DQZHAN訊：Google為何看好“風箏上的電能”？
一、高空風能可利用資源量巨大
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風是由空氣流動引起的一種自然現象,它是由太陽輻射熱引起的。太陽光照射在地球表面上,使地表溫度升高,地表的空氣受熱膨脹變輕而往上升。熱空氣上升后,低溫的冷空氣橫向流入,上升的空氣因逐漸冷卻變重而降落,由于地表溫度較高又會加熱空氣使之上升,這種空氣的流動就產生了風。目前主流的風力發電技術主要集中在低于 100 米的空間內,風力受地形變化影響較大,同時風向不穩定,需要建設大規模的支桿和葉片。而高空風能將目光投向更高的天空,隨著高度提升,風力顯著上升,同時受地形等影響較弱。
黑**域風能密度低于 200 瓦/平方米區域, 不適宜發展風電。高度達到 500 米時,超過 200 瓦/平方米區域已覆蓋國內絕大部分地區,尤其是沿海用電大省。在高度上升到3000 米、10000 米高度時,風能密度達 100 米地面風能密度百倍。
研究表明,高空中蘊藏的風能超過人類社會總需能源的 100 多倍,國內地面風能市場規模已超千億,而高空風能在全球范圍內還剛剛起步。我們認為,隨著技術的不斷前進,這一新能源領域將會吸引越來越多的資金和人才進入,潛力巨大。
二、技術原理先進并具備可操作性
廣東高空風能技術有限公司由留美博士張建軍創立,2009 年入駐廣州科學城,注冊資金1.5 億元人民幣,是國內*早從事500-10000 米高空風能發電的技術研發、發電系統設計和高空風電廠建造等業務的企業。公司自行研發的傘梯組合風能采集技術****。
“天風技術”高空風能發電系統由空中部分、地面部分和系統控制構成。空中部分由一個或數個做功傘、若干平衡傘組成;地面部分主要有發電機和卷揚機;各部分之間通過輕質高強度纜繩連接。
平衡傘組的作用是將做功傘拉升到空中的**高度并保持空中部分在高空中的相對平衡和穩定;做功傘的作用是使傘和傘聯結的纜繩沿軸向向上運動,拉動卷揚機轉動而帶動發動機發電;系統控制主要是軟件系統,實現對空中部分和地面部分的控制。
空中部分上升到預設起始高度,做功傘打開并在風力作用下向上運行,通過纜繩拉動卷揚機轉動而帶動發電機轉動。到達預設終止高度后,做功傘閉合,風阻力大大減少,此時反向轉動電機啟動使卷揚機高速反轉拉動做功傘快速向下運行至起始高度,卷揚機停轉,做功傘再次打開,開始新一輪上升做功。做功傘反復上下運行,以這種方式將高空風能轉化為機械能,拉動發電機發電,從而系統實現高空風能發電。
我們將公司的高空風能技術與現有的傳統能源火電及新能源進行對比,發現其高空風能技術在固定投資,占地面積及效率方面均有較大的優勢。首先,不同于太陽能發電需要大量的場地,高空風能主要向空中發展,地面占地面積很少,因此可以在城市周邊進行建設,而不用到偏遠的地區。其次,就固定投資成本來看,其固定資產成本與陸上風電相當;第三,由于高空風力相對持續,可以晝夜發電并保證功率的穩定,從而避免對電網的沖擊,提升發電小時數。據公司估算,一旦形成兆瓦級的規模化發電,每度電的綜合成本僅 0.3 元左右,大幅低于現有的新能源技術。
四、 市場關心的問題
1. 超高分子量聚乙烯纖維能承受巨大拉力
據估算,要實現規模化發電,風箏在高空要產生的拉力達 100 噸以上。考慮到鋼繩的自重,其并非是理想的材料。公司計劃采用帝斯曼的超高分子量聚乙烯纖維作為拉繩,其強度 37.8cN/dtex 是同等截面鋼絲的 15 倍,模量 1765cN/dtex,密度僅 1 克/立方厘米。超高分子量聚乙烯纖維與碳纖維和對位芳綸并稱三大特種纖維,性能優越。我們以 30mm 直徑計算,每千米超高分子量聚乙烯纖維重量僅 0.7 噸,自重很小,成本也較低。
2 多裝置配合實現 6500 小時的超高利用小時數,并且保持平穩
發電風電,太陽能發電等都存在利用小時數偏低,發電不平穩的問題。一年 8760 小時,而高空發電 6500 利用小時數意味著利用率高達 75%。
我們以公司蕪湖 2.5MW 發電項目為例,其有兩組高空風能-機械能轉化系統和發電機系統組成。當**組高空風能-機械能轉化系統處于發電工作狀態時(即做功傘處于向上運行狀態),**組系統則處于非發電工作狀態(即做功傘處于向下運行狀態),或者 2組系統之間的相反工作狀態保持一定相位差,這樣整個發電系統就能實現連續發電。
這里我們必須要提到中央控制系統的作用。做功傘的開合指令由中央控制系統發送給空中控制系統,并由空中控制系統執行。中央控制系統根據兩組傘空中位置,風速和用電負載參數決定各組傘的運行速度和開合傘時間。收傘下行速度高于開傘上行做功的速度,所以待開啟的傘總是預先到達開啟位置等待開傘指令。中央控制系統綜合發電輸出要求,風速,高度和運行傘的數目,決定系統運行速度和做功傘的開傘數目,已達到輸出穩定的目的,同時還可以由中央控制系統發出指令,控制導向體,改變運行軌道角度,調節輸出功率。
3 高空空域能否放開將是高空風能技術發展的關鍵.
在中國,無論低空還是中高空,主管空域的機構是“國務院、中央軍委空中交通管制委員會”(簡稱國家空管委)。國家空管委成立于 1986 年 1 月,這一機構實際由中國**主導,辦公室設在總參謀部,具體工作由其協調,人員也主要來自中國人民解放軍**。具體工作由總參謀部承擔。國家空中交通管制委員會辦公室設在總參謀部作戰部。國家空管委劃設了 2 個空中禁區、66 個空中危險區、199 個空中限制區,以及若干個**訓練空域。由于高空風能涉及到低中空空域,在目前空域改革尚未完全實現的情況下,要大范圍鋪開存在難度。但是從公司蕪湖項目的進展來看,高空風能并非空管委禁止的項目。此外,公司 2.5 兆瓦項目占地面積較小,未來即使提升到百兆瓦占地面積也有限。如果示范項目運行良好,預計會有越來越多的地方政府會有興趣并大力推進,屆時空域問題有望改善。我們認為,作為一個新興能源,在起步階段總會遇到各種問題,以公司現在的體量,空域問題要成為阻礙公司的核心問題還為時尚早。
