◎本報記者　張佳欣

在愛(ài)爾蘭西海岸的邦戈埃里斯測試場(chǎng)，大西洋的海風(fēng)經(jīng)年不息。這里并非一處普通的荒野，而是經(jīng)過(guò)全球范圍內的嚴格篩選，最終確立的高空風(fēng)能發(fā)電（AWE）技術(shù)核心試驗場(chǎng)。這片基地正見(jiàn)證著(zhù)一場(chǎng)可再生能源領(lǐng)域的顛覆性變革。

據美國趣味工程網(wǎng)近日報道，AWE系統摒棄了笨重的混凝土基礎，依靠運行在離地數百米高空的系留風(fēng)箏，捕捉當前傳統風(fēng)機難以企及的高空風(fēng)能。目前，這項技術(shù)正從實(shí)驗邊緣邁向商業(yè)開(kāi)發(fā)階段，在歐洲和美國表現得尤為明顯。然而，其底層的工程難題，即如何自動(dòng)且可靠地控制這些飛行裝置，同時(shí)提供電網(wǎng)可調度的穩定功率輸出，目前仍有待進(jìn)一步攻克。

物理規律暗含高空風(fēng)能先天優(yōu)勢

空中風(fēng)能系統的核心優(yōu)勢在于基礎物理原理：風(fēng)速是高度的函數。

在對流層低層，風(fēng)速遵循基本的冪律剖面分布，這意味著(zhù)在300米至500米的高空，平均風(fēng)速不僅遠高于地面，且分布更加均勻、穩定。相比之下，傳統地表風(fēng)機常年受困于隨陣風(fēng)劇烈波動(dòng)的低空亂流，而高空風(fēng)能則像是一座永不停歇、能量密度更高的“礦山”。

不過(guò)，只有高度是不夠的。早在20世紀，美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗室的相關(guān)分析就已確立了一項基本原則，即風(fēng)箏通過(guò)在空中進(jìn)行高速的橫風(fēng)運動(dòng)，獲取的功率密度遠高于靜態(tài)系纜。這意味著(zhù)，風(fēng)箏不應只是被動(dòng)地懸浮，而必須像在空氣中高速收割能量的鐮刀，通過(guò)快速切割氣流來(lái)產(chǎn)生巨大的牽引力。

這種高速運動(dòng)產(chǎn)生的牽引力，在目前的地面發(fā)電系統中被轉化為持續的電流。這一過(guò)程被稱(chēng)為“泵送循環(huán)”。

泵送循環(huán)分為兩個(gè)階段。在“放線(xiàn)階段”，當風(fēng)箏以“8”字形路徑飛行時(shí)，會(huì )產(chǎn)生強大的牽引力，將系纜從地面站的絞盤(pán)中拉出，從而產(chǎn)生電力。當系纜達到最大長(cháng)度時(shí)，系統通過(guò)調整風(fēng)箏角度使其失去拉力并懸停在基站上方，隨后以極少的能耗將系纜收回，進(jìn)入“收線(xiàn)階段”。通常這兩個(gè)階段分別持續80秒與20秒，這種周而復始的律動(dòng)，構成了空中風(fēng)能持續發(fā)電的“脈搏”，其發(fā)電穩定性遠超地面風(fēng)機。

算法驅動(dòng)下的“減法”革命

這種循環(huán)不僅高效，還極大地節省了結構材料。與動(dòng)輒使用數千噸鋼材和混凝土的150米級傳統風(fēng)機相比，AWE系統主要由輕質(zhì)復合材料翼型和高強度系纜組成。

空中風(fēng)能的本質(zhì)，是用主動(dòng)的控制算法取代被動(dòng)的材料約束。在實(shí)際飛行中，系統完全依靠復雜的自主飛控軟件驅動(dòng)，每秒進(jìn)行數百次的數據計算。算法需要實(shí)時(shí)融合系纜張力、風(fēng)速感應及空間坐標，精準控制風(fēng)箏的每一個(gè)轉彎角度，以確保在每次旋轉中精準產(chǎn)生高達2.5噸的強勁拉力。

德國能源巨頭萊茵集團介紹稱(chēng)，他們當前的測試設備——一套翼展達40米的巨型風(fēng)箏，其包含傳感器單元在內的總重量?jì)H為80公斤。該設備采用迪尼瑪系纜，這種高性能合成纖維的強度高于同尺寸鋼索，重量卻不足其十分之一。這種極高的功率重量比，使得AWE系統具備極低的隱含碳足跡，并展現出極速部署的靈活性。

在地面上扮演風(fēng)箏“飛行員”的帕德里克·多爾蒂介紹稱(chēng)，這款風(fēng)箏可飛至約400米高空，然后收回至約190米，產(chǎn)生約30千瓦的電力用于存儲。電力儲存在電池中，類(lèi)似于太陽(yáng)能光伏系統。

這種AWE系統的另一個(gè)優(yōu)勢還在于靈活。多爾蒂說(shuō)：“我們可在24小時(shí)內完成安裝，并且可以把它帶到任何地方。它超級靈活，而且不需要建造昂貴、耗時(shí)耗力的渦輪機基礎?！?/p>

此外，AWE系統對景觀(guān)的破壞性遠小于風(fēng)力渦輪機。它能產(chǎn)生清潔能源，而且不需要燃料供應鏈來(lái)維持運行。

仍需探索規?；瘧寐窂?/p>

邦戈埃里斯的實(shí)踐并非孤軍奮戰。在歐洲，德國SkySails電力公司正推進(jìn)配備自動(dòng)駕駛儀的智能風(fēng)箏，而德國EnerKite與瑞士TwingTec等公司則深耕自主模塊化系統，試圖將原型機推向規?；?。在美國，盡管谷歌母公司“字母表”旗下的Makani項目已于2020年終止，但長(cháng)達13年的研發(fā)積累并未付諸東流。目前，美國能源部與先進(jìn)能源研究計劃局正利用這些寶貴的經(jīng)驗，重點(diǎn)研究其留下的高強度空氣動(dòng)力學(xué)數據與機載飛控系統。

目前，高空風(fēng)能正處于從物理可行性轉向“電網(wǎng)級可靠性”的關(guān)鍵轉折點(diǎn)。雖然該技術(shù)在土地可用性不足、成本過(guò)高或物流受限的地區具有獨特優(yōu)勢，但下一步仍需攻克設備長(cháng)期可用性、空域監管審批以及復雜環(huán)境下的系統自愈性等挑戰。

只有實(shí)現與現有電網(wǎng)的無(wú)縫集成，這種輕盈的“能源鐮刀”才能真正從實(shí)驗室走向深藍海洋，成為未來(lái)全球能源組合中不可或缺的一環(huán)。