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高空风能发电技术主要依靠高空风力发电系统，即采用系留航空器达到传统风电机组无法达到的高度，在一定高度捕获稳定的风能并将其转化为电能。相较于传统高塔、三叶片的风电机组，高空风力发电系统占用的地面空间和面积较小，不需要建造大型、笨重的塔架和地基，也不需要大型起重机、塔吊等地面风电项目的基础设备，从而可大幅度削减建设、安装和运输成本。

图1 全球高空风力发电企业及机构

一、高空风电技术的定义

高空风力发电系统，是利用距离地面大约500至12000米高空风力来发电的装置系统。高空中的风速高于低空风速，通过飞艇、风筝或浮空器等设备，在高空中获取风能，利用系留绳索将风能转化为机械能，再传递给发电机，实现高空风能到电能的转换。与传统风电机组相比，高空风电机组能从高空中获得风速更高、湍流更小的风能，所在的高度越高，所获得的平均风速就越大，发电量也就越高。

图2 高空风能发电原理图

二、高空风电技术的设计架构与分类

高空风力发电系统目前主要有两种设计架构及分类：（1）将发电机悬置于空中，如美国的Sky Wind Power，加拿大的Magenn Power等；（2）将发电机设置在地面，如意大利的KiteGen、美国的Makani Power以及我国的伞梯组合高空风能发电技术（SkyHaul）。

1、发电机悬置于空中的设计架构

发电机悬置于空中的设计架构主要是利用气球或飞艇将发电装置升至高空，通过风轮带动发电机发电，然后将电能输送到地面。目前，该设计架构主要有飞艇式和高空多风轮式两种类型。

• 飞艇式高空风力发电系统：该系统的发电机没有塔架结构，将水平轴风电机组安装于半圆桶形飞艇上，飞艇的气囊内充满性质稳定的低密度气体(例如氦气)，由于气囊内部的气体密度低于空气密度，产生的浮力能够将发电机托举于几百乃至上千米的高空中，捕获该高度处的风能。高空中的高速风能驱动风轮转动并带动发电机转子旋转产生电能，电能通过电缆传输至地面。
• 飞艇式高空风力发电系统的特点是原理简单、可移动、不易坠落，适用于一些远离电网的乡村。缺点是发电机本身自重限制，发电容量有限，其安全性也有待考证。

图3 飞艇式与传统风电机组对比图

• 高空多风轮式风力发电系统：该系统一般在滑翔机或飞机上安装多个风轮，滑翔机上安装发电机并依靠电缆与地面相连，当风力强劲且稳定时，滑翔机能够保证一直在高空中飞行盘旋，高空中的高速风驱动滑翔机上的多个风轮同时发电并通过电缆直接传输到地面上。同时，该系统用于发电的风轮还可以迅速变为螺旋桨，使得该发电系统具备悬停、起飞、降落的能力，降低了坠机的风险。

图4 高空多风轮式风力发电系统示意图

2、发电机置于地面的设计架构

发电机置于地面的高空风力发电系统是指将发电机安装在地面，将“风筝”或者伞翼在风的作用下升至高空，牵引绳引动地面发电机的过程中，实现风能→机械能→电能的转换。目前，该设计架构主要分为旋转木马式和伞梯组合式。

• 旋转木马式高空风力发电系统：该系统适合于大中型高空风力发电，多个“风筝”集风装置安装于每个悬臂梁的外侧。该系统总体可分为高空姿态控制与地面机构两个部分，在多个集风装置的共同作用下，使地面装置能够循环往复的运动并驱动发电机产生电能。

图5 旋转木马式高空风力发电系统模拟示意图

• 伞梯组合式高空风力发电系统：该系统主要由空中系统和地面系统两部分组成。空中系统由一个或多个伞翼或者风筝组成，地面系统主要由发电机、滚筒、反向转动电机和万向滑轮组成。按照工作阶段分为牵引阶段(即发电阶段)和收翼阶段(即电动阶段)。

图6 伞梯组合高空风能发电系统示意图

三、高空风电技术的科研计划资助概况

据统计，目前共有欧洲、美国、加拿大及我国在内的多个国家开展了高空风能发电技术的研究和示范。欧盟对高空风电研究的项目资金资助近些年投入超1100万欧元，包括高空风资源、高空叶片数值仿真、高空风电机组、机载风能系统建模、控制和优化、以及刚性风筝收集机载风能等相关研究内容。

四、高空风电技术的发展前景与挑战

高空风力发电具有发电输出稳定、时间长、成本低、功率大等优点，具有一定的发展潜力。国内企业对高空风电关注度有所提升，但是相比于传统的风力发电方式，高空风力发电技术处于起步阶段，还面临着诸多挑战，主要为以下几个方面：

• 工程应用方面：两种设计架构均需考虑飞行器的控制、耐用缰绳的设计制造、风雨雷暴等极端天气下设备的安全和运行稳定等问题；由于高空温度低，还需要解决高空低温环境下设备的运行能力、寿命和飞行器(包括缰绳)的除冰能力等问题；对于同一片区域内的多个高空风电机组，还需要解决协同运作时的飞行控制、缰绳解缆等问题。
• 商业化方面：建造成本及相对困难的维修和维护带来的成本，相对传统清洁能源是否有价格优势还不明确。在没有大型投资和政府支持的条件下，高空风力发电进行商业化或者进行大型建设都有较大难度。
• 环境方面：大量飞行器(风筝)带来的视觉干扰、噪音、地面或海面不断移动的阴影，以及缰绳对鸟类飞行的干扰等，仍需要深入评估和论证。