风能是空气流动所产生的动能,是太阳能的一种转化形式,也是现阶段人类可以应用并在不断寻求突破的一种可再生清洁能源。大体上来看,风能具备储量大、分布广两个显著优势,但与之相对的,风能的能量密度很低,并且受限于风产生的环境限制,风能的稳定性也较低。也正因如此,风能的应用与一个特殊的词语绑定——捕风。
现阶段,人类应用风能的主要方式是风车(风力涡轮机)发电,简单来说就是通过风车将空气中的动能,也就是风的流动,转化为机械能,再借由发电机转化为电能。而风吹动风车转动的过程,便是捕风的过程。
正如前文提到的,风能的能量密度低,因此,为了有效的运用风能,风车电机的叶片往往很长,这也就导致了风电设施单体体积就十分巨大,占地面积也不容小觑。而这也间接限制了陆地风电厂的建设,约束了风电的发展与普及。
基于此,各国都在尝试发展特殊的风电,例如海上风电。而就在最近,一项新的成果让风电站“飞”了起来——5000平方米高空风力发电捕风伞在内蒙古阿拉善左旗试验场成功开伞,并在完成全部预定试验内容后成功实现空中收伞。
捕风伞也被称为做功伞,是高空风力发电系统捕获高空风能的核心设备。与传统风力发电不同的一点是,高空风力发电系统多了“缆绳传能”的过程。简单来说,由于电机位置设计上的区别,高空风力发电系统需要完成“空中捕能—缆绳传能—地面发电”三级能量传递,捕风伞是空中捕能的部分,而电机则是地面发电的部分。这种设计导致了整个发电系统对于捕风伞、缆绳以及电机都有非常高的要求。
据悉,此次5000平方米高空风力发电捕风伞的缆绳采用超高分子聚乙烯材料,可承受百吨级拉力。整个发电过程则是通过双机组协同的卷扬设备,将缆绳直线运动转为旋转动力,配合万向滑轮架适应风向变化,实现机械能发电,单机功率达到兆瓦级。
值得一提的是该成果具备两个重要的意义。首先是证明了利用高空风能的可行性。高空风能具有风速高、风向稳定、风能密度大等优势,蕴藏着巨大潜力,近两年受到了各国的高度关注,并且能够与火电、光伏等发电场景形成有效互补,增强多能源系统的整体韧性。另一方面是证明了我国在伞梯式陆基高空风力发电技术上的实力,并且提供了重要的实验数据,能够为高空风能伞梯系统的后续设计及升级优化提供关键支撑,助力我国在核心实力上的持续发展。