單個風(fēng)箏、風(fēng)力渦輪機(jī)、（設(shè)想中的）大規(guī)模商業(yè)風(fēng)箏和小型核反應(yīng)堆的相對發(fā)電功率

在歐洲和美國，至少有10家公司正在開發(fā)不同的風(fēng)箏能源利用方式。如果他們能取得成功，這些風(fēng)箏就可以在風(fēng)力不足以支撐傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪機(jī)的地方成為新型的風(fēng)力發(fā)電場。風(fēng)箏也可能是利用海上風(fēng)力發(fā)電的更好選擇，有朝一日甚至可能取代目前常用的錨塔。

高空風(fēng)能風(fēng)箏有兩種基本的發(fā)電方式?！俺檫\發(fā)電”是利用風(fēng)箏的牽引運動，使地面的樞軸旋轉(zhuǎn)，為發(fā)電機(jī)提供動力（較多的電，黃色）；當(dāng)繩索放完時，風(fēng)箏將被收回并重新開始（用少量的電，紅色）?！按钶d發(fā)電”則是由安裝在風(fēng)箏上的渦輪機(jī)來發(fā)電，要求剛性的風(fēng)箏設(shè)計。

風(fēng)箏電力系統(tǒng)開發(fā)公司Kitekraft的聯(lián)合首席執(zhí)行官和首席技術(shù)官弗洛里安·鮑爾說：“它的制造成本更低，運輸成本更低，而且效率更高?！边@家公司的總部位于德國慕尼黑。鮑爾還指出，風(fēng)箏發(fā)電的碳足跡也小得多，“如果你擁有所有這些優(yōu)勢，為什么還要建造一個傳統(tǒng)的風(fēng)力渦輪機(jī)呢？”

不過，正如鮑爾及其同事在即將發(fā)表的論文《2022年度回顧：控制、機(jī)器人和自主系統(tǒng)》（2022 Annual Review of Control， Robotics and Autonomous Systems）中所描述的那樣，要想讓高空風(fēng)能成為廣泛的電力來源，還需要克服許多技術(shù)和商業(yè)障礙。此外，高空風(fēng)力發(fā)電還必須證明是安全的，不會傷害野生動物，也不會給居民區(qū)制造難以忍受的噪音和視覺干擾。

目前，高空風(fēng)力發(fā)電還處于起步階段。大多數(shù)公司都在進(jìn)行相對較小規(guī)模的試點項目，還沒有一家公司將他們的技術(shù)擴(kuò)大到能與傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪機(jī)相媲美的兆瓦級別。不過，市場上已經(jīng)可以見到小型的發(fā)電風(fēng)箏版本。

2021年，總部位于德國漢堡的SkySails Power成為第一家提供商業(yè)化高空風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)品的公司，其產(chǎn)品模型包括一個柔軟的、可操縱的風(fēng)箏，面積高達(dá)180平方米。這架風(fēng)箏用一條800米長的繩索與地面站相連，后者被放置在一個集裝箱內(nèi)。

在運行過程中，風(fēng)箏會在空中畫出巨大而優(yōu)美的8字形，同時為地面發(fā)電機(jī)提供動力。這些發(fā)電機(jī)的平均發(fā)電量可達(dá)80千瓦，足以供應(yīng)大約60個普通美國家庭的電力。與典型的2.75兆瓦風(fēng)力渦輪機(jī)相比，這個數(shù)字微不足道，但其規(guī)模已經(jīng)接近許多便攜式工業(yè)柴油發(fā)電機(jī)。按SkySails Power公司的設(shè)計，這架風(fēng)箏裝置適合在遠(yuǎn)離電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)使用。

開發(fā)高空風(fēng)能技術(shù)的公司希望能最終建造更大的風(fēng)箏，能夠產(chǎn)生兆瓦級的電力。他們還設(shè)想數(shù)百只風(fēng)箏共同組成高空風(fēng)力發(fā)電場，為電網(wǎng)提供電力。

