第8卷 第6期 新 能 源 进 展
Vol. 8 No. 6
2020年12月
ADVANCES IN NEW AND RENEWABLE ENERGY
Dec. 2020
* 收稿日期：2020-07-28 修订日期：2020-09-15
基金项目：重庆市教委科学技术研究项目（KJQN201900738）；飞行器环境控制与生命保障工业和信息化部重点实验室开放课题（KLAECLS-E-
202002）
† 通信作者：邵 垒，E-mail ：*****************
文章编号：2095-560X （2020）06-0477-09
邵 垒†，毛虹霖，邢 胜，利 威，方子淇，侯 洋
（重庆交通大学 航空学院，重庆 400074）
摘 要：高空风力发电系统（AWES ）主要通过采用系留航空器在一定高度下捕获稳定的风能并将其转化为电能，
具有低成本、高效率、无污染等优势，近年来受到较大关注。本文介绍了几种AWES 技术的基本原理、发展历程以及应用现状，并对几种AWES 技术的结构特点、发电成本等进行了分析和比较，以期为我国未来发展AWES 技术提供参考。
关键词：高空风力发电；高空风能；系留航空器
中图分类号：TK81 文献标志码：A DOI ：10.3969/j.issn.2095-560X.2020.06.005
Review on Development Status and Key Technology of
Airborne Wind Energy System
SHAO Lei, MAO Hong-lin, XING Sheng, LI Wei, FANG Zi-qi, HOU Yang
(School of Aeronautics, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074)
Abstract: Airborne wind energy system (AWES) refers to extract power from high altitude winds and convert into electricity by using the tethered aircraft systems. It has received considerable attention in recent years due to its low cost, high efficiency and no pollution. In this paper, the basic principle, development and application of several AWES technologies were introduced, and their performances were analyzed and compared. This work may provide some reference for the future development of AWES technologies.
Key words: airborne wind energy; high altitude energy; tethered aircraft
0 引 言
大力发展可再生能源已成为世界各国寻求可持续发展的重要途径和培育新的经济增长点的重大战略选择。国家能源局数据显示，2019年我国风电累计装机2.1亿kW ，风电发电量4 057亿kW·h ，约占全国全部发电量的5.5%，且呈逐年上升趋势[1-2]。目前，国内外的风能利用以低空风能发电为主，虽然低空风力发电获得了快速的发展，但是仍然存在较多问题：①低空风能易受季节气候、地理位置、地表环境以及人类活动等因素的影响，存在分布不均、风力不足等问题，直接影响发电效率和发电量；②低空发电技术占地面积大、噪声污染严重，建设成本和管理维护费用都相对较高；③气流瞬息万变，风的脉动、
季节变化十分明显，波动很大。风电的
不稳定性给平稳供应带来困难，时断时续的供应也会缩短线路的寿命，电能运输消耗方面存在较大的难点[3-5]。
近年来很多国家开始研究高空风能发电技术，该技术主要利用距离地面约500 ~ 12 000 m 之间的风能进行发电。ARCHER 等[6]对世界范围内海拔与风能资源分布关系进行研究时发现，海拔高度每增加1 m ，风能密度增加0.25 ~ 0.37 W/m 2，当高度为500 m 时，平均风能密度约225 W/m 2，约为地面风能密度的2倍；当高度在1 000 m 时，风能密度能达到500 W/m 2，约为地面风能的5倍。我国高空风能主要集中在经济发达的华东地区，当海拔高度在10 000 m 时，其最高风能密度甚至能达到10 kW/m 2，
