天上有個大風(fēng)車

高聳在地面上的成群風(fēng)力發(fā)電機已經(jīng)沒什么稀奇，現(xiàn)如今工程師們正在研究如何能以更靈活更高效的方式從風(fēng)力中提取電能。一個頗具創(chuàng)意的靈感就是設(shè)法把風(fēng)力發(fā)電機送到天上去，打造一部飄行空中的“大風(fēng)車”。

當(dāng)前廣泛使用的高塔式風(fēng)力發(fā)電機雖然很不錯，但也有一些固有的缺點。首先就是它們的建造成本很高，而且是固定不動的，選址成為建造的關(guān)鍵，必須選在常年盛行大風(fēng)的地點，雖然這些風(fēng)機可以根據(jù)風(fēng)向的變化調(diào)整方向，但在風(fēng)力極弱或無風(fēng)的時段仍然無計可施。此時，這些固定風(fēng)機的高度成了“能力天花板”——事實上在更高的高度上，空氣仍在以相當(dāng)高的速度“狂奔”，只不過固定風(fēng)機的塔式基座夠不到罷了。固定式風(fēng)機的另一個缺點在于它們的建設(shè)周期較長，需要在現(xiàn)場建造基座和塔身，然后再把巨大的風(fēng)機和奇長的葉片從遙遠工廠經(jīng)過艱難陸路運輸送來，利用重型吊裝機械組裝起來。也就是說，如果你要在某個地方急需建立風(fēng)力發(fā)電設(shè)施，依靠固定式風(fēng)機肯定來不及。那么，有沒有其他的方法呢？浮空式風(fēng)力發(fā)電機就是工程師們提出的解決方案。

傳統(tǒng)風(fēng)機的塔座不能無限增高，那么就把風(fēng)機搬到天上去。工程師們想到了飛艇。飛艇依靠氦氣或氫氣的靜浮力升空，升空活動本身不消耗能源，費用較低。如果把風(fēng)機和飛艇組合在一起，應(yīng)該是個好辦法。但是問題沒那么簡單，飛艇必須設(shè)計成環(huán)管狀，內(nèi)設(shè)中空涵道（有些帶有中央錐），風(fēng)力發(fā)電機就裝在中央，涵道可以通過流管效應(yīng)提升風(fēng)速，增加風(fēng)能利用率。飛艇式的浮空囊體也很有門道，囊體材料必須足夠輕巧堅固，能經(jīng)受高空強風(fēng)的折磨，內(nèi)部只能使用氦氣，確保整個系統(tǒng)的安全性。囊體外形需要進行氣動優(yōu)化，配備穩(wěn)定系統(tǒng)，保證能在系留條件下的穩(wěn)定懸浮，為發(fā)電提供合適的作業(yè)環(huán)境。置于涵道內(nèi)部的風(fēng)機葉片長度不可能如地面風(fēng)機那般張揚，只能在有限的局促空間內(nèi)工作，這就要求風(fēng)機葉片具備極為高效的氣動外形，發(fā)電機組也必須在輕量化和高效化之間進行反復(fù)優(yōu)化。最后，還要給這套空中發(fā)電系統(tǒng)配上智能系纜和地面控制站，纜索除了起到牽引固定作用外，還負責(zé)傳輸電力，地面控制站則隨時監(jiān)控和調(diào)整風(fēng)機狀態(tài)。總之，問題不像看起來那樣容易。

中國工程師們在解決這些問題的道路上走得很快。1月5日，四川宜賓，一具奇特的浮空式飛行器以系留方式被放飛到空中。雖然看起來很像飛艇，但它并不是觀光飛行器，而是北京臨一云川能源技術(shù)有限公司(臨一云川)研制的兆瓦級S2000浮空風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。它的使命，就是到高空去完成與疾風(fēng)的一次約會，嘗試把風(fēng)力轉(zhuǎn)換為電能并傳回地面。S2000長60米、寬40米、高40米，外形魔幻頗像飛艇，試飛活動中，隨著系留索具不斷釋放，S2000經(jīng)過約30分鐘爬升，順利到達2000米高度，實現(xiàn)穩(wěn)定懸停。內(nèi)部的風(fēng)機葉片在風(fēng)力推動下高速旋轉(zhuǎn)，帶動發(fā)電機輸出電能，累計發(fā)電385千瓦時，電力通過系留線纜實現(xiàn)下傳，成功完成了并網(wǎng)發(fā)電測試。評估顯示，全系統(tǒng)的升空高度、發(fā)電功率、升阻比等主要參數(shù)均達到預(yù)期目標。這次試飛刷新了該公司自身保持的飛行高度、發(fā)電功率、并網(wǎng)測試和應(yīng)用場景等4項行業(yè)紀錄，中國浮空風(fēng)電系統(tǒng)向工程應(yīng)用邁出了重要一步。這次牛刀小試的S2000并未“火力全開”，總體積近20000立方米的S2000最大額定功率可達3兆瓦，如果集群使用，可以形成可觀的發(fā)電產(chǎn)能。目前，S2000已啟動小批量生產(chǎn)，多個沿海城市及高海拔地區(qū)都與研制方簽訂了意向協(xié)議。

S2000是多單位聯(lián)合技術(shù)創(chuàng)新的成果。臨一云川研發(fā)團隊聯(lián)合清華大學(xué)、中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院等科研機構(gòu)，相繼攻克浮空器穩(wěn)定性、輕量化電機、千米級高壓輸電等難題。2024年10月，S500率先升至500米，發(fā)電功率達到50千瓦。2025年1月，S1000升至1000米，發(fā)電功率達到100千瓦。如今S2000正在挑戰(zhàn)2000米高度和兆瓦級功率，下一代S4000、S6000正同步推進，其中S6000將挑戰(zhàn)平流層浮空風(fēng)電關(guān)隘。

靈活性是浮空式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大優(yōu)勢。雖然地面上風(fēng)力在時間空間上的分布差異極大，但一旦進入高空，強風(fēng)就呈現(xiàn)出廣泛而穩(wěn)定的分布態(tài)勢。只要你能把風(fēng)機送到這個高度，那么就能隨時提取可觀的電能。按照設(shè)計，中國的浮空電站還能“打包帶走”，整個系統(tǒng)將實現(xiàn)“集裝箱化”，可以快速運送到作業(yè)現(xiàn)場，僅需4—8小時就能充氣升空，成為可以快速部署啟用的“超級充電寶”，在災(zāi)害救援等應(yīng)急場景下，為通訊網(wǎng)絡(luò)和救援器材提供電力保障。

2025《航空知識》《問天少年》

合訂本全新上市！

風(fēng)上風(fēng)云｜云端故事