能源风筝:空中风
Higher winds are stronger and steadier, and a kite needs no tower. Google's Makani spent thirteen years on the idea and published everything it learned. Here is what the physics promises, what flight tests actually measured, and what it would take to prove the rest.
Rschmehl / Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0)
看看现代风力涡轮机,你看到的大部分并不是发电的部件。 塔、基础和叶片的内半部是用来支撑快速移动的叶片尖端在风中。 喷嘴以每秒80米的速度扫过转子外部,大部分能量就在这里被捕获。 空中风能提出了一个简单的问题:如果我们只保留快速移动的部分,用绳子绑起来飞行,让它攀爬到风更强的地方会怎么样?
上面的照片是光线中绘制的答案。 风筝上的跟踪灯记录了一个完整的夜间循环:紧凑的八个圈子,从鼓上拉下绳索并转动发电机,然后在风筝被卷回时进行长时间平静的返回。 这个页面解释了这是如何工作的,它已经取得了什么成就,以及为什么在经过二十年的认真努力后,没有任何航空风力系统能够大规模地销售电力。 * * 简短版本:物理学是正确的,节省材料是真实的,但保持飞行机器安全并且在无人看管下运行二十年,在所有天气条件下,仍然是一个未解决的问题。 没有人公布过一个商业单位独立测量的年度产出。 **
什么是
空中风力发电系统由三个部分组成:飞行的机翼、支撑它的绳索和地面站。 有两个主要家族。
- 地面生成,“泵送”或”瑜伽”风筝。 风筝飞快的侧风圈,拉紧绳索。 绳索从地面上的鼓中解开,鼓驱动发电机。 当绳子足够长时,风筝被引导到一个很少拉动的位置并且被卷回来,这只需要一小部分能量。 SkySails Power、Kitepower和Kitemill都使用这一原理,用软布风筝或硬滑翔机。
- 机载发电,即”飞行涡轮 ” 。 刚性的机翼携带小转子。 在侧风飞行中,转子起涡轮的作用,电流通过导体绳索传递。 起飞和着陆的转子工作相同的螺旋桨和机翼悬浮像无人机。 这是马卡尼的设计
在这两种情况下,叶片都起着涡轮机叶片尖端的作用:它在风中移动的速度远比风本身快得多,而动力就是从那里来的。
它是如何工作的
风中的力量。 风通过面对它的每平方米带来的能量等于 ½ ρ v³其中 ρ 是空气的密度(地面附近每立方米约1.2公斤)和 v 是风速。 立方体的重要性:风速翻番,功率就会增加八倍。 7米/秒时,每平方米携带约210瓦;10米/秒时,约610瓦。
为什么高度有帮助。 靠近地面时,与土地、树木和建筑物的摩擦会减缓风速。 一个常见的工程规则是速度随高度增加v = v_ref × (h / h_ref)^α,其中指数α在公海上约为0.10,在开阔农田上0.14,在森林和城镇上0.25或更大。 100米的轴心上采取7 m/s。 在400米处,海面上方的规则为8.0m/s,农田上方为8.5m/s,粗糙地面上方为9.9m/s,因此每平方米的功率分别是1.5、1.8和2.8倍。 规则很粗糙:几百米以上的风往往表现不同,夜间有低层喷流,白天有较平静的层。 尽管如此，方向是清楚的，高空风力稳定也意味着没有收获的时间会减少。
为什么风筝能够捕捉到这么多东西。 1980年,工程师迈尔斯·洛伊德(Miles Loyd)计算出一个被绑在风中飞行的风筝可以吸取多少动力(Loyd, 1980 ) 。 简单地说:一个飞行在侧风的机翼达到大约三分之二的风速乘以其起落比。 风速为10米/秒,起落比为5,即约33米/秒,或120公里/小时; Kitepower公司报告的平均飞行速度为110公里/小时(Kitepower ) 。 由于空气动力学的力量随着速度的平方而增加,机翼可以比其大小所示的更强劲地拉动。 洛伊德最大值是
P = (4/27) × ½ ρ v³ × A × C_L × (C_L / C_D)²
其中A是机翼面积,C_L是其起落系数,C_L / C_D是其起落-阻力比。 风力后的因子(4/27) × C_L × (C_L/C_D)²,说明每平方米的面积有效地扫过多少平方米的风。 对于一个起升系数为1的软风筝,起升阻力比为5,它大约是3.7。 对于一个系统起落比接近9的刚性机翼,包括绳索的阻力,它可以是10到17。 地面发电机在绳索以三分之一的风速卷出时达到这一最佳值。
Loyd 所忽略的损失。 真正的风筝不会直接在地面站的下风方向飞行,它们以高度角飞行,通常为25至35°。 只有沿着绳索的风力部分会被拉动,功率随着该角度余弦的三次方而下降:在30°时仅剩65 % 。 绳索增加了阻力,随着它的长度而增加。 一个抽风筝花费了每个周期的一部分被绞盘; Kitepower的系统花费了大约80%的100秒周期产生高达130千瓦和20%提取大约20千瓦拉风筝回来(Kitepower ) 。 然后是通常的发电机、变速箱和转换器损耗,以及在轻风中保持飞行翼的功率。
为什么绳系是整个故事的关键。 涡轮机塔必须承受转子在其底部的全力推力,这就是为什么塔和基础如此庞大。 绳索只承受张力,而纤维如超高分子量聚乙烯的张力相对于其重量来说非常强大。 这就是几家公司重复声称的来源,即空载系统比同等级别的涡轮机使用高达90%少材料。 对于机器本身来说，这是可行的；但对于整个发电厂，包括间距、地面站基础和电网连接，尚未证明这一点。
