風(fēng)電新的解決方案

　　從定義看，高空風(fēng)電是利用距地面約1600至40000英尺高空的風(fēng)力來發(fā)電。早在20世紀(jì)70年代爆發(fā)能源危機(jī)時(shí)，各類高空風(fēng)電的設(shè)計(jì)就不斷涌現(xiàn)。發(fā)達(dá)國家對高空風(fēng)電的研究從未停止。美國、荷蘭、意大利等國都多次進(jìn)行過高空風(fēng)能發(fā)電試驗(yàn)。目前主要有兩種高空風(fēng)電的構(gòu)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(fēng)箏”，即通過拉伸產(chǎn)生機(jī)械能，再由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能。

　　從技術(shù)層面看，高空“風(fēng)箏型”發(fā)電有兩大關(guān)鍵環(huán)節(jié)，首先是高空風(fēng)能收集環(huán)節(jié)，其次是高空風(fēng)能轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)。其中，在高空風(fēng)能收集環(huán)節(jié)，為了把“風(fēng)箏”憑借風(fēng)力送上天，至少需要100噸拉力。如果用鋼鐵做繩子，如此遠(yuǎn)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(qiáng)度、耐腐蝕的特點(diǎn)。

　　高空風(fēng)能轉(zhuǎn)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(fēng)能發(fā)電的持續(xù)性和穩(wěn)定性難以得到有效保障。“風(fēng)箏型”高空風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，由于“風(fēng)箏”既擔(dān)負(fù)平衡作用，又擔(dān)負(fù)做功的主體，平衡運(yùn)動與做功運(yùn)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(yùn)動。而做功運(yùn)動也必然會影響到系統(tǒng)的平衡。在整個(gè)運(yùn)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(fù)雜而又困難。

　　站在能源格局的角度，利用好風(fēng)能十分必要。風(fēng)能是太陽能的轉(zhuǎn)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(yīng)安全和保護(hù)環(huán)境等訴求驅(qū)動，20世紀(jì)70年代中期以來，世界主要發(fā)達(dá)國家和一些發(fā)展中國家均十分重視風(fēng)能的開發(fā)利用。特別是自20世紀(jì)90年代初以來，現(xiàn)代風(fēng)能的最主要利用形式——風(fēng)力發(fā)電發(fā)展十分迅速，全球風(fēng)電機(jī)裝機(jī)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(shí)，風(fēng)電商業(yè)性開發(fā)的可行性已得到了驗(yàn)證，限制風(fēng)能大規(guī)模商業(yè)開發(fā)利用的主要因素——風(fēng)力發(fā)電成本過去20年中有了大幅下降。隨風(fēng)力資源不同、風(fēng)電場規(guī)模不同和采用技術(shù)不同，風(fēng)力發(fā)電的成本也相應(yīng)有所不同。目前低風(fēng)力發(fā)電成本已降至每千瓦時(shí)3至5美分，高風(fēng)力發(fā)電成本也降至每千瓦時(shí)10至12美分。到2010年，其更將降至每千瓦時(shí)2至4美分和每千瓦時(shí)6至9美分，達(dá)到與化石能源展開競爭的水平。

　　隨著風(fēng)能這一態(tài)勢的發(fā)展，全球風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)到2020年預(yù)計(jì)達(dá)12.45億千瓦，發(fā)電量占全球電力消費(fèi)量的12%。業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，風(fēng)能將是21世紀(jì)最有發(fā)展前途的綠色能源，是當(dāng)前人類社會經(jīng)濟(jì)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(fēng)電之所以被業(yè)內(nèi)給予很高期望，在于目前的風(fēng)能利用僅限于幾十米至百米的低空，其一大缺點(diǎn)就是不穩(wěn)定可靠。而在幾千米至1萬米的高空，不僅風(fēng)速更大且風(fēng)力穩(wěn)定，一年中不刮風(fēng)的時(shí)間不足5%，因此高空風(fēng)能發(fā)電具有發(fā)電時(shí)間長與輸出穩(wěn)定的優(yōu)勢。同傳統(tǒng)風(fēng)電相比，高空風(fēng)電投資成本約為常規(guī)風(fēng)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(qiáng)調(diào)指出，高空風(fēng)電客觀上克服了傳統(tǒng)風(fēng)電因風(fēng)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(shè)欠缺等“缺陷”，可以一定程度上降低棄風(fēng)問題的嚴(yán)重程度。

　　正因?yàn)槿绱耍M管業(yè)內(nèi)對于高空風(fēng)電的技術(shù)可行性存有較大的疑問，但是高空風(fēng)電客觀的存在并有巨大的利用價(jià)值卻是不爭的事實(shí)。

