伞梯式陆基高空风力发电技术的 发展现状与未来展望
罗必雄，任宗栋，刘海洋，李晓宇（中国电力工程顾问集团有限公司.北京市100120）
摘要：【目的】高空风力发电（airbomewindenergy.AWE）技术利用高空中风速更快，更稳定的特点，具有比传统地面风力发电更高的能源密度和发电效率.文章旨在探讨高空风力发电技术的发展现状与未来展望.【方法】论述了高空风力发电的技术路线，包括陆基和空基2种主要方式，并讨论了各自的技术挑战和发展现状.详组介绍了伞梯式陆基高空风力发电技术的工作原理、系统构成以及工程案例.伞梯式技术通过空中组件、牵引组件和地面组件协同工作， 实现风能的有效描获和转换.通过分析中国绩溪高空风力发电项目的具体实施情况，展示了拿梯式陆基高空风力发电技术的实际应用和效果.【结果】该项目成功实现了高空风能发电，在低空可达kW级发电且在5km高空功率可达MW级，验证了技术的可行性和优势.【结论】绩溪项目证明该技术可行，其具有规模化、安全性高和资源利用率高的优势，风能转化效率高，可通过增加缆绳长度和调整放飞角度捕获高至千米以上的风资源.在风资源丰富的“三北“地 区.该技术可在1km高空实现MW级发电，并通过增加做功拿数量进一步提升发电等级，对新能源开发意义重大.
关键词：可再生能源：高空风力发电（AWE）技术：伞梯式陆基高空风力发电
中图分类号：TM614 文献标志码：A
文章编号：1000-7229（2025）08-0045-09
DOI: 10. 12204/j issn. . 2025. 08. 005
Analysisof CurrentStatus andProspectsofParachute-Based Airborne Wind Energy Technology
LUO Bixiong REN Zongdong LIU Haiyang LI Xiaoyu(China PwerEngineeing Coling Grop Co. Iad. Bejing 100120 Chna)
ABSTRACT: [Objetive] Airbome wind energy ( AWE) technology utilizes faster and more stable wind speeds at higheraltitudes an f higher enegy density a er gnetion eficiee than traditoal win pwer generti.This stdesplored the cunt stats an poseets of AWE tehlogy with a patilar fs on parahtebasd grod-geatedhigh-altitude wind power technology. [Methods] This article outlines the technological routes of AWE systems ( AWESs) using two main approaches (ground-gen and air-gen）and discusses their respective technical challenges and the curentstatus of development. Speial attntion is paid to the parachtebased gund-gen AWES rith a detiled introution t itsworking priniple sysem coositio ad engineering case analyis.Paachtehased tehlgy fetivly captures ad conerts win eegy trgh the corinated ptin f arial trtin an gud nts.B analying the peifcimplemntation f th Jii high-alie win pwer pjt in China this article demtates tbe eactical apliati andfetiseness f paachte-sd gou-gen AWE techlog [Reults] The projt sesfully achieed highaltitue windpoer geetio which ld tpt kilwall power at l altiudes and meawat levels e 5 km ts veriying the feasibility and adantages of the tehology. [Conlsins] Te Jii Projt prved the feasibility f ths techology whihfeatures scalability high safety and high resource utiliation eficieney. lIt also achieves a high wind energy coeversimefficieney and can capture wind resources at altitudes ver 1 km by increasing the length of the tether and adjusting the lanch angle. In te The h rgins with ant wind reues this techlgy can achiee MWlevl pwr geti atan altitude of I000 m and further upgrade the power generation capacity by increasing the number of doing-woek parachutes holding significant implications for renewable energy development.
This woek is supported by the National Key Research and Development Program of China No. 2023YFB4203400).
