2019年10月23日

向上是风能的未来之路

贡献:阿马蒂亚·穆克吉

风的力量可能在一个社区的风筝节上得到了最生动的展示。从印度到中国，再到危地马拉，风筝节策划了一场色彩展览，它建立在一个简单但具有变革意义的工程奇迹之上。开云全站app登录官网入口下载风筝在人类历史上一直被使用为了军事征服，进行交流沟通与遥远的社区，甚至海上航行．如今，每年的风筝节都会提及当地的历史，展示文化之美，这种革命性的技术再次成为一种潜在的变革技术;这一次，用于生产可再生能源。

全球风速增加:高度从50米(L)， 150米(M)到200米(R)。全球风能图集(cc by 4.0)

机载风能(AWE)是指通过设备从高海拔地区发现的强劲而稳定的风中获取能量，从而产生可用的电力。传统的塔式风力涡轮机一直在尝试长高为了通过达到这些特殊的运行条件来增加他们的能量输出，并且还没有超过200米。为了减少900吨钢材，2500吨混凝土和45吨塑料用来建造风力涡轮机，将更小的涡轮机装在浮动的贝壳飞到风速更大的高度似乎是个很棒的概念。在没有塔或基础的情况下，AWE系统可以集成到集装箱中，实现低成本的运输和易于部署。当洪水、飓风等灾害发生时，电网通常是最先失灵的，而AWE系统可以让当地人和偏远社区最早恢复电力、清洁饮用水、医疗设施和通信。虽然这些轻于空气系统的开发和可行性正在研究中，但基于风筝的系统已经确定了利用AWE的更大潜力。

这些插图将飞翼风筝与传统的塔式风力涡轮机和太阳能发电机进行了比较。图片由Enerkite(经许可使用)

研究已经发现，风力涡轮机一半以上的功率来自于涡轮叶片的外部30%。从本质上讲，风筝用一个系着的、快速飞行的翅膀取代了风力涡轮机的尖端，就像上图所示的那样。因此，风筝系统设计背后的原理在于模仿涡轮机本身的圆周运动的飞行模式，但有很大的不同。风筝在更高的高度上绕更大的圈飞行，从而增加能量转换。为了衡量该系统的巨大效率，光伏电池的最大功率与机载系统产生的功率密度的实际值之间的功率与表面积比的比较表明两者之间有150倍的差异。

X-Wind发电厂开发高空风筝发电机，拴在环形铁路轨道上。该公司表示，其结果比传统涡轮机成本更低，视觉效果更低。图片由德国柏林X-Wind发电厂提供

这些风筝可以安装发电机，将电力传输到地面上的电站，也可以使用牵引力来卷起和打开一个鼓来发电。风筝动力系统进一步完善了鼓式发电机技术，保证了电力的连续生产。当一个风筝在生成阶段，另一个是在缩回阶段，这确保持续生产能量．优化还不止于此。这些风筝并不是沿着圆形的路径飞行，事实上，它们是一条形状像数字8或无限的符号的路径，如下面的动画所示。这种飞行路径被观察到在系绳中产生更大的牵引力，并且是有效的对抗风。

一个控制单元用于自动驾驶风筝在期望的轨道上，以响应传感器的读数与它一起放置。这个控制单元包含了数千个独特的部件，需要在系统的电机、齿轮和电子设备之间进行精确的交互。如下图所示，该控制单元可以位于风筝下方几米或地面站上，并可与一根、两根或三根绳索补充。这种结合，加上使用的风筝类型，促使世界各地的许多公司申请专利并将技术商业化。

KiteGenResearch(KGR)是首批设计出地面源系统原型的公司之一，该公司使用两根动力绳从地面控制站控制风筝。而Kitenergy而且天帆使用类似于KGR的概念，EnerKite使用一个稍微不同的风筝，其中翅膀是一个刚性滑翔机和一个轻量级悬挂滑翔机的组合。Ampyx权力已经超越了滑翔机，开发了一种无人机，它携带的机翼为动力输出进行了优化，具有巨大的升力。瑞士公司TwingTecToo利用无人机来转动地面发电机，但采用了不同的创新提升和稳定机制。相比之下,Windlift而且Makani Power这些公司的无人机携带多个机载涡轮机，产生的电力被发送到地面站进行分配或存储。

在过去的十年里，AWE的技术进步令人震惊。随着计算能力、制造技术和先进材料研究能力的不断提高，这一领域的科学家可以将这一古老的技术转化为确保地球可持续发展的未来。

参考文献

莫里茨·迪尔，2013，机载风能:基本概念和物理基础，绿色能源技术，机载风能，第3-22页。

Antonello Cherubini, Andrea Papini, Rocco Vertechy, Marco Fontana, 2015，机载风能系统:技术综述《可再生能源与可持续能源评论》(2015)1461-1476。

Uwe Ahrens, Moritz Diehl, Roland Schmehl, 2014，机载风能，绿色能源技术丛书。

标签:风筝航空摄影，可再生能源，SDG7，风能，风力涡轮机