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风筝发电有多完美？或将完爆可控核聚变，中国已启动

2023-08-22 09:21:59 来源：大巽科普

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<-----前言------>

利用风筝发电。你可能从未想到过，正经的风筝也可以转化风能为电能。地表附近的风能密度很普通，但实际上，人类利用的几乎所有风能都来自于这个高度。然而，如果我们向十千米高空看去，你会看到风能密度变得非常浓厚，我们对这个高空风能却知之甚少。据气候学家估计，高空中的风能远远超过地表，是人类能源总需求量的100多倍。这种清洁能源几乎触手可及，如果我们能够利用一种高空风筝，将风转化为电以供人类使用，岂不是比可控核聚变更为可贵？

实际上，这项研究已经开始了几十年。那么人类目前在利用高空风能方面走到了哪一步呢？今天，我们将尽量将学术知识转化为通俗易懂的话语，让更多人了解这个领域。首先，让我们介绍一下目前广泛应用的塔架式风力发电机。由于受材料限制，这种风力发电机的运转高度很难超过300米。

因此，我们将300米以上的风能称为高空风能。随着高度的增加，风受到的摩擦力减小，平均风速逐渐增大。这导致蕴含的风能以近三次方的速度激增。更重要的是，高处的风更加均衡、稳定，不像地面上的风力发电机那样忽起忽停。在平均情况下，地面上的风力发电机一年只能发电约三个月，而高空风能几乎可以实现全年不间断供电，简直完美无比。

在上个世纪的60年代，人们利用探空气球将一个小风机带上高空，验证了高空发电的可能性。这引发了大量的高空风机研发。与传统的塔架式风机不同，高空风机各式各样，有用气球作为载体的，也有用旋翼飞机作为载体的。它们都依靠高空中的风催动发电机的叶片旋转来发电，并通过电缆传回地面。然而，由于载重能力的限制，这类高空风机的发电量容量非常有限，成为发展的一大障碍。

为了克服这个限制，专家们提出了一个新的思路。他们想到了风筝运动中的有趣现象，即高空的风筝会给牵引线带来拉力。借鉴这一现象，他们提出使用风筝来进行高空风能发电。与传统风筝相比，用于发电的风筝需要飞行更高，提供更大的拉力，因此必须更大，并被形象地称为做功伞。如果一个做功伞的力量不够，多个做功伞可以像糖葫芦一样串联起来，形成伞梯，以提供更大的升力。此外，连接做功伞和发电机的缆绳也不能是普通的风筝线，而需要采用轻且结实的材料，例如高强度碳纤维绳索，以减少功率损失。

那么风筝的发电过程是如何进行的呢？以中国的一项专利技术为例，利用伞梯捕捉气流，使缆绳产生巨大的拉力，缠绕在卷扬机上的缆绳可以驱动发电机发电。当伞梯到达预定的最高点时，控制所有的做功伞收拢，减小气流阻力，并利用卷扬机反向转动收拢缆绳，将伞梯回收到最低点。然后再打开做功伞重复之前的发电过程，源源不断地产生电能。或者将两套伞梯接到同一台发电机上，一套伞梯回收时，另一套伞梯进行发电，交替工作。

如果同时并网的高空发电机足够多，甚至不需要这样的操作，各台发电机无规律地运转就能产生相对稳定的电能。尽管在技术层面上已经解决了许多问题，高空风能为什么还没有得到广泛发展呢？这里举个例子来解释。我们放风筝时最担心的是两个风筝缠绕在一起。将两个风筝隔远一点，会需要更大的空间，不便于管理；而将它们隔近一点，又没有确切的理论指导，不知道最合理的距离应该是多少。这是一个仍需解决的难题。

为解决以上问题，我国在2015年在芜湖建成了第一个高空风力发电示范电站。该电站采用了前文提及的伞梯技术，装机容量达到2.5兆瓦。然而，不幸的是，由于无法接入电网，无法检验其连续运行的发电情况。同时，项目规划中原本计划运行高度为500米到3500米，却面临一个军用机场的空域管制，使得运行高度几乎未超过500米，无法获得充分的实验数据。尽管面临诸多挑战。

但在2022年，我国的一个全新高空风能项目——安徽吉西高空风能电站正式动工，装机容量达到4.8兆瓦。这个项目将成为一个重要的示范项目，用于验证更多高空发电技术，为我国未来的高空风能系统开发做好准备。各个国家的高空发电技术都还处于起步阶段，因此，谁能在该领域抢占先机就能赢得市场。期待安徽吉西的高空发电项目能为我们带来更多宝贵的经验，推动高空风能的发展。

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