KEYWORDS: renerable energy: airborne wind energy (AWE) technology : parachute-based AWES
0引言
的日益提高，可再生能源的开发和利用受到了前所 随着全球能源需求的不断增长和环境保护意识未有的关注.在众多可再生能源中，风能因其清洁、可再生、技术成熟等优点，已经成为全球能源结构转型的重要力量.据预测，到2030年，全球风电占总体发电的比例将达到20%.然面，传统的风力发电 技术主要依赖于近地面的风能资源，受限于地形、气候等多种因素，其发展潜力和效率受到了一定的限制[1-2]
近年来，高空风力发电（airtbxrmne wind energy，AWE）技术以其独特的优势逐渐成为研究的热点. 高空风力资源具有风速高、风向稳定、风能密度大等特点，理论上可以提供比地面风能更为丰富和稳定的能源.此外，高空风力发电技术还具有对环境影响小、土地利用效率高等优点，被认为是未来风力发电技术的重要发展方向.
本文旨在综述高空风力发电技术的发展现状与展望.首先，分析高空风力发电技术相较于传统风能技术的优势，并探讨其在全球能源市场中的潜在地位.其次，详细介绍高空风力发电的技术路线，包特点和应用前景.然后，讨论高空风力发电技术面 括陆基和空基2种主要的技术方案以及各自的技术临的主要挑战，包括技术难题、成本问题、安全性问题等，并提出可能的解决方案.最后，通过分析国内外的工程案例展示高空风力发电技术的可行性和商业化潜力.通过对高空风力发电技术的研究，本文 期望为相关领域的科研人员和工程技术人员提供参考，同时为政策制定者提供决策支持，共同推动高空风力发电技术的健康发展，为实现全球可持续发展目标做出贡献.
1传统风能与高空风能
近年来，可再生能源在全球能源市场和社会中获得了显著的关注.由于可再生能源可提供环境和经济上的双重优势，发展可再生能源已经成为减少对化石燃料依赖的理想选择.风能在众多可再生 能源中，基于其高容量因子、低维护成本和低碳排放20%.为此全球的专家、学者已开发出多种风力发好”.已有不少研究从多个角度对比了AWES和传
主要利用近地风能，这在很大程度上受到地形、覆盖类型和地面热量的影响”，而对于高空风能的考虑球气候模型报告称，从风中提取的功率高达1800 较少.然面，高空风比地面风更快、更稳定-.全TW，几乎是目前全球电力需求的100倍.除此之外，风功率密度随着海拔的升高面增加.例如，在0.5-1.0km和10km的高度，风能密度分别比50-150m高度可获取的风能密度要高出4倍和40倍.
由高度导致的风速差异可以从文献[16]中伦敦市中心测量的风力数据中清楚地看出.即使在120m的高度，伦敦市也有相当不错的风力资源，平均风速为7.0m/s.但在250m的高度，风速增加到了9.3m/s.由于立方关系，风力增加了一倍多，从210 到480 W/m².“London Array“是世界上最大的海上风力发电场，其在100m轮毂高度处的平均风速为9.2m/s.海上风力场和高空风力之间的相似性有一个简单的原因：陆地上的障码物，如森林、山丘和建筑区的障碍物较少，高空风力也是如此，高空中没有障 物，会减慢风速.海上风电的一大优势在于海上地碍物存在来减慢风速.在500m的高度，平均风速为11.6m/s.相对于250m的高度，风力再次增加了一倍多，达到924W/mm².同时，在伦敦上空1500m的高度，平均风速为20m/s.这种或多或少持续 的暴风雨导致可利用的风力相比500m的情况增加了4倍，相比目前风力涡轮机的高度120m增加了20倍.
