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Products:
NI 9237, NI SoftMotion Module, LabVIEW, CompactRIO, DIAdem, FPGA Module, cRIO-9112, LabVIEW Real-Time Module, NI Developer Suite, cRIO-9014, NI 9476, NI 9217, Control Design and Simulation Module, NI 9853E, NI 9201, NI 9425, PID and Fuzzy Logic
The Challenge:
在北半球的大部分地區距離地面幾千英尺的地方，有著能夠與世界上最好的地面風力電站媲美的風力資源尚未得到開發。再往上10倍高的對流層則有著世界上能量密度最高的可再生能源。
The Solution:
Makani Power是空中風力發電領域中資金雄厚的領導者，它相信空中風力渦輪（AWT）技術能夠將可開發的地面風力資源擴大五倍，覆蓋美國大陸表面的80％。空中風力渦輪與基于地面的渦輪一起將通過減小發電波動，并縱向拓展能源采集的區域，幫助緩解能源問題。
"我想當今處于領先地位的競爭者應該能通過仔細設計將空氣動力效率最大化，提供包含板載飛行控制系統的可以工作在邊緣層的系統"
您可能是傳統水平與垂直風力渦輪的專家，但是您是否聽說過空中風力發電？按照目前新生的空中風力發電領域的創新速度，十年之后“空中風力發電渦輪”將會成為家喻戶曉的詞匯。在北半球的大部分地區距離地面幾千英尺的地方，有著能夠與世界上最好的地面風力電站媲美的風力資源尚未得到開發。再往上10倍高的對流層則有著世界上能量密度最高的可再生能源。
利用高海拔風力資源可能還需要一些重要的技術突破，但是靠近地球的空中風力發電將在十年內成為成本低、實用并且可以用于大型公用規模的發電方式。大多數空中風力發電公司都將其重點放在位于距離地面數千英尺的“邊緣層”。將在這個海拔下可以用于大型公用規模的空中風力發電帶入市場并不需要重大突破，僅需要扎實的工程工作、研發投資以及富有經驗的地面風力發電團體的支持和指導。
世界上至少有30個新興企業和研究小組都在努力讓空中風力發電成為現實。豐富的商用（COTS）技術和工具讓他們能夠達到可觀的創新速度。在過去的幾年中，他們的原型系統已經證實了空中風力發電的基本原則，并且將規模提高到數十千瓦級。行業領導者的下一步是證實系統能夠在現場長期連續可靠地運行。
空中風力發電還處于初始階段，因為現在的地面渦輪并不具備很高的性價比，如果能夠離開地面，就可以讓空中風力發電領域延伸到新的地方。Makani Power是空中風力發電領域中資金雄厚的領導者，它相信空中風力渦輪（AWT）技術能夠將可開發的地面風力資源擴大五倍，覆蓋美國大陸表面的80％。空中風力渦輪與基于地面的渦輪一起將通過減小發電波動，并縱向拓展能源采集的區域，幫助緩解能源問題。
通過同化進行創新
空中風力發電從傳統的風力發電領域中沿用了許多成熟技術，有時甚至使用相同類型的發電機、齒輪箱和并網型逆變器。表1比較了地面渦輪和空中風力渦輪之間的相同點和不同點。空中風力渦輪的主要不同點是從風中提取能量的方式。并非使用大型鋼塔結構，而是使用繩索電纜將系統固定在地面上。不使用旋轉葉片，而是使用專門設計的機翼掃過空中的一條路徑提取能量。掃過空中更大截面的能力是空中風力發電吸引人的主要原因之一，從而能夠使用中等大小的機翼從高空中更強更持續的風中提取大量能量。與傳統渦輪葉片尖端相似，機翼以風速的數倍在空中側風畫圈或是畫八字形，如圖1所示。空中風力渦輪和地面渦輪都根據相同的空氣動力學法則工作。正如傳統的風能一樣，發電量與空氣密度的一半乘以風速的立方成正比（方程1）。
表1 空中風力渦輪借用了基干地面的風力渦輪的許多成熟技術
圖1 地面渦輪（左圖）與空中風力渦輪（右圖）比較（圖片來源：KIT Energy)
方程1 和傳統渦輪相似，空中風力渦輪的能量輸出與風速的立方成正比
