高空風能

高空風能

高空風能是指離地面3000米到1萬米以上的中、高空風能。高空風能通常所指的範圍,至少需離地面3公里,高則可到10公里以上,因為在這一高度的氣流中所蘊含能量,是全球每年所需能源的100倍。

劃分

中國高空的劃分有很多種,一般是0-3000為低空,3000-6000為中高空,6000以上是高空

特點

高空風能是人類迄今基本上沒有開發利用的新能源,這是一種儲量豐裕、分布廣泛的可再生清潔能源

高空風能高空風

史丹福大學環境和氣候科學家的研究報告指出:高空中蘊藏的風能超過人類社會總需能源的100多倍。高空風的特點是風速大,分布廣,穩定性高,常年不斷。

優勢

風能與風速的立方成正比(p=½ρv³,ρ-空氣密度,v-風速)——風速增加1倍,風能增加8倍(標準空氣密度為1.225kg/m,6000米高空中的空氣密度約0.644kg/m,僅減少1倍左右),因此高空風能可高出地面上的數倍、十數倍、數十倍乃至成百上千倍。

在高空位置達到較為理想的情況下,高空風電的理論發電時間可以超過95%,年發電時間可高達8200小時以上,小功率的10兆瓦級高空風力發電系統的年發電時間也在5000小時以上。因此,採集高空風能發電可以獲得高穩定性、低發電成本的風電,這是高空風電的顯著特點之一,也是高空風電相比常規風電的最顯著優勢之一。

革命

能源專家認為,到2030年,高空風能、微藻生物石油海洋波浪能核聚變、深部地熱能、衛星太陽能系統將成為6種無限能源。

人類迄今基本沒有開發利用的高空風能,或將會因近年來新浮空技術的不斷開發成功,而在2015年實現利用。據英國《每日郵報》線上版近日報導,有科學家預測,利用高空風能進行發電將不再是天方夜譚,而會成為確定無疑的事實。
利用可再生能源的重要性無須贅述。但目前人們面臨的困擾是,這些能源不像化石燃料那么高密度——可再生能源通常呈分散狀。換句話說,為了取得我們要求的能源量,則需要讓開採覆蓋到更廣大的地域。因此,科學家與企業皆在奮力尋覓儘可能密集的可再生能源,而其中,非常有前途的就是沒怎么被人類開發過的高空風能。
人們走在街道上感受到的迎面吹來的風,並不能為他們所在的城市提供電力,但於理論上,一台放置在城市高空的風力機器卻可以做到,這就是高空風能。但科學家與新能源公司對它感興趣的理由還不止於此。參照美國《連線》雜誌線上版2009年6月15日一篇文章資料,全球最優的高空風力發電源匹配的恰好也是人口密集地區——包括北美的東海岸和中國的海岸線。
利用高空風能發電的原理非常簡單:隨著與地面距離的增加和表面摩擦的減少,風速將逐漸加大。而每增加一倍速度,其所蘊含的能量在理論上將增加8倍。那么,地球上最強勁穩定的風,就是存在於距離地面4到10公里高的大氣對流層,此處風速超過每小時100公里,也比地面風更好預測。
但沒有開發者會想建造一個近萬米高的大風車,尤其是在人口稠密區。於是,自提出構想以來,高空風電的兩種主要框架是:在空中建電站,以電纜輸送電力到地面;或者打造一隻“大風箏”,風力拉伸產生機械能,再經由發電機轉換為電能。
這兩種關於高空風電的構架,並非不符合實際,但一直以來卻沒有任何嚴格的技術評估。
其中部分因素,是其所需鋪設的大量基礎設施,以及在實際套用上還需要儲存大量備用能源。對政府部門而言,這樣漫無邊際的工程不是他們想要的,反之則更樂意關注“未來10年左右的時間可以迅速商業化”的項目。
這本是一個長存的困窘局面,不過,美國加利福尼亞州立大學的氣象學家克里斯蒂娜·阿徹近日對英《每日郵報》表示,利用高空風能進行發電將會成為確定無疑的事實,因為當前,全球許多公司針對高空風能的利用技術投入了大量研發,其成果或許將在2015年前後打開高空風能的市場。
其中包括,波士頓阿爾塔羅斯能源公司正在研製的60英尺(約18米)高、填充氦氣、裝置了固定渦輪的類似飛艇的浮空設備;加州瑪卡尼電力公司開發的由機載計算機控制的“大風箏”,看起來就像一個滑翔機安了4個高速運作的轉子;以及其他種種新式設備。
它們擁有的一個創新點是:以往高空風能的目的地一直是對流層,但當下的公司們更關注2000英尺(約600米)這層“天花板”——在此之上空氣空間發生強烈的摩擦。據波士頓阿爾塔羅斯能源公司聯合創始人亞當·瑞恩估算,2000英尺高度的風力,為350英尺標準高度地面風機的20倍。
這些高空風能的支持者亦表示,他們的產品更加小巧靈活,且在價格上遠優於裝備著粗大葉片、塔身必須固定在地表或海洋深處的傳統風機。
這種成本的節省便意味著廉價電力。據推算,在實現廣泛套用的條件下,高空風能可使得風電價格由當前地面風電的每千瓦時9美分到10美分,降至為2美分。
對此,克里斯蒂娜·阿徹認為,儘管尚不是現實,但這已是人們可預見的最便宜的能源價格。

質疑

但美國國家可再生能源實驗室的專家福特·菲爾柯認為,高空風能實現產業化並成為國家電力需求的主要提供者,至少還需要10年的時間。
菲爾柯表示,目前還沒有一家公司達到高空風能利用的最基本要求——保證風機在無人監管的條件下,安全、長時間地飛行於空中。而且,菲爾柯對新型的高空風電如何應變天氣問題保持著疑慮:在雷電時節,要回收設備嗎?需要著陸時該如何具體實現?
高空風能的發展首先必須面對一個地面風能也遭遇的問題:安全與環境保護。周圍的居民必須得到保證,不會因為高空風機及其輸電線路的墜落而受到傷害。同樣的,也不能影響鳥類等自然動物的生存。
不過,製造者對於這些責難也有妙答,譬如瑪卡尼電力公司首席工程師就指出,他們的“大風箏”可以在不靠譜的氣候中自行著陸,並可在是否發電的模式中切換,不但系統可靠,而且用法相當簡便,運營商拿到就可以直接插電使用。
而阿爾塔羅斯能源公司則表示,他們的飛艇危險係數極低,因為研發中所使用的都是已運行數十年之久的既有技術。
發明了“可飛行發電機”的美國加州奧羅維爾市天空風能公司的PJ·謝潑德說:“與地面風能的發展軌跡一樣,高空風能一開始也遭遇到質疑,但很快便通過出色的表現證明了自己。人們對此需要調整自身的觀念,就像當年面對懷特兄弟發明的飛機一樣。”

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