分布式能源, 2024, 9(1): 1-9 doi: 10.16513/j.2096-2185.DE.2409101

学术研究

高空风力发电关键技术、现状及发展趋势

韩爽,, 刘杉

新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京市　昌平区　102206

Key Technologies, Current Status and Development Trends of High-Altitude Wind Power Generation

HAN Shuang,, LIU Shan

State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources, North China Electric Power University, Changping District, Beijing 102206, China

收稿日期: 2023-06-23  

基金资助: 国家重点研发计划项目.  2022YFE0117600

Received: 2023-06-23  

Fund supported: This work is supported by National Key R&D Program of China.  2022YFE0117600

作者简介 About authors

韩　爽(1974)，女，教授、博士生导师，主要研究方向为风电功率预测、风资源特性分析和风电场效能评价，hanshuang@ncepu.edu.cn； , E-mail：hanshuang@ncepu.edu.cn

刘　杉(1999)，女，本科，主要研究方向为风力发电、电力需求侧响应 。

摘要

高空风能是一种储量丰富、分布广泛的清洁能源。高空风力发电系统是通过系留航空器装置将高空风能转换成电能。与传统风力发电相比，高空风力发电具有发电效率高、稳定性强以及选址受限少等优点。然而，高空风力发电稳定控制技术难以突破以及制造材料难以获得等问题也制约了高空风力发电的发展。结合目前高空风力发电的实际发展情况，针对高空风力发电系统类型、关键技术、发展现状、存在问题和发展趋势进行了总结和提炼。首先，围绕高空风力发电系统设计，介绍了3种高空风力发电系统设计技术，并阐述了各自优缺点；然后，提出了高空风力发电系统中的3项关键技术，并对其进行了详细论述。最后，对高空风力发电技术发展与应用的研究方向及发展前景展开探讨，旨在为高空风力发电未来研究提供借鉴和思考。

关键词： 高空风能 ; 高空风力发电 ; 系留风筝 ; 系留飞行器 ; 系留浮空器

Abstract

High altitude wind energy is a clean energy source with abundant reserves and wide distribution. High altitude wind power systems are used to convert high altitude wind energy into electrical energy by means of a tethered aircraft device. Compared with traditional wind power generation, high-altitude wind power generation has the advantages of high-power generation efficiency, strong stability, and fewer restrictions on site selection. However, problems such as the difficulty of breaking through the stabilization and control technology of high-altitude wind power generation and the difficulty of obtaining manufacturing materials have also constrained the development of high-altitude wind power generation. Combined with the current actual development of high-altitude wind power generation, it summarizes and refines the types of high-altitude wind power generation systems, key technologies, development status, problems, and development trends. Firstly, around the design of high-altitude wind power generation system, three kinds of high-altitude wind power generation system design technologies are introduced and their respective advantages and disadvantages are elaborated; then, three key technologies in the high-altitude wind power generation system are proposed and discussed in detail. Finally, the research direction and development prospect of the development and application of high-altitude wind power generation technology are discussed, aiming to provide reference, and thinking for the future research of high-altitude wind power generation.

Keywords： high-altitude wind energy ; high-altitude wind power ; tethered kites ; tethered aircraft ; tethered floatplane

PDF (5729KB) 元数据 多维度评价 相关文章 导出 EndNote| Ris| Bibtex  收藏本文

本文引用格式

韩爽, 刘杉. 高空风力发电关键技术、现状及发展趋势. 分布式能源[J], 2024, 9(1): 1-9 doi:10.16513/j.2096-2185.DE.2409101

HAN Shuang, LIU Shan. Key Technologies, Current Status and Development Trends of High-Altitude Wind Power Generation. Distributed Energy[J], 2024, 9(1): 1-9 doi:10.16513/j.2096-2185.DE.2409101

0　引言

新能源具有环保、清洁、可持续发展等优点，是解决全球的环境问题以及能源问题的十分重要的抓手。风能是新能源领域的重要组成部分，目前全球利用风能的主要形式为风力发电。我国“十四五”规划中提出要加强新能源领域的发展，推动绿色低碳发展以及能源清洁高效利用。据中国国家能源局发布的2022年全国电力工业数据，我国2022年风电装机容量约3.7亿kW，同比增长11.2%[1,2]。国内外风能利用方式多以传统的风力发电机组通过低空风力发电为主。风电场所在位置的风能密度是利用风能发电的首要考虑因素[3,4,5]，但低空风力发电仍存在风电场选址受人类活动影响较大、建设及运维成本相对较高、噪声污染严重、风速随机性与波动性较大导致风力发电稳定性较低等难点[6]。

越来越多的国家开始研究高空风力发电技术，这项技术通过利用距离地面0.5～12 km的风能进行发电。美国国家环境预报中心指出当高度范围为0.5～12 km时，风向较为稳定；随着高度增高，风速越大，同时风的稳定性越好，风能资源越优越。我国高空风能资源是世界最丰富的国家之一。我国内蒙古、甘肃北部、东南沿海等低空风能最富集地区的有效风能密度为200～300 W/m2，然而当高度在5 km以上时，我国大部分地区的风能密度为1 000 W/m2[6,7]。

ARCHER等人[8]首次评估了全球0.5～12 km的可用风力发电资源。研究表明，当高度为500 m时，平均风能密度约为地面风能密度的2倍，达到225 W/m2。相较于低空风力发电，高空风力发电具有风能资源丰富且风能平稳的优势。同时高空风力发电选址受限较少，建设场地距负荷中心较近、利于风电就近消纳。因此，高空风能具有优越的开发潜力。