为了捕获并利用高空风能，一个全新的可再生能源领域一-空中风能在科学界出现了.AWE旨在 捕获高度显著增加的风能.收集这种能源的机器可以称为空中风能系统（airborne wind energy system，AWES）.高空风能的基本原理是由Loyd提出的，他分析了基于系绳风筝的AWES可以在理论上提取的最大能量.高空风能是应对气候变化和可再生能 源发电挑战的理想解决方案.AWES能够为偏远社区和离网工业区提供动力.AWES可作为一种替代性和创新性的方法来收集高空风，具有多种优势”.高空风的风速更高、更稳定、可预测性更强，这些优势使得AWES在能源收集方面有优势，其中无 塔架可以进一步将制造成本降低约10%.此外，等多重优势，成为了全球增长最快的产业之一.预AWES在部署选址上的灵活性是另一个巨大优势，对计在2030年，全球风电占总体发电的比例将达于偏远地区和电网接人有限的地区来说是一种利电机将风能转化为电能".当前的风能收集系统统风电系统.这些研究强调了AWES作为可持
续发展电源的主要优势.与传统的风电相比，AWES 可以在任何地方部署.尽管尚未商业化，但AWES已经是一个经过验证的概念，仅在美国就有超过100项与AWE相关的专利申请.在过去的5年中，AWES研究团队数量已呈指数级增长，现在包括全球各地已有20多家该领域的初创公司.AWES的其他优势 包括发电波动较小、潜在能源产量更大、节省成本更多、更容易维护、噪音和污染产生较少、对野生动物的影响更小以及可扩展性更强等2.尽管AWES优势明显，但其仍处于起步阶段，关于AWES的许多实际工作还有待完成.
2高空风力发电技术及其发展
2.1高空风力发电的技术路线与发展
技术路线如图1所示.首先，由于发电模块所处位置 通过文献[29-31]的总结分析，高空风力发电的不同，可分为陆基和空基2类，如图2所示”.陆基路线由空中飞行装置拖动连接装置，风能转化为机械能，再由地面发电机将机械能转化为风能.相反，空基路线由飞行装置直接将风力发电机携带至空 中，再将产生的电能传输至地面.整个系统中，地面和空中装置由连接装置连接，基于该装置性质的不同，亦可分为柔性连接和刚性连接.
图1高空风力发电技术路线
Fig. 1 Technologies of AWE technology
由图2可见，针对空基路线，由于受制于浮空器本身抗风性能及体积的限制，其发电量难以提高.同时技术难度大，如加拿大Magenn Power公司的 MARS高空风能系统，于2008年提出.但进展缓慢，目前仍处于概念验证阶段.相对地，陆基发展路线技术上相对成熟，同时有类似的可参考范本.如德国SkySailsPower公司是滑翔伞式风筝系统领域的技术领先者，也是世界上第一家成功将滑翔伞式风筝发 电技术发展成工业应用的公司，SkySailspower公司的200kWAWES是其主要产品.与塔式风电相比.其发电量显著提高，按照不同尺寸，材料使用量减少了70%~90%，生产成本减少了20%-75%，占地面积减
图2空基与陆基技术路线
Fig 2 Air-gen and ground-gen technology of A WES
少了75%以上，并且该系统可安装在陆地和海面上，扩大了使用范围.除此之外，在国内，中国电力工程顾问集团有限公司与中路股份有限公司合作研发 的2.4MW伞梯式陆基高空风力发电样机已在绩溪示范项目实现工业验证，是目前功率等级最大的高空风力发电装备.
综上所述，相比之下空基技术需携带发电机升空，空中组件体积、质量远大于陆基路线，轻量化难 度高且经济性差：空中设备带电，雷电等复杂天气下安全风险高；受以上因素约束，空基技术发电功率难以提高，而陆基技术，尤其是伞梯式陆基技术，在大型化、轻量化、安全性等方面具有优势，当前更具发展价值，将在2.2节具体介绍.
2.2高空风力发电的技术挑战
1)陆基高空风力发电的技术挑战.
尽管高空风能有着高风能密度、高风速的优势，但是高空风能技术仍然面临着不少的挑战.首先，高空风能技术，尤其是陆基技术路线相较于传统的 风力发电更为复杂，一些技术挑战还没有完全解决，例如连续的自动操作（包括起飞、正常运行、着陆）、系统组件的长期耐久性、在极端天气条件下的运行以及在紧急情况下的安全着陆-3].同时，对于高空
在《Airbome wind energy: arlvances in technology 风力发电的控制也存在着诸多挑战.Roland Schmehldevelopment and research-书中提到，飞行器（尤其是伞或风筝）的起飞和降落是高空风能运行与控制将要面临的第一个挑战，同时，回收和控制飞行装置所要消耗的能量如何进行优化也是该技术急需解 决的难题.电机的连接与稳定运行控制挑战也伴随着风况变化以及飞行装置的复杂运行产生.如何从地面实时追踪监控飞行装置的运行成为了控制层面的主要挑战，如文献[37]和[38]所述，尽管动态追踪技术已经有了很大的发展，但对于高空风能来说仍然没有足够好的解决方案.
