風電新的解決方案

　　從定義看，高空風電是利用距地面約1600至40000英尺高空的風力來發(fā)電。早在20世紀70年代爆發(fā)能源危機時，各類高空風電的設計就不斷涌現(xiàn)。發(fā)達國家對高空風電的研究從未停止。美國、荷蘭、意大利等國都多次進行過高空風能發(fā)電試驗。目前主要有兩種高空風電的構架方式。第一種是在空中建造發(fā)電站，然后通過電纜輸送到地面；第二種類似“放風箏”，即通過拉伸產(chǎn)生機械能，再由發(fā)電機轉(zhuǎn)換為電能。

　　從技術層面看，高空“風箏型”發(fā)電有兩大關鍵環(huán)節(jié)，首先是高空風能收集環(huán)節(jié)，其次是高空風能轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)。其中，在高空風能收集環(huán)節(jié)，為了把“風箏”憑借風力送上天，至少需要100噸拉力。如果用鋼鐵做繩子，如此遠距離，鋼繩連自身重力都無法承受，因此采用的材料必須比重極輕，并具備高強度、耐腐蝕的特點。

　　高空風能轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，則需要有效解決空中系統(tǒng)的穩(wěn)定性，高空風能發(fā)電的持續(xù)性和穩(wěn)定性難以得到有效保障?！帮L箏型”高空風力發(fā)電系統(tǒng)中，由于“風箏”既擔負平衡作用，又擔負做功的主體，平衡運動與做功運動互相耦合，所以不能分別控制，對平衡的控制必然影響到做功運動。而做功運動也必然會影響到系統(tǒng)的平衡。在整個運行做功的過程中，系統(tǒng)的平衡穩(wěn)定很容易被破壞，而尋找平衡與做功的最佳控制模式復雜而又困難。

　　站在能源格局的角度，利用好風能十分必要。風能是太陽能的轉(zhuǎn)化形式，是一種不產(chǎn)生污染物排放的可再生自然資源。受破解化石能源日趨枯竭、保障能源供應安全和保護環(huán)境等訴求驅(qū)動，20世紀70年代中期以來，世界主要發(fā)達國家和一些發(fā)展中國家均十分重視風能的開發(fā)利用。特別是自20世紀90年代初以來，現(xiàn)代風能的最主要利用形式——風力發(fā)電發(fā)展十分迅速，全球風電機裝機年均增長率超過30%，從1990年的216萬千瓦升至2003年的4020萬千瓦。

　　同時，風電商業(yè)性開發(fā)的可行性已得到了驗證，限制風能大規(guī)模商業(yè)開發(fā)利用的主要因素——風力發(fā)電成本過去20年中有了大幅下降。隨風力資源不同、風電場規(guī)模不同和采用技術不同，風力發(fā)電的成本也相應有所不同。目前低風力發(fā)電成本已降至每千瓦時3至5美分，高風力發(fā)電成本也降至每千瓦時10至12美分。到2010年，其更將降至每千瓦時2至4美分和每千瓦時6至9美分，達到與化石能源展開競爭的水平。

　　隨著風能這一態(tài)勢的發(fā)展，全球風力發(fā)電裝機到2020年預計達12.45億千瓦，發(fā)電量占全球電力消費量的12%。業(yè)內(nèi)普遍認為，風能將是21世紀最有發(fā)展前途的綠色能源，是當前人類社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的最主要的新動力源之一。

　　我國具有產(chǎn)業(yè)先天優(yōu)勢

　　高空風電之所以被業(yè)內(nèi)給予很高期望，在于目前的風能利用僅限于幾十米至百米的低空，其一大缺點就是不穩(wěn)定可靠。而在幾千米至1萬米的高空，不僅風速更大且風力穩(wěn)定，一年中不刮風的時間不足5%，因此高空風能發(fā)電具有發(fā)電時間長與輸出穩(wěn)定的優(yōu)勢。同傳統(tǒng)風電相比，高空風電投資成本約為常規(guī)風電的1/3到1/2，而占地面積僅為1/30且無噪音，對環(huán)境影響較小。

　　業(yè)內(nèi)人士強調(diào)指出，高空風電客觀上克服了傳統(tǒng)風電因風量隨意性、波動性以及所處地理位置偏僻所伴生的電網(wǎng)建設欠缺等“缺陷”，可以一定程度上降低棄風問題的嚴重程度。

　　正因為如此，盡管業(yè)內(nèi)對于高空風電的技術可行性存有較大的疑問，但是高空風電客觀的存在并有巨大的利用價值卻是不爭的事實。

　　美國環(huán)境和氣候科學家克里斯蒂安·阿切爾和肯·考德伊拉在研究報告指出：高空中蘊藏的風能超過人類社會能源總需求的100多倍。美國國家環(huán)境預報中心NCEP1979年至2006年的數(shù)據(jù)資料表明：在500米至15000米的高度范圍，風的流向穩(wěn)定，且高度越高、風的強度越大，穩(wěn)定性就會越好；當靠近地面時，受地形等影響，風具有很強的隨機性，強度也顯著下降。