　　美國環(huán)境和氣候科學(xué)家克里斯蒂安·阿切爾和肯·考德伊拉在研究報(bào)告指出：高空中蘊(yùn)藏的風(fēng)能超過人類社會能源總需求的100多倍。美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心NCEP1979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(fēng)的流向穩(wěn)定，且高度越高、風(fēng)的強(qiáng)度越大，穩(wěn)定性就會越好；當(dāng)靠近地面時(shí)，受地形等影響，風(fēng)具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，強(qiáng)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(fēng)能最好的地點(diǎn)是美國東海岸和亞洲東海岸。這其中，就包括中國。

　　相關(guān)資料顯示，中國絕大部分地區(qū)5000米以上高空中的有效風(fēng)能密度在每平方米1000瓦以上。由于高空風(fēng)的穩(wěn)定性，高空風(fēng)能發(fā)電技術(shù)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(fēng)電場多位于遠(yuǎn)離發(fā)達(dá)城市和主干電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)或海邊。

　　2009年，北京市上空百米高度的平均風(fēng)速是每秒4.1米，能量密度是每平方米78瓦；700米高度的風(fēng)速是每秒7.3米，能量密度每平方米430瓦；而在萬米高度，風(fēng)速達(dá)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(fēng)速每秒5.5米，能量密度每平方米194瓦；700米高度風(fēng)速每秒7.5米，能量密度每平方米470瓦；萬米風(fēng)速每秒40.8米，能量密度高達(dá)每平方米22584瓦。

　　據(jù)國網(wǎng)能源研究院副總經(jīng)濟(jì)師白建華介紹，眼下正致力于高空風(fēng)能發(fā)電的歐美知名公司主要有WindLift、Altaerosenergies、MakaniPower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(jī)，最早于今年內(nèi)能夠商用化。

　　此外，中國廣東高空風(fēng)能技術(shù)有限公司創(chuàng)造性地發(fā)明了天風(fēng)技術(shù)方案，采用傘梯組合型高空風(fēng)電機(jī)組解決了高空風(fēng)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(shí)用性大功率高空風(fēng)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(fēng)電在技術(shù)層面上有諸多解決方案，一是在“風(fēng)箏”機(jī)翼上安裝類似螺旋槳的渦輪機(jī)葉片，空氣帶動葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電能，然后通過導(dǎo)電繩索將電能傳送到地面，這種技術(shù)如今被昵稱作“飛翔的發(fā)電機(jī)”；另一種方案是，通過空中的風(fēng)箏施加給控制繩索的力，帶動地面設(shè)備發(fā)電。目前的主流高空風(fēng)能發(fā)電模式是高空風(fēng)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(fēng)能發(fā)電的空中系統(tǒng)運(yùn)行高度是300至10000米，與目前風(fēng)力發(fā)電相比具有諸多優(yōu)勢。傘梯組合高空風(fēng)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(shù)。高空風(fēng)及高空風(fēng)能相較于低空風(fēng)和低空風(fēng)能的優(yōu)勢是：風(fēng)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(rèn)為，哪怕克服了技術(shù)路徑和商業(yè)應(yīng)用難題，高空發(fā)電仍有諸多難題待解，其中核心在于兩個(gè)方面。首先，其運(yùn)行范圍內(nèi)需要禁飛，而我國高空風(fēng)能豐富地區(qū)為經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的東部地區(qū)航線密集，而該區(qū)域卻是高空風(fēng)能的優(yōu)勢區(qū)域，高空風(fēng)能發(fā)電需要得到軍方的批準(zhǔn)。目前我國空域緊張，高空風(fēng)能發(fā)電能否大規(guī)模應(yīng)用，需要等待空域改革的進(jìn)一步進(jìn)行，放開空域用于民用。

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

　　未來國家節(jié)能減排的方向或會是高空風(fēng)電領(lǐng)域最大的利好。長江證券研究報(bào)告認(rèn)為，高空風(fēng)能發(fā)電對節(jié)能減排作用顯著。根據(jù)專家統(tǒng)計(jì)估算，每輸出1度風(fēng)電，可以節(jié)約0.4千克標(biāo)準(zhǔn)煤。

　　根據(jù)上述數(shù)據(jù)，并以中路股份參股的天風(fēng)技術(shù)建設(shè)的100兆瓦高空風(fēng)力發(fā)電場項(xiàng)目年發(fā)電量約5.6億千瓦時(shí)為例，可估算出僅此項(xiàng)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(yù)見風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)化道路仍然崎嶇，但是技術(shù)的實(shí)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(yù)計(jì)，如果政策環(huán)境到位，技術(shù)層面完全能達(dá)到商業(yè)化“甜蜜點(diǎn)”，只要產(chǎn)業(yè)配套成熟，未來發(fā)展仍值得期待。

來源：中國證券報(bào)

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