空中风力发电之旅

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"我想当今处于领先地位的竞争者应该能通过仔细设计将空气动力效率最大化,提供包含板载飞行控制系统的可以工作在边缘层的系统"

- Brian MacCleery, National Instruments

The Challenge:
在北半球的大部分地区距离地面几千英尺的地方,有着能够与世界上最好的地面风力电站媲美的风力资源尚未得到开发。再往上10倍高的对流层则有着世界上能量密度最高的可再生能源。

The Solution:
Makani Power是空中风力发电领域中资金雄厚的领导者,它相信空中风力涡轮(AWT)技术能够将可开发的地面风力资源扩大五倍,覆盖美国大陆表面的80%。空中风力涡轮与基于地面的涡轮一起将通过减小发电波动,并纵向拓展能源采集的区域,帮助缓解能源问题。

Author(s):
Brian MacCleery - National Instruments

您可能是传统水平与垂直风力涡轮的专家,但是您是否听说过空中风力发电?按照目前新生的空中风力发电领域的创新速度,十年之后“空中风力发电涡轮”将会成为家喻户晓的词汇。在北半球的大部分地区距离地面几千英尺的地方,有着能够与世界上最好的地面风力电站媲美的风力资源尚未得到开发。再往上10倍高的对流层则有着世界上能量密度最高的可再生能源。

利用高海拔风力资源可能还需要一些重要的技术突破,但是靠近地球的空中风力发电将在十年内成为成本低、实用并且可以用于大型公用规模的发电方式。大多数空中风力发电公司都将其重点放在位于距离地面数千英尺的“边缘层”。将在这个海拔下可以用于大型公用规模的空中风力发电带入市场并不需要重大突破,仅需要扎实的工程工作、研发投资以及富有经验的地面风力发电团体的支持和指导。

世界上至少有30个新兴企业和研究小组都在努力让空中风力发电成为现实。丰富的商用(COTS)技术和工具让他们能够达到可观的创新速度。在过去的几年中,他们的原型系统已经证实了空中风力发电的基本原则,并且将规模提高到数十千瓦级。行业领导者的下一步是证实系统能够在现场长期连续可靠地运行。

空中风力发电还处于初始阶段,因为现在的地面涡轮并不具备很高的性价比,如果能够离开地面,就可以让空中风力发电领域延伸到新的地方。Makani Power是空中风力发电领域中资金雄厚的领导者,它相信空中风力涡轮(AWT)技术能够将可开发的地面风力资源扩大五倍,覆盖美国大陆表面的80%。空中风力涡轮与基于地面的涡轮一起将通过减小发电波动,并纵向拓展能源采集的区域,帮助缓解能源问题。

通过同化进行创新

空中风力发电从传统的风力发电领域中沿用了许多成熟技术,有时甚至使用相同类型的发电机、齿轮箱和并网型逆变器。表1比较了地面涡轮和空中风力涡轮之间的相同点和不同点。空中风力涡轮的主要不同点是从风中提取能量的方式。并非使用大型钢塔结构,而是使用绳索电缆将系统固定在地面上。不使用旋转叶片,而是使用专门设计的机翼扫过空中的一条路径提取能量。扫过空中更大截面的能力是空中风力发电吸引人的主要原因之一,从而能够使用中等大小的机翼从高空中更强更持续的风中提取大量能量。与传统涡轮叶片尖端相似,机翼以风速的数倍在空中侧风画圈或是画八字形,如图1所示。空中风力涡轮和地面涡轮都根据相同的空气动力学法则工作。正如传统的风能一样,发电量与空气密度的一半乘以风速的立方成正比(方程1)。

表1. 空中风力涡轮借用了基于地面的风力涡轮的许多成熟技术。

图1. 地面涡轮(左图)与空中风力涡轮(右图)比较(图片来源:KIT Energy)

 

方程1. 和传统涡轮相似,空中风力涡轮的能量输出与风速的立方成正比

因此,风速的较小变化将导致能量的较大变化,风速翻倍则得到八倍能量。和传统涡轮叶片尖端相似,机翼以高速通过空气,使用空气动力提升有效获取能量。翼展与风力涡轮叶片长度可比,让空中风力涡轮可以扫过更大的空中区域,从而获得将近10倍的能量。空中风力涡轮可以在不同海拔高度上下移动,调节飞行路径从而调节风力状况。在机械结构上,由于空中风力涡轮并非固定在地面上,可以在飞行中受到空气枕缓冲。但是快速移动产生的g力负荷将会对机翼和绳索电缆施加很大的张力。

