將近十多家公司正押注于用計(jì)算機(jī)控制的飛行器，試圖以此利用風(fēng)能，在未來實(shí)現(xiàn)家庭供電。

任何一個(gè)放過風(fēng)箏的孩子都知道一個(gè)道理：只要風(fēng)箏能夠順利飛到空中，就更有可能找到穩(wěn)定的微風(fēng)，使其保持在空中。新興的風(fēng)力發(fā)電行業(yè)也很清楚這一點(diǎn)。一些公司正準(zhǔn)備將大型風(fēng)箏放到距離地面200米或更高的地方，以利用那里的風(fēng)來發(fā)電。

在歐洲和美國(guó)，至少有10家公司正在開發(fā)不同的風(fēng)箏能源利用方式。如果他們能取得成功，這些風(fēng)箏就可以在風(fēng)力不足以支撐傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪機(jī)的地方成為新型的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)。風(fēng)箏也可能是利用海上風(fēng)力發(fā)電的更好選擇，有朝一日甚至可能取代目前常用的錨塔。

高空風(fēng)能風(fēng)箏有兩種基本的發(fā)電方式。“抽運(yùn)發(fā)電”是利用風(fēng)箏的牽引運(yùn)動(dòng)，使地面的樞軸旋轉(zhuǎn)，為發(fā)電機(jī)提供動(dòng)力（較多的電，黃色）；當(dāng)繩索放完時(shí)，風(fēng)箏將被收回并重新開始（用少量的電，紅色）?！按钶d發(fā)電”則是由安裝在風(fēng)箏上的渦輪機(jī)來發(fā)電，要求剛性的風(fēng)箏設(shè)計(jì)。

風(fēng)箏電力系統(tǒng)開發(fā)公司Kitekraft的聯(lián)合首席執(zhí)行官和首席技術(shù)官弗洛里安·鮑爾說：“它的制造成本更低，運(yùn)輸成本更低，而且效率更高?！边@家公司的總部位于德國(guó)慕尼黑。鮑爾還指出，風(fēng)箏發(fā)電的碳足跡也小得多，“如果你擁有所有這些優(yōu)勢(shì)，為什么還要建造一個(gè)傳統(tǒng)的風(fēng)力渦輪機(jī)呢？”

不過，正如鮑爾及其同事在即將發(fā)表的論文《2022年度回顧：控制、機(jī)器人和自主系統(tǒng)》（2022 Annual Review of Control， Robotics and Autonomous Systems）中所描述的那樣，要想讓高空風(fēng)能成為廣泛的電力來源，還需要克服許多技術(shù)和商業(yè)障礙。此外，高空風(fēng)力發(fā)電還必須證明是安全的，不會(huì)傷害野生動(dòng)物，也不會(huì)給居民區(qū)制造難以忍受的噪音和視覺干擾。

目前，高空風(fēng)力發(fā)電還處于起步階段。大多數(shù)公司都在進(jìn)行相對(duì)較小規(guī)模的試點(diǎn)項(xiàng)目，還沒有一家公司將他們的技術(shù)擴(kuò)大到能與傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪機(jī)相媲美的兆瓦級(jí)別。不過，市場(chǎng)上已經(jīng)可以見到小型的發(fā)電風(fēng)箏版本。

2021年，總部位于德國(guó)漢堡的SkySails Power成為第一家提供商業(yè)化高空風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)品的公司，其產(chǎn)品模型包括一個(gè)柔軟的、可操縱的風(fēng)箏，面積高達(dá)180平方米。這架風(fēng)箏用一條800米長(zhǎng)的繩索與地面站相連，后者被放置在一個(gè)集裝箱內(nèi)。

在運(yùn)行過程中，風(fēng)箏會(huì)在空中畫出巨大而優(yōu)美的8字形，同時(shí)為地面發(fā)電機(jī)提供動(dòng)力。這些發(fā)電機(jī)的平均發(fā)電量可達(dá)80千瓦，足以供應(yīng)大約60個(gè)普通美國(guó)家庭的電力。與典型的2.75兆瓦風(fēng)力渦輪機(jī)相比，這個(gè)數(shù)字微不足道，但其規(guī)模已經(jīng)接近許多便攜式工業(yè)柴油發(fā)電機(jī)。按SkySails Power公司的設(shè)計(jì)，這架風(fēng)箏裝置適合在遠(yuǎn)離電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)使用。

