中国电力国际产能合作企业联盟

  事实上，世界各地的许多公司已经开始开发大型风筝或滑翔机，用于在距离地面半英里（约 800 米）的空中采集风能。尽管这项技术仍处于初级发展阶段，但已经研发了十多年。那么，该技术真的对能源转型有所帮助吗？还是分散人们注意力的障眼法？毕竟扩大现有可再生能源规模是一项艰巨任务，所以高空风能也可能是不得已而为之的噱头。
  随风飘动
  机 载 风 能（Airborne wind energy,AWE）是各种自主飞行设备的统称，些设备可以飞到传统风力涡轮机无法企及的高空采集风能。美国特拉华大学风力研究中心主任 Cristina Archer 解释说：“飞得越高，风力越大。”

  风筝或滑翔机由控制系统操纵，可以在风中稳定飞行。该装置产生的空气动力既可以使它（和系绳）在空中飞行，又可以发电。意大利米兰理工大学工程师、欧洲航空风力协会董事会成员 Lorenzo Fagiano 表示：“这与风力涡轮机完全不同，风力涡轮机除了产生转矩的空气动力之外，其他的空气动力都被塔架抵消了。”
  如今，机载风能主要有三种设计：系留风筝式 AWE、机载发电式 AWE 和环绕式风筝网络。比如挪威 Kitemill公司、瑞士 Twingtech 公司、德国 SkySails 公司和意大利KitEnergy 公司采用的是系留风筝式 AWE。绳索绕在地面上的绞盘上，绞盘连接着发电设备。发电由牵引和回收两个阶段组成。在牵引阶段，风筝放飞到空中时会拉动绳索，绞盘驱动电机产生电能。在回收阶段，风筝消耗很小的力同时电机作为马达将绳索卷回绞盘，并再次开始循环。
  德国 kiteKRAFT 公司采用的是机载发电式 AWE，这种风筝设计严格，风筝上搭载有风力涡轮机、发电机和力电子设备。风筝放飞，以圆形或八字形侧风飞行，机载涡轮机将风能转换为电能并将其沿绳索传输到地面站。
环绕式风筝网络用一个固定的软体风筝来保持系绳和机翼的空中结构。在风力和系绳网络设计的作用下，各个机翼围绕公共轴旋转。系绳连接到地面上的发电机并使其转动产生电能。
尽管每个设计都各有利弊，但目前唯一得到商业部署的是 2021 SkySails 公司在毛里求斯东海岸建造的系留风筝式 AWE 系统。风筝在 300 米高度采集风力，输出大约100kW 的电力——大约足以为 50户家庭供电。Fagiano 补充说：“将输出电力扩大到 500 kW 和 1MW 建造模块已经具备，或者在几年后获得足够的资金再投入使用。”
  机载风能的补充作用
  根据 BVG Associates 最近发布的一份白皮书，与其他可再生能源
相比，AWE 发电不仅占地空间更小，碳强度更低，而且成本更低。它还有其他许多优势，比如环境影响和材料消耗较小，前期成本和物流要求较低，空间利用率高，以及可以重新利用退役风电场基地。
部署在内陆时，AWE 系统的运输和安装便易，只需几辆卡车即可完成。它的视觉冲击力比传统的风力涡轮机低，无风时便不会飞行。部署在深海水域时，AWE 系统将比传统风电系统更便宜，也更可行。Fagiano说：“这些特性使得AWES（机载风能系统）极具发展前景，并且与传统风能完美互补，这意味着风能采集点的数量将会增加。”