高海拔下工作

通过超出地面涡轮的范围,空中风力机器在高海拔下采集持续强劲的风力资源。在2000英尺高度下,北半球大部分地区超过40%的时间风速超过8米/秒。其能量密度(kW/m2)与世界上最好的地面风力区域相媲美,如图2所示。因此,空中风力涡轮能够让风力领域延伸到全新区域,并且可以更加靠近人口密集中心。

尽管边缘层的风比较容易被现在的企业加以利用,最为可观的是位于对流层的喷气流风。在35000英尺高度,平均能量密度超过20 kW/m2,可用总资源用数千兆兆瓦(TW)计算,比世界能源需求高几百倍。“从环境角度而言,制造巨大的兆兆瓦级别的可再生能源系统是十分重要的。”Carnegie Institution of Washington大学的Ken Caldeira在2010年风力能源大会上说道。“风力能源能够达到满足民用需求的规模这一观点是言之有理的。风力能源是为数不多的民用规模发电技术之一。”
Caldeira是世界著名的气候科学家,他研究了从高海拔提取民用规模能量对环境造成的潜在影响。他的模型表明:提取能够满足世界能量需求的18TW并不会对气候产生巨大影响,只会造成几乎可以忽略的0.04 oC降温效果。当然,让世界切换到使用便宜、清洁、无碳能源将必然为环境带来正面影响。利用高海拔风力资源是一个大胆的设想,也同时带来了许多技术挑战和后勤挑战,例如寻找足够坚韧轻质的绳索电缆,以获得美国联邦飞行管理(FAA)许可和进行空间清理。即便在边缘层海拔仍然需要解决FAA许可问题。至少对于现在而言,将对流层的风力资源投入商业应用是不太可能的。即便将目标定在对流层的公司也计划从更加适中的高度开始。“在1000英尺高度,世界上70%的地区可以通过风力资源获利。”MAGENN Power公司CEO,Pierre Rivard说道。MAGENN Power是一家开发比空气轻的类似飞艇和漂浮手机基站的发电机公司。

图2. 与400英尺(左图)比较,在2000英尺(右图)海拔,北半球的大部分地区都适合风力发电(图片来源:Joby Energy)

 

探索设计空间


从整体上看共有三种对空中风力发电系统进行分类的基本方法:1)海拔:低海拔、边缘层或对流层;2)机翼类型:比空气轻或重、固定或活动、拖动、提升或基于旋翼机;3)发电机位置和类型:地面或空中、齿轮箱或直接驱动。

和地面风力发电领域的早期相似,空中风力发电的研究员正在测试所有可能的设计选择,找出最佳方案。即便使用计算机模型,目前仍然没有物理原型的替代物。可以工作的原型系统也在努力说服持有怀疑态度的人并设法吸引投资者。“我想多年之前人们仍然持有相当的怀疑态度,但是现在有许多新兴公司都在进行研发。”Joby Energy商业开发总监Archan Padmanabhan说道。“在过去的几年中,行业中出现了许多原型系统,我们看到它们成长到数十千瓦。在Joby,我们从地面发电机设计开始,测试自转概念,并最终制造了带有机翼的空中发电系统,它具有多个螺旋桨,将电能通过电缆传送下来。现在我们正在探索能够简化起飞和降落的机翼。

克服技术难关

使用“带有绳索的机翼”的发电设想并不是全新的。其基本概念已经在1970年代后期申请了专利,目前已经公开。Lawrence Livermore国家实验室研究员Miles L. Loyd探索了空中风力发电的基本数学方程,开发了计算机模型并且使用小型实验原型系统进行了验证。他影响深远的论文《侧风风筝发电》在1980年6月出版的Journal of Energy期刊上发表。那么为什么空中风力发电还没有实现商业化?答案与复杂性、成本和莫尔定律有关。10年前,处理、仪器、传感器和控制软件都十分昂贵。现在,嵌入式计算机运算能力的指数增长(莫尔定律)、仪器技术和高级高效率软件工具和坚固嵌入式计算机平台的出现让空中风力发电公司能够使用商用COTS技术和高级软件工具缩短设计、原型开发和现场部署之间的时间,构建并测试其原型系统。
“空中风力发电在十年前会具有性价比吗?”Padmanabhan问道。“不。只有有了现在的技术进步才让空中风力发电具有性价比,这些归功于价格低廉的飞机材料、低成本的GPS传感器、自动飞行软件和嵌入式计算的卓越性能。我们攻克的最大的技术挑战在控制系统领域。由于航天领域的发展,飞行控制系统比过去任何时候都更加稳定。现代的商业飞机主要使用自动驾驶飞行,人们也信任这些系统,没有人认为飞机会因此而坠落。飞机行业能够提供许多技术,我们正在从中学习。”
Windlift是另一家空中风力发电新兴企业,它正在开发移动空中风力涡轮,因为它们能够提供高能源密度,让它们成为内燃发电机和所需的易受影响的燃料供给的未来替代品,所以吸引了美国军事的浓厚兴趣。Windlift使用NI LabVIEW图形化编程语言和NI CompactRIO坚固嵌入式仪器系统进行控制和动态监视,图中显示了12 kW原型系统的界面(图3)。控制设计工程师Matt Bennett解释了商用工具在其开发中起到的重要作用。“使用商用COTS实时系统起到了重要作用,”他说道,“在高负荷下使用机翼主动飞行是一个重大挑战,NI CompactRIO系统解决了所有让系统保持稳定所需的信号处理和反馈控制任务。我们广泛使用了现场可编程门阵列(FPGA)完全并行处理任务。LabVIEW FPGA技术是必不可少的。有许多任务必须使用FPGA完成,而没有其他方法。”