限制:理论和实践
理论上 . Loyd的公式是一个单一理想翼的顶部。 风筝就像涡轮机一样,减缓它所收获的风,而紧密飞行的风筝彼此之间也会从中吸取能量,因此农场需要空间。 还有一个行星限制。 喷气流近10公里高度看起来像一个巨大的资源,如果你申请 ½ ρ v³ 地球系统分析表明,从喷流中可持续提取的最大能量约为7.5兆瓦,比以前估计的少200倍左右,如果达到这个数字,将会产生巨大的气候副作用(米勒、甘斯和克莱顿，2011年). 现在没有人提议飞行10公里；实际系统的目标是200至700米。 全球海拔500至12,000米的高海拔资源由Archer和Caldeira(2009年)根据28年的天气数据绘制。
实用 . 实际上已经停止项目的限制并不在公式中:
- 发射和着陆。 涡轮机从来不起飞。 风筝必须在轻微的风中起飞,在阵风中着陆,并且每年都要这样做数千次而不会受到损坏。 马卡尼在飞行中损失了四架机体,其中三架是在悬浮时,而不是在发电时(Makani, 2020 ) 。
- 无论天气如何,都能控制。 风暴、湍流、结冰、闪电和突然平静都需要自主响应。 吊带断裂绝不能把风筝或重线放在危险的地方。
- 空中和陆地。 风筝在400米上800米绳索扫描大量的。 航空当局必须接受这一点，飞行封套下的土地必须保持清理，不得有人员和道路。
- 穿上 风筝在阳光下会降解,鼓和滑轮上的绳子会磨损,而一个系统必须能够生存二十年才能与设计用于二十五到三十年的涡轮机竞争。
- 大小。 洛伊德的功率随着机翼面积而变化,大型机翼很难起飞和降落。 Makani的M600有26米的翼(X ) ; SkySails最大的风筝是450平方米,发动机功率为450千瓦。 5兆瓦的空载系统,大小相当于现代陆上涡轮机,仍然是一个图纸。
实际项目，计量
该领域的结果是慷慨的,并且对长期数据很谨慎。 这里是什么可以检查。
| 项目 | 设计 | 取得的成就 | 发生了什么 |
|---|---|---|---|
| 馬卡尼M600自動步槍 (美国,谷歌X,2006年至2020年) | 600千瓦硬翼,8个机载转子,440米导线 | 28.9 h autonomous flight, 22.7 h crosswind; best loop 290 kW, best ten-minute average 196 kW in 10 to 13 m/s wind; first offshore flight from a floating platform in Norway, August 2019 | Closed February 2020: “the road to commercialization is longer and riskier than hoped”. The team’s own verdict: the M600 airframe “is fundamentally unable to generate 600 kW at 11 m/s”. Reports, code and flight logs released in September 2020 |
| 空帆電力 (德国) | 地面绞车上高达180平方米的软风筝;最高200千瓦循环功率(PN-14,现在以Venyo名义销售) | Prototype at Klixbüll operating since 2019 with kites up to 120 m², the longest record of any airborne system; a 120 m² kite flying 200 to 400 m up on an 800 m maximum tether in Mauritius from January 2023; first flight in Taiwan on 1 July 2025 | 销售单元;公司报价每年在良好场地的每个单元可达760兆瓦时,这是制造商的数字,而不是独立测量。 宣布了450千瓦型号(KYO ) , 预计将于2028年下半年交付 |
| 风筝动力 (荷兰,来自代尔夫特理工大学) | 100平方米软风筝,350米绳索,6米容器内的地面发电机 | 发卷时功率高达130kW,每个循环约100秒;荷兰施工现场、爱尔兰贝拉科里克(与 RWE 合作)和阿鲁巴岛的试点 | 作为移动、临时零排放电源销售,例如用于替换柴油发电机 |
| 風箏磨坊 (挪威) | 地面绞车上的硬式滑翔风筝 | 位于Vanse、Lista的试验场，飞行高度350米 | 开发仍在继续；没有公开的长期产出数据 |
| 荷兰 Ampyx Power (荷兰,2008年至2022年) | 地面绞车上的刚性自主滑翔机;2012年首次全自动发电 | 开发了原型机直到AP-3 | Suspension of payments 19 April 2022, declared bankrupt 4 May 2022 after a planned funding round did not happen |
资料来源: Makani, The Energy Kite, 2020; X, Makani; SkySails Power; Kitepower; Kitemill; Ampyx Power.