国家发改委和能源局印发了《能源技术革命创新行动(2016—2030)》，将高空风能发展提上日程，开展大型高空风电机组关键技术研究。高空风能利用的关键是高空风力发电系统，即采用具有系留绳的飞行器对高空风能进行捕获，将风的动能转化为机械能，再通过发电装置将机械能转化为电能[9,10]。近年来，高空风力发电技术已经成为国内外工程实践以及科学研究的热点，高空风力发电技术研究主要包含系统设计技术、控制技术、制造技术等方面。针对现有综述研究的不足和高空风力发电技术发展需求，针对高空风力发电系统类型、关键技术、发展现状、存在问题和发展趋势进行总结和提炼。

1　高空风力发电系统设计

高空风力发电系统是实现高空风能捕获的主要技术，即采用系留式飞行器，达到传统风力发电机组无法达到的高度，在此高度下捕获风能并将其转化为电能。各类高空风力发电系统的设计各不相同，主要由飞行器、系留部件、发电机和地面设施四部分组成，其中飞行器是高空风力发电系统中的核心部件[11,12]。以飞行器为研究对象，主要分为系留风筝式[13,14]、系留飞行器式[15,16,17,18]和系留浮空器式[19,20,21]3种高空风力发电系统设计类型。

1.1　系留风筝式高空风力发电技术

系留风筝式高空风力发电技术通过2种方式实现：滑翔式系留风筝和伞梯状系留风筝。滑翔伞式系留风筝如图1所示，通过控制滑翔伞在高空中按照特定轨迹运动，由滑翔伞牵引系留绳带动发电机发电。伞梯状系留风筝如图2所示，通过控制风筝开闭，实现风筝上下往返循环运动，带动发电机将动能转换为电能。

图1

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图1   滑翔系留风筝式高空风力发电技术

Fig.1   High altitude wind power technology of gliding tethered kite type


图2

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图2   伞梯状系留风筝式高空风力发电技术

Fig.2   High altitude wind power generation technology of parachute trapezoidal tethered kite type


系留风筝式技术采用发电机置于地面，通过系留绳带动发电机的陆基发电技术路线。这种方法建设简单，成本较低，能够避免因将发电机置于空中而导致空中部分质量过高而难以控制的难题[13]。但也带来了空中飞行部分“风筝”难以满足升力运动及做功运动相互耦合的系统控制目标。在实现“风筝”平衡作用的同时，必然影响其做功运动，反之亦然。因此，系留风筝式高空风力发电系统难以同时实现持续做功和保持平衡，这就导致其电力输出的持续性和稳定性难以得到保障[14]。

相较于滑翔系留风筝，伞梯状系留风筝飞行轨迹更加单一，飞行控制更加简单，在一定程度上克服了持续做功及系统稳定的难题。伞梯状系留风筝式高空风力发电系统能够实现在复杂的风力环境下稳定的电力输出，实现了高空风力发电技术从“能发电”到“稳定发电”的突破[15,16]。然而“风筝”需要进行伞梯状组合，建设材料、建设环节增多，因此其风电场建设成本进一步增高。

1.2　系留飞行器式高空风力发电技术

按发电机所在位置分类，系留飞行器式高空风力发电技术分为机载发电机式系留飞行器和地面发电式系留飞行器。机载发电机式飞行器即将永磁电机固定于飞行器上，利用飞行器迎风飞行带动发电机发电，将风能转化为电能[17]。通过系留绳将电能传输至地面储能系统，原理如图3所示。地面发电式系留飞行器即控制飞行器按照“8”字型轨迹进行运动，系留绳牵引地面发电机发电，其原理如图4所示。

图3

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图3   机载发电机系留飞行器式高空风力发电技术

Fig.3   High-altitude wind power generation technology of airborne generator tethered aircraft type


图4

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图4   地面发电系留飞行器式高空风力发电技术

Fig.4   High-altitude wind power generation technology of ground-powered tethered aircraft-type


机载发电机式飞行器机翼搭载发电机，飞行器需要迎风飞行提高风能利用效率。飞行器需要同时搭载传感器来控制其飞行状态以及飞行轨迹，并能够选择不同的飞行模式以适应复杂风力环境[18,19]。

地面发电式飞行器式高空风力发电技术将不具备发电功能的轻量飞行器系在系留绳上，通过飞行器拖拽系留绳，带动地面发电机发电从而实现高空风能转化为电能。轻量飞行器的设计将同时兼顾飞行器材料硬度以及飞行速度，然而飞行器材料相对较硬时，飞行器飞行速度将大幅提升，在提升风能捕获效率的同时，发电系统的安全性随之降低；反之，飞行器材料较软时，飞行器飞行速度将大幅降低，从而降低风能捕捉效率[20]。因此，地面发电式飞行器难以平衡风能捕获效率及系统安全。

1.3　系留浮空器式高空风力发电技术

系留浮空器利用气体浮力提供升空动力，通过与地面设备连接进行升空和驻空飞行，从而实现高空风能发电。按照浮空器类型分类，系留浮空器分为如图5所示的镂空形系留浮空器以及图6所示的涡轮形系留浮空器。

图5

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图5   镂空形系留浮空器式高空风力发电技术

Fig.5   High altitude wind power generation technology of skeleton shaped tethered floatplane type


图6

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图6   涡轮形系留浮空器式高空风力发电技术

Fig.6   High altitude wind power generation technology of turbine tethered floatplane type