因此，風速的較小變化將導致能量的較大變化，風速翻倍則得到八倍能量。和傳統渦輪葉片尖端相似，機翼以高速通過空氣，使用空氣動力提升有效獲取能量。翼展與風力渦輪葉片長度可比，讓空中風力渦輪可以掃過更大的空中區域，從而獲得將近10倍的能量。空中風力渦輪可以在不同海拔高度上下移動，調節飛行路徑從而調節風力狀況。在機械結構上，由于空中風力渦輪并非固定在地面上，可以在飛行中受到空氣枕緩沖。但是快速移動產生的g力負荷將會對機翼和繩索電纜施加很大的張力。
高海拔下工作
通過超出地面渦輪的范圍，空中風力機器在高海拔下采集持續強勁的風力資源。在2000英尺高度下，北半球大部分地區超過40％的時間風速超過8米/秒。其能量密度（kW/m2）與世界上最好的地面風力區域相媲美，如圖2所示。因此，空中風力渦輪能夠讓風力領域延伸到全新區域，并且可以更加靠近人口密集中心。
盡管邊緣層的風比較容易被現在的企業加以利用，最為可觀的是位于對流層的噴氣流風。在35000英尺高度，平均能量密度超過20 kW/m2，可用總資源用數千兆兆瓦（TW）計算，比世界能源需求高幾百倍。“從環境角度而言，制造巨大的兆兆瓦級別的可再生能源系統是十分重要的。”Carnegie Institution of Washington大學的Ken Caldeira在2010年風力能源大會上說道。“風力能源能夠達到滿足民用需求的規模這一觀點是言之有理的。風力能源是為數不多的民用規模發電技術之一。”
Caldeira是世界著名的氣候科學家，他研究了從高海拔提取民用規模能量對環境造成的潛在影響。他的模型表明：提取能夠滿足世界能量需求的18TW并不會對氣候產生巨大影響，只會造成幾乎可以忽略的0.04 oC降溫效果。當然，讓世界切換到使用便宜、清潔、無碳能源將必然為環境帶來正面影響。利用高海拔風力資源是一個大膽的設想，也同時帶來了許多技術挑戰和后勤挑戰，例如尋找足夠堅韌輕質的繩索電纜，以獲得美國聯邦飛行管理（FAA）許可和進行空間清理。即便在邊緣層海拔仍然需要解決FAA許可問題。至少對于現在而言，將對流層的風力資源投入商業應用是不太可能的。即便將目標定在對流層的公司也計劃從更加適中的高度開始。“在1000英尺高度，世界上70％的地區可以通過風力資源獲利。” MAGENN Power公司CEO，Pierre Rivard說道。MAGENN Power是一家開發比空氣輕的類似飛艇和漂浮手機基站的發電機公司。
探索設計空間
從整體上看共有三種對空中風力發電系統進行分類的基本方法：1）海拔：低海拔、邊緣層或對流層；2）機翼類型：比空氣輕或重、固定或活動、拖動、提升或基于旋翼機；3）發電機位置和類型：地面或空中、齒輪箱或直接驅動。
和地面風力發電領域的早期相似，空中風力發電的研究員正在測試所有可能的設計選擇，找出最佳方案。即便使用計算機模型，目前仍然沒有物理原型的替代物。可以工作的原型系統也在努力說服持有懷疑態度的人并設法吸引投資者。“我想多年之前人們仍然持有相當的懷疑態度，但是現在有許多新興公司都在進行研發。”Joby Energy商業開發總監Archan Padmanabhan說道。“在過去的幾年中，行業中出現了許多原型系統，我們看到它們成長到數十千瓦。在Joby，我們從地面發電機設計開始，測試自轉概念，并最終制造了帶有機翼的空中發電系統，它具有多個螺旋槳，將電能通過電纜傳送下來。現在我們正在探索能夠簡化起飛和降落的機翼。
克服技術難關
使用“帶有繩索的機翼”的發電設想并不是全新的。其基本概念已經在1970年代后期申請了專利，目前已經公開。Lawrence Livermore國家實驗室研究員Miles L. Loyd探索了空中風力發電的基本數學方程，開發了計算機模型并且使用小型實驗原型系統進行了驗證。他影響深遠的論文《側風風箏發電》在1980年6月出版的Journal of Energy期刊上發表。那么為什么空中風力發電還沒有實現商業化？答案與復雜性、成本和莫爾定律有關。10年前，處理、儀器、傳感器和控制軟件都十分昂貴。現在，嵌入式計算機運算能力的指數增長（莫爾定律）、儀器技術和高級高效率軟件工具和堅固嵌入式計算機平臺的出現讓空中風力發電公司能夠使用商用COTS技術和高級軟件工具縮短設計、原型開發和現場部署之間的時間，構建并測試其原型系統。
