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万米高空放飞8吨超级风筝(图)-牛比B的小马甲  

2008-07-07 08:50:42|  分类: 牛B科技论文 |  标签: |举报 |字号 订阅

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风筝发电机揭秘:万米高空放飞8吨超级风筝(图)
  2004年10月,德国一家风力电机制造商在距离汉堡60公里的西北部架起一座120米的风电机,为世界上最大的风力发电机之一。图为一个技师正在给一个巨型发电机安装旋翼。

风筝发电机揭秘:万米高空放飞8吨超级风筝(图)
这座风电机选址在一家核电站附近。


风筝发电机揭秘:万米高空放飞8吨超级风筝(图)
意大利KiteGen公司风筝发电机效果图

  文/ 韩少华

  首艘以风筝拉动的船于2008 年1 月起航,现在,用风筝发电也将成为现实。目前,全球风电资源5 万兆瓦,相当于50 个大型核电站的发电能力。当一台直径100 米的木马风筝把风能转化为5 亿瓦的电能,风电产业将发生巨变。风将化为无穷电力从天而来。

  在西伯利亚的荒原上,一台直径9 米的卷扬机缓缓放出直径0.5 米粗的钢索。钢索的另一端是50 张自上而下排列成一串的风筝,它们每张都有足球场那么大,像是一排饱满的风帆欲牵引着大地驶向天空。在这个俄罗斯物理学家波德哥茨所设计的风筝发电场景中,这组风筝将被放到6000 米高空做垂直运动积累能量,好像一座巨大的通天梯,让西伯利亚高空的狂风化身100 兆瓦的电能走下人间。

  旋转木马放风筝

  旋转木马和风筝组合而成的发电机更为轻巧。意大利巨杉公司的设计的KiteGen,把旋转的12 组风筝放到2000 米的高空收集风力,来牵引一个直径100 米的旋转木马转盘进行发电。波德哥茨的天梯风筝排列成一排做上下运动,不存在朝不同方向转的问题。一架风车的全部扇叶也可以被设计成相同的偏折角度。而让这12 组风筝向同一个方向运动则是个技术难题。KiteGen 的主设计师,48 岁的马西莫? 伊波利托是一个极限运动爱好者,经常会在周末去都灵郊外玩悬挂式滑翔。他由悬挂式滑翔伞的手动方向控制原理得到灵感,用一对高阻电缆传送地面控制信号来控制风筝的方向和角度。风筝本身的设计借鉴了他热衷的另一项运动——冲浪。风筝牵引冲浪所用的风筝重量轻、升空能力高、抵抗力超强, 与KiteGen所用风筝的要求很相似。

  “这个旋转木马还可以设计的更大一些,不必担心动力问题。”伊波利托表示,更大尺寸的转盘上面可以配制更多组风筝来收集风动力。根据巨杉公司的估计,直径100 米的木马风筝发电机可以转化5亿瓦的能量,堪比一座核电站。

  不过,这座木马风筝发电机目前还只是停留在绘图板上的一个概念,专家在进一步研究其可行性。要在哪里安置这台俏皮的大型旋转木马也是个问题。与游乐园的木马不同, KiteGen 必须拿到空域许可证,才可把12 组风筝放上天空。伊波利托眨眨眼说:“把它造到特里诺维切累斯核电站去吧,那里早已是禁飞区了。”

  伊波利托很快就可以在意大利见到自己设计的木马风筝发电机了。有意在风力发电产业有所发展的都灵公用事业公司与巨杉签订了技术合作协议,并将承担40%的样机制造费用。这家公司距离意大利主要进行风车发电的沿海地区较远,因此寄希望于高空风能的开发。

  高空风电场

  世界各国都在关注高空风能的开发。低空的风力并不恒定可靠,因此,一般风力发电站通常都设在可获得持续风能的高地或者海边。并且,为了提高风轮机的发电量,风车也越造越高,在夏威夷珍珠港北岸的世界上最大的风轮机高达122 米。

  澳大利亚悉尼科技大学机械工程学教授布莱恩? 罗伯茨表示:“海拔4600 米到1 万米的高空,气流强劲而稳定,是理想的空中风电厂。” 当巨杉公司在意大利寻找建造木马风筝的合适地点时,在美国加利福尼亚和圣地亚哥,罗伯茨与另外三个工程师启动试验,推出了他的“高空风车场”计划。