镂空形系留浮空器式高空风力发电技术是一种将风力发电机组固定在镂空形浮空器中，利用高空风能发电的技术[21]。这种技术将风力发电机组置于一定高度，通过控制浮空器的形状和姿态，使其能够随着风向和风速的变化而旋转，从而最大限度地利用风能进行发电[22]。涡轮形系留浮空器式高空风力发电利用高空风能带动浮空器旋转，从而能带动浮空器两端发电机发电。系留浮空器式高空风力发电技术是目前应用范围最为广泛的技术方案，具有简单、易控制、能够长时间平稳发电的优点。但自身体积相对较大、抗风能力较低，因此总体发电量较低。

2　高空风力发电系统关键技术

2.1　飞行控制技术

高空风力发电技术落地的关键是实现飞行控制。飞行控制的本质是对高空风力发电系统的飞行组件运动过程进行控制，实现风能到电能的转换。高空风力发电系统飞行组件处于飞行状态，不可避免会受到空中气流的扰动。这些扰动将引起空中结构不稳定、发电不稳定等问题，甚至造成坠毁等严重问题。因此，需要飞行控制实现系统飞行状态平衡及发电稳定。高空风力发电技术按照发电机的所在位置，分为陆基高空风力发电[22,23]和空基高空风力发电[24,25]。发电机所在位置不同，其飞行控制方式也不同。

陆基高空风力发电是空载飞行组件于空中飞行，发电机置于地面，飞行组件在风力的作用下，带动系留绳循环反复牵动地面发电机转子旋转产生电能。陆基高空风力发电飞行组件基本上遵循着“8”字或竖直的飞行轨迹，提升系留绳牵引效率[21]。陆基高空风力发电机组飞行控制技术主要分为主动控制技术、被动控制技术和混合控制技术[24]：主动控制技术通过控制飞行器的气动布局，改变其空气动力特性，提高飞行器的稳定性和操控性；被动控制技术通过改变飞行器的外形和结构，利用空气动力学原理，降低飞行器受到的空气阻力，提高其稳定性和续航能力；混合控制技术将主动控制技术和被动控制技术相结合，综合利用两种技术的优点，实现最优的飞行控制效果。

空基高空风力发电将轻型风力发电机搭载于飞行器上，在特定的飞行控制下，使飞行器在风和缆绳的共同作用下按照一定的轨迹循环飞行。在飞行过程中，由气流带动发电机发电，通过系留绳将电能传输回地面，实现高空风力发电[25]。空基高空风力发电机组飞行控制技术主要分为气动控制技术、推力控制技术、阻尼控制技术、导航控制和协同控制技术：气动控制技术通过控制飞行器的气动布局，利用空气动力学原理，实现对飞行器的稳定控制。气动控制技术主要包括舵面控制和飞翼控制等。推力控制技术通过控制飞行器的发动机推力，实现对飞行器的稳定控制，包括全动控制和辅助控制等。阻尼控制技术通过控制飞行器的阻尼，利用空气动力学原理，实现对飞行器的稳定控制，包括被动阻尼和主动阻尼等。导航控制技术通过集成GPS、北斗等导航系统，实现飞行器的自主导航和定位，提高发电效率，主要包括惯性导航、卫星导航和组合导航等[26]。多机协同控制技术通过多架飞行器的协同配合，实现高效的风能捕获和电能生成，主要包括编队飞行、集群控制等。

2.2　关键制造技术

2.2.1　轻质高强度的蒙皮材料

高空风力发电轻质高强度的蒙皮材料通常采用碳纤维复合材料。碳纤维复合材料[27,28]由碳纤维和树脂组成，通过层叠和固化工艺制成各种形状和尺寸的构件，具有高强度、高刚性、轻质、耐腐蚀等优点，可以有效提高高空风力发电机的性能和可靠性。除此之外，还具有比强度和比刚度较高，良好的耐腐蚀性和抗疲劳性的优点，可以有效降低整机重量，提高发电效率，延长高空风力发电机的使用寿命。除了碳纤维复合材料外，还有其他轻质高强度的蒙皮材料可供选择，如玻璃纤维复合材料、钛合金等。这些材料都具有高强度、轻质、耐腐蚀等优点，但成本相对较高。选择合适的蒙皮材料需要根据实际应用场景和需求进行综合考虑[29]。

轻质高强度的蒙皮材料制造难题主要包括材料选择与制备，结构设计，制造工艺及质量控制等方面[30]。轻质高强度的蒙皮材料需要具备轻质、高强度、耐腐蚀、抗疲劳等特性，同时要易于加工和制造。碳纤维复合材料是目前较为常用的轻质高强度蒙皮材料，但制备工艺复杂，成本较高。蒙皮材料需要承受风力发电机的各种载荷和气候条件下的变化，因此需要进行合理的结构设计，确保其具有足够的强度和稳定性。轻质高强度的蒙皮材料制造工艺要求较高，需要掌握先进的制造技术，如树脂传递模塑、真空袋压成型等。同时，对于复合材料的层叠和固化工艺也需要进行精确控制，以确保材料具有优良的性能。轻质高强度的蒙皮材料制造过程中需要进行严格的质量控制[31]，确保每个制造环节的稳定性和可靠性，以保证最终产品的质量。为了解决这些制造难题，需要不断进行技术创新和研发，提高制造工艺和技术水平，同时加强质量控制和安全管理，以确保产品的质量和可靠性。

