Products:
NI 9237, NI SoftMotion Module, LabVIEW, CompactRIO, DIAdem, FPGA Module, cRIO-9112, LabVIEW Real-Time Module, NI Developer Suite, cRIO-9014, NI 9476, NI 9217, Control Design and Simulation Module, NI 9853E, NI 9201, NI 9425, PID and Fuzzy Logic

The Challenge:
在北半球的大部分地區(qū)距離地面幾千英尺的地方，有著能夠與世界上最好的地面風(fēng)力電站媲美的風(fēng)力資源尚未得到開發(fā)。再往上10倍高的對流層則有著世界上能量密度最高的可再生能源。

The Solution:
Makani Power是空中風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域中資金雄厚的領(lǐng)導(dǎo)者，它相信空中風(fēng)力渦輪（AWT）技術(shù)能夠?qū)⒖砷_發(fā)的地面風(fēng)力資源擴(kuò)大五倍，覆蓋美國大陸表面的80％。空中風(fēng)力渦輪與基于地面的渦輪一起將通過減小發(fā)電波動，并縱向拓展能源采集的區(qū)域，幫助緩解能源問題。

        "我想當(dāng)今處于領(lǐng)先地位的競爭者應(yīng)該能通過仔細(xì)設(shè)計將空氣動力效率最大化，提供包含板載飛行控制系統(tǒng)的可以工作在邊緣層的系統(tǒng)"

         您可能是傳統(tǒng)水平與垂直風(fēng)力渦輪的專家，但是您是否聽說過空中風(fēng)力發(fā)電？按照目前新生的空中風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的創(chuàng)新速度，十年之后“空中風(fēng)力發(fā)電渦輪”將會成為家喻戶曉的詞匯。在北半球的大部分地區(qū)距離地面幾千英尺的地方，有著能夠與世界上最好的地面風(fēng)力電站媲美的風(fēng)力資源尚未得到開發(fā)。再往上10倍高的對流層則有著世界上能量密度最高的可再生能源。

         利用高海拔風(fēng)力資源可能還需要一些重要的技術(shù)突破，但是靠近地球的空中風(fēng)力發(fā)電將在十年內(nèi)成為成本低、實(shí)用并且可以用于大型公用規(guī)模的發(fā)電方式。大多數(shù)空中風(fēng)力發(fā)電公司都將其重點(diǎn)放在位于距離地面數(shù)千英尺的“邊緣層”。將在這個海拔下可以用于大型公用規(guī)模的空中風(fēng)力發(fā)電帶入市場并不需要重大突破，僅需要扎實(shí)的工程工作、研發(fā)投資以及富有經(jīng)驗的地面風(fēng)力發(fā)電團(tuán)體的支持和指導(dǎo)。

         世界上至少有30個新興企業(yè)和研究小組都在努力讓空中風(fēng)力發(fā)電成為現(xiàn)實(shí)。豐富的商用（COTS）技術(shù)和工具讓他們能夠達(dá)到可觀的創(chuàng)新速度。在過去的幾年中，他們的原型系統(tǒng)已經(jīng)證實(shí)了空中風(fēng)力發(fā)電的基本原則，并且將規(guī)模提高到數(shù)十千瓦級。行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者的下一步是證實(shí)系統(tǒng)能夠在現(xiàn)場長期連續(xù)可靠地運(yùn)行。

        空中風(fēng)力發(fā)電還處于初始階段，因為現(xiàn)在的地面渦輪并不具備很高的性價比，如果能夠離開地面，就可以讓空中風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域延伸到新的地方。Makani Power是空中風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域中資金雄厚的領(lǐng)導(dǎo)者，它相信空中風(fēng)力渦輪（AWT）技術(shù)能夠?qū)⒖砷_發(fā)的地面風(fēng)力資源擴(kuò)大五倍，覆蓋美國大陸表面的80％。空中風(fēng)力渦輪與基于地面的渦輪一起將通過減小發(fā)電波動，并縱向拓展能源采集的區(qū)域，幫助緩解能源問題。

通過同化進(jìn)行創(chuàng)新
         空中風(fēng)力發(fā)電從傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域中沿用了許多成熟技術(shù)，有時甚至使用相同類型的發(fā)電機(jī)、齒輪箱和并網(wǎng)型逆變器。表1比較了地面渦輪和空中風(fēng)力渦輪之間的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)。空中風(fēng)力渦輪的主要不同點(diǎn)是從風(fēng)中提取能量的方式。并非使用大型鋼塔結(jié)構(gòu)，而是使用繩索電纜將系統(tǒng)固定在地面上。不使用旋轉(zhuǎn)葉片，而是使用專門設(shè)計的機(jī)翼掃過空中的一條路徑提取能量。掃過空中更大截面的能力是空中風(fēng)力發(fā)電吸引人的主要原因之一，從而能夠使用中等大小的機(jī)翼從高空中更強(qiáng)更持續(xù)的風(fēng)中提取大量能量。與傳統(tǒng)渦輪葉片尖端相似，機(jī)翼以風(fēng)速的數(shù)倍在空中側(cè)風(fēng)畫圈或是畫八字形，如圖1所示。空中風(fēng)力渦輪和地面渦輪都根據(jù)相同的空氣動力學(xué)法則工作。正如傳統(tǒng)的風(fēng)能一樣，發(fā)電量與空氣密度的一半乘以風(fēng)速的立方成正比（方程1）。