側(cè)風(fēng)飛行可以提高速度，使風(fēng)箏從風(fēng)中獲得潛在的能量。這里展示的是Kitemill公司的KM1原型機(jī)的實驗結(jié)果，顯示了這一過程。藍(lán)線顯示了風(fēng)箏在起飛和降落時的低速，黃線顯示了風(fēng)箏在側(cè)風(fēng)環(huán)繞飛行時達(dá)到的更高的飛行速度。

利用高空風(fēng)能

靠近地面的風(fēng)會與樹木、建筑物、山丘和地面摩擦，因此趨于逐漸減速。距離地面越高，風(fēng)的傳播速度就越快——在500米的高空，風(fēng)的移動速度平均要比100米處快3到7千米/小時。在過去的幾十年里，有很多關(guān)于利用這些高空風(fēng)能的建議，包括在比空氣還輕的飛行器上裝上渦輪機(jī)，或者把渦輪機(jī)懸掛在穩(wěn)定的風(fēng)箏上。但包括SkySails在內(nèi)的大多數(shù)公司都在尋求一種方法，利用可操縱的、由計算機(jī)控制的風(fēng)箏，在空中以特定的軌跡飛行，從而收集更多的能量。

高空風(fēng)能系統(tǒng)主要采用兩種基本的發(fā)電方式。SkySails等公司采用基于地面的方法，使用“抽運動力”裝置來驅(qū)動地面上的發(fā)電機(jī)。地面的繩索末端纏繞在絞車上，當(dāng)風(fēng)箏在風(fēng)中飛行時，絞車松開，驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電；之后，飄浮在空中的風(fēng)箏將被拉回地面，再次開始循環(huán)。

另一種方式是依靠風(fēng)箏上的渦輪裝置發(fā)電。機(jī)載發(fā)電會采用剛性的風(fēng)箏，類似于飛機(jī)機(jī)翼，以支撐小型風(fēng)力渦輪機(jī)。當(dāng)風(fēng)箏飛起來時，風(fēng)帶動渦輪機(jī)運轉(zhuǎn)，所產(chǎn)生的電力通過纜繩輸送到地面站。

弗洛里安·鮑爾的Kitekraft公司采用了第二種方式，并開發(fā)了雙用途的渦輪葉片。在發(fā)射和降落的過程中，渦輪葉片由發(fā)動機(jī)提供動力，成為螺旋槳，使風(fēng)箏像無人機(jī)一樣飛行和盤旋。一旦風(fēng)箏到達(dá)合適的高度，渦輪葉片就會轉(zhuǎn)而利用風(fēng)力發(fā)電。

就所用材料而言，風(fēng)箏比今天廣泛使用的風(fēng)塔更有潛在的優(yōu)勢。風(fēng)力渦輪機(jī)塔需要混凝土基礎(chǔ)和鋼結(jié)構(gòu)來使渦輪機(jī)保持在合適的高度。而在以風(fēng)箏為基礎(chǔ)的系統(tǒng)中，這種結(jié)構(gòu)被一個相對較小的地面站和一條輕型系繩取代。歐洲高空風(fēng)力行業(yè)協(xié)會的一項研究發(fā)現(xiàn)，一個50兆瓦的風(fēng)箏發(fā)電場在20年的使用壽命中會使用913噸材料，而一個典型的風(fēng)塔發(fā)電場會使用2868噸材料。風(fēng)箏系統(tǒng)所使用的材料更少，從而更環(huán)保、更便宜。

風(fēng)箏也可能用于深水離岸風(fēng)力發(fā)電當(dāng)中。在目前的技術(shù)條件下，當(dāng)水太深而無法構(gòu)建地基時，風(fēng)力渦輪機(jī)就會漂浮在巨大的、像駁船一樣的結(jié)構(gòu)上，這些結(jié)構(gòu)必須能夠承受渦輪機(jī)的重量并保持穩(wěn)定。相比之下，風(fēng)箏沒有那么笨重，可以使用更輕、更便宜的駁船。

