將發(fā)電裝置用類似放風箏的方式飄到空中，利用高空充裕的風能進行發(fā)電，看似天方夜譚，但經(jīng)過科學界的不斷研發(fā)，理想之光正在照進現(xiàn)實。

根據(jù)海外的最新一項調(diào)研，未來可能改變世界的十大發(fā)明中，高空風電赫然居首?？茖W界的評價是，其可能深刻改變?nèi)蛭磥淼哪茉唇Y構和現(xiàn)狀。

近兩年來，一場關于高空風電技術的賽跑已然開始。經(jīng)粗略統(tǒng)計，高空風能發(fā)電公司全球已經(jīng)超過50家。隨著實驗樣機的成功，2015年全球將正式開啟高空風能的商用化市場。

根據(jù)全球風能協(xié)會GWEC（Global Wind Energy Council）對2012年-2016年全球風電累計裝機量預測，以高空風能發(fā)電產(chǎn)業(yè)化初期在風電行業(yè)市場占有率為20%計算，高空風電行業(yè)市場需求量超過1000億美元。蕪湖天風新能源科技有限公司總經(jīng)理鄒南之在接受中國證券報采訪時表示，我國發(fā)展高空風電有著獨特的資源稟賦。在國內(nèi)外市場需求的推動下，高空風電設備、高空風電站建設的市場規(guī)模難以估量。但也有分析人士稱，受制于空域管制和“棄風”的情況，高空風電的發(fā)展仍有諸多掣肘，其產(chǎn)業(yè)化前景光明但道路依舊漫長。

風電新的解決方案

從定義看，高空風電是利用距地面約1600至40000英尺高空的風力來發(fā)電。早在20世紀70年代爆發(fā)能源危機時，各類高空風電的設計就不斷涌現(xiàn)。發(fā)達國家對高空風電的研究從未停止。美國、荷蘭、意大利等國都多次進行過高空風能發(fā)電試驗。目前主要有兩種高空風電的構架方式。第一種是在空中建造發(fā)電站，然后通過電纜輸送到地面;第二種類似“放風箏”，即通過拉伸產(chǎn)生機械能，再由發(fā)電機轉換為電能。

從技術層面看，高空“風箏型”發(fā)電有兩大關鍵環(huán)節(jié)，首先是高空風能收集環(huán)節(jié)，其次是高空風能轉化環(huán)節(jié)。其中，在高空風能收集環(huán)節(jié)，為了把“風箏”憑借風力送上天，至少需要100噸拉力。如果用鋼鐵做繩子，如此遠距離，鋼繩連自身重力都無法承受，因此采用的材料必須比重極輕，并具備高強度、耐腐蝕的特點。

高空風能轉化環(huán)節(jié)，則需要有效解決空中系統(tǒng)的穩(wěn)定性，高空風能發(fā)電的持續(xù)性和穩(wěn)定性難以得到有效保障。“風箏型”高空風力發(fā)電系統(tǒng)中，由于“風箏”既擔負平衡作用，又擔負做功的主體，平衡運動與做功運動互相耦合，所以不能分別控制，對平衡的控制必然影響到做功運動。而做功運動也必然會影響到系統(tǒng)的平衡。在整個運行做功的過程中，系統(tǒng)的平衡穩(wěn)定很容易被破壞，而尋找平衡與做功的最佳控制模式復雜而又困難。

站在能源格局的角度，利用好風能十分必要。風能是太陽能的轉化形式，是一種不產(chǎn)生污染物排放的可再生自然資源。受破解化石能源日趨枯竭、保障能源供應安全和保護環(huán)境等訴求驅動，20世紀70年代中期以來，世界主要發(fā)達國家和一些發(fā)展中國家均十分重視風能的開發(fā)利用。特別是自20世紀90年代初以來，現(xiàn)代風能的最主要利用形式——風力發(fā)電發(fā)展十分迅速，全球風電機裝機年均增長率超過30%，從1990年的216萬千瓦升至2003年的4020萬千瓦。