表1 空中風(fēng)力渦輪借用了基干地面的風(fēng)力渦輪的許多成熟技術(shù)

圖1 地面渦輪（左圖）與空中風(fēng)力渦輪（右圖）比較（圖片來源：KIT Energy)

方程1 和傳統(tǒng)渦輪相似，空中風(fēng)力渦輪的能量輸出與風(fēng)速的立方成正比

        因此，風(fēng)速的較小變化將導(dǎo)致能量的較大變化，風(fēng)速翻倍則得到八倍能量。和傳統(tǒng)渦輪葉片尖端相似，機(jī)翼以高速通過空氣，使用空氣動力提升有效獲取能量。翼展與風(fēng)力渦輪葉片長度可比，讓空中風(fēng)力渦輪可以掃過更大的空中區(qū)域，從而獲得將近10倍的能量。空中風(fēng)力渦輪可以在不同海拔高度上下移動，調(diào)節(jié)飛行路徑從而調(diào)節(jié)風(fēng)力狀況。在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，由于空中風(fēng)力渦輪并非固定在地面上，可以在飛行中受到空氣枕緩沖。但是快速移動產(chǎn)生的g力負(fù)荷將會對機(jī)翼和繩索電纜施加很大的張力。

高海拔下工作
         通過超出地面渦輪的范圍，空中風(fēng)力機(jī)器在高海拔下采集持續(xù)強(qiáng)勁的風(fēng)力資源。在2000英尺高度下，北半球大部分地區(qū)超過40％的時間風(fēng)速超過8米/秒。其能量密度（kW/m2）與世界上最好的地面風(fēng)力區(qū)域相媲美，如圖2所示。因此，空中風(fēng)力渦輪能夠讓風(fēng)力領(lǐng)域延伸到全新區(qū)域，并且可以更加靠近人口密集中心。

          盡管邊緣層的風(fēng)比較容易被現(xiàn)在的企業(yè)加以利用，最為可觀的是位于對流層的噴氣流風(fēng)。在35000英尺高度，平均能量密度超過20 kW/m2，可用總資源用數(shù)千兆兆瓦（TW）計算，比世界能源需求高幾百倍。“從環(huán)境角度而言，制造巨大的兆兆瓦級別的可再生能源系統(tǒng)是十分重要的。”Carnegie Institution of Washington大學(xué)的Ken Caldeira在2010年風(fēng)力能源大會上說道。“風(fēng)力能源能夠達(dá)到滿足民用需求的規(guī)模這一觀點(diǎn)是言之有理的。風(fēng)力能源是為數(shù)不多的民用規(guī)模發(fā)電技術(shù)之一。”
         Caldeira是世界著名的氣候科學(xué)家，他研究了從高海拔提取民用規(guī)模能量對環(huán)境造成的潛在影響。他的模型表明：提取能夠滿足世界能量需求的18TW并不會對氣候產(chǎn)生巨大影響，只會造成幾乎可以忽略的0.04 oC降溫效果。當(dāng)然，讓世界切換到使用便宜、清潔、無碳能源將必然為環(huán)境帶來正面影響。利用高海拔風(fēng)力資源是一個大膽的設(shè)想，也同時帶來了許多技術(shù)挑戰(zhàn)和后勤挑戰(zhàn)，例如尋找足夠堅韌輕質(zhì)的繩索電纜，以獲得美國聯(lián)邦飛行管理（FAA）許可和進(jìn)行空間清理。即便在邊緣層海拔仍然需要解決FAA許可問題。至少對于現(xiàn)在而言，將對流層的風(fēng)力資源投入商業(yè)應(yīng)用是不太可能的。即便將目標(biāo)定在對流層的公司也計劃從更加適中的高度開始。“在1000英尺高度，世界上70％的地區(qū)可以通過風(fēng)力資源獲利。”     MAGENN Power公司CEO，Pierre Rivard說道。MAGENN Power是一家開發(fā)比空氣輕的類似飛艇和漂浮手機(jī)基站的發(fā)電機(jī)公司。

探索設(shè)計空間

         從整體上看共有三種對空中風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行分類的基本方法：1）海拔：低海拔、邊緣層或?qū)α鲗樱?）機(jī)翼類型：比空氣輕或重、固定或活動、拖動、提升或基于旋翼機(jī)；3）發(fā)電機(jī)位置和類型：地面或空中、齒輪箱或直接驅(qū)動。