2.2.2　低阻轻质系留绳

低阻轻质系留缆绳技术是高空风力发电制造技术的关键之一。系绳在空中随飞行器一起运动会产生空气阻力，运动速度越快，参与运动的绳子越长，阻力带来的能量消耗也越多。因此，降低缆绳的阻力可有效提升飞行器的飞行速度和高度。

高空风力发电低阻轻质系留绳的种类主要包括碳纤维复合材料系留绳、玻璃纤维复合材料系留绳、钢丝绳系留绳及尼龙绳系留绳。碳纤维复合材料系留绳[32]碳纤维复合材料具有高强度、轻质、耐腐蚀、抗疲劳等优点，可以用于制造低阻轻质系留绳。这种系留绳具有较高的比强度和比刚度，可以有效降低重量，提高传输效率。玻璃纤维复合材料系留绳[33]也具有轻质、高强度、耐腐蚀等优点，可以用于制造低阻轻质系留绳。与碳纤维复合材料系留绳相比，其价格更为便宜，但在强度和稳定性方面可能略有不足。钢丝绳系留绳[34]是一种常用的系留绳，具有较高的强度和稳定性，但重量较大，空气阻力也较大。为了降低重量和阻力，可以采用细径化设计或采用高强度钢材等措施。尼龙绳系留绳[35]是一种常见的系留绳，具有轻质、高强度、耐腐蚀等优点，同时价格相对较低。但尼龙绳的强度和稳定性不如碳纤维复合材料和钢丝绳，因此一般适用于短期使用或低强度应用场景。

低阻轻质系留绳的制造需要解决材料、结构设计、阻尼性能及连接可靠性等问题。为了实现低阻和轻质，需要选择具有高强度、轻质、耐腐蚀、抗疲劳等特性的材料。例如，碳纤维复合材料具有较高的比强度和比刚度，可以有效降低系留绳的重量，提高传输效率。合理的结构设计可确保在使用过程中具有足够的强度和稳定性[36]。例如，可采取细径化设计，减小系留绳的直径，降低空气阻力。良好的阻尼性能可克服其在使用过程中受到风阻、振动等因素的影响，以保持稳定[37]。可采用高弹性材料和阻尼结构设计，提高系留绳的阻尼性能。连接可靠性确保飞行器和地面设备连接稳定性和可靠性问题，可采用先进的连接技术和材料，如高强度螺栓连接、快速插拔连接等。低阻轻质系留绳的生产工艺要求较高，需要掌握先进的制造技术，如纤维编织、树脂传递模塑、高温固化等。同时，对于生产过程中的质量控制也需要进行严格把关，以确保产品的质量和可靠性。

2.3　经济分析技术

高空风力发电的生命周期评估可以帮助我们全面了解高空风力发电系统的能耗、资源消耗、环境影响等方面，为系统的优化提供指导[38,39]。同时，还可以通过评估发现潜在的问题和风险，采取措施加以解决，提高系统的可靠性和可持续性[40]。

在生命周期评估方面，文献[41]中详细介绍了建立评估模型的方法。首先，需要明确评估目标和范围，确定评估的重点和要求。然后，需要收集与系统生命周期相关的数据，包括原材料的采集、生产、运输、安装、运行、维护、报废等各阶段的能耗、资源消耗、环境影响等方面的数据。这些数据可以通过文献资料、实地调查和专家咨询等方式获得。接下来，根据收集的数据，建立生命周期评估模型。该模型可以是数学模型或仿真模型，根据实际系统特点和要求进行构建。模型中需要确定各阶段的能耗、资源消耗、环境影响等指标，并分析各阶段的关联和影响。通过模型可以模拟系统的生命周期过程，并对各个阶段进行评估和分析[42,43]。

除了生命周期评估模型的建立和应用，文献[44]中还介绍了其他一些评估方法。基于能效的评估方法可以通过比较相同发电量下不同发电方式的能耗水平来评估高空风力发电系统的能效水平[45]。该方法可以直观地了解高空风力发电系统的能效水平，为系统的优化提供指导。另外，基于仿真的评估方法可以建立高空风力发电系统的仿真模型[46]，模拟系统的运行过程并评估系统在不同环境条件下的性能表现[47,48]。该方法可以为系统的设计和优化提供参考。

3　高空风力发电技术应用现状

高空风力发电技术是一种利用高空风能进行发电的新型技术。在国内，高空风力发电技术已经成为了新能源领域的重要发展方向之一，并得到了政策的大力支持和市场的广泛认可。同时，国内外的科研机构和企业也在不断进行技术创新和研发，提高高空风力发电技术的效率和可靠性，降低成本，进一步推动该技术的发展和应用。

3.1　空基发电技术应用

空基高空风力发电[49]将发电机置于空中，通过气流吹过叶片平面从而带动发电机发电。轻型风力发电机被安装到飞行器上，然后被释放到高空中。通过特定的操作方式，飞行器将在风力和缆绳的共同作用下，按照特定的轨迹进行循环飞行。在飞行过程中，气流将驱动发电机进行发电，随后通过缆绳将产生的电能传输回地面。

空基高空风力发电技术有浮空器型方案，美国Altaeros Energies公司研制了浮空风力发电机，其安装快捷无需地面基础设施即能实现风力发电，能够为偏远基础设施不齐备的地区提供电能。Magenn Power公司基于马格努斯效应研制了近似椭球形浮空器，此浮空器转速较低，发电稳定性好。空基高空风力发电技术还有无人机型方案，美国Makani公司使用由系留绳牵引固定翼无人机在250～600 m控制飞行轨迹，利用机翼的涡轮机迎风发电。谷歌X实验室研发了名为“天鹰”(Project Aquila)的无人机空中风力发电项目。该项目利用大型风筝在较高空域捕获风能，并通过风筝搭载的电力转换系统将风能转化为电能。