同時，風電商業(yè)性開發(fā)的可行性已得到了驗證，限制風能大規(guī)模商業(yè)開發(fā)利用的主要因素——風力發(fā)電成本過去20年中有了大幅下降。隨風力資源不同、風電場規(guī)模不同和采用技術不同，風力發(fā)電的成本也相應有所不同。目前低風力發(fā)電成本已降至每千瓦時3至5美分，高風力發(fā)電成本也降至每千瓦時10至12美分。到2010年，其更將降至每千瓦時2至4美分和每千瓦時6至9美分，達到與化石能源展開競爭的水平。

隨著風能這一態(tài)勢的發(fā)展，全球風力發(fā)電裝機到2020年預計達12.45億千瓦，發(fā)電量占全球電力消費量的12%。業(yè)內(nèi)普遍認為，風能將是21世紀最有發(fā)展前途的綠色能源，是當前人類社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的最主要的新動力源之一。
 

我國具有產(chǎn)業(yè)先天優(yōu)勢

高空風電之所以被業(yè)內(nèi)給予很高期望，在于目前的風能利用僅限于幾十米至百米的低空，其一大缺點就是不穩(wěn)定可靠。而在幾千米至1萬米的高空，不僅風速更大且風力穩(wěn)定，一年中不刮風的時間不足5%，因此高空風能發(fā)電具有發(fā)電時間長與輸出穩(wěn)定的優(yōu)勢。同傳統(tǒng)風電相比，高空風電投資成本約為常規(guī)風電的1/3到1/2，而占地面積僅為1/30且無噪音，對環(huán)境影響較小。

業(yè)內(nèi)人士強調(diào)指出，高空風電客觀上克服了傳統(tǒng)風電因風量隨意性、波動性以及所處地理位置偏僻所伴生的電網(wǎng)建設欠缺等“缺陷”，可以一定程度上降低棄風問題的嚴重程度。

正因為如此，盡管業(yè)內(nèi)對于高空風電的技術可行性存有較大的疑問，但是高空風電客觀的存在并有巨大的利用價值卻是不爭的事實。

美國環(huán)境和氣候科學家克里斯蒂安·阿切爾和肯·考德伊拉在研究報告指出：高空中蘊藏的風能超過人類社會能源總需求的100多倍。美國國家環(huán)境預報中心（NCEP）1979年至2006年的數(shù)據(jù)資料表明：在500米至15000米的高度范圍，風的流向穩(wěn)定，且高度越高、風的強度越大，穩(wěn)定性就會越好;當靠近地面時，受地形等影響，風具有很強的隨機性，強度也顯著下降。

而美國國家環(huán)保中心和美國能源局的氣候數(shù)據(jù)則顯示，高空風能最好的地點是美國東海岸和亞洲東海岸。這其中，就包括中國。

相關資料顯示，中國絕大部分地區(qū)5000米以上高空中的有效風能密度在每平方米1000瓦以上。由于高空風的穩(wěn)定性，高空風能發(fā)電技術的另一大優(yōu)勢就是電場可以建在主干電網(wǎng)附近或大城市周邊，而不像傳統(tǒng)太陽能發(fā)電場、傳統(tǒng)風電場多位于遠離發(fā)達城市和主干電網(wǎng)的偏遠地區(qū)或海邊。

2009年，北京市上空百米高度的平均風速是每秒4.1米，能量密度是每平方米78瓦;700米高度的風速是每秒7.3米，能量密度每平方米430瓦;而在萬米高度，風速達到每秒34.5米，能量密度則上升到每平方米16275瓦。青島市條件更好：100米高度風速每秒5.5米，能量密度每平方米194瓦;700米高度風速每秒7.5米，能量密度每平方米470瓦;萬米風速每秒40.8米，能量密度高達每平方米22584瓦。