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约为地面风能的100倍[7]。根据全国900多个气象站数据进行估算，全国平均风能密度仅为100 W/m2，说明高空风能具有巨大的开发价值[8]。
实现高空风能发电的主要技术是高空风力发电系统（airborne wind energy system, AWES），即采用系留航空器达到传统风力发电机无法达到的高度，在此高度下捕获稳定的风能并将其转化为电能。事实上，国外早在20世纪70年代爆发能源危机时，各类AWES的设计就不断涌现，发达国家对高空风能发电
的研究从未停止，美国、荷兰、意大利等国都多次进行过高空风能发电试验[9-11]。目前，全球已经超过50家高空风能发电公司，注册了数百项专利，开发了许多样机和示范区，世界各地的数十个研究小组目前正在研究包括控制、电子和机械设计的技术问题，其中最具代表性的有三类技术：①系留风筝式AWES技术，代表性公司有KiteGen、SkySails Power、KitePower等；②系留飞行器式AWES技术，代表性公司有Makani Power、Sky Wind Power、Ampyx Power等；③系留浮空器式AWES 技术，代表性公司有Altaeros Energies。
目前国内还没有针对AWES展开深入研究，在技术上和国外存在一定差距。鉴于此，本文在分析三类AWES技术基本原理、发展历程以及国内外应用现状的基础上，深入研究不同技术的特点和适用特性，剖析AWES技术的难点，并对其进行分析和比较，以期为我国AWES总体方案设计提供参考。
1 系留风筝式AWES技术
系留风筝式AWES技术目前有两种方式实现：①滑翔伞式系留风筝，即通过控制滑翔伞在高空按特定的“8”字型或者“圆形”轨迹运动从而拖动系留绳，并通过系留绳的牵引作用使发电机发电，其原理如图1a 所示。②伞梯状系留风筝，即通过控制伞梯状系留风筝开闭，实现风筝上下循环运动，进而拖动发电机发电，其原理如图
1b所示。
图1 系留风筝式AWES原理图：（a）滑翔翼系留风筝；（b）伞梯状系留风筝
Fig. 1 The schematic of tethered kite AWES: (a) hang-glider moored kite; (b) umbrella ladder moored kite
1.1 滑翔伞式系留风筝
意大利KiteGen公司自21世纪初以来一直是风筝发电的先驱，其开发的AWES如图2a所示，该系统不仅具有发电效率高的优势，而且占用的空间和面积也非常小，9个风筝发电机组成的一个风电场占地面积为0.025 km2，总功率可达到27 MW，只需使用5 ~ 6 km2的面积就可以达到传统风力发电厂占地250 ~ 300 km2的发电能力[12-13]。根据KiteGen 公司的估计，MARS系统的发电成本约为0.02 ~ 0.05美元/(kW·h)。目前，KiteGen公司对高空风电技术难点的解决方案受到了多个国家40余项的专利保护。KiteGen公司建设了世界上首个规模化的风筝发电站，该电站于2015年4月投入使用，装机容量3 MW。2019年3月13日，意大利石油和天然气服务公司Saipem和KiteGen公司签署了一项协议，以支持高空风电技术的开发、建设和商业化[14]。
德国SkySails Power公司是滑翔伞式风筝系统领域的技术领先者，也是世界上第一家成功将滑翔伞式风
筝发电技术发展成工业应用的公司，SkySails power公司的200 kW AWES是其主要产品，如图2b 所示，该系统可以满载达6 500 h，足够支撑100个家庭的日常生活用电。与塔式风电相比，其发电量显著提高，按照不同尺寸，材料使用量减少了70% ~ 90%，生产成本减少了20% ~ 75%，占地面积减少了
第6期 邵 垒等：高空风力发电发展现状及关键技术研究综述 479
75%以上，并且该系统可安装在陆地和海面上，增大了使用范围。同时，SkySails Power 公司还将该技术用于船舶辅助动力系统（风力辅助发电机），按目前燃料价格计算，发电成本为0.12 ~ 0.16美元/(kW·h)，风力辅助发电机成本降至0.03 ~ 0.06美元/(kW·h)[15]。此辅助系统不仅降低了燃料消耗成本，还减少了排放，改善了船只的性能；不同于固定动力系统，辅助发电机可以很容易从一艘船转移到另一艘船上，更高效地利用了风力辅助发电机[16]。
KitePower 是荷兰代尔夫特理工大学附属的高空风力发电公司，该公司20 kW 的高空风电系统在
