高空风能技术是一种利用万米高空风能发电的技术。国际上，研发这种技术的公司主要集中在欧美国家。去年，《科学时报》曾报道过由华人科学家带领的科研团队落户我国广东，这也是国内首家高空风能企业。
11月30日，在北京举行的国际风能发电新技术发展战略研讨会上，记者再次见到了广东高空风能技术公司总裁张建军博士。据张建军介绍，经过一年的研发，目前该公司已经生产出2兆瓦高空风电工业样机，并正在积极准备示范电站。
据记者了解，高空风能技术虽然在西方国家已经出现了很多年，并进行过一系列实验，但由于技术始终未获突破，目前市场上并没有可商用的高空风能发电机投入运营。各种技术路线都停留在实验阶段。
今年9月底，2010高空风能大会(AWEC)在美国加州举行，包括广东高空风能公司在内的20家企业在会上报告了自己的技术。据当时参会的美国得州大学教授廖国钧介绍：由于采用了与众不同的技术路线，广东的这台样机在会上报告的各种高空风能技术中，有望最早实现商用。
张建军在接受《科学时报》记者采访时也坦言，目前国际上高空风能的技术标准仍是空白，一旦工业样机和电站示范成功，广东高空风能技术公司将在高空风能的标准制定方面占有先机。
中国的高空风能资源丰富
高空风能强度很高，是地表风能强度的上百倍。
美国环境和气候学家Cristina Archer和Ken Caldeira的研究报告指出，高空中蕴藏的风能超过人类社会总需能源的100多倍。
而根据美国国家环保中心和美国能源局的气候数据，高空风能最好的地点是美国东海岸和亚洲东海岸。这其中就包括中国。
Archer在本次北京的研讨会上分析指出，全世界的陆上风能都不能保证长期稳定，但是在万米高空，全世界有一半的地区，其中包括中国绝大部分地区都能保证95%的时间有稳定的风。
美国国家海洋和大气管理局公布的实测数据显示，我国上空的高空风能资源非常丰富。
2009年，北京市上空百米高度的平均风速是4.1米/秒，能量密度是78瓦/平方米；700米高度的风速是7.3米/秒，能量密度430瓦/平方米；而在万米高度，风速达到34.5米/秒，能量密度则上升到16275瓦/平方米。青岛的条件则更好：100米高度风速5.5米/秒，能量密度194瓦/平方米；700米高度风速7.5米/秒，能量密度470 瓦/平方米；万米风速40.8米/秒，能量密度高达22584瓦/平方米。
Archer由此得出结论：高空风能能量很大，中国的高空风能条件尤其好，不仅风力强，而且分布广，大部分地区都具有发展高空风电的气候条件。
由于高空风的稳定性，高空风能发电技术的另一大优势就是电场可以建在主干电网附近或者大城市周边，而不像传统风电场多位于远离发达城市和主干电网的偏远地区。
Archer同时指出，在现在的电量需求规模下，发展高空风电对气候和环境几乎没有影响。
在对比各种能源形式的优劣时，Archer指出，能源发展形式必须多样化，而高空风能是对传统能源和其他可再生能源的一种很好的补充。
参会的美国工程院院士鲍亦和也指出，向海上和高空发展是未来风能发展的趋势。
突破技术瓶颈
高空风能的概念在170年前就已提出，但至今这个愿景仍然只是方案。
进入新世纪以来，欧美国家一些公司为高空风能技术的研发投入巨资，如谷歌公司于2006年投资1000万美元支持Makani Power的研发，到2008年，投资又增至2000万美元。
2009年在美国加州举行了全世界第一次高空风能大会，结果出乎主办方意料，大会居然吸引了60余人、10余家企业参加。而到2010年的大会，参会人数增至140人，企业达到20家，其中不乏太平洋煤气电力公司这样的大企业。
不过，到目前为止，高空风能发电技术的规模化应用还未形成。
