高空风能:巨大的潜力和障碍

在距离地面300英尺的地方，风力涡轮机越来越多地点缀着风景，巨大的叶片旋转得更高一些。然而，风速在300英尺的高度并不是最高的。爬升得越高，风就越快越稳定，在5英里以上的急流中风力最大。

由于传统风力发电面临着一系列障碍——间歇性、空间要求、“不在我的后院”的抱怨——将风力发电推到大气中可以消除很多不确定性。尽管面临许多技术和监管方面的挑战，但越来越多的小公司正在努力在未来几年内实现这一目标，他们有许多设计和想法，旨在在高空收集风力。

“潜力令人难以置信，”特拉华大学海洋科学与工程副教授Cristina Archer说。弓箭手和一位同事发表了最近的两个详细分析之一可以从地球的风中提取的总能量发电。另一个是由著名气候科学家肯·卡尔代拉主持作者：王莹，CARNEGIE机构与斯坦福大学。两者都发现了一个有效的无限的电力供应，并且由于一个远离地面移动而大大可用。

但Caldeira和其他人说，虽然他们看到了空中风力的巨大长期潜力，但工程和监管方面的挑战是可怕的，特别是如果公司想利用强大的喷气式风。

“我会不愿意再次搬运我的房子并投资这些公司的钱，因为我认为他们能够在市场上竞争的可能性，比如，下一年是相当小的，”他说。然而，他认为，鉴于其巨大的可能性和各种障碍，它是公共研究和发展支持的理想候选者。

围绕空中风的问题很重要。您如何安全地暂停空中涡轮机数百或数千英尺的地面？你如何在高风中长时间保持乐园，而无需频繁，昂贵的维护？关于航空的干扰怎么样？

然而，支持者表示，在某些方面，高空风能最终可能比传统风能更容易部署，也更便宜。建筑成本将显著降低，不需要巨大的钢和混凝土塔，也不需要偏航机制，使标准涡轮机在风向改变时始终迎风。

相反，空中发电的基本前提是将一个设备拴在地面上，让它像风筝一样在强风中飞行，要么发电并将其通过缆绳下放到地面，要么利用缆绳本身在其基座上发电。特定的设备

基本的前提是把一个装置拴在地上，让它在强风中飞行，产生能量。

设计的结束差异广泛。地面风车设计在很大程度上;但是在天空中，似乎有任何事情。有刚性，碳纤维翅膀配有多个小型涡轮机;更柔软的风筝状器件，在图 - 八个中飞行，通过卷绕和无缝地产生功率;类似于Blimp绕水平轴旋转的装置;和其他几个概念。在最佳设计上不存在共识，但有些可能更适合公用事业尺度的风电场，而其他人可能适合较小的利基市场应用。

一家似乎靠近部署的公司是Makani Power，位于加利福尼亚州阿拉米亚。Makani的束缚僵硬翼已通过七个开发迭代和众多的测试航班在六年内，最新的原型可以产生30千瓦的电力。谷歌和能源部的资金接近2000万美元高级研究项目代理能源(ARPA-E)，马卡尼希望建造一个92英尺的翼展版本，额定600千瓦，可以供应大约150个家庭的电力。

Makani的创始人兼首席执行官Corwin Hardham表示，开发商对该公司很感兴趣，并可能在几年内开始建造空中风力发电场。在更远的未来，哈德汉姆希望他的公司能够建造一个5兆瓦的巨型版本，拥有213英尺的翼展，最适合在海上使用。

“这就是我们的方法真正闪耀的地方，”赫尔赫姆表示，他认为他认为Makani最终可能在海上设施每千瓦时6美分生产电力。这比欧洲目前的海上风电均便宜，并将使其具有极其竞争力的煤炭和天然气。

另一家接近实际风电场开发的公司是位于荷兰的Ampyx Power，它是从代尔夫特大学(Delft University)的研究中分离出来的。ampyx的Powerplane.是一种滑翔机，通过拉动其系绳来产生电力，这些滑翔机连接到接地发电机。Powerplane在1,000到2000英尺之间滑动;创始人Richard Ruiterkamp表示，这种设计的下一次迭代应该不断产生250至500千瓦。

Ruiterkamp说:“我们已经自主飞行了大约一年。“在今年年底之前，我们将完成整个循环，并运行几个小时。”他说，下一个障碍是在没有人工干预的情况下连续操作多日。Ampyx表示，预计在几年内开始建设一个风力发电场。

总部位于加州的两家公司有着截然不同的想法Magenn权力和波士顿Altaeros。Magenn的充满氦气的，像飞艇一样的结构漂浮在1000英尺的高空，当风吹过时，整个气球围绕水平轴旋转。这项技术的鸟类友好型设计就像人们所能想象的那样，没有旋转的叶片，并且已经成功地进行了试飞。