该表中的两个事实值得注意。 First, Makani’s best ten-minute average was a third of its rated power, and only about one loop in five produced net energy, most of the others being test manoeuvres, light winds and hovering. 其次，当今最成熟的系统是地面发电软风筝，功率为100到200千瓦，比典型的陆上涡轮机小十倍多，用于难以建设涡轮机的地方：岛屿、偏远地区、临时供电。 对二十年飞行测试的回顾达到了相同的平衡观点:控制已经取得了惊人的进步,长期、完全自主操作仍然是前沿(Vermillion et al . , 2021 ) 。
什么是它的成本
目前还没有空载风电的市场价格,只有预测,所以在这里要小心每一个数字。
| 选择 | 每千瓦时成本 | 号码的状态 |
|---|---|---|
| 新建陆上风电场,无补贴 | $0.027 to $0.073 | 市场数据, Lazard LCOE+ 2024年 |
| 新的离岸风电场 | $0.074 to $0.139 | 市场数据,拉扎尔2024 |
| 气峰发电厂 | $0.110 to $0.228 | 市场数据,拉扎尔2024 |
| 建筑物屋顶太阳能,我们的基准 | $0.19 central | 我们的 风扇墙模型;商业屋顶 $0.09 to $0.20 in Lazard, 2026 |
| 450千瓦，目标 | 低于10美分 | 制造商目标，尚未交付 |
| 馬卡尼M600自動步槍 | 未公布 | 该团队写道,这是”不清楚”这样的系统是否可以达到与传统涡轮机竞争的LCOE |
Makani的报告提出了一个每个空中风向应该回答的问题。 对于陆上风电场而言,涡轮机本身的成本不到能源成本的一半;道路、地基、电缆、电网连接、安装、运营和融资则占据了其余部分。 离岸,这些”系统平衡”成本约为总额的52 % (马卡尼，2020年). 因此,节省90%的塔钢并不会降低90%的电价。 要在$0.03 to $0.07的速度上击败陆地风,风筝还必须符合涡轮机的高可用性、25年设计寿命和低维护。 与我们的建筑基准值0.19美元/千瓦时相比,这一标准较低,但风筝不适合在建筑物上飞行:它们需要数百米的清澈海水或陆地。
哪里可以赢,哪里不能
它可以赢得:
- 偏远和岛屿电网 使用进口柴油运行,通常是大陆电价的几倍,涡轮机很难运输和安装,集装箱化地面站很容易。
- 临时权力:建筑工地、救灾、军事和研究营地、活动场所,在这些地方几个月内无法建造涡轮机。
- 深水近海从长远来看,轻型浮动地面站的成本可能比浮动涡轮机低得多。 这是奖马卡尼和壳牌在挪威测试,它仍然未经证明。
- 在高空有强风但在中心高度有弱风的场地,例如在崎岖的地形上,风筝的高度最重要。
它不能赢得:
- 在城市或建筑物上。 飞行包裹是数百米宽。
- 对于好网站的岸风,今天。 涡轮机已经成熟、可靠且廉价；新技术必须经过二十年的可靠性验证才能得到贷款人同样的对待。
- 机场附近和繁忙的空域,或飞行路径下无法保持清晰的地面。
什么是证明,合理和推测
证明： 横风飞行的功率定律(Loyd,1980年)在许多飞行测试中得到证实;绑定的机翼可以自主发电数小时,有抽水循环和机载转子;M600产生最佳十分钟平均值为196千瓦;地面发电软风筝100至200千瓦可从一个集装箱大小的站点起飞、飞行和着陆;风速和功率密度随着平均高度增加。
可能的： 几百千瓦的地面发电系统可以在偏远地点达到高可用性；每千瓦的材料使用量比涡轮机低得多；海上浮动风筝可能需要轻得多的平台；空载系统每年产生的有效输出小时数比同一地点的涡轮机多，因为它们能够抵达更稳定的风。
Speculative: a cost per kWh competitive with onshore wind; megawatt-scale kites; farms of many kites flying close together without interfering; twenty-year lifetimes for kites, tethers and drums; insurance and certification frameworks comparable to those for turbines.
开放式研究问题
- 如何可靠可以 全自动发射和着陆 变成,测量了数千个周期在阵风天气?