開發(fā)高空風(fēng)能技術(shù)的公司希望能最終建造更大的風(fēng)箏，能夠產(chǎn)生兆瓦級(jí)的電力。他們還設(shè)想數(shù)百只風(fēng)箏共同組成高空風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，為電網(wǎng)提供電力。

側(cè)風(fēng)飛行可以提高速度，使風(fēng)箏從風(fēng)中獲得潛在的能量。這里展示的是Kitemill公司的KM1原型機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，顯示了這一過程。藍(lán)線顯示了風(fēng)箏在起飛和降落時(shí)的低速，黃線顯示了風(fēng)箏在側(cè)風(fēng)環(huán)繞飛行時(shí)達(dá)到的更高的飛行速度。

利用高空風(fēng)能

靠近地面的風(fēng)會(huì)與樹木、建筑物、山丘和地面摩擦，因此趨于逐漸減速。距離地面越高，風(fēng)的傳播速度就越快——在500米的高空，風(fēng)的移動(dòng)速度平均要比100米處快3到7千米/小時(shí)。在過去的幾十年里，有很多關(guān)于利用這些高空風(fēng)能的建議，包括在比空氣還輕的飛行器上裝上渦輪機(jī)，或者把渦輪機(jī)懸掛在穩(wěn)定的風(fēng)箏上。但包括SkySails在內(nèi)的大多數(shù)公司都在尋求一種方法，利用可操縱的、由計(jì)算機(jī)控制的風(fēng)箏，在空中以特定的軌跡飛行，從而收集更多的能量。

高空風(fēng)能系統(tǒng)主要采用兩種基本的發(fā)電方式。SkySails等公司采用基于地面的方法，使用“抽運(yùn)動(dòng)力”裝置來驅(qū)動(dòng)地面上的發(fā)電機(jī)。地面的繩索末端纏繞在絞車上，當(dāng)風(fēng)箏在風(fēng)中飛行時(shí)，絞車松開，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電；之后，飄浮在空中的風(fēng)箏將被拉回地面，再次開始循環(huán)。

另一種方式是依靠風(fēng)箏上的渦輪裝置發(fā)電。機(jī)載發(fā)電會(huì)采用剛性的風(fēng)箏，類似于飛機(jī)機(jī)翼，以支撐小型風(fēng)力渦輪機(jī)。當(dāng)風(fēng)箏飛起來時(shí)，風(fēng)帶動(dòng)渦輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，所產(chǎn)生的電力通過纜繩輸送到地面站。

弗洛里安·鮑爾的Kitekraft公司采用了第二種方式，并開發(fā)了雙用途的渦輪葉片。在發(fā)射和降落的過程中，渦輪葉片由發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，成為螺旋槳，使風(fēng)箏像無人機(jī)一樣飛行和盤旋。一旦風(fēng)箏到達(dá)合適的高度，渦輪葉片就會(huì)轉(zhuǎn)而利用風(fēng)力發(fā)電。

就所用材料而言，風(fēng)箏比今天廣泛使用的風(fēng)塔更有潛在的優(yōu)勢(shì)。風(fēng)力渦輪機(jī)塔需要混凝土基礎(chǔ)和鋼結(jié)構(gòu)來使渦輪機(jī)保持在合適的高度。而在以風(fēng)箏為基礎(chǔ)的系統(tǒng)中，這種結(jié)構(gòu)被一個(gè)相對(duì)較小的地面站和一條輕型系繩取代。歐洲高空風(fēng)力行業(yè)協(xié)會(huì)的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，一個(gè)50兆瓦的風(fēng)箏發(fā)電場(chǎng)在20年的使用壽命中會(huì)使用913噸材料，而一個(gè)典型的風(fēng)塔發(fā)電場(chǎng)會(huì)使用2868噸材料。風(fēng)箏系統(tǒng)所使用的材料更少，從而更環(huán)保、更便宜。

風(fēng)箏也可能用于深水離岸風(fēng)力發(fā)電當(dāng)中。在目前的技術(shù)條件下，當(dāng)水太深而無法構(gòu)建地基時(shí)，風(fēng)力渦輪機(jī)就會(huì)漂浮在巨大的、像駁船一樣的結(jié)構(gòu)上，這些結(jié)構(gòu)必須能夠承受渦輪機(jī)的重量并保持穩(wěn)定。相比之下，風(fēng)箏沒有那么笨重，可以使用更輕、更便宜的駁船。