然而，風(fēng)箏發(fā)電的這些優(yōu)勢是以復(fù)雜性為代價的。為了使風(fēng)箏發(fā)電在經(jīng)濟(jì)上更劃算，它們需要運行很長時間，期間只有很少的人為操作，或者完全是無人運行。美國北卡羅來納州立大學(xué)可再生能源控制與優(yōu)化及能源效率實驗室主任、風(fēng)箏發(fā)電技術(shù)公司W(wǎng)indlift的顧問克里斯·弗米利恩指出，這涉及到一個十分復(fù)雜的計算機(jī)控制問題。

風(fēng)箏并不是被動地飄浮在空中，相反，它們會利用自身的空氣動力學(xué)特性，以“側(cè)風(fēng)”模式飛行，有點類似船只在風(fēng)中的來回移動。當(dāng)風(fēng)箏垂直于風(fēng)向飛行時，翅膀處會產(chǎn)生升力，并更用力地拉住繩索。這種額外的升力將轉(zhuǎn)化為額外的速度，可以為地面發(fā)電提供更大的力，也可以轉(zhuǎn)化為更大的空氣流通速度，從而驅(qū)動機(jī)載渦輪機(jī)更快運轉(zhuǎn)。無論哪種方式，與沒有側(cè)風(fēng)運動的飛行相比，可用的功率都會至少增加一個數(shù)量級。

然而，這種復(fù)雜的機(jī)動操作需要操作者或計算機(jī)不斷地調(diào)整和控制風(fēng)箏。剛性的風(fēng)箏裝置是通過調(diào)整轉(zhuǎn)向部件，如襟翼和方向舵來控制的，類似于飛機(jī)飛行的方式。軟性風(fēng)箏則是通過調(diào)整操縱線的長度來控制的，類似于降落傘的引導(dǎo)方式。

當(dāng)今最先進(jìn)的風(fēng)箏系統(tǒng)能夠在計算機(jī)控制下飛行數(shù)小時或數(shù)天，通過機(jī)載和地面計算機(jī)不斷修正并控制方向。弗米利恩表示，當(dāng)風(fēng)保持穩(wěn)定時，這些風(fēng)箏都能很好地完成工作。但是，如果想成為主流的發(fā)電方式，風(fēng)箏必須能夠可靠地應(yīng)對突發(fā)和不可預(yù)測的變化，比如強(qiáng)風(fēng)。它們還需要能夠自動起飛和降落，從而在惡劣天氣時下降，在風(fēng)力條件良好時上升。

“我們還需要做更多的工作，才能使技術(shù)達(dá)到足夠高的水平，使設(shè)備的使用壽命達(dá)到數(shù)年或數(shù)十年，而不僅僅用來做數(shù)天或數(shù)周的演示，”弗米利恩說道。

此外，我們還需要考慮規(guī)模的問題。較小的風(fēng)箏制作成本更低，也更容易開發(fā)，但由于繩索的重量和阻力會隨著高度的增加而增加，小型風(fēng)箏在300米以上的高度并不能很好地工作，因為那里的風(fēng)往往是最強(qiáng)的。許多公司希望擴(kuò)大規(guī)模，制造更大、更高效的風(fēng)箏，使其飛得更高，能夠產(chǎn)生兆瓦級別的電力。當(dāng)然，這一過程伴隨著成本和風(fēng)險的提高。

通過將一組微型的、可移動的風(fēng)車發(fā)射到高空，高空風(fēng)能公司Kitekraft利用一架剛性飛行器實現(xiàn)了發(fā)電。這架風(fēng)箏也可以為自身起飛和降落提供動力。目前這類風(fēng)箏還處于原型階段，未來有可能用于在更多地方建造高空風(fēng)能發(fā)電場，或者為偏遠(yuǎn)地區(qū)提供電力。