  在“风车场”里,风筝与风车发电机的主要组件风轮机被设计在一起,主要发电设备将全部被放上高空,就像一只真正的风筝。这只风筝有一个H型的巨大支架,支架上安装着发电机,支架的四端分别还有四个大型风轮机。这四个风轮机可像直升机螺旋桨一样旋转,带着发电机飞向高空。罗伯茨可以通过风筝上的全球定位系统确定其方位,在理想的高度利用风轮机的电脑辅助控制仪调整风筝迎风倾斜的角度。当风筝最终悬停在1 万米高空时,地面电站停止供电,此时时速近320 公里的强劲气流会吹动风车叶片发电。把风筝与地面紧密维系的是特制的电缆,将转化的电能以2 万伏的高压通过两根铝丝输送到地面。

  为了把这套复杂的设备送上天,罗伯茨必须尽量减轻它的体重。采用碳纤维、铝和玻璃纤维等材料制造的风轮机重约2 吨。当这只超过8 吨的“超级风筝”在万米高空遇到320 公里/ 小时的强风时,电缆核心直径7.6 厘米的超轻纤维缆绳可以保证它不被吹走。这种超轻纤维也被用来制造NASA 的航天飞船的安全气囊。

  在1 万米的高空,大气环流永远不会停息。罗伯茨估计自己的风筝发电机“比起经常因为无风而在地面上闲置的风车,发电能力高出3 倍”。而且高空可以不受地形地势等地理环境的限制进行电力输送,也大大降低了成本。据估计,300 个这样的发电风筝在200 平方公里的空域组成一个“高空风车场”,就足以供应整个芝加哥市的电力需求。

  罗伯茨表示用这台“高空风车”来发电,每度电的生产成本不到2 美分。而意大利巨杉公司在计算了木马风筝发电机的制造成本后,也宣布他们的成本不到1 欧分/ 度。高空的风能在被人类成功驾驭后,展现出其低廉成本和恒定产能效率的优势,伊波利托说:“我称之为一场革命,高空风能将会是未来新能源的一部分。风电可能会因此成为未来能源产业的主体。”

  目前,风电已经是全球范围内发展速度最快的能源产业,10 年来它以每年30% 的速度增长。全球现有风电资源5 万兆瓦,约等于50 个大型核电站的发电能力。

  风电时代的来临

  中国的风电产业起步较晚,不过最近两年开始高速增长,增长速度超过100%。2007 年,中海油在威海建成110 万千瓦的全球最大海上风电站。同年,海南5 座风电场开工,重庆也建成1 座风电场并计划发展成西部风电城??2007 年我国风电新装机328 万千瓦,仅次于美国和西班牙,成为世界风电增长最快的国家之一。

  中国的风能总储量虽然达到约43.5 亿千瓦,但是目前技术条件下可开发和利用的只有7 亿~12亿千瓦。在开发新能源的过程中缩减耕地资源——建设大规模的风力发电场可能占用大量耕地,这也是中国风电产业发展的瓶颈。新疆吐鲁番市的李晓冬十多年来一直想要尝试风筝发电:“倒没有什么研究成果,就是觉得这会是个不错的点子,所以想和人讲讲。”

  风电时代正在全面到来,目前全世界有许多关于风筝发电的好点子。荷兰代尔夫特工业大学曾有一个“梯式电站”的研究项目,他们设想把一组大风筝用缆绳串连成风筝环放飞到几千米的高空,由电脑控制使风筝环一边比另一边获得的风力高出更多, 而带动整个风筝环旋转,旋转产生的动力传递到地上的发电机,转化成电能。而加拿大的飞艇工程师佛瑞德? 费格斯则把飞艇和风车组合成“飞艇风车”,利用飞艇把桶形风车带到45 米~120 米的空中收集风力再由电缆输送到地面发电。这种“飞艇风车”被设计的很小,比较适合家庭使用。德国科学家想要设计出专供家庭使用的小型风筝发电设备:把发电机安装在房顶,然后把风筝放飞到100 米的高处收集风能,用来供给家庭所需的不到几千瓦的电力。

  然而,这些好点子并非都能得到实现。“梯式电站”已经停止研究,而“飞艇风车”也依然停留在设计图纸上。罗伯茨的“高空风车实验机”虽然已在地面风洞试验中成功,然而他至今仍无法筹集到制造和试验原型机的所需的400 万美元资金,“高空风车场”计划遭到投资者的冷遇。罗伯茨自嘲道:“他们可能更愿把钱花在有保险收益的能源大工程上。”

  伊波利托则乐观得多,他认为风筝发电设备覆盖区域小,却可产生巨大能量,优于诸如滑翔机发电机和风车等类似项目,在未来必将成为首选的风电设备:“即使设计无法立刻化为产品,我们仍然应该相信自己的想象力。只要找到恰当的技术来规范,它会立即变成强大的生产动力。”

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