然而，風(fēng)箏發(fā)電的這些優(yōu)勢(shì)是以復(fù)雜性為代價(jià)的。為了使風(fēng)箏發(fā)電在經(jīng)濟(jì)上更劃算，它們需要運(yùn)行很長(zhǎng)時(shí)間，期間只有很少的人為操作，或者完全是無人運(yùn)行。美國(guó)北卡羅來納州立大學(xué)可再生能源控制與優(yōu)化及能源效率實(shí)驗(yàn)室主任、風(fēng)箏發(fā)電技術(shù)公司W(wǎng)indlift的顧問克里斯·弗米利恩指出，這涉及到一個(gè)十分復(fù)雜的計(jì)算機(jī)控制問題。

風(fēng)箏并不是被動(dòng)地飄浮在空中，相反，它們會(huì)利用自身的空氣動(dòng)力學(xué)特性，以“側(cè)風(fēng)”模式飛行，有點(diǎn)類似船只在風(fēng)中的來回移動(dòng)。當(dāng)風(fēng)箏垂直于風(fēng)向飛行時(shí)，翅膀處會(huì)產(chǎn)生升力，并更用力地拉住繩索。這種額外的升力將轉(zhuǎn)化為額外的速度，可以為地面發(fā)電提供更大的力，也可以轉(zhuǎn)化為更大的空氣流通速度，從而驅(qū)動(dòng)機(jī)載渦輪機(jī)更快運(yùn)轉(zhuǎn)。無論哪種方式，與沒有側(cè)風(fēng)運(yùn)動(dòng)的飛行相比，可用的功率都會(huì)至少增加一個(gè)數(shù)量級(jí)。

然而，這種復(fù)雜的機(jī)動(dòng)操作需要操作者或計(jì)算機(jī)不斷地調(diào)整和控制風(fēng)箏。剛性的風(fēng)箏裝置是通過調(diào)整轉(zhuǎn)向部件，如襟翼和方向舵來控制的，類似于飛機(jī)飛行的方式。軟性風(fēng)箏則是通過調(diào)整操縱線的長(zhǎng)度來控制的，類似于降落傘的引導(dǎo)方式。

當(dāng)今最先進(jìn)的風(fēng)箏系統(tǒng)能夠在計(jì)算機(jī)控制下飛行數(shù)小時(shí)或數(shù)天，通過機(jī)載和地面計(jì)算機(jī)不斷修正并控制方向。弗米利恩表示，當(dāng)風(fēng)保持穩(wěn)定時(shí)，這些風(fēng)箏都能很好地完成工作。但是，如果想成為主流的發(fā)電方式，風(fēng)箏必須能夠可靠地應(yīng)對(duì)突發(fā)和不可預(yù)測(cè)的變化，比如強(qiáng)風(fēng)。它們還需要能夠自動(dòng)起飛和降落，從而在惡劣天氣時(shí)下降，在風(fēng)力條件良好時(shí)上升。

“我們還需要做更多的工作，才能使技術(shù)達(dá)到足夠高的水平，使設(shè)備的使用壽命達(dá)到數(shù)年或數(shù)十年，而不僅僅用來做數(shù)天或數(shù)周的演示，”弗米利恩說道。

此外，我們還需要考慮規(guī)模的問題。較小的風(fēng)箏制作成本更低，也更容易開發(fā)，但由于繩索的重量和阻力會(huì)隨著高度的增加而增加，小型風(fēng)箏在300米以上的高度并不能很好地工作，因?yàn)槟抢锏娘L(fēng)往往是最強(qiáng)的。許多公司希望擴(kuò)大規(guī)模，制造更大、更高效的風(fēng)箏，使其飛得更高，能夠產(chǎn)生兆瓦級(jí)別的電力。當(dāng)然，這一過程伴隨著成本和風(fēng)險(xiǎn)的提高。

通過將一組微型的、可移動(dòng)的風(fēng)車發(fā)射到高空，高空風(fēng)能公司Kitekraft利用一架剛性飛行器實(shí)現(xiàn)了發(fā)電。這架風(fēng)箏也可以為自身起飛和降落提供動(dòng)力。目前這類風(fēng)箏還處于原型階段，未來有可能用于在更多地方建造高空風(fēng)能發(fā)電場(chǎng)，或者為偏遠(yuǎn)地區(qū)提供電力。