  事实上，地球上许多地方在500 米高度的风力很大，但低于 100米高度的风力很小（传统风力涡轮机达到的高度低于 100 米。）“如果查看地图，你可能会发现有 20%的地方采集 100 米高度的风能是可行的，但有 40% 的地方采集 500 高度的风能是可行的。因此，从本质上说资源翻倍了。”Archer如是说
Fagiano 补充说，据估计，如果有足够的投资，到 2035-2040 年左右，AWE 的成本将会显著低于其他可再生能源和化石能源。BVG 得出的结论是，由于材料成本已经下降了 70%，到 2050 年，AWE 的平准化能源成本或 LCOE（平准化度电成本，通常用于比较不同能源技术成本的指标）将比传统风能低 40%。AWE 更易安装，并与无人机、无人飞行器等其他未来重要技术产生协同发展效应。Archer 说：“只需 20,000 美元即可安装 AWE系统。”
事实上，AWE 很可能与传统可再生能源形成互补关系而不是竞争关系，因为每个 AWE 设备都需要巨大的飞行空间，因而难以产生公用事业级规模的电力。相反，偏远地区是部署AWE的最佳地点，而那里却难以使用其他可再生能源技术。Archer说：“例如，在许多山区，运输或建造风电场或太阳能发电场是不可行的。而 AWE 系统可以用卡车快速运载，然后放飞风筝，就能按需发电。比使用柴油发电机方便多了。这也是为什么军方对 AWE 非常感兴趣的原因。”
AWE 还可以在生产氢、氨等绿色燃料方面发挥作用。Archer 表示：“可以利用电解槽和 AW设备在海上构建一个平台，实际上可以完全在海上制造氢气。”
  固有复杂性
  然而，没有什么是轻而易举的，就像所有突破性的清洁能源技术一样，AWE 也存在缺点并且面临挑战。这个概念本身就比传风能更复杂，而且因为 AWE 系统本身是由风承载的，这使得测试和优化各种设计变难上加难，一个小小的设计缺陷就会造成大影响，使得原本能够在空中稳定飞行的风筝飞不起来。这就是为什么这项技术耗时多年才有所进展。
Fagiano 说：“在过去的 15 年里，不同的研究团队和研究机构独立开发了不同的技术概念，我们需要时间来充分了解、权衡同的技术设计并找到正确的工程方法。”
早在 2013 年，谷歌就收购了由 MakaniTechnologies 公司主导的 AWE 项目。该项目进行了一些试飞，但由于无法达到经济效益，在 2020 年终止了。Fagiano 回忆说：“谷歌紧接着实施了升级版的‘登月’战略，但是系统的复杂性以及首创性使其进展极其艰难。开发人员发现了各种设计缺陷，但投入了太多的金钱和时间之后纠正已经来不及了。”即使在今天，仍然存在几个阻碍行业发展的重要问题。其中一个是，由于没有既定的规范和标准，获得安装和操作 AWE 系统的所有许可证十分耗时。Fagiano 解释说：“这是一个鸡与蛋的问题：如果没有太多 AWE 系统，当局就认没必要制定法规；如果没有既定的法规，开发时间就会变慢，投资就会变得更加困难。最后，还有资金问题——或者说资金短缺。
Fagiano 指出，AWE 过去 15 年获得的投资与其他技术相比相形见绌。他表示：“这不是一项短期就能盈利的技术；它需要持续的资金支持，采用阶段门方法（一种项目管理技术，将项目按决策点划分为不同的阶段），这是欧盟委员会最近委托进行的行业研究给出的建议。机载风能：“又一小块拼图”如今，整个 AWE 的市值只有几十亿美元。但 据 Fagiano 预 测， 到 2035-2040 年， 如 果AWE 发展为公用事业级的发电规模，其市值可能会增长到 1000 亿美元（923.9 亿欧元）左右，不久后将达数千亿美元。他表示：“由于大多数公司已经掌握了技术核心，该技术的发展确实在加快。”
  事实上，根据领先的 AWE 技术开发商的销售预测，并且假设 AWE 市场与风力涡轮机市场 40 年来的发展趋势趋同，BVG 估计到 2035 年 AWE 的全球累计部署可能达到5GW，到 2050 年至少达到 177GW。然而，实现这一增长需要建立测试基地，这样才能保证持续运行时间，从而开发可靠的产品并确立行业标准，消除客户和政府的疑虑。这需要政府多部分之间达成协议，包括航空航天、国防以及公共卫生与安全部门。2022 年 7 月，德国能源巨头 RWE 公司在爱尔兰完成了 AWE 测试基地的建设，这是 MegaAWE 项目的一部分。MegaAWE 项目是欧盟赞助的一个为期三年的项目，旨在让公用事业级的 AWE 更加商业化。据 BVG 估计，在未来 15 年内，实现 AWE 的净收益需要 50 亿欧元的公共支持；
  其中40亿欧元用于项目的电价支持，10亿欧元用于行业发展支持。在额外的电价支持下，到本世纪 30 年代中期，AWE 将与现有的风能发电技术不相上下。考虑到这一点，40 亿欧元是一个 1.2GW 海上风电场的价格。美国国家可再生能源实验室（NationalRenewable Energy Laboratory, NREL）给美国国会议员提供的一份报告不容乐观。报告认为，如果资本支出有削减的潜力，AWE 有可能成为低 LCOE 的发电设备。不过报告对比 BVG 的评估后指出，AWE 的装机容量密度预计在 0.4-4 MW/ km 2 之间，低于传统风能 3 MW/ km 2 的平均值，AWE的商业规模部署可能会受到限制。尽管如此，在 NREL 的预测中，该技术是会在 2050 年全球经济脱碳的过程中发挥重要的支持作用。较贫穷国家经济的进一步发展以及运输等部门的电气化会导致电力需求继续上升，为了达到净零目标，世界需要在 2050年前将其发电量翻一番。这是一个巨大的发电量，并且其中 90% 的电力（以目前发电量的 200% 为基数计算）要来自可再生能源。
  Fagiano 坦率地说：“仅凭当前的技术是不可能做到这一点的。”Archer 甚至认为，AWE 最终可以满足全球 10% 的电力需求。她总结道：“空中风力是又一个小块拼图，虽然拼图不大但会有所帮助。也许有一天每个家庭都会拥有自己的风筝，谁知道呢。”