        和地面風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的早期相似，空中風(fēng)力發(fā)電的研究員正在測試所有可能的設(shè)計選擇，找出最佳方案。即便使用計算機(jī)模型，目前仍然沒有物理原型的替代物。可以工作的原型系統(tǒng)也在努力說服持有懷疑態(tài)度的人并設(shè)法吸引投資者。“我想多年之前人們?nèi)匀怀钟邢喈?dāng)?shù)膽岩蓱B(tài)度，但是現(xiàn)在有許多新興公司都在進(jìn)行研發(fā)。”Joby Energy商業(yè)開發(fā)總監(jiān)Archan Padmanabhan說道。“在過去的幾年中，行業(yè)中出現(xiàn)了許多原型系統(tǒng)，我們看到它們成長到數(shù)十千瓦。在Joby，我們從地面發(fā)電機(jī)設(shè)計開始，測試自轉(zhuǎn)概念，并最終制造了帶有機(jī)翼的空中發(fā)電系統(tǒng)，它具有多個螺旋槳，將電能通過電纜傳送下來。現(xiàn)在我們正在探索能夠簡化起飛和降落的機(jī)翼。

克服技術(shù)難關(guān)
        使用“帶有繩索的機(jī)翼”的發(fā)電設(shè)想并不是全新的。其基本概念已經(jīng)在1970年代后期申請了專利，目前已經(jīng)公開。Lawrence Livermore國家實(shí)驗室研究員Miles L. Loyd探索了空中風(fēng)力發(fā)電的基本數(shù)學(xué)方程，開發(fā)了計算機(jī)模型并且使用小型實(shí)驗原型系統(tǒng)進(jìn)行了驗證。他影響深遠(yuǎn)的論文《側(cè)風(fēng)風(fēng)箏發(fā)電》在1980年6月出版的Journal of Energy期刊上發(fā)表。那么為什么空中風(fēng)力發(fā)電還沒有實(shí)現(xiàn)商業(yè)化？答案與復(fù)雜性、成本和莫爾定律有關(guān)。10年前，處理、儀器、傳感器和控制軟件都十分昂貴。現(xiàn)在，嵌入式計算機(jī)運(yùn)算能力的指數(shù)增長（莫爾定律）、儀器技術(shù)和高級高效率軟件工具和堅固嵌入式計算機(jī)平臺的出現(xiàn)讓空中風(fēng)力發(fā)電公司能夠使用商用COTS技術(shù)和高級軟件工具縮短設(shè)計、原型開發(fā)和現(xiàn)場部署之間的時間，構(gòu)建并測試其原型系統(tǒng)。
        “空中風(fēng)力發(fā)電在十年前會具有性價比嗎？”Padmanabhan問道。“不。只有有了現(xiàn)在的技術(shù)進(jìn)步才讓空中風(fēng)力發(fā)電具有性價比，這些歸功于價格低廉的飛機(jī)材料、低成本的GPS傳感器、自動飛行軟件和嵌入式計算的卓越性能。我們攻克的最大的技術(shù)挑戰(zhàn)在控制系統(tǒng)領(lǐng)域。由于航天領(lǐng)域的發(fā)展，飛行控制系統(tǒng)比過去任何時候都更加穩(wěn)定。現(xiàn)代的商業(yè)飛機(jī)主要使用自動駕駛飛行，人們也信任這些系統(tǒng)，沒有人認(rèn)為飛機(jī)會因此而墜落。飛機(jī)行業(yè)能夠提供許多技術(shù)，我們正在從中學(xué)習(xí)。”
         Windlift是另一家空中風(fēng)力發(fā)電新興企業(yè)，它正在開發(fā)移動空中風(fēng)力渦輪，因為它們能夠提供高能源密度，讓它們成為內(nèi)燃發(fā)電機(jī)和所需的易受影響的燃料供給的未來替代品，所以吸引了美國軍事的濃厚興趣。Windlift使用NI LabVIEW圖形化編程語言和NI CompactRIO堅固嵌入式儀器系統(tǒng)進(jìn)行控制和動態(tài)監(jiān)視，圖中顯示了12 kW原型系統(tǒng)的界面（圖3）。控制設(shè)計工程師Matt Bennett解釋了商用工具在其開發(fā)中起到的重要作用。“使用商用COTS實(shí)時系統(tǒng)起到了重要作用，”他說道，“在高負(fù)荷下使用機(jī)翼主動飛行是一個重大挑戰(zhàn)，NI CompactRIO系統(tǒng)解決了所有讓系統(tǒng)保持穩(wěn)定所需的信號處理和反饋控制任務(wù)。我們廣泛使用了現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）完全并行處理任務(wù)。LabVIEW FPGA技術(shù)是必不可少的。有許多任務(wù)必須使用FPGA完成，而沒有其他方法。”

