高空风力发电机

维基百科,自由的百科全书
跳转至: 导航搜索

高空风力发电机是一种没有支柱做为结构支撑的设计概念,对比一般风力发电机,其优势是不必制作大型的塔形建筑、集电环与设计偏航机构,就能有效利用更高转速的高海拔的风能。当然,其技术的困难点在于:悬挂机具的安全性、如何使机具在高风速或强烈风暴之下维持在高空的运作、如何使电能传回地面和其是否会影响航空航行等。

依安装位置区别高空风力发电机的种类,用于高海拔的称为高空风力发电机(high-altitude wind power)、低海拔的称为侧风风筝发电机(crosswind kite power)。当发电机组起飞后,电缆将传递能量到地面,或者使用其他能量传递方法(微波激光)接收能量。其中,风筝式与直升机式的发电机容易因为风力不足而掉落,所以有研究团队提出了气球式或飞船式的风力发电。但高空式的风力发电机很容易受环境影响,像是闪电与暴风雨,所以必须对于发电机组进行回收。一些计划为了能够达到更高的放飞高度,而需要长程电缆,但此必须安装于禁航区内以免影响航班。

直至2012年,高空风力发电机还未成功完成商转。

空气动力类型[编辑]

高空发电机的系统设计有许多种类。

澳洲雪梨的科技大学教授,布莱恩.罗伯特(Bryan Roberts)提出了直升机型高空发电机,可以放置于海拔4600米的高空,借由调控飞行器的翅膀维持停滞空中的升力,并由地锚牵制电缆连结半空中的发电机,建立发电机组与地面瞻的联系。根据设计者所述,原本提供上升的风力有部分被分配作为稳定发电用的风能,当风力是以水平方向流动时,发电机组将会转向水平以便获取足够的上升风力。 一开始,要将此系统完成空中部属时,先反向施予电力带动电动马达,使全系统获得足够升力并顺利地被施放至空中。在此种施放发电机的方式不断改进的进程中,其中一个还算令人满意的结果“四旋翼型”是目前唯一成功部属的模型,但这同时也显示了这种放置直升机型发电机的方式是一个极大的挑战。

目前任教于荷兰台夫特科技大学永续发展工程系的荷兰籍前太空人暨物理学家乌波.欧克斯(Wubbo Ockels),也正在设计一种名为”Laddermill”(阶梯型发电风筝)的高空风力发电机。这种类型的发电机是由许多风筝串连成一个环状的造型所构成,这些风筝由环型开口的一端上升(像是阶梯般),在此过程中,使用这些被释放的能量来推动发电机。

在2009年九月爱尔兰的Carbon Tracking Ltd.的文献中提到风筝使用地面型的发电机的发电利用率(capacity factor)为52.2%,比较陆地型的风场,其利用率仅达30%。

美国伍斯特理工学院(Worcester Polytechnic Institute)发展了一个小尺度的1KW高空发电机,其使用拖曳伞去诱导安置于地面的枢轴梁,使其晃动而产生电力。此种发电方式又称为风筝型风力发电(KiteGen),其所使用的是一种垂直轴式的风力涡轮,以风筝搭载以获取高海拔垂直轴旋转风场的创新计划。风筝型风力发电声称已经克服了在水平风力涡轮发电会产生的静态与动态问题。发电装置将设置在地面,仅有拖曳伞由风力推滞于空中。这种风力发电方式在占地相同的情况下能够产生的能量约等同于核能发电厂的发电量,且其安置的面积小,甚至可以用于农业或离岸装置上。

旋转型风筝是Gianni Vergnano所构想出的风力发电法,其外型仿螺旋桨,符合空气动力的设计能够诱使气流流经风筝产生旋转的动力,使之围绕其缆线轴旋转。旋转型风筝的主要问题是如何确保风筝持续飞行和如何降低由于缆线长度所导致的成本问题。

2011年8月,德国公司SkySails生产了一种用于船上的推进动力风筝,指称此风力系统能够用于离岸与地面上,并与现今的离岸风力发电成本相比,大约仅需30%的设置价格。 在2013年5月,加州的Makani Power公司,发展了一种搭载了板载发电机兼马达的侧风混合风筝系统,这间公司已经被Google收购。一个分析指出他们的系统有一个未解决的重大问题,使得此系统无法往大尺度的发电发展。同年5月,Leo Goldstein发表了一篇论文,分析多种类型的地基发电型高空风力系统的系统配置与电能产生的效率研究。

2015年,台湾许议中先生构想出将三角帆挂在缆绳上,该帆有扭力弹簧会利用风力自动将帆面转向到合适角度,缆绳绕着二个(或以上)的转盘形成一回路,而转盘除了可以固定在地面外,也可以一端固定在地面,连结发电机,另一端使用风筝或气球带到高空,撷取更多的风能. 另有计划设计洋流型,将装置像渔网般洒到海洋中,端点固定在岸上或浮筒上,撷取能量密度更高的洋流动能. 此方式的成本极低,升空的部件极轻,所以安全,非常值得期待.帆缆发电系统

浮空器种类[编辑]

一个风力发电用的浮空器是能使器具凭借著其浮力去飘浮在空中的重要元件。浮空器种类也很多样,也都拥有能够在空中升降的特征,高升阻的浮空器造型可以有效地保持高空发电涡轮持滞在空中,其中一种最有名的造型就是由Domina C. Jalbert所提出的风筝气球。

气球可以被结合至系统,确保在没有风的时候也能持滞于空中,虽然可以解决问题,但气球欲下降时,气体泄漏缓慢。而且上升时必须再度供应上升气体,这些是需要克服问题。 目前太阳能气球(Sun heated balloons)能够有效的解决氢气或氦气泄漏的问题。

一家加拿大安大略省的Magenn公司正在发展一种涡轮叫做Magenn Air Rotor System(MARS)。一种未来可以达到300m宽的MARS系统,将使用一个水平转子于一个栓在地面的氦气悬浮装置。Magenn表示,他们的技术能够达到高扭力、低启动速度和优异的传输效能,原因是此种发电装置能够比其他非高空发电的装置部属的更密集。 第一台原型机是由TCOM于2008年4月完成,机型也已经被公布但未量产。

Boston-based Altaeros Energies使用充氦的气球悬吊着风力涡轮到高空,利用缆绳传送发电电力至地面站。在2012年,35ft的原型机搭载了由Skystream所研发的2.5kW 3.7m的风力涡轮完成了测试,并于2013年秋天,在阿拉斯加进行首次的商业规模运转。

Twind Technology在海拔800m的高空使用了一对遥控气球,透由栓绳传递力量去转动地面平台,每一个气球皆连结一个风帆,当风帆张开时会将气球顺风移动并拖曳另一颗气球往逆风处移动,如此不断进行反复运动,而缆绳被带动去转动地面上的发电装置以产生电力。

发电成本[编辑]

Sky Windpower表示高空风力发电的技术预测可以达到每千瓦小时0.02元美金的成本,与现行的非补助型发电的售价比较,已经大幅的减少了发电成本。 另外一个分析也表示,由于发现严重的缺陷问题导致高空风力发电的无法达成这个目标,然而更可能价格应该会明显的超越现行的风力发电装置。