空基发电机组与传统风电机组发电模式相似，由气流吹过叶片平面带动发电机发电。当高空风能稳定时，则高空风力发电稳定。然而空基风力发电将叶片与发电机都置于空中，总体重量高于陆基发电，因此需要重点考虑飞行组件的轻量化设计。同时需要考虑电能通过系留绳的传输，如果是浮空器发电方案，还需要浮空器中气体泄露与补偿问题，因此空基风力发电系统集成难度较高。

3.2　陆基发电技术应用

陆基高空风力发电[50,51]将发电机放置在地面上，并通过飞行器与地面的连接实现发电。具体来说，飞行器被固定在缆绳上，类似于将风筝放飞到高空。在风力的作用下，飞行器牵引地面发电机转盘旋转，从而产生电能。

陆基高空风力发电技术也有2种实现方案：风筝型技术方案以及类无人机型技术方案。意大利KiteGen公司使用拱形风筝捕获高空风能，控制系留绳的收放实现能量转换，KiteGen公司建设了装机容量为3 MW的首个规模化风筝发电站。中国广东高空风能技术有限公司研发了伞梯组合式风力发电，通过调整系统运行高度对发电功率进行调节。中国大唐集团与英国一家公司合作开发了一种名为“唐风”(Tang Wind)的高空风力发电项目，采用了类无人机型技术方案，利用具有垂直起降能力的偏航飞机在较高空域捕获风能。

陆基高空风力发电技术将发电机置于地面，通过系留绳带动地面发电机转动从而实现发电，由于需要不断进行系留绳收放操作，做功过程无法持续进行，因此发电稳定性存在较大缺陷；对于需要长时间运行的发电系统来说，系留绳的耐磨性要求更高，同时飞行高度不会过高，这可能会成为制约这种技术推广的关键因素之一。另一方面，陆基发电方式空中结构较简单，设计及实现较为简单，系统集成难度更低。

4　高空风力发电技术发展前景与难题

高空风力发电技术具有广阔的发展前景，它利用高空丰富的风能资源，结合先进的发电技术，为全球能源转型提供了可持续、可再生的能源解决方案。

高空风速比地面风速更高，具有更高的能量密度。因此，高空风力发电的发电量相对更高，能够满足更大范围的能源需求。与地面风力发电相比，高空风力发电无需占用大量土地，对环境影响较小。在高海拔地区，如山区、沙漠等，可充分利用这些空旷地带进行建设。高空风力发电系统可与分布式能源网络相结合，形成智能电网。这样可以提高能源利用效率，降低传输损耗，同时满足不同地区的能源需求。

然而，要实现高空风力发电技术的广泛应用，仍需克服一些技术难题。尽管高空风力发电技术具有潜力，但目前仍处于发展阶段。许多关键技术尚未完全掌握，如高海拔地区的风能监测、预测和发电机组的优化设计等。其次，高空风力发电设备需要承受高海拔、极端温度、强风等恶劣环境条件，对设备的质量和可靠性提出了更高的要求。同时，设备的维护和检修也面临更大的挑战。高空风力发电需要建立相应的输电网络将电力输送至需求地区。这涉及到复杂的地形地貌、气象条件和通讯系统建设等问题，增加了投资成本和建设难度。高空风力发电作为一种新兴技术，需要政府在政策、法规和税收等方面给予支持。此外，公众对高空风力发电的认识和接受程度也会影响其发展。虽然高空风力发电对环境的破坏较小，但仍可能对鸟类迁徙、飞行器运行等方面产生一定的影响。因此，需要开展环境影响评估工作，确保其可持续发展。

综上所述，高空风力发电技术具有巨大的发展潜力，但要实现广泛应用仍需克服一系列技术难题。未来需要加强研发力度，推动技术创新，同时加强政策引导和公众宣传，促进高空风力发电技术的可持续发展。

5　结论

高空风力发电技术是一种利用高空丰富的风能资源进行发电的技术。高空风力发电技术通过风力发电机将高空风能转化为电能。与传统的地面风力发电技术不同，高空风力发电技术通过将发电机悬挂于高空飞行器或风筝上，利用高空强大的风力进行发电。相比传统的地面风力发电技术，高空风力发电具有更高的能量密度和更少的地形限制，因此具有广阔的发展前景。

目前，高空风力发电技术主要包括空基发电技术和机载发电式系留飞行器高空风力发电技术。空基发电技术主要通过将发电机悬挂于空中飞行，利用飞行器和风力的作用来发电。而机载发电式系留飞行器高空风力发电技术则将永磁发电机固定在飞行器的机翼或桨叶上，通过控制飞行器的飞行状态和轨迹，使发电机转动发电，并通过系留绳将电能引入储能设备。高空风力发电站建设选址要求低，所受地理限制影响相比传统风力发电选址大大减小。因此，高空风力发电具有很好的分散性，可以灵活地布局在城市、山区、海上等不同环境中。未来，高空风力发电将会更加注重分散式布局，以充分利用各地的风能资源，提高电力供应的可靠性和稳定性。

虽然高空风力发电技术具有许多优点，但仍然存在一些难题需要克服。例如，如何保证设备在恶劣环境条件下的可靠性和耐久性、如何提高设备的发电效率和降低成本、如何实现设备的自动化管理和智能化控制等。目前，高空风力发电项目的建设和运营成本还相对较高，但随着技术的进步和规模的扩大，成本将会逐渐降低。总体来说，高空风力发电技术是一种具有广阔发展前景的清洁能源技术。未来，需要进一步加强技术研发和市场验证，推动技术的创新和进步，以实现高空风能资源的更高效利用和可持续发展。

参考文献

薛桁，朱瑞兆，杨振斌，等.

