撰文 | 小博
编辑 | 郭郭
→这是《环球零碳》的第303篇原创
全年共有8760小时，核能发电全年可发电时间超过7000小时，火力发电超过4500小时，水力发电超过3800小时，而光伏与风电很难超过2500小时，保证电力供应平稳充足是一个现实存在的问题。
为了解决风光发电稳定问题，有两大途径，一个是发展储能，把富余的电量储存下来，以备没风没太阳时利用；另一个解决方法是寻找更稳定的风能和太阳光。
为了追求光伏的稳定性，人类想出了，要到太空中建太阳能发电站，这样可以不受黑夜的限制。
为了追求风电的稳定性，也有人想出办法，可以到更高的高空中发展风能。
研究表明：高空中蕴藏的风能超过人类社会总需能源的一百多倍。高空风速大，高空风能密度通常是地表风能密度的几十到几百倍，中国高空风能资源储量是世界最丰富的国家之一。
为了追求高空风能，就有中国公司真这么干了。
8月11日，中国能源建设集团有限公司党委常委、副总经理吴云在湖北卫视表示，中国能建集团还在探索利用高空风力发电的可行性。“现在用风发电都是低空的，100米、200米之下，一会有风一会没风，但是1000米以上是永远有风的，它的发电小时基本上达到煤电的作用。”
吴云预计，这一技术有望在一年之内完成大规模验证，并计划率先在湖北推广建设。“十四五”期间，中国能建计划在鄂投资将超过2000亿元。
如果这个大规模验证成功，那以后就真没有煤电什么事了。
高空风能是否靠谱？它的发电原理是什么？
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中国能建入局高空风能
其实，发展高空风能，并不是从中国能建开始，早就有企业开始这么做。中国能建是通过收购一家公司的技术，才进军这个领域。
上市公司中路股份下属广东高空风能公司于2010年4月研制出国内首台100KW高空风电系统样机，历经自主创新，踏实探索，研发出一条独具特色的伞梯组合型高空风能发电技术。
利用风力带动伞梯上升、关闭伞梯下降，把上下的机械能传导到地面转换为旋转能，再带动地面发电机，实现无污染大功率高稳定以及低投入的绿色发电。
图说：高空风能发电技术示意图
来源：风电头条
2012年12月，中路股份在安徽芜湖成立芜湖天风新能源科技有限公司，2015年完成2.5兆瓦高空风能发电试验电站建设。同期，公司在芜湖建立了伞梯试验研发中心和生产测试基地，配有生产加工工具、检测及试验设备。公司负责天风技术部分产品的生产及整个系统的现场放飞、运行测试。实际测试单绳功率超过600千瓦，功率输出稳定，成为全球首台实用性大功率高空风能发电系统。
中路股份的高空风能发电技术为自主创新的国际领先技术，解决了高空风能采集的稳定性难题和系统空中部分控制的技术瓶颈，具有自主知识产权。听说年发电时间可达5000小时，超过目前风电的一倍以上。
在芜湖的试验成功后，中路又在安徽绩溪开建了一个新的风能项目。
安徽省能源局2017年核准公示了中路绩溪高空风能项目，该项目建设规模为100MW，建设单位为绩溪中路高空风能发电有限公司。
项目采用广东高空风能技术有限公司研发的5兆瓦高空风能发电机组，建设非常规新能源（高空风能）发电企业，总建设规模100兆瓦，总投资7.9亿元。采取一次规划、设计，分期建设、安装。第一期工程安装2台5兆瓦高空风能发电机组，装机容量为10兆瓦，年发电量约为4700万千瓦时，建设工期3年，总投资1.2亿元。
图说：绩溪项目规划平面图
来源：风电头条
后来，这个项目因资金问题工程停滞。2020年2月18日，中路股份发布公告指出：因公司资金紧张，绩溪高空风能项目的建设目前基本处于停顿的状态。
一年多后，金主中国能建入局，收购51%股权，获得绩溪高空风能项目主导权。
2021年5月14日，中路股份与中国能建签署战略合作协议，双方将发挥各自在技术、资金、人才、管理、市场、资源等方面的优势，在高空风能发电政策和标准制定、技术研发、成套装备制造以及工程项目开发等方面建立合作伙伴关系，推动高空风能发电技术发展及产业化。
2021年9月17日，中路股份发布关于协议出让绩溪高空风能发电项目部分股权并增资的公告，拟向中国能源建设集团规划设计有限公司以经审计评估后的净资产价格为基准出让绩溪中路高空风能发电有限公司51%的股权。
目前，中能规划主导绩溪中路高空风能发电项目的建设和运营，预计2022 年第一季度内完成项目电站一期整体建设、2022 年第二季度内完成竣工验收并实现并网发电投入运营。