同时，Altaeros也使用氦气的装置，虽然效果相当不同。气球壳围绕中心的标准涡轮机的叶片和毂，基本上用于抬起垂直的风车1000英尺。公司说成功测试了原型今年早些时候，有报道称，涡轮在350英尺处产生的功率是标准高度100英尺处的两倍。

这些可充气的设计，连同柔软的翅膀的风筝设计，就像北卡罗来纳州制造的Windlift风电行业的高管们说，考虑到它们易于运输和安装时间快，它们最终可能最适合离网远程应用。

“我们正在研究小型分布式系统而不是大型公用事业化系统，”兰达夫副总裁安迪·斯蒂斯蒂斯说。该公司从美国海军陆战队收到大量资金，希望使用软翼风筝在远程位置的电力基础

如果没有强有力的政府支持，安装十亿瓦的空中电力也需要20年的时间。

设计而不是昂贵，有时危险的卡车运输或空气发电机柴油燃料的必要性。

风力风筝有一个40平方米的翅膀，能在500英尺(目前)的最高高度飞行，在地面上有控制器和发电机。斯特夫说，除了海军陆战队以外，任何涉及远程电力需求的东西——离网移动通信、灾难救援等等——都可以成为这种类型的空中风力系统的一个很好的候选者。一家德国公司Enerkite.使用类似的设计，甚至更接近部署;近年来，两家公司都进行了成功的试飞。

p·j·谢泼德是一个名为“空中风能协会”的行业组织的联合创始人。他说，在过去的几年里，朝向可工作的发电原型的进展令人印象深刻。她表示:“一些(公司)已证明有发电能力，许多公司已表现出一定程度的自主控制，少数公司正在计划……发展发电厂。”

但是扩大到原型阶段并不容易。业内专家认为，如果没有政府的大力支持，安装哪怕是10亿瓦的空中电力(美国已经安装了50亿瓦标准的地面风)也可能需要20年或更长的时间，当大幅减排成为目标时，这将是一个永恒的过程。风电行业的高管们说，政府每年的投资相对较少，只有1亿美元，这一目标可以在不到10年的时间里实现。一些较大的公司如霍尼韦尔和3M已经表现出了一些兴趣，但主要的传统风力发电开发商——西门子、通用电气、维斯塔斯和其他公司——到目前为止仍将机载设计留给初创公司。

如果没有大量的投资，一些具体的工程挑战可能难以克服。根据一项行业调查根据非盈利能源分析组织Near Zero的报告，剩余的最大问题是可靠性:为了可行，机载设备需要在空中停留很长时间，几乎不需要维护。

当真正利用高空风时，卡尔代拉指出，达到喷射流的高度才是真正的价值。的

进入急流的强风中才是真正的收获。

地球喷流的能量密度大约是阳光照射到标准光伏电池的能量密度的100倍。卡尔代拉说:“事实上，没有其他可再生能源能如此丰富地提供如此高的能量密度，这告诉我，我们应该有一个研究项目来尝试利用它。”但是在工程要求上，在1000英尺的高度和5到6英里的高度之间的差异是巨大的。

在研发问题之外，另一个巨大的挑战是监管。什么，究竟是一个80英尺宽的装置，拴在地上，飞行圆圈1000英尺在空中？它是一架飞机吗？“建筑”或“障碍”？虽然2011年美国联邦航空管理局，但行业没有明确的监管框架是否开始了一个包括空气风系统的过程在他们的治理结构中。目前，这将把测试限制在499英尺的高度，这意味着喷射流仍然遥不可及。

Ampyx的Ruiterkamp表示:“没有政府某种形式的官方批准，你是不可能运营的。”但他警告说,不要试图从头创建一个新的监管框架,要么在荷兰公司所在地,或在美国“如果你必须设置这所有自己作为一个产业,可能需要15年,也不能保证结果会是什么,”Ruiterkamp说。他认为，说服当局在现有的监管环境下对载人飞机以及越来越多的无人飞机进行监管，是最好的办法。

安全和相关法规并不重要。在作品中的5-mw makani设备？它的213英尺的翅膀和波音747的翅膀差不多。如果大幅突破其系绳并击中地面，它会带来明显的危险。即使是M600的宽度也与波音737的翅膀相同。显然，如果工业规模的农场即将到来，那么这些猛犸象在1,000英尺的时间结束时飞去的猛犸象，它就不会发生严格的监管控制。

支持者们表示，尽管存在这些障碍，但高空风产生的能量绝对值得一试。“总资源是100太瓦、1000太瓦还是2000太瓦，我不确切知道，”Archer说。但是不管实际的数字是多少，她说，高空风产生的能量“比我们可能需要的要多得多”。