关于高空风力发电项目的简要分析报告

1关于高空风力发电项目的简要分析报告高空风能是指离地面3000~10000米以上的中、高空风能，是一种储量丰裕、分布广泛的可再生清洁能源。斯坦福大学环境和气候科学家的研究报告指出，高空中蕴藏的风能超过人类社会总需能源的100多倍。我国高空风能资源丰富，如图1所示，高度达到3000m时，超过200W/m2区域已覆盖国内全部地区（黑色为低于200W/m2区域）。在我国陆地上空10000m处，大部分地区风力密度均值超过5kW/m2，江浙鲁地区上空的高空急流附近的风力密度甚至达到30kW/m2。图1美国国家环境预报中心数据根据2009年全年风资源统计数据，如表1所示，平均2高度2547m以上，风速大于3.6m/s的平均时间超过300天；平均高度2547m，大于8.2m/s的风速时间为227.14天，占全年62.2%；平均高度6618m，大于8.2m/s的风速时间为326.17天，占全年89.4%。表1国内2009年全年风力数据气压（百帕）高度范围（米）平均高度（米）大于3.6m/s的平均时间及占全年百分比大于8.2m/s的平均时间及占全面百分比7001700～30002547321.44天88.1%227.14天62.2%4005500～75006618354.42天97.1%326.17天89.4%一、风筝发电的几种类型近年来，随着社会对能源总量需求的增大以及煤、石油等一次能源资源的逐步减少，国内外均开展了对高空风能发电的研究，逐步开始进入试验和应用阶段。风筝发电的主要类型如表2所示，基本结构如图2～6所示。表2风筝发电的主要类型名称基本原理优点缺点所在国家所处阶段旋转木马式风筝在风力作用下，带动固定在地面的旋转木马式的转盘，转盘在磁场中旋转而产生电能机组容量大、成本低，直径100米的木马风筝发电机的发电能力可以达到50万千瓦控制难度大，存在风筝缠绕的问题意大利设计研发高空涡轮机式风力带动高空涡轮机旋转，带动发电机发电，采用输电线长距离输电传统发电技术原理，技术相对成熟输电困难，单机容量小美国15kW试验（GoogleX兼并了致力于风筝发电3的MakaniPower公司，计划研发600kW设备）飞艇风车过两个偏位半圆桶状帆绕着风轴转动发电，由电缆输送电能到地面原理简单，不易坠落造价高，单机容量小加拿大4kW～几兆瓦概念设计梯形电站风筝带动地面发电机产生电能，当它到达最大高度时，风筝会重新返回到原来位置，不断地重复上升和下降动作。发电机在地面，无需高空远距离输电风向不稳时，不易控制，电能质量不高荷兰10kW试验天风二号同上同上同上，串联风筝，突然风力增大可能导致损坏中国2.5MW研发Hulala高空风筝发电系统采用多维度风筝飞行控制技术带动地面发电机发电发电机在地面，无需高空远距离输电，风筝飞行距离高、输出功率平稳多维度控制技术开发难度大中国研发图2意大利旋转木马风筝发电图3加拿大飞艇风车发电4图4美国skywindpower和MakaniPower高空风车发电图5广东2.5MW高空风筝发电图6Hulala高空风筝发电二、高空风筝发电的特点及主要问题（1）高空风筝发电涉及大气物理学、空气动力学、机械、材料、电气、控制等20余种学科知识，需要应对不稳定气流、雷电等复杂天气情况。（2）同传统风电相比，高空风电投资成本低，有效发电小时数长。根据北京呼啦啦科技公司（以下简称“Hulala科技公司”）提供的成本分析数据，对于1.5MW发电机组，高空风电投资成本约为常规风电的1/3～1/2，有效发电小时5数为3倍，度电成本约为1/3。广东高空风能技术公司（以下简称“广东高空风能公司”）提出高空风电的单位千瓦造价约为8000元。