中国风能资源贮量估算

[J]. 太阳能学报，2001, 22(2): 167-170.

[本文引用: 1]

XUE Hang, ZHU Ruizhao, YANG Zhenbin, et al.

Estimation of wind energy resource storage in China

[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2001, 22(2) : 167-170.

[本文引用: 1]

郑崇伟，潘静.

全球海域风能资源评估及等级区划

[J]. 自然资源学报，2012, 27(3): 364-371.

[本文引用: 1]

ZHENG Chongwei, PAN Jing.

Wind energy resources assessment in global ocean

[J]. Journal of Natural Resources, 2012, 27(3): 364-371.

[本文引用: 1]

阎洁，张永蕊，张浩.

区域风电场群集中式功率预测系统设计与应用

[J]. 分布式能源，2022, 7(1): 28-36.

[本文引用: 1]

YAN Jie, ZHANG Yongrui, ZHANG Hao.

Design and application of centralized power forecasting system for regional wind farm cluster

[J]. Distributed Energy, 2022, 7(1): 28-36.

[本文引用: 1]

雷旭，马鹏飞，宋智帅，等.

计及风电预测误差的柔性负荷日内调度模型

[J]. 发电技术，2022, 43(3): 485-491.

[本文引用: 1]

LEI Xu, MA Pengfei, SONG Zhishuai, et al.

A flexible intraday load dispatch model considering wind power prediction errors

[J]. Power Generation Technology, 2022, 43(3): 485-491.

[本文引用: 1]

郑婷婷，单小雨，马继涛，等.

寒潮天气对风电运行和功率预测的影响分析

[J]. 内蒙古电力技术，2023, 41(4): 8-12.

[本文引用: 1]

ZHENG Tingting, SHAN Xiaoyu, MA Jitao, et al.

Impact of cold wave weather on wind power operation and power prediction

[J]. Inner Mongolia Electric Power, 2023, 41(4): 8-12.

[本文引用: 1]

俞增盛，吴俊.

高空风力发电技术与产业前景综述

[J]. 上海节能，2017(7): 379-382.

[本文引用: 2]

YU Zengsheng, WU Jun.

Overview of high attitude wind power generation technology and industry prospect

[J]. Shanghai Energy Conversion, 2017(7): 379-382.

[本文引用: 2]

廖顺宝，刘凯，李泽辉.

中国风能资源空间分布的估算

[J]. 地球信息科学，2008, 10(5): 551-556.

[本文引用: 1]

LIAO Shunbao, LIU Kai, LI Zehui.

Estimation of grid based spatial distribution of wind energy resource in China

[J]. Geo-Information Science, 2008, 10(5): 551-556.

[本文引用: 1]

REN G, LIU J, WAN J, et al.

Overview of wind power intermittency: Impacts, measurements, and mitigation solutions

[J]. Applied Energy, 2017, 204: 47-65.

[本文引用: 1]

ARCHER C L, CALDEIRA K.

Global assessment of high-altitude wind power

[J]. Energies, 2009, 2(2): 307-319.

[本文引用: 1]

邵垒，毛虹霖，邢胜，等.

高空风力发电发展现状及关键技术研究综述

[J]. 新能源进展，2020, 8(6): 477-484.

[本文引用: 1]

SHAO Lei, MAO Honglin, XING Sheng, et al.

Review on development status and key technology of airborne wind energy system

[J]. Advances in New & Renewable Energy, 2020, 8(6) : 477-484.

[本文引用: 1]

刘耀广，王耀坤，万志强，等.

系留悬浮式风力发电技术的研究进展与展望

[J]. 航空工程进展，2021, 12(4): 36-43.

[本文引用: 1]

LIU Yaoguang, WANG Yaokun, WAN Zhiqiang, et al.

Research progress and prospect of tethered floating wind energy generation technology

[J]. Advances in Aeronautical Science and Engineering, 2021, 12(4): 36-43.

[本文引用: 1]

高金兰，毋玉，李卓.

高空风力发电飞行器类型研究

[J]. 国外电子测量技术，2019, 38(9): 107-111.

[本文引用: 1]

GAO Jinlan, WU Yu, LI Zhuo.

Research on type of high-altitude wind power aircraft

[J]. Foreign Electronic Measurement Technology, 2019, 38(9) : 107-111.

[本文引用: 1]

KHEIRI M, VICTOR S, RANGRIZ S, et al.

Aerodynamic performance and wake flow of crosswind kite power systems

[J]. Energies, 2022, 15(7): 2449.

[本文引用: 2]

DIEHL M. Airborne wind energy: Basic concepts and physical foundations[M]. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2013: 3-22.

[本文引用: 2]

王若钦，严德，李柳青，等.

切风模式风力发电飞行器的进展与挑战

[J]. 航空工程进展，2018, 9(2): 139-146.

[本文引用: 2]

WANG Ruoqin, YAN De, LI Liuqing, et al.