據(jù)國網(wǎng)能源研究院副總經(jīng)濟師白建華介紹，眼下正致力于高空風能發(fā)電的歐美知名公司主要有WindLift、Altaeros energies、Makani Power等，幾家公司分別發(fā)展自身的高空發(fā)電系統(tǒng)，目前研制出商用樣機，最早于今年內(nèi)能夠商用化。

此外，中國廣東高空風能技術有限公司創(chuàng)造性地發(fā)明了天風技術方案，采用傘梯組合型高空風電機組解決了高空風能采集穩(wěn)定性的問題，成為商業(yè)化的優(yōu)勢方案，世界上首臺實用性大功率高空風能發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)落戶安徽蕪湖。
 

兩大頑疾仍待解

白建華指出，風電在技術層面上有諸多解決方案，一是在“風箏”機翼上安裝類似螺旋槳的渦輪機葉片，空氣帶動葉片旋轉產(chǎn)生電能，然后通過導電繩索將電能傳送到地面，這種技術如今被昵稱作“飛翔的發(fā)電機”;另一種方案是，通過空中的風箏施加給控制繩索的力，帶動地面設備發(fā)電。目前的主流高空風能發(fā)電模式是高空風箏型發(fā)電。不過無論是哪種解決方式，都是一種傘梯的組合形式。

傘梯組合高空風能發(fā)電的空中系統(tǒng)運行高度是300至10000米，與目前風力發(fā)電相比具有諸多優(yōu)勢。傘梯組合高空風能發(fā)電無噪音，無廢氣污染，不受地理位置的限制，是環(huán)境友好型的產(chǎn)品技術。高空風及高空風能相較于低空風和低空風能的優(yōu)勢是：風速大、平均能量密度高、地域分布廣、穩(wěn)定性高、常年不斷。

但白建華認為，哪怕克服了技術路徑和商業(yè)應用難題，高空發(fā)電仍有諸多難題待解，其中核心在于兩個方面。首先，其運行范圍內(nèi)需要禁飛，而我國高空風能豐富地區(qū)為經(jīng)濟發(fā)達的東部地區(qū)航線密集，而該區(qū)域卻是高空風能的優(yōu)勢區(qū)域，高空風能發(fā)電需要得到軍方的批準。目前我國空域緊張，高空風能發(fā)電能否大規(guī)模應用，需要等待空域改革的進一步進行，放開空域用于民用。

其次，就是風電上網(wǎng)問題，即使在技術和商業(yè)上均已實現(xiàn)突破的情況下，風電上網(wǎng)仍然困難重重。白建華強調(diào)，在近年快速發(fā)展之下，我國風電裝機規(guī)模在2012年底超過美國成為世界第一。但風電發(fā)展過程中，因電網(wǎng)建設工期不匹配而導致的棄風消納問題也逐步凸顯，并同樣可能成為高空風電的掣肘。數(shù)據(jù)顯示，今年上半年棄風限電主要集中在蒙西（33億千瓦時、棄風率20%）、甘肅（31億千瓦時、棄風率31%）、新疆（29.7億千瓦時、棄風率28.82%）。

未來國家節(jié)能減排的方向或會是高空風電領域最大的利好。長江證券研究報告認為，高空風能發(fā)電對節(jié)能減排作用顯著。根據(jù)專家統(tǒng)計估算，每輸出1度風電，可以節(jié)約0.4千克標準煤。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，并以中路股份參股的天風技術建設的100兆瓦高空風力發(fā)電場項目（年發(fā)電量約5.6億千瓦時）為例，可估算出僅此項目，正常投產(chǎn)后每年可為社會節(jié)約原煤逾30萬噸，減少污染物排放逾70萬噸。

白建華表示，可以預見風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)化道路仍然崎嶇，但是技術的實現(xiàn)并非遙不可及。更重要的是其商業(yè)模式存在一定吸引力。他預計，如果政策環(huán)境到位，技術層面完全能達到商業(yè)化“甜蜜點”，只要產(chǎn)業(yè)配套成熟，未來發(fā)展仍值得期待。

