設計構架
風力可以像旋轉磁體一樣被用於發電,並隨速度快慢而變化。所以,小幅增加風速可以令機械能數量大大增加。高空風速度很快,可以在全球範圍內迅速蔓延,同時比地面風更易於預測。高空風的這些特點最終促使發明者和科學家將希望寄托在高空,那裡的風力向來十分強勁。在20世紀70年代爆發能源危機時,各類新的能源概念不斷湧現,工程師和發明者申請了多項利用高空風設計的專利。
他們提出的兩個主要設計構架沿用至今。第一個基本上是在空中建造發電站,在高空發電,然後通過電纜輸送到地面。第二個更像是風箏,先將機械能輸送到地面,再由發電機將其轉換為電。從理論上講,這兩種方法都行得通,只不過從來沒有實施過對兩項技術可行性的全面、嚴格的評估。
美國能源部曾經有一個高空風力發電項目,規模非常小,有關高空風力特徵的第一個準確數據便來自於這個項目,然而,由於20世紀80年代能源價格暴跌,里根政府時期的能源部官員將經費挪為他用,最終致使其無疾而終。儘管近年來全球日益重視可再生能源開發,該項目並未重新啟動,這並不是因為它不好,恰恰相反,正是因為它過於新穎,距離現實有些遙遠。
面臨困難
美國國家可再生能源實驗室發言人喬治·道格拉斯(George Douglas)說:“我們現在很大程度上只盯著那些可以快速商業化的項目,比如在10年左右可以推向市場的項目。”KiteGen、 Sky Windpower、Magenn和Makani等初創企業幾年前開始涉足高空風力開發,現在看來他們有望提前實現目標。克里斯蒂娜表示:“我們距離工作原型並不像想像中那么遙遠。”不過,她同時指出,這些企業無一例外都對他們的實驗數據守口如瓶。
Magenn公司CFO巴里·摩尼特(Barry Monette)稱,明年公司將出售“兩到四台”工作原型機,屆時“第一筆收入”將打入公司賬戶。Magenn公司的這套機器可以在更低高度下運轉。摩尼特說:“我們的確認為我們會成為最先進入市場的公司,除非有什麼意外發生。”
從長期來看,用此類機器給整座城市供電仍困難重重,這很大程度上是因為,即便高空位置達到最理想,一年也有會5%的時間遇到不颳風的時候。克里斯蒂娜論文合作者、史丹福大學生態學家肯·卡爾德拉說:“也就是說,你要么擁有後備能量,大量的能源儲備,要么擁有整個大洲乃至全球性電網,用以保證風電可利用率。所以,儘管高空風最終有可能證明是一種重要的能源,但它需要完善的基礎設施。”
價值意義
據第一項縝密的、全球範圍內的高空風力研究估計,在距地面大約1600至4萬英尺的高度,有足夠能量可以滿足全球百倍的電力需要。最先進地面風力發電站的風力密度低於每平方米1千瓦。而在紐約上空急流附近,風力密度則可以達到每平方米16千瓦。如果能夠克服風力間歇性問題,那裡的空氣將是具有無限潛力的能源寶庫。
更為重要的是,最理想的高空風力資源剛好位於人口稠密地區,比如北美東海岸和中國沿海地區。美國加利福尼亞州立大學科學家克里斯蒂娜·阿徹(Cristina Archer)說:“高空能源的確十分驚人。那裡擁有無限的能量,儘管並不像我們想像的那般穩定。它不會是解決我們所有能源問題的高招,但一定會幫助我們解決這個問題。”克里斯蒂娜與另一位學者合作實施了一項研究,研究結果刊登在《能源》雜誌(Energies)上。
數百年來,一直在利用高密度的礦物燃料,石油供應劇增和對氣候變化的擔心讓綠色技術獲得了新生。不幸的是,可再生能源的分布一般漫無邊際,這意味著你需要開發大片區域才能獲取你需要的能量。所以,工程師都在尋找儘可能密集的可再生能源。在這種情況下,高空風看上去非常具有前景。