“空中風力發電在十年前會具有性價比嗎？”Padmanabhan問道。“不。只有有了現在的技術進步才讓空中風力發電具有性價比，這些歸功于價格低廉的飛機材料、低成本的GPS傳感器、自動飛行軟件和嵌入式計算的卓越性能。我們攻克的最大的技術挑戰在控制系統領域。由于航天領域的發展，飛行控制系統比過去任何時候都更加穩定。現代的商業飛機主要使用自動駕駛飛行，人們也信任這些系統，沒有人認為飛機會因此而墜落。飛機行業能夠提供許多技術，我們正在從中學習。”
Windlift是另一家空中風力發電新興企業，它正在開發移動空中風力渦輪，因為它們能夠提供高能源密度，讓它們成為內燃發電機和所需的易受影響的燃料供給的未來替代品，所以吸引了美國軍事的濃厚興趣。Windlift使用NI LabVIEW圖形化編程語言和NI CompactRIO堅固嵌入式儀器系統進行控制和動態監視，圖中顯示了12 kW原型系統的界面（圖3）。控制設計工程師Matt Bennett解釋了商用工具在其開發中起到的重要作用。“使用商用COTS實時系統起到了重要作用，”他說道，“在高負荷下使用機翼主動飛行是一個重大挑戰，NI CompactRIO系統解決了所有讓系統保持穩定所需的信號處理和反饋控制任務。我們廣泛使用了現場可編程門陣列（FPGA）完全并行處理任務。LabVIEW FPGA技術是必不可少的。有許多任務必須使用FPGA完成，而沒有其他方法。”
發電技術
我們都熟悉地面渦輪的旋轉葉片。那么空中風力渦輪是如何發電的呢？盡管技術多種多樣，從使用繩索的旋翼機直至比空氣輕質的旋轉飛艇，最普通而且常用的方法使用以下兩個基本原則之一：1）地面發電機連接繩索電纜，在風箏拉動電纜時候產生電能；2）板載一組風力驅動的高速螺旋槳驅動小型空中發電機。表2比較了這些常用方法的優缺點。例如美國Windlift和歐洲KITEnergy正在開發的地面發電機系統使用機翼拉動繩索電纜發電。繩索電纜的轉矩和速度通過旋轉連接到絞盤鼓的發電機產生電能。如圖4所示，共有兩個不同的工作模式——拖動階段和還原階段。在拖動階段下，機翼緩慢拉動繩索電纜，到達到繩索最大長度或最大海拔為止產生電能。然后還原階段開始，機翼回到原位，并將繩索電纜繞回。還原階段實際上需要消耗少量電能，因為發電機成為驅動電機將電纜繞回。然后整個過程重新開始。在驅動模式下，機翼以無線方式將GPS坐標和方向角信息通過空中慣性測量單元（IMU）傳送到地面上的風箏驅動單元（KSU）。KITEnergy使用NI PXI平臺和LabVIEW實時軟件作為地面控制單元，獲取并處理傳感器信號，并執行高級控制算法指揮絞盤電機—發電機，并操縱風箏。“到目前為止，理論結果、數值結果和實驗結果表明KITEnergy技術能夠提供大量幾乎隨處可用的可再生能源，并且比化石能源價格低廉。”KITEnergy創始人Mario Milanese說道。例如Joby Energy和Makani Power等其他公司正在進行空中發電機設計。使用位于飛機上的多個小型螺旋槳驅動發電機進行發電，通過繩索電纜將電能傳送到地面。空中發電機系統通常與飛機相似，而不像風箏，它帶有板載計算機自動駕駛系統和飛行控制界面，和提升翼與副翼一樣對方向角進行控制。空中風力發電公司的許多工程項目都主要關注完善飛行控制系統，讓它們更加穩定能夠處理各種問題，包括從旋風到驅動裝置驅動裝置和傳感器故障。Makani Power系統的設計使之能夠在需要的時候，自動切斷繩索，完成自動降落。所有尋求挑戰的控制工程師或航天工程師都可以考慮投身空中風力領域。圖5展示了Joby Energy設計的主要特性，它能夠完成垂直起飛和降落，并使用高速側風飛行模式將能量輸出最大化。
對于風力領域的新生分支而言，我們仍然要判斷哪種設計最為實用且最具有性價比。現在稱之為比賽還為時過早，但是我想當今處于領先地位的競爭者應該能通過仔細設計將空氣動力效率最大化，提供包含板載飛行控制系統的可以工作在邊緣層的系統。圖6所示的空中風力發電離成為成熟的技術還有很遠，但有一點是不容置疑的——這是一個令人振奮的時代。每個起飛的新型原型系統都讓持有懷疑態度的人和投資者相信離開地面的風力發電并不是一個瘋狂的想法。如果您是風力發電領域的專業人員，請考慮利用您的專長讓空中風力發電事業起步。要了解更多信息，請訪問空中風力能源聯盟網站www.aweconsortium.org
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