高空風電發(fā)展需“天時、地利、人和”

“高空風電”其實并不像其字面意思那樣觸不可及甚至虛無縹緲。現(xiàn)代科技發(fā)展已無數(shù)次證明，新技術從概念推進到實體產(chǎn)品所需要的時間越來越短。對于能源消費大國之一的中國，高空風電的落地正在加速推進中。當然，這需要同時具備“天時、地利、人和”。

在這其中，最不費力的也許就是“地利”。據(jù)美國權威氣候監(jiān)測數(shù)據(jù)，高空風能最佳地點就包括中國所在的亞洲東海岸。數(shù)據(jù)顯示，最先進的地面風力發(fā)電站的風力密度低于每平方米1千瓦。中國陸地上空萬米高空處大部分地區(qū)的風力密度均值逾每平方米5千瓦;其中，江浙魯?shù)貐^(qū)上空的高空急流附近的風力密度甚至達到每平方米30千瓦，為世界之最。中國的高空風能條件尤其好，風力強且分布廣，大部分地區(qū)都具有發(fā)展高空風電、特別是“風箏型”發(fā)電的氣候條件。

在此背景下，中國的廣東高空風能技術有限公司躋身全球高空風電主要“玩家”行列絲毫不令人意外。

不過，當前開展研發(fā)工作的“天時”似乎并不有利。國際油價在過去一年里呈現(xiàn)出“斷崖式”下跌走勢并持續(xù)低位徘徊;更重要的是，這種趨勢可能長期存在。業(yè)界普遍認定低油價現(xiàn)狀短期內(nèi)將難有改觀。

傳統(tǒng)能源價格重挫，對于新能源形式的研發(fā)，從來都不是好消息。對于中國來說，一方面，國內(nèi)能源資源仍以煤炭為主，石油對外依存度持續(xù)上升，讓國內(nèi)高空風電研發(fā)成本壓力高企、意愿逐漸淡漠;另一方面，此前中國企業(yè)與全球同行業(yè)競爭對手“你追我趕”的競爭態(tài)勢也可能松動。

盡管如此，建設“美麗中國”的趨勢，也在為高空發(fā)電可能的落地做“人和”上的準備。同時，中國在高空發(fā)電研發(fā)技術起點和人才儲備方面，并不遜于任何歐美國家。

目前，除去需要謹慎決策的空域改革之外，顯著存在的棄風問題，就是高空發(fā)電落地中國最主要的負面因素之一。棄風，最直接的原因就是消納并網(wǎng)未獲有效解決;好消息則是，分布式光伏發(fā)電領域已為新能源發(fā)電并網(wǎng)做出了有益的嘗試。而即將到來的“十三五”周期，則是高空發(fā)電在中國發(fā)展不可錯過的機遇期。

雖說是“謀事在人，成事在天”。但只有“謀事”在先，“成事”才有基礎和可能性。這個道理，同樣適用于期待高空發(fā)電落地的中國。

各路資本紛紛進軍高空風電領域

在產(chǎn)業(yè)領域，高空風電仍然是嗷嗷待哺的嬰兒。在資本領域，國內(nèi)外各路資本早就對高空風電項目虎視眈眈，這也從很大的程度上促進了高空風電發(fā)電行業(yè)發(fā)展。從這些企業(yè)的技術軌跡上也可以一窺高空風電產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展方向。目前致力于高空風能發(fā)電的歐美知名公司主要有WindLift、Makani Power、Altaeros energies等幾家，各家的方案也不盡相同。

谷歌入股Makani Power

2006年Makani Power獲得了谷歌1500萬美元的種子資金、美國高級研究計劃局300萬美元的撥款以及其他私人投資，2008年谷歌公司投資又增加到2000萬美元。2013年5月，Makani Power被谷歌公司收購，并入Google X部門。

