在爱尔兰西海岸的邦戈埃里斯测试场,大西洋的海风经年不息。这里并非一处普通的荒野,而是经过全球范围内的严格筛选,最终确立的高空风能发电技术核心试验场。这片基地正见证着一场可再生能源领域的颠覆性变革。
据美国趣味工程网近日报道,发电系统摒弃了笨重的混凝土基础,依靠运行在离地数百米高空的系留风筝,捕捉当前传统风机难以企及的高空风能。目前,这项技术正从实验边缘迈向商业开发阶段,在欧洲和美国表现得尤为明显。然而,其底层的工程难题,即如何自动且可靠地控制这些飞行装置,同时提供电网可调度的稳定功率输出,目前仍有待进一步攻克。
物理规律暗含高空风能先天优势
空中风能系统的核心优势在于基础物理原理:风速是高度的函数。
在对流层低层,风速遵循基本的幂律剖面分布,这意味着在300米至500米的高空,平均风速不仅远高于地面,且分布更加均匀、稳定。相比之下,传统地表风机常年受困于随阵风剧烈波动的低空乱流,而高空风能则像是一座永不停歇、能量密度更高的“矿山”。
不过,只有高度是不够的。早在20世纪,美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的相关分析就已确立了一项基本原则,即风筝通过在空中进行高速的横风运动,获取的功率密度远高于静态系缆。这意味着,风筝不应只是被动地悬浮,而必须像在空气中高速收割能量的镰刀,通过快速切割气流来产生巨大的牵引力。
这种高速运动产生的牵引力,在目前的地面发电系统中被转化为持续的电流。这一过程被称为“泵送循环”。
泵送循环分为两个阶段。在“放线阶段”,当风筝以“8”字形路径飞行时,会产生强大的牵引力,将系缆从地面站的绞盘中拉出,从而产生电力。当系缆达到最大长度时,系统通过调整风筝角度使其失去拉力并悬停在基站上方,随后以极少的能耗将系缆收回,进入“收线阶段”。通常这两个阶段分别持续80秒与20秒,这种周而复始的律动,构成了空中风能持续发电的“脉搏”,其发电稳定性远超地面风机。