造能够以兆瓦量级的功率发电的风筝。他们构想上百个风筝在风电厂成群飞行，为电网提供电力。

利用高速的风

靠近地面的风会受到来自树、建筑物、山丘和地面本身的摩擦力而减速。所以在越高的地方，风速就越大 —— 在 500 米高度处风速平均比在 100 米高度处快 3~7 公里每小时。在过去的几十年中，人们提出了大量的方案用于开发利用这些更快的高空风，包括把涡轮发电机安装在比空气轻的飞行器上、或将其悬挂在静止于空中的风筝上。但多数公司正在寻求一种方法利用可操纵的、计算机控制的风筝，使其按照特定模式在空气中飞行，以此来收获更多能量。

空中风电系统使用两种方法来发电。一种是在地面发电的方法，利用“抽水机”模式在地面上运行发电机。放风筝的绳索的地面端缠绕在一个辘轳上，当风筝在风中飞行时它会拉动绳索从辘轳上松开，这会带动发电机转动从而产生电能。之后风筝悬停在空中，并重新收回绳索缠绕在辘轳上，然后下一个循环就开始了。

另一种方法是在风筝上发电。由风筝搭载的发电方式要求风筝是刚性的，类似于飞机机翼，用于安装小型风力涡轮。当风筝飞行时，风力驱动涡轮产生电能，并且通过线缆传输到地面站点。

鲍尔所在的公司采用的是风筝搭载的发电方式，这使得涡轮桨叶可以两用。在发射和着陆阶段，桨叶由发动机提供动力，成为可以让风筝像空中无人机一样飞行和盘旋的螺旋桨。一旦风筝到达了合适的高度，涡轮就转换到发电模式从风中获得能量。

建造风筝发电系统在使用的材料上相比当今的风电塔有一个潜在优势。建设风力涡轮塔必须要有坚实的地基和钢铁结构，用来将风轮架设到合适的高度。基于风筝的发电系统中不再需要这些坚固的支撑结构，取而代之的是相对小型的地面站点和一根轻型绳索。欧洲的一个贸易协会，欧洲空中风电协会 (Airborne Wind Europe)，在一项研究中发现，一个装机容量五十兆瓦的基于风筝的风电厂在 20 年的工作寿命内将消耗 913 吨建筑材料，与之对比，一个典型的风电塔发电站需要 2868 吨。更少的原料消耗使得风筝发电系统更加环保并且成本更低。

在深水离岸风力发电方面风筝也可能有用武之地。现今，如果建造海上风电的位置水太深而无法打地基，风力涡轮机就要漂浮在巨大的驳船状结构上，这些结构必须能够承受涡轮机的重量并保持稳定。因为风筝比风力涡轮机轻得多，它们只需用到更轻并且更便宜的驳船来固定。

但是这些优势的代价是系统复杂性的增加。如果想要风筝发电系统真正带来经济上的收益，它们必须能够在极少有或没有人监控的状态下长时间运行。北卡罗来纳州立大学可再生能源和能源效率控制与优化实验室主任、一家风筝动力技术公司的顾问克里斯・弗米林 (Chris Vermillion) 说，这一要求将一个计算机控制的难题摆在人们面前。

发电用的风筝并不是被动地飘在空中。相反，风筝利用自身空气动力学特点按照“侧风”模式飞行，这有点像帆船运动中迎风时按“之”字形在风中来回穿行的技术。当风筝垂直于风向飞行时，它们的机翼会产生升力并以更大的力拉动绳索。这个额外和升力可以转换成额外的速度，它既可以为基于地面的发电产生更大拉动缆绳的力，也可以转化为更大的空气流速以更快地驱动机载涡轮机。不管是哪种发电方式，发电量都比不按照“侧风”模式运动增加至少一个数量级。

但是这种高技术含量的操作要求对风筝连续地调整和控制，这是需要飞行员或者计算机来完成的。刚性的风筝是通过调节襟翼和方向舵等转向部件来控制的，这与飞机的飞行控制方式相同。软风筝通过调整转向线的长度来控制，类似于控制降落伞转向的方式。

现阶段最先进的风筝系统能够在电脑的控制下一次连续飞行数小时或数天，它们采用风筝搭载的计算机或地面上的计算机实现连续的转向修正。弗米林表示，当风保持稳定时，它们往往会工作得非常好。

但是为了推广这一技术，风筝必须具备应对风的状态出现突发及难以预料的变化的可靠能力，例如应对突然增强的阵风的能力。它们也需要具备自动起飞和降落的能力，这样它们就可以在恶劣天气下降落，在风向和风速合适时升空。

弗米林说：“为了将风筝发电系统的运行寿命提高到数年或数十年的量级，而不是像在技术验证阶段那样，只要求风筝发电系统可以连续运行几天或几周，人们还有许多工作要做。”

风筝尺寸的选择也是一个问题。小型风筝易于研发并且制造成本低。但是因为绳索的重力和拉力随着风筝飞行高度递增，在一般风力最强的 300 米以上高空小型风筝不能很好地工作。一些公司希望发展出更大、效率更高的风筝，这些风筝可以飞得更高并产生兆瓦级的输出功率。但随之而来的是更高的风险和成本。

大风筝带来失败风险

马卡尼 (Makani) 公司曾有领先的技术，但现在却面临一系列问题，包括控制风筝的困难以及数次坠毁。在面向公众的报告中，马卡尼首席执行官福特・费尔克说该公司有意加快前进步伐，经常是在尚未解决之前的技术问题的情况下，过快地增大风筝尺寸。

最后一个障碍是保证这项技术的社会和环境成本是可接受的。传统的风电厂经常面临居民的反对，因为他们担心风力发电机的涡轮会产生噪音、干扰视线和影响美观。风筝发电的提倡者估计，与传统的风电塔相比，风筝的视觉和噪音影响会更小。但根据已发表的研究分析，没有实验证据证明这是真的。尽管风筝比风电塔更轻，但研究的作者认为它们的俯冲动作和噪音可能仍然会造成与风电塔一样多或更多的打扰。

报告称，风筝对鸟类的影响也是不明确的。同样，倡导者认为对鸟类来说风筝可能比风力涡轮机更安全，因为通常风筝比鸟类飞得更高。然而，绳索本身移动很快并且很难被发现，鸟类可能很难避开它们。

风筝发电技术可以在多大范围内应用仍是未知的。包括鲍尔在内的倡导者们自信地认为他们可以解决工程和计算机的问题，让风筝变得高效。

但是 2021 年美国能源部向国会的报告指出，风筝发电是“一项不成熟且未被验证的技术，能够在国家层面上部署到有意义的规模之前还要经历相当长期的发展”。报告称，传统风力发电的成本持续下降，这让风筝发电更难展现出优势。

弗米林同意这一说法，他说：“我不认为空中风电是现有陆地传统风电的替代。”但他认为风筝将在未来十年在军事和电网之外找到用武之地，这也是他咨询的公司为他列出的潜在应用。此外他认为风筝可能是深水风电的优势选项，它较轻的重量相比风力涡轮塔有巨大优势。

作者：Kurt Kleiner

翻译：利有攸往

审校：云开叶落

原文链接：Could High-flying Kites Power Your Home?

本文来自微信公众号：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：Kurt Kleiner

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