2007年理论上得到了证实[17]。KitePower 公司宣称其开发的100 kW AWES 峰值功率可达到180 kW ，年发电量为450 MW·h ，相比塔式风电，其使用材料减少了90%，平均的能源成本不到塔式风电的25%，发电量增加一倍以上，如图2c 所示。并且该系统可以放置在一个6 m 长的集装箱中，具有高度的可移动性，易于部署和维护。2018年6月在荷兰法尔肯堡，KitePower 公司成功应用了该风筝发电系统。
但该项目只是KitePower 公司的一个试验性项目，非完全商业性质。
图2 各公司的滑翔伞式系留风筝AWES 产品[18-20]：（a ）意大利KiteGen 公司；（b ）德国SkySails power 公司；（c ）荷兰KitePower 公司
Fig. 2 The product of paraglider tethered kite AWES
[18-20]: (a) KiteGen from Italy; (b) SkySails power from Germany; (c) KitePower from Holland
1.2 伞状系留风筝
如图3所示，广东高空风能技术公司开发的伞状系留风筝AWES 与KiteGen 等公司的高空风力发电实现
方案有明显差异，其结构使系统能够在更复杂的风力环境下实现稳定功率发电。伞梯组合系统在电站投资成本上并没有节省太多，但发电时间和稳定性都极大超过了塔式风电，其年发电时间达
风能发电原理图3 广东高空风能技术公司伞梯状系留风筝AWES 产品图[22] Fig. 3 AWES product picture of umbrella ladder tethered kite from Guangdong High-altitude Wind Energy Technology Company [22]
6 500 h ，比塔式风电全年满负荷发电时间只有2 300 h 有明显的提升。其发电成本低于0.3元/(kW·h)，不仅低于普通风电，甚至低于火力发电。伞梯组合AWES 实现了从“能发电”到“稳定功率发电”的突破。该公司于2010年4月研制出了中国首台100 kW 高空风电系统样机。目前，首台2.5 MW 高空风能发电机组已经在安徽羌湖完成安装，首个400 MW 高空风能项目已经进入筹备期[21]。
2 系留飞行器式AWES 技术
系留飞行器式高空风电技术分别通过两种方式实现：①机载发电式系留飞行器，将永磁电机固定在飞行器的机翼或桨叶上，控制飞行器迎风飞行，使永磁电机转动发电，并通过系留绳将电能引入储能设备，其原理如图4a 所示。②地面发电式系留飞行器，控制固定翼飞行器在高空按特定的“8”字型轨迹运动从而拖动系留绳，并通过系留绳的牵引作用使地面发电机发电，其原理如图4b 所示。
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图4 两种系留飞行器式AWES原理图：（a）机载发电式系留飞行器；（b）地面发电式系留飞行器
Fig. 4 The schematic of tethered aircraft AWES: (a) on-board tethered aircraft AWES (b) on-ground tethered aircraft AWES 2.1 机载发电式系留飞行器
美国Makani Power公司设计了型号为M600的飞行器，其翼展长达26 m，机翼搭载永磁发电机，额定功率可达600 kW，如图5a所示。该飞行器可以通过全球定位系统（global positioning system, GPS）和其他传感器来控制其飞行状态和飞行轨迹，并且该公司还设计了多种飞行模式以适应不同环境，保证了发电量的最大化[23]。据该公司估计，这样一套系统可以为大约300户家庭供电。2019年，该公司成功展示了海上机载风力发电系统，该系统用轻质材料取代了数吨钢材，能长时间漂浮在海上持续不断地发电。Makani Power公司在挪威卡莫伊的一个海上浮动平台上成功演示了侧风飞行，证明了该模型符合现实，如图5b所示[24-25]。
美国Sky WindPower公司开发了飞行风力发电机（flying electric generators, FEG）系统，如图6[26-28]，FEG系统额定功率为240 kW，转子直径约10 m，其占地面积约为额定功率相同的塔式风力发电机占地面积的四分之一。FEG系统可以根据风和天气条件对飞行器进行编程以实现自动起飞和降落，其设计工作高度为5 km，可以携带有效载荷（例如监视、通信设备），并且仍然可以向地面发送大量电能，该系统每年的发电量将达到数兆瓦时。2011年12月，Sky WindPower公司的Jabiru II原型机测试取得成功。