Advances and challenges of crosswind mode airborne wind energy aircrafts

[J]. Advances in Aeronautical Science and Engineering, 2018, 9(2): 139-146.

[本文引用: 2]

ERHARD M, STRAUCH H.

Control of towing kites for seagoing vessels

[J]. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2012, 21(5): 1629-1640.

[本文引用: 2]

ZHILTSOV S A, KARPUSHIN A A.

Application of an innovative wind power generator for electric power supply to remote consumers

[J]. Modern Science, 2017(3): 32-39.

[本文引用: 2]

ROBERTS B W.

Quad-rotorcraft to harness high-altitude wind energy

[J]. Airborne Wind Energy: Advances in Technology Development and Research, 2018: 581-601.

[本文引用: 2]

ERHARD M, STRAUCH H.

Flight control of tethered kites in autonomous pumping cycles for airborne wind energy

[J]. Control Engineering Practice, 2015, 40: 13-26.

[本文引用: 2]

VERMILLION C, GLASS B, REIN A. Lighter-than-air wind energy systems[M]. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2013: 501-514.

[本文引用: 2]

Altaeros Energies.

Giant inflatable wind turbine to soar to 300 metres

[EB/OL]. (2014-03-21) [2023-06-02]. .

URL     [本文引用: 3]

SAEED M, KIM M H.

Aerodynamic performance analysis of an airborne wind turbine system with NREL Phase IV rotor

[J]. Energy Conversion and Management, 2017, 134: 278-289.

[本文引用: 2]

马洪忠，水尊师，魏东辉.

飞行控制技术面临的挑战与发展

[J]. 导航定位与授时，2014, 1(2): 1-6.

[本文引用: 1]

MA Hongzhong, SHUI Zunshi, WEI Donghui.

Challenges and development tendency of flight control

[J]. Navigation Positioning & Timing, 2014, 1(2): 1-6.

[本文引用: 1]

袁昌盛，付金华.

国际上微型飞行器的研究进展与关键问题

[J]. 航空兵器，2005(6): 50-53.

[本文引用: 2]

YUAN Changsheng, FU Jinhua.

Development and key technique of micro air vehicles

[J]. Areo Weaponry, 2005(6): 50-53.

[本文引用: 2]

陈宗基，张汝麟，张平，等.

飞行器控制面临的机遇与挑战

[J]. 自动化学报，2013, 39(6): 703-710.

[本文引用: 2]

CHEN Zongji, ZHANG Rulin, ZHANG Ping, et al.

Flight control: Challenges and opportunities

[J]. Acta Automatica Sinica, 2013, 39(6): 703-710.

[本文引用: 2]

王美仙，李明，张子军.

飞行器控制律设计方法发展综述

[J]. 飞行力学，2007(2): 1-4.

[本文引用: 1]

WANG Meixian, LI Ming, ZHANG Zijun.

Developing status of control law design methods for flight

[J]. Flight Dynamics, 2007(2): 1-4.

[本文引用: 1]

LI Z, DENG L, KINLOCH I A, et al.

Raman spectroscopy of carbon materials and their composites: Graphene, nanotubes and fibres

[J]. Progress in Materials Science, 2023, 135: 101089.

[本文引用: 1]

ADHIKARI J, PRASANNA I V, PANDA S K.

Power conversion system for high altitude wind power generation with medium voltage AC transmission

[J]. Renewable Energy, 2016, 93: 562-578.

[本文引用: 1]

杨永强，马云鹏，武哲.

高空浮空器蒙皮材料特性分析与组合优化

[J]. 北京航空航天大学学报，2014, 40(3): 333-337.

[本文引用: 1]

YANG Yongqiang, MA Yunpeng, WU Zhe.

Analysis and optimization of envelope material of high-altitude airships

[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2014, 40(3): 333-337.

[本文引用: 1]

黄迪，赵海涛，邱野，等.

平流层飞艇蒙皮强度建模与仿真研究

[J]. 计算机仿真，2013, 30(1): 150-153.

[本文引用: 1]

HUANG Di, ZHAO Haitao, QIU Ye, et al.

Modeling and simulation analysis of stratospheric airship envelope

[J]. Computer Simulation, 2013, 30(1): 150-153.

[本文引用: 1]

赵达，刘东旭，孙康文，等.

平流层飞艇研制现状、技术难点及发展趋势

[J]. 航空学报，2016, 37(1): 45-56

[本文引用: 1]

ZHAO Da, LIU Dongxu, SUN Kangwen, et al.

Research status, technical difficulties and development trend of stratospheric airship

[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2016, 37(1): 45-56.

[本文引用: 1]

FECHNER U, SCHMEHL R.

Downscaling of airborne wind energy systems

[J]. Journal of Physics, 2016, 753(10): 102002.

[本文引用: 1]

张盛开，赵玉鹏.

高空气球弹性系留绳的张力分析

[J]. 力学与实践，1979, 1(3): 40-42.

[本文引用: 1]

ZHANG Shengkai, ZHAO Yupeng.

Analysis of the tension of the elastic tether of high-altitude balloons

[J]. Mechanics in Engineering, 1979, 1(3): 40-42.

[本文引用: 1]

王亚伟，贾月红，陈智谦，等.

飞艇系留系统静态与动态仿真研究

[J]. 航天返回与遥感，2012, 33(2): 93-99.

[本文引用: 1]

WANG Yawei, JIA Yuehong, CHEN Zhiqian, et al.

Static and dynamic simulation of tethered airship

[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2012, 33(2): 93-99.

[本文引用: 1]

CHERUBINI A, PAPINI A, VERTECHY R, et al.