（3）高空风力发电对风筝和绳索的材料要求轻，几千米以上的高空风力较大，风筝放飞时，对牵引线的强度等各方面的要求会大幅度提高，牵引绳在大幅度加长后，其空气阻力、风筝升力、牵引绳的重力与牵引绳的强度关系不易处理，同时牵引绳耐受低温的程度较大。（4）风筝飞行控制技术是高空风力发电的关键环节，不稳定的高空风资源环境可能造成风筝和设备的损害，也可能造成牵引线缠绕，风筝坠落会影响地面安全，其设备运行可靠性有待时间检验。（5）高空风筝发电面临航空管制问题，《通用航空飞行管理条例》规定，系留气球升放的高度不得高于地面150米，但是低于距其水平距离50米范围内建筑物顶部的除外，该规定还未对高空风筝做出详细的规定。根据资料，目前风筝发电放飞高度没有超过1000m的记录，但根据目前航空管制现状，风筝飞行范围内的高空必须禁飞。三、结论与建议（1）高空风能资源上，我国高空风能储量丰富，高度6达到3000m时，超过200W/m2区域已覆盖国内全部地区，特别是江浙鲁地区，高空风功率密度可以高出地面几十倍甚至百倍。（2）政策上，在国家层面，目前还未出台有关高空风能利用的相关政策和措施。从航空管制现状来看，高空风筝发电过程中，风筝飞行范围内的空域必须禁飞。（3）技术性上，高空风力发电涉及空气动力学、机械、电气、控制等多个学科，具有高空涡轮机、风筝带动地面发电机、旋转木马等多种设计结构形式，容量从千瓦级到兆瓦级甚至万千瓦级；高空风力发电具有对风筝绳索等材料要求高、雷击、高空飞行、牵引线缠绕及风筝损坏带来的危害和安全等问题，空中风筝的稳定性控制技术具有较大的研发难度；风筝发电目前基本上都还处于试验运行阶段，放飞高度没有超过1000m的记录，还不能称为完全意义上的高空风力发电，其设备可靠性还有待时间验证。Hulala高空风筝发电系统采用多维度风筝飞行控制技术，具有飞行控制功能强，能够连续发电的特点，而多维度风筝飞行控制技术仍有待实践验证。（4）经济性上，根据Hulala科技公司提供的成本分析数据，对于1.5MW容量的机组，高空风电设备投入约占传7统风电1/2（广东高空风能公司提出的高空风电单位千瓦投资8000元，约为陆上风电的8/9），等效发电小时是传统风电的3倍左右，度电成本约为传统风电的1/3，具有较高的竞争力。（5）投产运行上，国内外均未对高空风筝发电进行规模化开发，商业化运作处于起步阶段。美国Skywindpower公司研制了15kW高空涡轮机，GoogleX兼并了致力于风筝发电的MakaniPower公司，计划研制发电容量为600kW的风筝发电系统，目前运行数据尚不全面。加拿大的飞艇风车开展了4kW发电系统的前期分析。意大利的旋转木马风筝发电处于研发阶段，未查到实际运行数据。荷兰的梯形电站进行了10kW的试验，大容量电站仍处于研发阶段。我国广东高空风能公司开展了高空发电试验，具有2.5MW机组开发安装的计划。Hulala科技公司多维度风筝风电还未见试验和运行的相关资料。总的来说，我国高空风能资源丰富，高空风力发电具有较好的开发前景，国内外基本还处于试验运行阶段，我国高空发电在多个环节上领先，但由于高空风筝发电设备运行时间不长，大多还处于研发设计阶段，其运行可靠性有待时间验证，同时高空风电面临航空管制等问题，国内外还均未8进行大规模商业化开发。建议对Hulala科技公司的高空风筝发电系统进行实地考察，了解其公司情况和设备技术性能，若具备良好的技术水平，可以先以科技项目的形式进行立项，公司提供场地进行单台机组的合作试验，前期投资各占50%，研发和维护由Hulala科技公司负责，公司派人进行跟踪管理，统计分析运行数据，做好技术储备，若设备运行稳定且具有较好的投资回报后进行论证购置。