發(fā)電技術(shù)
        我們都熟悉地面渦輪的旋轉(zhuǎn)葉片。那么空中風(fēng)力渦輪是如何發(fā)電的呢？盡管技術(shù)多種多樣，從使用繩索的旋翼機(jī)直至比空氣輕質(zhì)的旋轉(zhuǎn)飛艇，最普通而且常用的方法使用以下兩個基本原則之一：1）地面發(fā)電機(jī)連接繩索電纜，在風(fēng)箏拉動電纜時候產(chǎn)生電能；2）板載一組風(fēng)力驅(qū)動的高速螺旋槳驅(qū)動小型空中發(fā)電機(jī)。表2比較了這些常用方法的優(yōu)缺點(diǎn)。例如美國Windlift和歐洲KITEnergy正在開發(fā)的地面發(fā)電機(jī)系統(tǒng)使用機(jī)翼拉動繩索電纜發(fā)電。繩索電纜的轉(zhuǎn)矩和速度通過旋轉(zhuǎn)連接到絞盤鼓的發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。如圖4所示，共有兩個不同的工作模式——拖動階段和還原階段。在拖動階段下，機(jī)翼緩慢拉動繩索電纜，到達(dá)到繩索最大長度或最大海拔為止產(chǎn)生電能。然后還原階段開始，機(jī)翼回到原位，并將繩索電纜繞回。還原階段實(shí)際上需要消耗少量電能，因為發(fā)電機(jī)成為驅(qū)動電機(jī)將電纜繞回。然后整個過程重新開始。在驅(qū)動模式下，機(jī)翼以無線方式將GPS坐標(biāo)和方向角信息通過空中慣性測量單元（IMU）傳送到地面上的風(fēng)箏驅(qū)動單元（KSU）。KITEnergy使用NI PXI平臺和LabVIEW實(shí)時軟件作為地面控制單元，獲取并處理傳感器信號，并執(zhí)行高級控制算法指揮絞盤電機(jī)—發(fā)電機(jī)，并操縱風(fēng)箏。“到目前為止，理論結(jié)果、數(shù)值結(jié)果和實(shí)驗結(jié)果表明KITEnergy技術(shù)能夠提供大量幾乎隨處可用的可再生能源，并且比化石能源價格低廉。”KITEnergy創(chuàng)始人Mario Milanese說道。例如Joby Energy和Makani Power等其他公司正在進(jìn)行空中發(fā)電機(jī)設(shè)計。使用位于飛機(jī)上的多個小型螺旋槳驅(qū)動發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，通過繩索電纜將電能傳送到地面。空中發(fā)電機(jī)系統(tǒng)通常與飛機(jī)相似，而不像風(fēng)箏，它帶有板載計算機(jī)自動駕駛系統(tǒng)和飛行控制界面，和提升翼與副翼一樣對方向角進(jìn)行控制。空中風(fēng)力發(fā)電公司的許多工程項目都主要關(guān)注完善飛行控制系統(tǒng)，讓它們更加穩(wěn)定能夠處理各種問題，包括從旋風(fēng)到驅(qū)動裝置驅(qū)動裝置和傳感器故障。Makani Power系統(tǒng)的設(shè)計使之能夠在需要的時候，自動切斷繩索，完成自動降落。所有尋求挑戰(zhàn)的控制工程師或航天工程師都可以考慮投身空中風(fēng)力領(lǐng)域。圖5展示了Joby Energy設(shè)計的主要特性，它能夠完成垂直起飛和降落，并使用高速側(cè)風(fēng)飛行模式將能量輸出最大化。

        對于風(fēng)力領(lǐng)域的新生分支而言，我們?nèi)匀灰�判斷哪種設(shè)計最為實(shí)用且最具有性價比。現(xiàn)在稱之為比賽還為時過早，但是我想當(dāng)今處于領(lǐng)先地位的競爭者應(yīng)該能通過仔細(xì)設(shè)計將空氣動力效率最大化，提供包含板載飛行控制系統(tǒng)的可以工作在邊緣層的系統(tǒng)。圖6所示的空中風(fēng)力發(fā)電離成為成熟的技術(shù)還有很遠(yuǎn)，但有一點(diǎn)是不容置疑的——這是一個令人振奮的時代。每個起飛的新型原型系統(tǒng)都讓持有懷疑態(tài)度的人和投資者相信離開地面的風(fēng)力發(fā)電并不是一個瘋狂的想法。如果您是風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的專業(yè)人員，請考慮利用您的專長讓空中風(fēng)力發(fā)電事業(yè)起步。要了解更多信息，請訪問空中風(fēng)力能源聯(lián)盟網(wǎng)站www.aweconsortium.org