图 3. Windlift使用NI LabVIEW图形化编程软件控制12 kW移动发电系统截屏(图片来源:Windlift)

 

发电技术

我们都熟悉地面涡轮的旋转叶片。那么空中风力涡轮是如何发电的呢?尽管技术多种多样,从使用绳索的旋翼机直至比空气轻质的旋转飞艇,最普通而且常用的方法使用以下两个基本原则之一:1)地面发电机连接绳索电缆,在风筝拉动电缆时候产生电能;2)板载一组风力驱动的高速螺旋桨驱动小型空中发电机。表2比较了这些常用方法的优缺点。例如美国Windlift和欧洲KITEnergy正在开发的地面发电机系统使用机翼拉动绳索电缆发电。绳索电缆的转矩和速度通过旋转连接到绞盘鼓的发电机产生电能。如图4所示,共有两个不同的工作模式——拖动阶段和还原阶段。在拖动阶段下,机翼缓慢拉动绳索电缆,到达到绳索最大长度或最大海拔为止产生电能。然后还原阶段开始,机翼回到原位,并将绳索电缆绕回。还原阶段实际上需要消耗少量电能,因为发电机成为驱动电机将电缆绕回。然后整个过程重新开始。在驱动模式下,机翼以无线方式将GPS坐标和方向角信息通过空中惯性测量单元(IMU)传送到地面上的风筝驱动单元(KSU)。KITEnergy使用NI PXI平台和LabVIEW实时软件作为地面控制单元,获取并处理传感器信号,并执行高级控制算法指挥绞盘电机—发电机,并操纵风筝。“到目前为止,理论结果、数值结果和实验结果表明KITEnergy技术能够提供大量几乎随处可用的可再生能源,并且比化石能源价格低廉。”KITEnergy创始人Mario Milanese说道。例如Joby Energy和Makani Power等其他公司正在进行空中发电机设计。使用位于飞机上的多个小型螺旋桨驱动发电机进行发电,通过绳索电缆将电能传送到地面。空中发电机系统通常与飞机相似,而不像风筝,它带有板载计算机自动驾驶系统和飞行控制界面,和提升翼与副翼一样对方向角进行控制。空中风力发电公司的许多工程项目都主要关注完善飞行控制系统,让它们更加稳定能够处理各种问题,包括从旋风到驱动装置驱动装置和传感器故障。Makani Power系统的设计使之能够在需要的时候,自动切断绳索,完成自动降落。所有寻求挑战的控制工程师或航天工程师都可以考虑投身空中风力领域。图5展示了Joby Energy设计的主要特性,它能够完成垂直起飞和降落,并使用高速侧风飞行模式将能量输出最大化。

表2. 空中风力发电机类型的优缺点

 

图4. KITEnergy使用包含发电机和位于地面的风筝驱动单元(KSU)的设计

图5. 40 kW实验原型系统(右)已经经过使用长达3000英尺绳索的测试(图片来源:KITEnergy)

对于风力领域的新生分支而言,我们仍然要判断哪种设计最为实用且最具有性价比。现在称之为比赛还为时过早,但是我想当今处于领先地位的竞争者应该能通过仔细设计将空气动力效率最大化,提供包含板载飞行控制系统的可以工作在边缘层的系统。图6所示的空中风力发电离成为成熟的技术还有很远,但有一点是不容置疑的——这是一个令人振奋的时代。每个起飞的新型原型系统都让持有怀疑态度的人和投资者相信离开地面的风力发电并不是一个疯狂的想法。如果您是风力发电领域的专业人员,请考虑利用您的专长让空中风力发电事业起步。要了解更多信息,请访问空中风力能源联盟网站www.aweconsortium.org

图6. Joby Energy使用能够垂直起飞和降落的空中发电机方案。(图片来源:Joby Energy)

Author Information:
Brian MacCleery
National Instruments
United States

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