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高空风电技术与发展前景
近年来很多国家开始研究高空风能发电技术, 该技术主要利用距离地面约500 ~ 12000 米之间的风能进行发电。研究机构对世界范围内海拔与风能资源分布关系进行研究时发现, 海拔高度每增加1米, 风能密度增加0.25 ~ 0.37 W/m2, 当高度为500 米时, 平均风能密度约225 W/m2, 约为地面风能密度的2倍; 当高度在1000米时, 风能密度能达到500 W/m2, 约为地面风能的5倍。
所以，从前景看，如果技术能突破，还是有巨大想象空间的。
目前，高空风力发电系统（AWES）主要有三种技术形态：
一种是系留风筝式AWES技术。
系留风筝式AWES技术目前有两种方式实现：
①滑翔伞式系留风筝, 即通过控制滑翔伞在高空按特定的“ 8” 字型或者“ 圆形” 轨迹运动从而拖动系留绳, 并通过系留绳的牵引作用使发电机发电。
②伞梯状系留风筝, 即通过控制伞梯状系留风筝开闭, 实现风筝上下循环运动, 进而拖动发电机发电。
二是系留飞行器式AWES技术。
系留飞行器式高空风电技术分别通过两种方式实现：
①机载发电式系留飞行器, 将永磁电机固定在飞行器的机翼或桨叶上, 控制飞行器迎风飞行, 使永磁电机转动发电, 并通过系留绳将电能引入储能设备
②地面发电式系留飞行器, 控制固定翼飞行器在高空按特定的“ 8” 字型轨迹运动从而拖动系留绳, 并通过系留绳的牵引作用使地面发电机发电。
三是系留飞行器式AWES技术。
目前, 系留浮空器式AWES技术可以通过两种方式实现：一是将风扇发电机组固定在一个镂空形浮空器中, 漂浮在一定高度, 利用高空风能发电。二是将涡轮形浮空器上升到一定高度, 利用高空风吹动浮空器旋转, 从而带动浮空器两端的发电机发电。
美国麻省理工学院成立的初创公司Altaeros Energies设计了第一个浮动风力涡轮机（buoyant airborne turbine, BAT）系统。BAT系统利用成熟的航空航天技术, 将风力涡轮机提升到高空进行发电, 可根据实际情况自由设定漂浮高度, 并且输出电能不受任何天气障碍的影响。
据Altaeros Energies公司介绍, 该装置最高可在离地约600 m的高空持续发电18个月, 产生的能量是相同大小的塔式风力发电机的两倍多, 其安装简单快捷, 不需要大型地下基础设施来安装, 同时消除了传统风力涡轮机面临的许多后勤挑战。
2014年12月, 日本软银公司向Altaeros Energies公司投资700万美元, 以支持BAT系统的持续开发和商业化。
2008年, 加拿大Magenn Power公司开发了名为空气转子系统（Magenn air rotor system, MARS）的AWES系统。MARS利用氦气为空气转子提供升力, 等上升到一定高度时, 获得高空强劲风, 使其内置涡轮机旋转发电。此外, 旋转还将引起马格努斯效应, 该效应不仅可以为系统提供额外的升力, 而且还可以使设备保持稳定, 不随风漂动。
Magenn Power公司称其系统目标运用高度在200 ~ 300米, 运行效率可达40% ~ 50%, 远远超过塔式风电发电效率。MARS也有较强的移动性, 有望成为一个非常灵活的系统, 可以快速安装到灾区或其他偏远的需电地区。目前, 该系统进展缓慢, 仍处于概念验证阶段。
总体而言, 系留浮空器式AWES是目前高空风电较好的解决方式, 具有结构简单、容易控制、能够实现长时间高效率发电等优点, 但由于受制于浮空器本身抗风性能及体积的限制, 使得发电量难以提高。
我国高空风能主要集中在经济发达的华东地区, 当海拔高度在1万米时, 其最高风能密度甚至能达到10 kW/m2, 约为地面风能的100倍。根据全国900多个气象站数据进行估算, 全国平均风能密度仅为100 W/m2, 说明高空风能具有巨大的开发价值。
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参考资料：
[1]湖北广电：中能建：高空风力发电技术有望在一年内完成大规模验证，并计划率先在湖北推广建设
[2]邵垒, 毛虹霖等《高空风力发电发展现状及关键技术研究综述》
[3]风电头条：中国能建接盘入局高空风电项目！
[4]中国葛洲坝水泥有限公司,中国能建：国内首创高空风能项目开工