　　而美國國家環(huán)保中心和美國能源局的氣候數(shù)據(jù)則顯示，高空風能最好的地點是美國東海岸和亞洲東海岸。這其中，就包括中國。

　　相關資料顯示，中國絕大部分地區(qū)5000米以上高空中的有效風能密度在每平方米1000瓦以上。由于高空風的穩(wěn)定性，高空風能發(fā)電技術的另一大優(yōu)勢就是電場可以建在主干電網(wǎng)附近或大城市周邊，而不像傳統(tǒng)太陽能發(fā)電場、傳統(tǒng)風電場多位于遠離發(fā)達城市和主干電網(wǎng)的偏遠地區(qū)或海邊。

　　2009年，北京市上空百米高度的平均風速是每秒4.1米，能量密度是每平方米78瓦；700米高度的風速是每秒7.3米，能量密度每平方米430瓦；而在萬米高度，風速達到每秒34.5米，能量密度則上升到每平方米16275瓦。青島市條件更好：100米高度風速每秒5.5米，能量密度每平方米194瓦；700米高度風速每秒7.5米，能量密度每平方米470瓦；萬米風速每秒40.8米，能量密度高達每平方米22584瓦。

　　據(jù)國網(wǎng)能源研究院副總經(jīng)濟師白建華介紹，眼下正致力于高空風能發(fā)電的歐美知名公司主要有WindLift、Altaerosenergies、MakaniPower等，幾家公司分別發(fā)展自身的高空發(fā)電系統(tǒng)，目前研制出商用樣機，最早于今年內(nèi)能夠商用化。

　　此外，中國廣東高空風能技術有限公司創(chuàng)造性地發(fā)明了天風技術方案，采用傘梯組合型高空風電機組解決了高空風能采集穩(wěn)定性的問題，成為商業(yè)化的優(yōu)勢方案，世界上首臺實用性大功率高空風能發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)落戶安徽蕪湖。

　　兩大頑疾仍待解

　　白建華指出，風電在技術層面上有諸多解決方案，一是在“風箏”機翼上安裝類似螺旋槳的渦輪機葉片，空氣帶動葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電能，然后通過導電繩索將電能傳送到地面，這種技術如今被昵稱作“飛翔的發(fā)電機”；另一種方案是，通過空中的風箏施加給控制繩索的力，帶動地面設備發(fā)電。目前的主流高空風能發(fā)電模式是高空風箏型發(fā)電。不過無論是哪種解決方式，都是一種傘梯的組合形式。

　　傘梯組合高空風能發(fā)電的空中系統(tǒng)運行高度是300至10000米，與目前風力發(fā)電相比具有諸多優(yōu)勢。傘梯組合高空風能發(fā)電無噪音，無廢氣污染，不受地理位置的限制，是環(huán)境友好型的產(chǎn)品技術。高空風及高空風能相較于低空風和低空風能的優(yōu)勢是：風速大、平均能量密度高、地域分布廣、穩(wěn)定性高、常年不斷。

　　但白建華認為，哪怕克服了技術路徑和商業(yè)應用難題，高空發(fā)電仍有諸多難題待解，其中核心在于兩個方面。首先，其運行范圍內(nèi)需要禁飛，而我國高空風能豐富地區(qū)為經(jīng)濟發(fā)達的東部地區(qū)航線密集，而該區(qū)域卻是高空風能的優(yōu)勢區(qū)域，高空風能發(fā)電需要得到軍方的批準。目前我國空域緊張，高空風能發(fā)電能否大規(guī)模應用，需要等待空域改革的進一步進行，放開空域用于民用。

　　其次，就是風電上網(wǎng)問題，即使在技術和商業(yè)上均已實現(xiàn)突破的情況下，風電上網(wǎng)仍然困難重重。白建華強調(diào)，在近年快速發(fā)展之下，我國風電裝機規(guī)模在2012年底超過美國成為世界第一。但風電發(fā)展過程中，因電網(wǎng)建設工期不匹配而導致的棄風消納問題也逐步凸顯，并同樣可能成為高空風電的掣肘。數(shù)據(jù)顯示，今年上半年棄風限電主要集中在蒙西33億千瓦時、棄風率20%、甘肅31億千瓦時、棄風率31%、新疆29.7億千瓦時、棄風率28.82%.

　　未來國家節(jié)能減排的方向或會是高空風電領域最大的利好。長江證券研究報告認為，高空風能發(fā)電對節(jié)能減排作用顯著。根據(jù)專家統(tǒng)計估算，每輸出1度風電，可以節(jié)約0.4千克標準煤。

　　根據(jù)上述數(shù)據(jù)，并以中路股份參股的天風技術建設的100兆瓦高空風力發(fā)電場項目年發(fā)電量約5.6億千瓦時為例，可估算出僅此項目，正常投產(chǎn)后每年可為社會節(jié)約原煤逾30萬噸，減少污染物排放逾70萬噸。

　　白建華表示，可以預見風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)化道路仍然崎嶇，但是技術的實現(xiàn)并非遙不可及。更重要的是其商業(yè)模式存在一定吸引力。他預計，如果政策環(huán)境到位，技術層面完全能達到商業(yè)化“甜蜜點”，只要產(chǎn)業(yè)配套成熟，未來發(fā)展仍值得期待。

來源：中國證券報

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