Airborne wind energy systems: A review of the technologies

[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2015, 51: 1461-1476.

[本文引用: 1]

MESLEM N, DUMON J, HABLY A, et al.

Online estimation of unknown aerodynamic forces acting on awe systems

[J]. Intelligent Systems with Applications, 2022, 16: 200124.

[本文引用: 1]

VERMILLION C, GLASS B, REIN A. Lighter-than-air wind energy systems[M]. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2013: 501-514.

[本文引用: 1]

许国东，叶杭冶，解鸿斌.

风电机组技术现状及发展方向

[J]. 中国工程科学，2018, 20(3): 44-50.

[本文引用: 1]

XU Guodong, YE Hangye, XIE Hongbin.

The current state and future development of wind turbine technology

[J]. Strategic Study of CAE, 2018, 20(3): 44-50.

[本文引用: 1]

ROBERTS B W.

Tethered airborne wind-driven power generator

U. S. Patent Application 12/714, 070[P]. 2011-03-10.

[本文引用: 1]

李斌，张海超，白雪峰，等.

大型风电场测风数据全生命周期的探讨

[J]. 分布式能源，2017, 2(4): 40-46.

[本文引用: 1]

LI Bin, ZHANG Haichao, BAI Xuefeng, et al.

Full life cycle of wind data in large scale wind farm

[J]. Distributed Energy, 2017, 2(4): 40-46.

[本文引用: 1]

DESALEGN B, GEBEYEHU D, TAMRAT B, et al.

Onshore versus offshore wind power trends and recent study practices in modeling of wind turbines' life-cycle impact assessments

[J]. Cleaner Engineering and Technology, 2023: 100691.

[本文引用: 1]

HOUSKA B, DIEHL M.

Optimal control of towing kites

[C]//Proceedings of the 45th IEEE Conference on Decision and Control, San Diego, CA, USA: IEEE, 2006: 2693-2697.

[本文引用: 1]

李辉，胡姚刚，唐显虎，等.

并网风电机组在线运行状态评估方法

[J]. 中国电机工程学报，2010, 30(33): 103-109.

[本文引用: 1]

LI Hui, HU Yaogang, TANG Xianhu, et al.

Method for on-line operating conditions assessment for a grid-connected wind turbine generator system

[J]. Proceedings of the CSEE, 2010, 30(33): 103-109.

[本文引用: 1]

付忠广，王丽平，戈志华，等.

采用主成分分析法综合评价电站机组的运行状态

[J]. 动力工程，2008, 28(4): 548-551.

[本文引用: 1]

FU Zhongguang, WANG Liping, GE Zhihua, et al.

Principal component analysis for comprehensive evaluation on information of power plant unit

[J]. Journal of Chinese Society of Power Engineering, 2008, 28(4): 548-551.

[本文引用: 1]

娄清辉，牛洪海，陈俊，等.

海上多平台互联综合能源系统能效评估指标研究

[J]. 分布式能源，2021, 6(1): 14-20.

[本文引用: 1]

LOU Qinghui, NIU Honghai, CHEN Jun, et al.

Research on energy efficiency evaluation indexes of offshore multi-platform interconnected integrated energy system

[J]. Distributed Energy, 2021, 6(1): 14-20.

[本文引用: 1]

王志国，马一太，杨昭，等.

风力发电机组性能分析的模糊综合评判方法

[J]. 太阳能学报，2004, 25(2): 177-181.

[本文引用: 1]

WANG Zhiguo, MA Yitai, YANG Zhao, et al.

Fuzzy comprehensive evaluation method of wind power generation unit

[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2004, 25(2): 177-181.

[本文引用: 1]

梁颖，方瑞明.

基于SCADA和支持向量回归的风电机组状态在线评估方法

[J]. 电力系统自动化，2013, 37(14): 7-12, 31.

[本文引用: 1]

LIANG Ying, FANG Ruiming.

An online wind turbine condition assessment method based on SCADA and support vector regression

[J]. Automation of Electric Power Systems, 2013, 37(14): 7-12, 31.

[本文引用: 1]

李俊卿，胡晓东，马阳硕，等.

基于合作博弈和区间划分的风电机组状态评价

[J]. 智慧电力，2022, 50(1): 7-13.

[本文引用: 1]

LI Junqing, HU Xiaodong, MA Yangshuo, et al.

State assessment of wind turbines based on cooperative game and interval partition

[J]. Smart Power, 2022, 50(1): 7-13.

[本文引用: 1]

肖利坤.

国内高空风力发电技术应用现状

[J]. 农村电气化，2023(7): 66-68.

[本文引用: 1]

XIAO Likun.

Research on application status of high altitude wind power generation technology in China

[J]. Rural Electrification, 2023(7): 66-68.

[本文引用: 1]

LUNNEY E, BAN M, DUIC N, et al.

A state-of-the-art review and feasibility analysis of high altitude wind power in Northern Ireland

[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2017, 68: 899-911.

[本文引用: 1]

ALI Q S, KIM M-H.

Design and performance analysis of an airborne wind turbine for high-altitude energy harvesting

[J]. Energy, 2021, 230: 120829.

[本文引用: 1]

/

〈 〉

版权所有 © 《分布式能源》编辑部
地址：北京市石景山区银河财智中心1号楼B座　
邮编：100040　
电话：010-80732111　
E-mail：fbshny@cdt-kxjs.com
技术支持：北京玛格泰克科技发展有限公司
订阅号
服务号