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隨著AI飛速迭代，幾乎所有的關注者都能明白電力會有多重要，所以從AI先鋒到芯片巨頭都在快速推進可控核聚變的研發(fā)。但實際上也無需這么麻煩，還要冒著核失控的風險去賭一個未來電能，放放風箏說不定就夠了。

最近有家初創(chuàng)企業(yè)北京臨一云川能源技術有限公司宣布完成數(shù)千萬元股權融資，要說做能源的初創(chuàng)企業(yè)每年都有幾家，并不稀奇，但這家公司吸引筆者注意的原因有兩點，一是兩位創(chuàng)始人頓天瑞和翁翰鈳今年都才26歲，背后已經有了清華科研成果的支持；二是這家公司的主營業(yè)務是國內比較少見的高空風力發(fā)電。   

臨一云川S500型浮空風力發(fā)電系統(tǒng)縮比樣機

根據(jù)估算，在9000米的高空中，有常年時速穩(wěn)定在160公里左右的高空急流，這部分風能如果轉換成電能，可以滿足目前全人類電力需求的100倍。

當然，9000米還是太高了，中間還有飛機等各種航天器，利用起來不方便。那就退一步，在500米以上的空中薅風能也是可以的。距地面500米至10000米這一范圍內的高空風能，相比于目前豎立在海邊、高原、戈壁、遠海的風能發(fā)電項目來說，潛力是巨大的，這一點后文會詳述。

這類儲量豐裕、分布廣泛的可再生清潔能源，其實在上世紀70年代能源危機之時，就曾獲得過學界的關注，最早的高空風力發(fā)電系統(tǒng)（airborne wind energy system，AWES）設計也在當時不斷涌現(xiàn)。只不過隨著能源危機解除，AWES的研究也就放緩了，除了美國、荷蘭、意大利等發(fā)達國家外，堅持進行高空風能發(fā)電試驗的國家并不多。   

但誰也沒想到“雙碳”目標疊加AI的發(fā)展，讓全球能源需求，尤其是對可再生能源的需求呈現(xiàn)出不斷增長的趨勢。高空風電作為一種潛在的解決方案，值得我們再度審視。

在細說發(fā)展高空風電的優(yōu)勢之前，要先重復一個基本的概念：即越往高處走，風速約快、風能也就越高。這其實和氣象學有關。

在地形、地貌和人造建筑物的影響下，越靠近地面的風越容易出現(xiàn)“風切變”現(xiàn)象，這個現(xiàn)象不僅會影響飛機的安全起降，還會影響傳統(tǒng)風機的發(fā)電效率和穩(wěn)定性。

另外，還要記得一個公式：風中的能量與風速的三次方成正比，這意味著風速增加1倍時，風中的能量增加到8倍，三倍風速則意味著高達27倍的能量。地面風速通常在5-10m/s之間，那到了500米高度，風速會有多大？答案是能穩(wěn)定達到每小時20-30m/s。

這也是為什么現(xiàn)在大家能看到的傳統(tǒng)風機，通常都會非常高大且非常的原因之一——為了薅到更優(yōu)質的風能。

重慶交通大學航空學院博士邵壘等人發(fā)表的論文提到，海拔高度每增加1m，風能密度就會增加0.25-0.37W/m²（瓦每平方米）。當高度為500m時，平均風能密度約225W/m²，約為地面風 能密度的兩倍；當高度在1000m時，風能密度能達到500W/m²，約為地面風能的5倍。

高空風電除了能獲得更優(yōu)的風能資源，當然還有設備成本上的優(yōu)勢——但這一點是理論上規(guī)模化后的優(yōu)勢，需要理性看待。   

之前的文章中曾介紹過現(xiàn)在的風機為了提高發(fā)電效率，葉片能超百米，不僅占地面積大、噪聲污染嚴重，建設成本和管理維護費用都相對較高。而且，AWES所用的“風機”都非常像大型風箏，不需要傳統(tǒng)風機支撐發(fā)電機組的塔架，只需要幾根纜繩。