- 什么是“人”? 实际年能源产量 一个已知位置的单元,独立测量一整年,它与旁边的涡轮机相比如何?
- 多久 绳索和布制风筝 如何在循环负载和紫外线下保持耐用,以及如何检测故障前的磨损?
- 风筝可以多近 一个农场里的空间,他们在彼此的后尘中失去了多少?
- 什么 空气空间规则 对于绑在机翼上的风筝来说,这是否有意义?
- 什么是风筝 鸟类和蝙蝠? 几乎没有实地数据,对于慢速软风筝和快速硬式风筝的答案可能会有所不同。
- 坎 近海浮动地面站 能够在风暴中生存下来,并且成本比浮动涡轮机低?
一个工作原型需要什么
对于小型团队来说,好消息是可以在适度的规模上测试抽风筝,物理学以可预测的方式与机翼面积进行比较。
| 阶段 | 工作 | 决定它能够 | 粗成本 | 时间 |
|---|---|---|---|---|
| 0. 案头研究 | 目标站点的洛伊德和周期模型,使用开放工具和 Makani 发布的代码;来自激光雷达活动或重新分析的 100 至 500 m 风力数据 | 站点的风在高度是值得吗? | $10k to $30k 开奖记录 | 2至3个月 |
| 1. 力测试 | 10至20平方米风筝,装有称重传感器仪表、绳索和绞车,先手动飞行,然后使用自动驾驶 | 测量的系绳力和功率曲线与 Loyd | $30k to $80k 格式 | 6个月 |
| 2. 工作模式 | 10至30千瓦地面站：鼓、发电机、功率电子装置、自动驾驶仪；每个周期记录能量输入和输出 | 每天净测量的千瓦时和无人驾驶自动循环 | $150k to $400k | 12个月 |
| 3. 试点 | 100 kW 级单元,位于偏远或临时场地,全年计量输出和可用性,并配有野生动物监测 | 实际年产量,每千瓦时成本,维护 | $1M to $3M公司 | 18至24个月 |
A working model, for this page, means phase 2: a ground station that runs complete pumping cycles and puts metered net energy into a battery or the grid, with every cycle logged. 一个风筝在绳子上拉力还不是电站。
我们需要谁
- 飛行控制工程師 具有自主无人机或风筝的经验:起飞,着陆和故障处理是大部分工作。
- 空氣動力學家 风筝和风翼设计,包括绳索阻力和柔性结构。
- 电力电子和驱动工程师 用于绞车电机发电机、卷入相能量储存和电网连接。
- 材料工程师 用于绳索、织物和疲劳测试。
- 气象学家 具有激光雷达经验,可测量50至600米的风速。
- 航空法规专家 确保飞行许可和空域预订。
- 生态学家设计鸟类和蝙蝠监测.
- 一个主机站点:一个岛屿,一个偏远的社区,一个采石场或一个大型农场,有开阔的土地和支持邻居。
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来源
- 洛伊德 (1980). 侧风风筝电力(用于大规模风能生产) 能源学报，第4(3)期，106-111页.
- Makani Technologies (September 2020). 能源风筝,第一部分:飞行测试统计数据、M600性能不足、FCW-01近海飞行和能源成本分析。 零件 二. 结论 以及 三. 结论.
- X，月球飞船工厂 Makani: M600,能源风筝集合和关闭 2020.
- 维米连,C.,科布,M.,法吉亚诺,L.,莱特霍尔德,R.等人。 (2021). 空中电力:二十年来对航空风能系统进行先进控制研究和实验性飞行测试的见解。 年度评论在控制52, 330-357.
- Cherubini, A., Papini, A., Vertechy, R. and Fontana, M. (2015). 空中风能系统：技术审查。 可再生能源与可持续能源评论 51, 1461-1476.
- 阿彻,C.L. 和卡尔德拉,K. (2009). 全球高海拔风力评估。 能源2(2)，307-319.
- 米勒,L.M.,甘斯,F. 和克莱顿,A. (2011). 喷流风力作为可再生能源资源:小功率,大影响。 地球系统动力学2, 201-212.
- 電力供應。 新闻,包括Klixbüll的SkyPower100(2022 ) 、 毛里求斯(2023)和台湾(2025 ) ; Venyo (PN-14)数据。
- 风筝力量 技术和猎鹰系统数据。
- 風車。 公司网站.
- Ampyx Power: company history and bankruptcy, 2022.
- Lazard (June 2024). 平衡能源成本+版本17: 陆上风力 $27 to $73/兆瓦时，近海风力 $74 to $139,气体峰值 $110 to $228. The June 2026 edition gives the commercial rooftop solar range used as our benchmark.
- Local Solar System 基金会。 The Fan Wall: open wind research, 屋顶太阳能基准为每千瓦时$0.19。