Makani Power已制造出大型碳復合材料“風箏”，每個“風箏”配備4臺帶螺旋槳發(fā)電機。在起飛前，這些發(fā)電機作為電動機帶動螺旋槳轉動，作為風箏上天的動力。風箏起飛后就能在風中飛行，飛行所產(chǎn)生提升力很快就能使風箏在不需要其他助力下前行。一旦靠風帶來的推力能和螺旋槳產(chǎn)生拉力平衡，此時，發(fā)電機將開始產(chǎn)生電力。風箏的飛行電腦將引導風箏被繩索牽引沿著弧線飛行，不斷圍繞地面基站轉圈。

不過，上述產(chǎn)品的成本顯然還有進一步壓縮空間。根據(jù)Makani Power自身針對特大功率風箏渦輪發(fā)電機的研發(fā)，其利用翼狀“風箏”收集高海拔風能的試驗，已實現(xiàn)的發(fā)電成本是使用風力渦輪發(fā)電的50%。

KiteGen高空風箏發(fā)電MARS系統(tǒng)

為克服傳統(tǒng)風力發(fā)電受場地和風向風速因素影響較大等諸多缺點，意大利KiteGen科技公司將目光投向高空風能，并開發(fā)出全新的MARS（Magenn AirRotor System）系統(tǒng)。

MARS系統(tǒng)主要由高空的拖曳風箏和地面的發(fā)電設備兩部分組成。拖曳風箏和地面的風力渦輪機相連，并通過安裝在發(fā)電設備上的航空感應器來控制風箏旋轉的方向和路徑，以最大限度帶動風力渦輪機旋轉并發(fā)電。

與傳統(tǒng)風力發(fā)電相比，MARS系統(tǒng)擁有無可比擬的優(yōu)勢：能從高空獲得穩(wěn)定風能。“風箏”飛行高度越高，所獲平均風速就越大，發(fā)電效率也就越高，而傳統(tǒng)風力渦輪機最高平均高度只有100米左右。

MARS系統(tǒng)不僅發(fā)電效率高，占用的空間和面積也非常小。一般來講，一個發(fā)電能力為1000兆瓦的傳統(tǒng)風力發(fā)電廠所用面積約在250到300平方公里之間，而使用MARS系統(tǒng)的發(fā)電廠只需5到6平方公里就可達到同等發(fā)電能力。此外，MARS系統(tǒng)每千瓦小時的發(fā)電成本約為0.02美元到0.05美元，而石化能源每千瓦小時發(fā)電成本在0.05美元到0.09美元，傳統(tǒng)風力發(fā)電廠成本則為0.15美元。

對于還處于測試階段的MARS系統(tǒng)，上述優(yōu)勢也許預示著廣闊的前景。

Windlift仍需研發(fā)全自動運行系統(tǒng)

Windlift由Robert Creighton于2006年在美國威斯康辛州建立。美國國防部在2009年9月授予Windlift開發(fā)產(chǎn)品的合同。該產(chǎn)品是一個具有12Kw功率的移動可再生能源系統(tǒng)。

Windlift目前的系統(tǒng)使用了一個90厘米直徑的滾筒和一個60千瓦發(fā)電機連接，這個發(fā)電機最初用于混合動力汽車。風箏通過拉動繩索轉動滾筒帶動發(fā)電機發(fā)電，電能存儲到鉛酸電池，然后通過控制線使風箏釋放拉力。這個過程還會反過來通過電力帶動電機，反轉滾筒并再次拉緊風箏。

但需要指出的是，Windlift的上述成果仍為半自動運行系統(tǒng)，需要一位操作員手動操作控制桿來飛行機翼。該公司目前正在研發(fā)全自動運行系統(tǒng)。

