◎本報(bào)記者 劉園園

記者從中國能建集團(tuán)獲悉，我國首個(gè)高空風(fēng)能國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃核心裝備——世界最大的5000平方米高空風(fēng)力發(fā)電捕風(fēng)傘日前在內(nèi)蒙古阿拉善左旗試驗(yàn)場成功開傘。其完成全部預(yù)定試驗(yàn)內(nèi)容后成功實(shí)現(xiàn)空中收傘，這標(biāo)志著我國高空風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在工程化應(yīng)用方面邁出堅(jiān)實(shí)一步。

高空風(fēng)力發(fā)電的原理是什么？具有哪些優(yōu)勢？適合應(yīng)用在哪些場景？中國能建集團(tuán)相關(guān)專家對此進(jìn)行了深入解讀。

捕風(fēng)結(jié)構(gòu)全球最大

“高空風(fēng)力發(fā)電，是利用自主系留升空的空中組件捕獲300米以上高空風(fēng)能，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)能—電能轉(zhuǎn)換的新能源技術(shù)。”中國能建集團(tuán)所屬中國電力工程顧問集團(tuán)有限公司副總經(jīng)理張力介紹，為捕獲高空風(fēng)能，國內(nèi)外主要有兩種技術(shù)路線：空基高空風(fēng)力發(fā)電與陸基高空風(fēng)力發(fā)電，兩者的核心區(qū)別在于發(fā)電機(jī)的位置。

此次中國能建集團(tuán)開展試驗(yàn)的高空風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，屬于傘梯式陸基高空風(fēng)力發(fā)電，包含“空中捕能—纜繩傳能—地面發(fā)電”三級能量傳遞路徑，就像放飛在高空的巨型“風(fēng)箏”。

“空中傘梯系統(tǒng)由氦氣球提供初始升力，并采用做功傘捕獲風(fēng)能，平衡傘維持系統(tǒng)穩(wěn)定，通過纜繩將機(jī)械能傳遞至地面。”張力解釋說，其中，纜繩采用超高分子聚乙烯材料，可承受百噸級拉力。

地面發(fā)電系統(tǒng)則通過雙機(jī)組協(xié)同的卷揚(yáng)設(shè)備，將纜繩直線運(yùn)動轉(zhuǎn)為旋轉(zhuǎn)動力，配合萬向滑輪架適應(yīng)風(fēng)向變化，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能發(fā)電，并使單機(jī)功率達(dá)到兆瓦級。

值得一提的是，此次試驗(yàn)中用于捕獲風(fēng)能的高空風(fēng)力發(fā)電做功傘是全球最大的高空風(fēng)能捕獲結(jié)構(gòu)。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過氣動優(yōu)化提升了做功傘捕風(fēng)效率，通過傘型設(shè)計(jì)拓展了開傘尺寸極限。

突破傳統(tǒng)風(fēng)電瓶頸

“在全球能源轉(zhuǎn)型浪潮的推動下，風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模保持著持續(xù)高速增長的態(tài)勢。然而，傳統(tǒng)陸上風(fēng)電與海上風(fēng)電正面臨兩大愈發(fā)突出的瓶頸。”張力談道。

他分析，近地風(fēng)資源的開發(fā)空間受到限制，可獲取的高質(zhì)量風(fēng)場日益稀缺；更為關(guān)鍵的是，風(fēng)力具有較強(qiáng)的間歇性與較大的波動性，這對電網(wǎng)的穩(wěn)定性帶來挑戰(zhàn)。這些發(fā)展瓶頸不僅限制了風(fēng)能潛力的充分釋放，而且難以滿足新型電力系統(tǒng)對于高度穩(wěn)定性和強(qiáng)大調(diào)峰能力的核心需求。

在張力看來，突破傳統(tǒng)風(fēng)電瓶頸的戰(zhàn)略機(jī)遇，潛藏于近地空間之上——即距離地面300米至10000米的高空。

“科學(xué)研究表明，這一區(qū)域蘊(yùn)藏著極為豐富且未充分利用的風(fēng)能資源，其理論儲量可達(dá)全球電力總消費(fèi)需求的100倍以上。”張力介紹，相比于近地風(fēng)能，高空風(fēng)能具備顯著優(yōu)勢：能量密度成倍提升、風(fēng)向風(fēng)速顯著穩(wěn)定、全球性廣泛分布。這些特性為應(yīng)對新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和調(diào)峰需求提供了潛在有效的解決方案。

拓寬風(fēng)能利用場景

2024年初，中國能建集團(tuán)投資建設(shè)的我國首個(gè)高空風(fēng)能發(fā)電工程化試驗(yàn)項(xiàng)目——安徽績溪高空風(fēng)能發(fā)電新技術(shù)示范項(xiàng)目成功發(fā)電。該項(xiàng)目采用傘梯式陸基高空風(fēng)力發(fā)電技術(shù)路線，總裝機(jī)容量達(dá)兆瓦級，能夠利用300—3000米高空風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電，是我國高空風(fēng)能發(fā)電技術(shù)的首次工程化實(shí)踐。

“在諸多高空風(fēng)電解決方案里，傘梯式陸基技術(shù)路線呈現(xiàn)出顯著的商業(yè)化潛力與應(yīng)用靈活性。”張力介紹，傘梯式陸基高空風(fēng)力發(fā)電技術(shù)具備功率輸出大、配置靈活、高度模塊化設(shè)計(jì)等特點(diǎn)，可支持車載式、分布式、集中式等多種靈活的部署方案。

張力舉例說，傘梯式陸基高空風(fēng)力發(fā)電技術(shù)可部署在內(nèi)蒙古、青海等風(fēng)資源富集區(qū)，與風(fēng)光基地協(xié)同構(gòu)建三維立體能源矩陣；可面向離網(wǎng)供電孤島，為遠(yuǎn)海哨所、高原科考站等提供全天候清潔電力；可應(yīng)用于城市應(yīng)急支援，作為車載系統(tǒng)隨時(shí)響應(yīng)自然災(zāi)害、電網(wǎng)故障等突發(fā)需求。此外，還能夠與火電、光伏等發(fā)電場景形成有效互補(bǔ)，增強(qiáng)多能源系統(tǒng)的整體韌性。

“傘梯式陸基高空風(fēng)力發(fā)電技術(shù)將拓寬風(fēng)能資源全方位利用新場景。”張力表示。