AWES表面上看都是地面有個基站，拉根纜繩把發(fā)電設備放到天上去，但按照依據(jù)風能捕獲與能量轉化方式的不同，又可以分為兩種技術路線，同時兩種技術路線又代表著不同的“飛行設備”。

滑翔機屬硬質系留飛行器，發(fā)電量較穩(wěn)定

一種是“空基高空風力發(fā)電”，也就是利用可以自主飛行的滑翔機，將發(fā)電機懸掛于上，使其直接在高空中利用強大的風力發(fā)電。也可以把滑翔機換成無人機、軟質的充氣飛艇（或稱系留浮空器），機上的螺旋槳既是自己起降的動力來源，又是捕獲風能的發(fā)電渦輪，在高空直接發(fā)電；渦輪機產生的電力通過其中一根系繩傳輸?shù)降孛嬲?，然后傳送到微電網。這一模式的好處是，只要飛行器穩(wěn)定那電力輸出就穩(wěn)定。   

臨一云川第一代量產型號S500就是一艘長23米、直徑15米的“充氣飛艇”。頓天瑞表示臨一云川已經解決了浮空器氣體泄漏等問題，“駐空時長能超過25年”。

據(jù)其官網描述，這臺設備包含飛行平臺、發(fā)電模塊、電力傳輸和系留線纜四部分，是目前世界首個功率能穩(wěn)定超過100kw、飛行高度超過500m、氣動升力超過阻力的浮空高空發(fā)電系統(tǒng)。最關鍵的是，度電成本還不到3分錢。

在此之前，297米的升空高度和30kw的發(fā)電功率都是由美國麻省理工學院涵道式浮空風力發(fā)電研究團隊保持的。這個團隊對外成立了一家能源公司Altaeros Energies，去年10月宣布獲得美國國土安全部和美國海關和邊境保護局 (CBP)的一份為期5年、價值9900萬美元的不定期交付合同，實際上也是美國政府對于高空發(fā)電初創(chuàng)企業(yè)的支持，軟銀等企業(yè)也在投資人之列。這對我國相關行業(yè)的發(fā)展也應該有一定的啟發(fā)。

另一種技術路線是“陸基高空風力發(fā)電”，這種模式是依靠地面的發(fā)電設備進行能量轉化，所以放在空中的就真是一個單純的大風箏了，學術上也叫“系留風箏式AWES技術”。

陸基高空風力發(fā)電示意圖

具體來說，風箏的一端通過纜繩系于地面，在它被放置高空，以一定的模式飛行時，就會帶動纜繩牽引做功，使地面發(fā)電機產生電能；由于繩子總是有限的，飛到一定程度，地面發(fā)電機就要消耗一部分剛剛轉化的電能，把這個大風箏收回來一點再放出。這就導致陸基發(fā)電的電量不穩(wěn)定，是有波峰和谷值的，所以需要配合使用鋰電池等儲能設備，把發(fā)電量拉平再輸送至大電網，這可以說是一個缺點。   

值得一提的是，這種風箏在天上也不會亂飛，而是根據(jù)設計以側風的軌跡飛行。傳統(tǒng)風機發(fā)電效率最高的地方是葉片的尖端，側風飛行的風箏的發(fā)電效率，甚至能超過葉片巨大的傳統(tǒng)風機。

況且它還有個優(yōu)勢在于其簡單性和低成本，適用于各種地理環(huán)境，荷蘭空中風能系統(tǒng)先驅 Kitepower主打的就是大風箏路基高空發(fā)電，現(xiàn)在在德國政府補貼環(huán)境下已經推出租賃模式，以推廣市場。

國內目前兩種技術路線都在嘗試中，只不過高空風電系統(tǒng)的空中飛行器、動力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)看著簡單，但也需要復雜的技術和工程。我國目前技術成熟度較低，導致初始投資和運營成本較高，仍需要更多的資金和時間來驗證其經濟可行性。

（來源壹零社）