擴(kuò)大規(guī)模的風(fēng)險

一家名為Makani的公司就提供一個警示性的例子。這家總部位于美國加利福尼亞州的公司得到了谷歌母公司Alphabet的支持，致力于生產(chǎn)兆瓦級的發(fā)電風(fēng)箏。但在2020年，Alphabet撤回了融資，導(dǎo)致該公司倒閉。

Makani公司是風(fēng)箏發(fā)電技術(shù)的先行者，但也遇到了許多問題，比如難以實現(xiàn)對風(fēng)箏的操控，此外還發(fā)生了數(shù)起墜落事故。在一份公開報告中，Makani公司首席執(zhí)行官福特·費爾克表示，該公司往往在沒有解決技術(shù)問題之前，有意更快速地推進(jìn)風(fēng)箏開發(fā)，并大幅增加風(fēng)箏的尺寸。

鮑爾表示，Makani公司在沒有解決技術(shù)難題的情況下，如此迅速地擴(kuò)大規(guī)模，最終導(dǎo)致設(shè)計難度過高且成本昂貴，無法修正。另一方面，他也很同情地指出，那些需要很長時間才能達(dá)到市場規(guī)模的公司可能會失去投資者的支持。

最后一個阻礙將是確保風(fēng)箏發(fā)電技術(shù)的社會和環(huán)境成本可被接受。傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電場經(jīng)常面臨附近居民的反對，他們擔(dān)心風(fēng)力渦輪機(jī)會帶來噪音、視覺干擾和景觀問題。風(fēng)箏發(fā)電場的支持者預(yù)計，風(fēng)箏對視覺和噪音的影響將比傳統(tǒng)的風(fēng)塔小得多。不過，一篇已發(fā)表的論文分析稱，沒有經(jīng)驗證據(jù)能支持這種說法。盡管風(fēng)箏沒有風(fēng)塔那么大，但它們俯沖的動作和發(fā)出的噪音仍然可能比傳統(tǒng)風(fēng)塔造成同樣甚至更多的破壞。

該論文還指出，目前還不清楚這些風(fēng)箏會對鳥類產(chǎn)生什么影響。同樣，支持者認(rèn)為風(fēng)箏可能比風(fēng)力渦輪機(jī)更安全，因為這種風(fēng)箏比一般的鳥類飛得更高。然而，連接風(fēng)箏與地面站的繩索本身移動非常迅速，也很難被發(fā)現(xiàn)，鳥類可能難以避開它們。

以風(fēng)箏為基礎(chǔ)的高空風(fēng)能發(fā)電將會有多廣泛的應(yīng)用，目前尚不得而知。像鮑爾這樣的支持者認(rèn)為，工程和計算問題是可以解決的，最終可以使風(fēng)箏發(fā)電物有所值。

然而，美國能源部于2021年向國會提交的一份報告發(fā)出了警告，稱風(fēng)箏發(fā)電是“一項不成熟、未經(jīng)證實的技術(shù)，需要取得進(jìn)一步的發(fā)展，才能在國家層面上大規(guī)模部署”。該報告稱，傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪機(jī)發(fā)電的成本也在持續(xù)下降，這使得風(fēng)箏發(fā)電系統(tǒng)更難顯示出自己的優(yōu)勢。

弗米利恩對此表示贊同，他說：“我不認(rèn)為機(jī)載風(fēng)能系統(tǒng)可以取代大多數(shù)現(xiàn)有的傳統(tǒng)陸地渦輪機(jī)?！钡瑫r認(rèn)為，未來十年，風(fēng)箏發(fā)電技術(shù)將在軍事和離網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域找到合適的生態(tài)位。在某種程度上，它們可能會成為深水風(fēng)力發(fā)電場的首選技術(shù)，較輕的重量將使它們具有比基于高塔的渦輪機(jī)更大的優(yōu)勢。（任天）