軟銀入股Altaeros Energies

Altaeros Energies公司的高空風能發(fā)電系統(tǒng)被稱為“結合了飛艇與風電渦輪機”（BAT）。該系統(tǒng)由四個部分組成：第一部分為殼，殼由工業(yè)紡織物構成，里面充滿惰性氣體氦氣。殼的作用是用來帶渦輪機飛上天并讓渦輪機在高空保持穩(wěn)定;第二部分為渦輪機，渦輪機為傳統(tǒng)的輕量型的三葉風能渦輪機，渦輪機被垂直固定在殼內(nèi);第三部分為纜繩，纜繩本身具有高強度、比重極輕的特性，纜繩與地面工作站相連，用來固定住渦輪，同時纜繩也被用于把電力傳送到地面工作站;第四部分為地面工作站，它是移動的，包含自動控制系統(tǒng)和電源調(diào)節(jié)設備。

BAT工作過程為，充滿氦氣的殼帶著渦輪機飛上天，到風能能量密度足夠的高空后固定住，渦輪機開始利用風能發(fā)電，通過纜繩把電力傳回地面工作站。

2014年12月4日，軟銀宣布將投資700萬美元，支持Altaeros Energies發(fā)展高空風力發(fā)電。
 

中路股份入股廣東高空風能

繼以3000萬元增資入股廣東高空風能技術有限公司后，中路股份去年12月發(fā)布公告稱，擬以人民幣4049.15萬元受讓公司實際控制人陳榮持有的廣東高空風能50.005%股權。同時，擬對高空風能增資人民幣3000萬元，本次交易完成后，公司將持有高空風能58.041%的股權。通過這兩次資本運作，中路股份也成為A股市場高空風電的唯一標的。

廣東高空風能技術有限公司由留美博士張建軍于2009年回國在廣州建立，是目前國內(nèi)唯一從事300米-10000米高空風能發(fā)電技術研發(fā)、發(fā)電系統(tǒng)設計和高空風能發(fā)電站建造等業(yè)務的企業(yè)。以張建軍為首的高空風能技術團隊成員，專業(yè)技術涵蓋了流體物理、精密機械制造、機電控制、無線電通信、智能傳感、聯(lián)網(wǎng)技術、軟件工程及自動控制等。

高空風能公司采取天風技術方案，由空中系統(tǒng)和地面系統(tǒng)組成?？罩邢到y(tǒng)由一個或數(shù)個做功傘、若干平衡傘組成;地面系統(tǒng)主要由發(fā)電機、卷揚機（滾筒和反向轉動電機）和萬向滑輪組成;傘之間、做功傘與卷揚機之間是通過輕質高強度纜繩連接。

天風技術傘梯組合型高空風電機組解決了高空風能發(fā)電系統(tǒng)不穩(wěn)定的問題。這也是國外Makani公司與Windlift公司產(chǎn)品尚未完全解決的問題。

天風技術中，升力平衡系統(tǒng)與做功系統(tǒng)是分別控制的。平衡系統(tǒng)在風的作用下產(chǎn)生升力，維持整個系統(tǒng)在空中的平衡，本身不參與做功，這種平衡系統(tǒng)是一種穩(wěn)定系統(tǒng)。做功系統(tǒng)在風的作用下運動，將風能轉換為機械能，拉動地面的發(fā)電機轉動發(fā)電。

由于做功系統(tǒng)和平衡系統(tǒng)相對獨立，在風的隨機擾動下，平衡系統(tǒng)可以自我調(diào)節(jié)而不影響做功。做功過程中對系統(tǒng)的擾動也不會直接傳遞到平衡系統(tǒng)，平衡系統(tǒng)在整個運行過程中都處于穩(wěn)定狀態(tài)，從而保證了做功的穩(wěn)定進行。

長江證券研究報告指出，用天風技術建設的高空風電場項目，可以獲得穩(wěn)定性高的風電輸出，一改目前常規(guī)風電穩(wěn)定性低的“垃圾電”現(xiàn)象。采用天風技術建設的高空風電場，無需建造塔筒及葉片，由于風電系統(tǒng)采用模塊組合結構而容易實現(xiàn)規(guī)模效應，項目建設造價可低于常規(guī)風電場。采用模塊組合結構，高空風電場的發(fā)電功率可達1000兆瓦，實現(xiàn)的發(fā)電成本低于每千瓦時0.30元。