图5 Makani Power M600机载发电式AWES[24-25]：（a）M600飞行器；（b）海上浮动平台飞行演示
Fig. 5 On-board generator AWES of Makani Power M600[24-25]:
(a) M600 aircraft; (b) floating platform flying demonstration
图6 Sky WindPower公司机载发电式AWES产品[26-28] Fig. 6 On-board generator AWES of Sky WindPower[26-28] 2.2 地面发电式系留飞行器
荷兰Ampyx Power公司在制造自动飞机方面拥有很多经验，该公司将飞行器用于高空风电系统，由先进的复合材料制成的AP3飞行器如图7所示，其翼展达12 m，常规飞行高度为200 ~ 450 m，极限高度可达
750 m，最大荷载可达4.2 t[29-30]。该飞行器可实现全天候自动进行发射、发电、着陆操作，无需人工干预。同时，该公司研发了AP4和AP5飞行器，AP4是Ampyx Power公司的第一个商业化产
第6期邵垒等：高空风力发电发展现状及关键技术研究综述 481
品，150 m2的机翼能和各种发电机组合使用；AP5采用200 ~ 250 m2的机翼，结合5 MW的发电机组，发电量大幅提升，并且开拓了海上浮动风能市场。2017年，该公司与德国公用事业公司RWE签署了合作协议，两家公司将建立海上测试站[31]。
图7 Ampyx Power公司地面发电式AWES产品[32]
Fig. 7 On-ground generator AWES of Ampyx Power[32]
3 系留飞行器式AWES技术
目前，系留浮空器式AWES技术可以通过两种方式实现：一是将风扇发电机组固定在一个镂空形浮空器中，漂浮在一定高度，利用高空风能发电，其原理如图8a所示。二是将涡轮形浮空器上升到一定高度，利用高空风吹动浮空器旋转，从而带动浮空器两端的发电机发电，原理如图8b所示。
图8 两种系留浮空器式AWES原理图：（a）镂空形系留浮空器；（b）涡轮形系留浮空器
Fig. 8 The schematic of tethered aerostat AWES: (a) hollow-shaped tethered aerostat; (b) turbine-shaped tethered aerostat
美国麻省理工学院成立的初创公司Altaeros Energies设计了第一个浮动风力涡轮机（buoyant airborne turbine, BAT）系统[33]，如图9。BAT系统利用成熟的航空航天技术，将风力涡轮机提升到高空进行发
电，可根据实际情况自由设定漂浮高度，并且输出电能不受任何天气障碍的影响[34]。据Altaeros Energies公司介绍，该装置最高可在离地约600 m的高空持续发电18个月，产生的能量是相同大小的塔式风力发电机的两倍多，其安装简单快捷，不需要大型地下基础设施来安装，同时消除了传统风力涡轮机面临的许多后勤挑战。2014年12月，日本软银公司向Altaeros Energies公司投资700万美元，以支持BAT系统的持续开发和商业化[35]。
图9 Altaeros Energies公司系留浮空器式AWES产品[36] Fig. 9 The tethered aerostat AWES of Altaeros Energies [36] 2008年，加拿大Magenn Power公司开发了名为空气转子系统（Magenn air rotor system, MARS）的AWES系统[37]，如图10所示。MARS利用氦气为空气转子提供升力，等上升到一定高度时，获得高空强劲风，使其内置涡轮机旋转发电。此外，旋转还将引起马格努斯效应，该效应不仅可以
为系统提供额外的升力，而且还可以使设备保持稳定，不随风漂动。Magenn Power公司称其系统目标运用高度在200 ~ 300 m，运行效率可达40% ~ 50%，远远超过塔式风电发电效率。MARS也有较强的移动性，有望成为一个非常灵活的系统，可以快速安装到灾区或其他偏远的需电地区。目前，该系统进展缓慢，仍处于概念验证阶段。
图10 Magenn Power公司系留浮空器式AWES 产品[37] Fig. 10 The tethered aerostat AWES of Magenn Power[37]
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