擴(kuò)大規(guī)模的風(fēng)險(xiǎn)

一家名為Makani的公司就提供一個(gè)警示性的例子。這家總部位于美國(guó)加利福尼亞州的公司得到了谷歌母公司Alphabet的支持，致力于生產(chǎn)兆瓦級(jí)的發(fā)電風(fēng)箏。但在2020年，Alphabet撤回了融資，導(dǎo)致該公司倒閉。

Makani公司是風(fēng)箏發(fā)電技術(shù)的先行者，但也遇到了許多問題，比如難以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)箏的操控，此外還發(fā)生了數(shù)起墜落事故。在一份公開報(bào)告中，Makani公司首席執(zhí)行官福特·費(fèi)爾克表示，該公司往往在沒有解決技術(shù)問題之前，有意更快速地推進(jìn)風(fēng)箏開發(fā)，并大幅增加風(fēng)箏的尺寸。

鮑爾表示，Makani公司在沒有解決技術(shù)難題的情況下，如此迅速地?cái)U(kuò)大規(guī)模，最終導(dǎo)致設(shè)計(jì)難度過高且成本昂貴，無法修正。另一方面，他也很同情地指出，那些需要很長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到市場(chǎng)規(guī)模的公司可能會(huì)失去投資者的支持。

最后一個(gè)阻礙將是確保風(fēng)箏發(fā)電技術(shù)的社會(huì)和環(huán)境成本可被接受。傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)經(jīng)常面臨附近居民的反對(duì)，他們擔(dān)心風(fēng)力渦輪機(jī)會(huì)帶來噪音、視覺干擾和景觀問題。風(fēng)箏發(fā)電場(chǎng)的支持者預(yù)計(jì)，風(fēng)箏對(duì)視覺和噪音的影響將比傳統(tǒng)的風(fēng)塔小得多。不過，一篇已發(fā)表的論文分析稱，沒有經(jīng)驗(yàn)證據(jù)能支持這種說法。盡管風(fēng)箏沒有風(fēng)塔那么大，但它們俯沖的動(dòng)作和發(fā)出的噪音仍然可能比傳統(tǒng)風(fēng)塔造成同樣甚至更多的破壞。

該論文還指出，目前還不清楚這些風(fēng)箏會(huì)對(duì)鳥類產(chǎn)生什么影響。同樣，支持者認(rèn)為風(fēng)箏可能比風(fēng)力渦輪機(jī)更安全，因?yàn)檫@種風(fēng)箏比一般的鳥類飛得更高。然而，連接風(fēng)箏與地面站的繩索本身移動(dòng)非常迅速，也很難被發(fā)現(xiàn)，鳥類可能難以避開它們。

以風(fēng)箏為基礎(chǔ)的高空風(fēng)能發(fā)電將會(huì)有多廣泛的應(yīng)用，目前尚不得而知。像鮑爾這樣的支持者認(rèn)為，工程和計(jì)算問題是可以解決的，最終可以使風(fēng)箏發(fā)電物有所值。

然而，美國(guó)能源部于2021年向國(guó)會(huì)提交的一份報(bào)告發(fā)出了警告，稱風(fēng)箏發(fā)電是“一項(xiàng)不成熟、未經(jīng)證實(shí)的技術(shù)，需要取得進(jìn)一步的發(fā)展，才能在國(guó)家層面上大規(guī)模部署”。該報(bào)告稱，傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪機(jī)發(fā)電的成本也在持續(xù)下降，這使得風(fēng)箏發(fā)電系統(tǒng)更難顯示出自己的優(yōu)勢(shì)。

弗米利恩對(duì)此表示贊同，他說：“我不認(rèn)為機(jī)載風(fēng)能系統(tǒng)可以取代大多數(shù)現(xiàn)有的傳統(tǒng)陸地渦輪機(jī)?！钡瑫r(shí)認(rèn)為，未來十年，風(fēng)箏發(fā)電技術(shù)將在軍事和離網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域找到合適的生態(tài)位。在某種程度上，它們可能會(huì)成為深水風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的首選技術(shù)，較輕的重量將使它們具有比基于高塔的渦輪機(jī)更大的優(yōu)勢(shì)。