对系统的运行，文献[31]总结了相关的安全运行以 及故障容限挑战.
相比于陆基技术路线，空基技术路线面临着包括安全性在内的更多技术挑战.
总的来说，针对高空风能技术，主要面临的问题的，要发展高空风能技术，需要对多领域的技术进行 与挑战是由对应的材料以及监控技术局限性带来进一步研究与协同发展，同时，可以发现高空风能技术是一项涉及多领域的技术，其发展离不开多领域、多学科的合作.
术挑战，尤其当容量较大时，空基路线将会面临电能 根据上文对比可发现空基技术面临着更大的技传输以及安全的双重挑战.空基技术路线在当前技术水平下受限明显，因而下文将主要针对伞梯式陆基高空风力发电技术进行进一步分析.
2）空基高空风力发电的技术挑战.
对于空基路线来说，由于飞行器上携带电机等带电元件，且需要电缆将空中产生的电能传输回地面在高度超过一定高度（如1km）时，尤其当系统容量较大时，电缆的质量会是该路线面临的第一个挑 战.同时，电缆的收、放以及长期维护相较于输电网络中电缆的维护皆具有很大的技术难度.其次，由于空中组件包含大容量带电元件，电气安全以及防雷则是该技术路线面临的又一巨大难题.最后，针
伞梯式陆基高空风力发电技术
3.1技术原理
伞梯式陆基高空风力发电系统的结构如图3所示.通常，该系统由空中组件、牵引缆绳和地面组件3个部分构成.
Fig. 3 A typical parachute-based ground-gen A WES
图3伞梯式陆基高空风力发电系统
的空气动力，部分空气动力通过缆绳以牵引力的形式传递给地面设备，带动发电设备发电，实现对高空 风能的捕获.
空中组件主要部件包括浮空气球、平衡伞组、做功伞组，各部件功能介绍如下：
1）浮空气球.浮空气球设置在伞梯顶端，气球内部充有情性气体，提供伞梯系统初始浮空阶段所需的升力，引导伞梯升空.
牵引缆绳由高分子材料制成的轻质柔性绳，主要起到对做功伞的方向约束，确保伞组运行方向一致.同时起到空-地能量传输载体的作用.
2）平衡伞组.平衡伞组位于浮空气球之后，斜挂在缆绳上，平衡伞相对做功伞面积较小.主要作 用包括牵引做功伞升空开伞和提供一个防止伞梯系统倾覆的力矩，保证整个伞梯空中系统的稳定.
换机构、变速机构、地面排容绳机构、电机，各部件功 地面组件主要部件包括随向顺应机构、运动变能介绍如下：
3）做功伞组.做功伞组是伞梯空中系统风能捕获的核心部件，包含多个做功伞，由缆绳进行串联，作用是做功伞开伞后，伞组在风的作用下产生可观
1）随向顺应机构：用于空地连接、引导缆绳从空中到地面，空中部分缆绳可随风向的变化而变换方向和角度，主体由万向滑轮构成.
式变换为旋转使其可以通过转轴带动电机转动，主 2）运动变换机构：用于空中组件的直线运动模体为卷简.
式中：9为缆绳和地面的夹角.
可以发现，随着夹角的增大，实际做功功率会有一定程度的下降，然面，基于文献[40]和[41]中的分析，在实际的放飞做功过程中，一方面角度相对稳定，另一方面实际的角度变化对输出功率的影响在1%以内，一定程度上可以忽略不计.因此，理论上该 项技术具有相对高的能量利用效率.同时，基于本项目团队的理论研究，伞梯式陆基高空风力发电系统的一次风能捕获效率为：
3）变速机构：通过合理设计空间齿轮系，实现增速，使得电机能够运行在额定转速，主体为变速箱.
