风筝式高空风电机模拟示意图
［科学时报 陈欢欢报道］我国是资源大国，但是很少有人注意到，我国还是高空风能大国。
今年早些时候，美国媒体报道，科学家正尝试用高空风电为纽约市供电。利用该技术，科学家将从万米高空采集风能。
其实，我国江浙鲁地区的高空风能密度远大于纽约，为世界之最。
风电是现今世界发展最快的能源产业，10年来它以每年30%的速度增长。然而，目前的风能利用仅限于几十米至百米的低空，其一大缺点就是不恒定可靠。而在几千米至1万米的高空，不仅风速更大，且风力稳定，一年中不刮风的时间不足5%。专家普遍认为高空风能要比地面高出数百倍。
斯坦福大学卡内基研究所的气候科学家肯·卡尔代拉认为，风中包含的总能量是地球上的人所需总能量的100倍，但是大部分风能都位于高空。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，气流强劲稳定，是理想的空中风电厂。
虽然听起来很美，但要制造一个高达万米的涡轮机显然不可能。目前，很多发达国家都在开发高空风电技术。
近日，在山东东营举行的2009清洁能源国际高峰论坛上，加州天风有限公司董事长张建军博士介绍了自己研发的高空风电技术，并透露将在广东省建立中国第一个高空风电示范项目。
世界各地的高空风电
早在20世纪70年代爆发能源危机时，各类高空风电的设计就不断涌现。美国能源部曾开展过一个高空风电项目，但是到了80年代，由于能源部官员将经费挪为他用，最终使其无疾而终。不过，发达国家对高空风电的研究并未停止。
据记者了解，目前主要有两种高空风电的构架方式。第一种是在空中建造发电站，然后通过电缆输送到地面；第二种类似放“风筝”，通过拉伸产生机械能，再由发电机转换为电能。
荷兰科学家放入高空的就是一个典型的风筝。2008年，据英国《卫报》报道，荷兰代尔夫特工业大学的科学家将一只面积为10平方米的风筝放入1000米的高空，风筝通过拉与地面发电机连接的绳子最终产生了10千瓦的电力。研究人员还设计了一个由众多风筝组成的梯形电站，能产生100兆瓦电流。
同荷兰的风筝相比，意大利的装置更像是放风筝的“旋转木马”。据意大利媒体报道，2007年，意大利推出了风筝风力发电机KiteGen的计划。该装置的发电原理是：500～800米高的风筝在风力作用下，带动地面的转盘在磁场中旋转产生电能。研究人员通过计算估计，一个直径1600米的转盘、2000平方米的风筝的发电能力可达100万千瓦，这相当于意大利目前电力的1/30。
当意大利在积极建造旋转木马风筝时，美国也推出了“高空风车场”计划。 在这个计划中，发电机等主要发电设备全部跟随风筝由风轮机带动飞入空中，最终悬停在1万米高空。在这里，时速近320公里的强劲气流吹动风车叶片发电，再由电缆将电能以2万伏的高压输送到地面。专家称，300个这样的发电风筝就足以供应整个芝加哥市的电力需求。
此外，世界各地还有关于风筝发电的许多设想。如加拿大的“飞艇风车”，德国的屋顶小型家用风筝电站等。
据计算，这些高空风电的建设成本和发电成本远低于化石燃料和常规低空风能。几乎所有人都称之为“一场能源革命”。
然而，事实却是，国外的一些研究由于没有经费支持已经停止。如“高空风车场”虽然已在地面风洞试验成功，但仍遭到投资者冷遇。美国国家可再生能源实验室发言人乔治·道格拉斯指出：“我们现在很大程度上只盯着那些可以快速商业化的项目。”
目前，美国、意大利的几家公司仍在继续高空风电机的开发，已在市场中占有先机。美国Magenn公司预计在2010年出售2到4台工作原型机。专家指出，该项技术进入市场的速度取决于将有多少投资。如果资金充足，风筝电站很有可能在5年内进入商业操作阶段。
登陆中国的高空发电
北美东海岸和中国沿海地区是绝佳的高空风力资源区。
据记者了解，最先进的地面风力发电站的风力密度低于1千瓦/平方米。而在纽约上空急流附近，风力密度可达到16千瓦/平方米；中国陆地上空万米高空处大部分地区的风力密度均值超过5千瓦/平方米，而江浙鲁地区上空的高空急流附近的风力密度甚至达到30千瓦/平方米，为世界之最。
中国气象局国家气候中心研究员张秀芝提出，江浙鲁是利用高空风能的绝佳地带。张建军表示，这也是他回到中国应用高空风电技术的原因之一。
张建军出生于广东省梅州市，毕业于中山大学电子系，后在美国获得博士学位，曾在美国几家公司担任技术总监，拥有多项发明专利。2005年，他自立门户，在加州创建了天风公司，发明了一种新型的高空风电技术，称为“天风技术”。这也是一种“风筝”式的高空风电技术。
据他向《科学时报》记者介绍，天风技术的主要原理就是使风筝如滑翔机般借助风力上升，产生的拉力拉动缆绳带动发电机发电；当风筝上升到最大高度后，再通过控制系统调整风筝翅膀的角度，使其利用自身重力下降。之后再上升供电，如此反复。
张建军指出，这种高空风电技术主要有两大技术难点，一是材料，二是控制技术。首先，为了把风筝凭借风力送上天，风筝必须采用超轻材料，同时具备高强度、耐腐蚀的特点。他最终选择的材料直到最近两年才被研发出来。而选用的缆绳虽然比水还轻，却具有很高的强度，完全耐切割。
高空风电的原理虽然简单，但具体的控制技术却异常复杂、精细。通过几年的研究，学电子出身的张建军在控制技术上形成了突破。最终，天风公司在美国自主研制的3套不同功率的样机不仅在台风及暴风雨情形下能正常运转；通过在各种天气条件下的测试，张建军还发现，同国外现有的高空风电技术相比，天风技术更为稳定，并且高低空皆可运行。
张建军表示，同传统风电相比，高空风电投资成本约为常规风电的1/3～1/2, 发电成本约为1/3，而占地面积仅为1/30，并且无噪音，对环境影响较小。不过，其范围内的高空必须禁飞。
目前，该项技术已经获得投资公司的青睐，将在中国开展商业化开发工作。该投资公司负责人表示，之所以对其投资主要看中该技术是具有定价权和核心竞争力的创新技术。
最近一段时间，张建军特别忙，他正在广东组建广东高空风能技术有限公司，打算逐步把美国公司搬到中国。同时，还将在广东建立首个高空风能研究中心及风洞实验室，并将在广东建造首座10万千瓦级高空风能发电系统。他透露，10万千瓦级系统的发电成本约为0.2元/度。另外，如果一切顺利，明年的上海世博会期间，天风公司在中国的第一台样机将正式与公众见面。
《科学时报》 (2009-11-19 A3 技术 产业)