究其原因，有两大技术难题在阻碍高空风能的发展：一是高空风能收集、转换所需要的轻质高强度材料难以获得；二是保证空中部分稳定性的控制技术一直没有突破。
据国际华人科技工商协会主席李大西介绍，近几年来，随着科技进步，高空风能发电所需的耐磨、耐化学腐蚀、抗紫外辐射的轻质高强度材料已经能从市场上获得，其中不乏很多中国企业生产的高品质材料。
因此，目前制约高空风能发展的突出问题集中在控制技术上。
高空风能发电是在高空中收集风能，将风能转化为机械能，然后通过拉绳带动地面的发电机将机械能转换为电能。
目前高空风能发电的主流技术是风筝型发电系统。在这种系统中，风筝作为风能采集器将高空风能转化为机械能，同时，风筝还是平衡器，保持系统稳定。但这种系统的最大问题就是，平衡运动与做功运动相互耦合、相互影响，很难设计出平衡与做功的最佳控制模式，系统复杂，持续性和稳定性难以保障。
廖国钧表示，之所以认为广东高空风能技术的天风技术最有希望，就是因为这种技术另辟蹊径，将做功系统和平衡系统分开控制，因此系统大大简化，突破了系统空中控制的技术瓶颈。
瞄准标准空白
“几年前我打死也不信，没想到他坚持了几年现在居然成功了。”张建军的合作伙伴这样描述广东高空风能技术公司的发展历程。
张建军的成功源自他抛开了主流的风筝型发电系统，而采用伞梯结构。
天风技术的伞梯由做功伞和控制伞两部分构成，分别起做功和升力平衡两个作用。上部平衡系统由一串伞和一套控制系统组成，下部由一个或多个做功伞组成，做功伞在轨道上滑动，拉动地面发动机转动发电。
这两部分以特殊的方式连在一起，但又相对独立，在风的随机扰动下，平衡系统可以自我调节而不影响做功，做功过程中对系统的扰动也不会直接传递到平衡系统，从而保证了做功的稳定进行。
另外，系统采用模块组合结构，通过调整系统运行高度和改变模块数量，能够实现发电功率在10~1000兆瓦范围内变更。这也就彻底颠覆了风电是“垃圾电”的固有观念。
张建军解释道，控制开几个伞可对发电量进行粗调，而控制单个伞张开的面积可以对发电量进行细调，从而使整个发电系统根据负载调整到需要的瓦数，通过控制系统能够实现功率恒定输出。
据悉，从今年1月份以来，张建军的研究团队就埋头做样机。天风一号系统样机经过运行实验，已成功发电，整体性能基本达到设计要求。
4月底完成的天风二号系统是一套2兆瓦的样机，由4组伞组成，相互衔接，并配备超级电容调节，使得功率输出更为稳定。
目前，天风技术已经在中国和美国申请了发明专利。张建军的下一步计划是希望在示范电站的运行中继续发现问题，进行改进，证明系统的可行性和可靠性。
据李大西介绍，采用天风技术建设的高空风电场，无须建造塔筒及叶片，采用模块组合很容易实现规模效应，因此项目建设造价可低于常规风电场。同时采用模块组合结构，发电场功率可达到1000兆瓦，实现发电成本低于0.3元/度。
不过，由于目前我国600米以上的高空空域没有放开。张建军的实验都是在低于500米的空域内进行的。
张建军表示，如果300~500米能工作，更高的高空肯定更好，因为高空的风力更稳定，比地面更容易控制。
一位来自投资公司的投资人指出，目前天风技术在我国实现产业化面临的首要问题就是高空空域管制和国家电网接入。
他同时指出，这两个问题在国外都不存在，因此天风技术可以向全球发展。
由于没有成熟的技术，目前在世界范围内这个领域的标准都是空白。国外公司虽然对高空风能的研究早，但一直没有突破，而广东高空风能技术公司由于一上来就有了好的思路，没走弯路，发展速度甚至更快。
张建军希望在示范成功的同时建立起一整套产业标准，抢占国际市场的制高点。
广东高空风能瞄准国际标准空白
日期：2010-12-20 来源：科学时报 作者：陈欢欢
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