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空基风电与风筝
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据Nature climate change 9月9日刚发表的一项研究，风能完全可以满足人类持续发展的需要。另外一项研究估计全世界只需要大约4百万个风车，就能根本解决能源问题。人类再贪婪，也只需要大约18 特瓦（terawatts，万亿瓦）来满足包括照明，取暖，空调，开车等全部能源需要。作为参考，到2011年底世界风电装机总量只有0.24特瓦（中国占28%），并以每年以15%左右的速率增长。利用风能北欧做得最好,有的国家风能电量已经接近全国用电的30%. 从理论上讲,欧州风电发电达到50%的用电量就够了,另外50% 应该从南欧的太阳版获得,因为太阳能与风能有自然的互补,(风小阳光强,阴天风大). 中国的面积和纬度与欧洲差不多,几年来经历了风电发展的过热(所谓风电大跃进).但现在正在努力调整.
总而言之在大陆和近海100米左右的可开发低空风能已经能够提供超过人类需要的能量。
风能从地面到空基
我们知道，风速越高风电场就能收获越多的能量。风能与风速的三次方成正比，就是说风速加倍，风能大8倍。开地面之后，风速不断增加，在1万米左右的所谓大气层的“急流区”达到极限（图一）。因此，离开地面转入空中，就能更有效地收获风能。据估计，可利用的高空风能有1800特瓦之巨，能满足人类子孙万代持续发展的需要。
图一 美国航空管理局为飞机提供的高空风速参考图。
目前世界上还没有工业规模的空基风电站。所以发展空基风电技术应是大有可为的。空基发电技术可以分成有两大类，一种是把发电机带上天再把电能用电缆传回地面。另一种是发电机留在地面，只用缆绳把机械能从空中传下来。前者需要把笨重的发电机带到空中，需要的技术较高，比如气球或直升机等技术较高，较为昂贵的技术。另外目前把电能从万米高空传到地面在技术上还比较昂贵。而后者则技术简单，相对廉价。本文将只介绍后者，利用中低空 (300-6000米)风能，用地面发电机发电的技术。
发电风筝
图二一种风筝电场示意图。
色彩斑斓的大风筝，放到几千米的空中，牵动地面的发电机发电，不但很浪漫，而且很有科学道理。图二所示是一种风筝发电设想，把计算机控制的风筝放到约5000米高空，风能发电机扑获的风能与其风能截获面积成正比。为了增加截获面积，地面风机的叶片不断增加，目前直径已近百米，超过世界最大商用飞机A-380 的翼展（图三）。
图三 西门子公司2012 年8月推出的长叶地面风机。
但是长叶片风机需要建筑高塔，大量使用钢材和混凝土结构并因此大大增加价格。同时运输大尺寸风叶也比较困难。与此相比，风筝风机不必用高塔也能够廉价地获得巨大的扑获截面（图四），因此其性能价格比可以轻易超过传统的地面风机。据目前数据的估计为每度电2 美分左右。
图四 风筝风机（左），地面风机与艾菲尔铁塔，纽约帝国大厦（右）的尺寸比较。
下面讲一个风筝风车的实例。挪威公司Kitegen的Stem风机（图五）。第一台实用型于2012年二月建成目前正在试运行，每台装机容量达3千千瓦。
图五 Kitegen公司Stem系统试验机。
Stem系统运行时先用吹风机把风筝吹起来，然后把风筝放到约3千米的发电高度，这时风筝离系留站约六千米远。风筝到达发电高度时靠风筝上升并远去拉动缆绳驱动发电机。这时风筝每秒上升几米，远去的速度达每秒几十米。这样达到缆绳的尽头再后放松一边缆绳，使风筝侧滑，失去拉力。这样就可以收回缆绳并拉回风筝。缆绳收回后再拉紧两边，使风筝重新鼓满风力拉动发电机发电。如此往复。在北半球上空的风带内，有4-5千公里宽,可发电高度为800到1万米. 在此风带内每平方米截面平均可以产生约2千瓦的功率. Kitegen公司估计一个风电场如有20个自动控制的风筝就可产生1吉瓦(1000兆瓦)的功率, 相当于一个中等规模核电站。而其制造运行价格只有核能的十分之一.
用风筝发电的主要担心是风筝飞行占用空间很大,会干扰占用飞机的航线等. 但实际计算认为约一立方公里空间中的的风能就能产生1000兆瓦, 如此说在每个核电站上的禁飞区中飞风筝就可以发出与核电站同等功率的电.
放过风筝的人都知道，放风筝是个技术活。技术好的飞得高，技术差的离不了地。风筝发电机是个漂浮的庞然大物，每个轮回中从鼓风重飞，侧滑回收和发电时的最佳迎风角都要仔细控制，另外风太大了要避险，风太小了要安全着陆。遇到乱流要控制。这就要求很多智能控制技术。一涉及湍流，动态稳定，就是最牛的飞机专家也没招。因为流体力学在理论上还有很多瓶颈呢。科学没招就需要艺术。设计聪明的风筝控制中学生就能参与。可以在计算机上画好设计然后在计算机上的虚拟风洞里试验。山区孩子呢，可以用纸糊，在天上试飞。
特别要指出的是风筝风机也可以做小，很适合在边远或山区等不易运输材料，不能建造传统风机的地方。 低空的小型风筝式风机可以灵活地用于多种用途，比如小村庄用电，旅游区季节性用电或灾害救援中心的紧急发电站。
风筝与滑翔机结合
这是用一组滑翔机飞上天空，再象风筝那样结成组，以得到巨大的扑获截面（图六）。当风力合适时滑翔机调整翼面，这样每架飞机就变成一片风叶。当风小不能发电时滑翔机可以自动调整翼面，保持留空。在风太大需要避险时滑翔机可以脱离编组自动降落。
图六 上：滑翔机编组和系留塔。下：起飞前的单机，有两个小电动螺旋桨供独立起降时用 。
这项技术的关键是多架单机自动地彼此互相照应，并根据风向风力调整角度，共同向系留塔提供最大的动力。聪明编组是个高技术，人工智能的一个分支。为此发展这个技术的小公司得到美国能源部两百万美元的先进能源种子基金，谷歌随后跟进了两千万投资。
聪明编组有很多应用，比如公路上汽车彼此自动照应，避免堵车并以最高效率通过十字路口。这么高级的聪明技术肯定在军事上也有应用。比如用数百万鸽子大小的无人机自动编组飞行千里，达到目标时分散，对航空母舰这样的巨母霸实行360度球面饱和攻击，几分钟内使其丧失战斗力。与任何一种先进技术一样，可以用来造福人类，也可以用来引起战争，使生灵涂炭。
有一种说法认为人类现今的技术已经可以使所有的人过上幸福美满的日子。比如今天的风电技术已经可以使人类放弃争夺石油这个污染环境和近代战争的根源。可是，人类作为一个整体，好像并不愿意人人幸福美满。总有些人想利用技术来毁坏环境或制造一些痛苦灾难，另一些人再用技术来解救（2012年 9月16 日 秋高气爽）
后记 谢科学网对此文置顶.有点论文上Science,Nature 的感觉(the readership is equivalent to an impact factor). 各位的评论也有reviewer 的味道.在此对编辑,读者一并谢了.我写科普文章正在逐渐离开本行,尝试从一个爱好科学的大众的角度写,而从非专家的角度. 局限于时间,一般在一个周末匆匆写完,并上传.但是我一般会不断回访修改.尽量减少错误.这样在发文的时候只是阐明一个point. 以后才能逐渐完善成名副其实的精品.
本回书着落时,弹剑作歌一曲:
北欧吹来风能的风,
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