采用卷扬式滚筒.卷扬式滚筒兼具运动转换和容绳 4）地面排容绳机构：使用卷扬机实现容绳功能，功能，缆绳采用单层缠绕.
5）电机：将机械能转化为电能.采用永磁电机，采用直驱或半直驱方案.
伞梯由多个平衡伞和做功伞通过一定的排列组合形式构成，通过伞梯的往复运动，带动地面的发电机转动发电.伞梯运行分为初始浮空阶段、做功阶段和回收阶段三部分.
(3)
式中：C为第i个伞的拉力系数，可基于伞型和捕风情况进行实际测算；V为第i个伞处的风速：V为缆绳放出的绳速；N为一个伞梯中做功伞的总数；B为伞 梯做功时伞梯与地面的夹角.可以看出，随着做功伞数量的增加，风能捕获效率也在逐渐提升，因而通过伞梯式高空风力发电技术有可能突破当前基于风机叶轮发电的传统风力发电最大风能捕获效率，即贝茨极限59.3%.
初始浮空阶段伞梯系统顶端的浮空气球升空，空.待伞梯系统到达一定高度，平衡伞组首先打开， 给伞梯系统提供初始浮空阶段的升力，带动伞梯浮提供额外的升力使伞梯系统能继续升空.
到达做功伞开伞高度和风速后，做功伞依次打开，进人做功发电阶段.打开后，做功伞受到气动力 的作用，其中做功伞受到的气动力绳向分量通过缆绳以绳力的形式传递到地面带动发电机进行发电，而做功伞受到的气动力垂直于绳向的分量以及伞梯系统自重使得伞梯系统有朝地面倾覆的趋势，在这一过程中，位于做功伞上方的平衡伞发挥另一个作 用-给伞梯提供防倾覆的力矩，使得伞梯系统可以在侧风作用下保持自平衡.
伞梯式陆基技术路线下单个伞梯需要进行往复运动实现发电，因而在单个伞梯的每一个发电周期内，都会存在一段非发电状态时间.因此，为实现系统的连续发电，需要进行多机组的协同运行，确保整个系统能够长时、稳定地发电.通过控制多个伞梯 的升降，并对伞梯的升、降速度进行控制，可以实现系统连续发电并调控系统输出功率，建立能够长时稳定可控的高空风力发电系统.
伞梯运行至高度上限后，做功拿关伞进人恢复阶段.在恢复阶段，做功拿闭合不再提供升力，平衡伞根据情况选择打开或收回，保证伞梯系统姿态 稳定.伞梯系统的自重与浮空气球和平衡伞基本一致，地面电机消耗较小的电能将伞梯向下收回.待伞梯系统下降至原做功伞开伞高度，控制做功伞再次打开进人做功阶段，伞梯空中系统通过做功阶段和恢复阶段的循环往复，实现对高空风能的 捕获.
3.2单套机成本分析
基于上文分析，对于一套典型的伞梯式陆基高空风力发电机组面言，主要设备包括氨气球、伞、缆绳、地面机械设备、地面发电设备以及包括控制组件在内的其他辅助系统组件，根据本项目组的调研情况，以10MW机组为例，经估算，可考虑使用半径为40m的伞，对应设备具体成本 见表1.
基于文献[39]中的分析，单伞系统放飞时，空中系统形成的气动拉力，即缆绳拉力计算公式为：
表110MW机组成套设备造价Table 1The cost of a 10 MW plant
氢气球 设备 单价/万元120480 700300~600地面发电设备 S00地面机械设备 3000其他辅助系统设备 500
(1)
式中：F为缆绳拉力；p为空气密度；A为伞的受风面 积；V为风速；C、C分别为升力、拉力系数.
基于拉力，可推算出单伞系统在上升做工过程中的理论最大发电功率P为：
