羅伯特·克萊頓/ 2012年12月

矗立于高塔上的風(fēng)力發(fā)電機(jī)遍布各地，但機(jī)載于高空中的系統(tǒng)有更令人驚奇的優(yōu)勢(shì)。

------------------------------

為開發(fā)產(chǎn)品籌集資金不是件容易的事，任何科技企業(yè)的人都是這樣認(rèn)為的。但當(dāng)我面對(duì)這個(gè)困難時(shí),它還有其獨(dú)特的復(fù)雜性：我的公司，WindLift，正在開發(fā)用風(fēng)箏發(fā)電系統(tǒng)，我們的設(shè)計(jì)原型能生產(chǎn)12千瓦電能，可以為那些使用的柴油發(fā)電的人節(jié)省了大量金錢。但是當(dāng)我費(fèi)勁的向潛在投資者介紹自己的技術(shù)時(shí)，他們好像只能回想起兒時(shí)折騰的那些風(fēng)箏，那些用小棍細(xì)繩制作的廉價(jià)飛行物，讓他們相信我公司愿景是不可能的。

然而問題不在于大多數(shù)人都只把風(fēng)箏當(dāng)成玩具，而是他們沒有意識(shí)到這種玩具可以變得如此復(fù)雜尖端！比如風(fēng)箏沖浪。自20世紀(jì)90年代中期以來，越來越多的愛好者使用大型風(fēng)箏進(jìn)行沖浪，和通常用摩托艇拉著滑一樣刺激。用風(fēng)箏沖浪，就可以不用船了，取而代之的是一個(gè)大號(hào)風(fēng)箏拉著你在浪尖飛舞。

風(fēng)箏沖浪中使用的的風(fēng)箏有20平方米大，相當(dāng)于一個(gè)小廣告牌。有了這個(gè)風(fēng)箏，專業(yè)的風(fēng)箏沖浪者真的可以飛起來：在2010年，風(fēng)箏沖浪速度世界紀(jì)錄保持者羅布·道格拉斯達(dá)到了103公里每小時(shí)，比最快的帆船還快。專業(yè)的風(fēng)箏沖浪者能飛到超過15米的空中，然后輕輕地滑回到水面。

能有這樣壯舉的風(fēng)箏可就絕非小孩玩的玩意能相提并論的了——它是一個(gè)設(shè)計(jì)巧妙的動(dòng)力翼。而且它擁有高科技含量的繩索，其強(qiáng)度是鋼的15倍。對(duì)設(shè)計(jì)這種風(fēng)箏和其使用的繩索，人們已經(jīng)開展了大量的研究，現(xiàn)在僅僅是輕輕地拉下控制線，這些就風(fēng)箏能在極小的空間里完成翻轉(zhuǎn)。它們能通過調(diào)整立即減少產(chǎn)生的拉力，這個(gè)特點(diǎn)非常重要，因?yàn)榧词箍耧L(fēng)大作，風(fēng)箏沖浪者依然能安然無恙的游弋。

利用風(fēng)箏已經(jīng)有了這些長(zhǎng)足的進(jìn)步，所以當(dāng)有幾家公司試圖利用這些技術(shù)進(jìn)一步進(jìn)行創(chuàng)新時(shí)，應(yīng)該不是那么讓人驚訝吧。一些人用大型風(fēng)箏拖拉貨船和游艇，來減少燃料消耗。我的公司也想通過使用風(fēng)箏以減少燃料使用，但是通過完全不同的方式——將風(fēng)箏用于偏遠(yuǎn)地區(qū)的發(fā)電設(shè)備。在那些地方，用于發(fā)電的柴油可是稀缺商品。那些地方的柴油太貴了，所以用風(fēng)力帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電是很有經(jīng)濟(jì)意義了。

利用風(fēng)箏來發(fā)電的并不是只有我一家公司。較之傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，這種高空風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有眾多優(yōu)勢(shì)，最明顯的就是這種帶繩索的飛行器能到達(dá)更高的空中，那里的風(fēng)能更加強(qiáng)勁穩(wěn)定。此外，風(fēng)箏能覆蓋的區(qū)域受發(fā)電機(jī)自身直徑的限制，因此，這種高空發(fā)電系統(tǒng)在本質(zhì)上更有效率。最后，也用不著支撐巨大旋轉(zhuǎn)葉片的高塔了，這就大幅度削減了建設(shè)成本和安裝時(shí)間。

當(dāng)然，有優(yōu)勢(shì)是一方面，相比于標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，風(fēng)箏發(fā)電系統(tǒng)還要面臨一些難題。比如，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組就不會(huì)崩潰。而為了避免風(fēng)箏發(fā)電系統(tǒng)崩潰，必須能夠控制風(fēng)箏，使其能規(guī)則的飛行，即便風(fēng)力變幻莫測(cè)也能保持。而且為了系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠，這種控制必須是自動(dòng)的。當(dāng)今市場(chǎng)上還沒有符合上述要求的產(chǎn)品，要有估計(jì)也是幾年以后的事了。

所以我認(rèn)為現(xiàn)在的情況就和當(dāng)年人類實(shí)現(xiàn)飛翔夢(mèng)想前的先驅(qū)時(shí)代一樣，沒有人知道什么樣機(jī)翼和控制方式是最好的，或者整個(gè)產(chǎn)業(yè)是不是一個(gè)空談。但是如果風(fēng)箏發(fā)電的工程師們能持之以恒并足夠智慧，這項(xiàng)技術(shù)就能像早期的航空業(yè)一樣迅速發(fā)展壯大。

早在19世紀(jì)初， 風(fēng)箏就用來拉小貨車。但直到1980年左右，關(guān)于風(fēng)箏發(fā)電才有了科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募夹g(shù)分析。在加利福尼亞州的勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，研究員萬里.勞埃德研究了相關(guān)的物理學(xué)問題，并以《側(cè)風(fēng)中的風(fēng)箏所具備的能量》為名在雜志上發(fā)表。

勞埃德的研究表明，相比于懸在空中某一點(diǎn)，風(fēng)箏如果在風(fēng)中來回飛動(dòng)能產(chǎn)生相當(dāng)大能量，根據(jù)他的計(jì)算，翼展如果能達(dá)到洛克希德C-5軍事運(yùn)輸?shù)臋C(jī)翼的大?。?span>68米長(zhǎng)），在理論上，從每秒10米的風(fēng)力中就能獲得兆瓦級(jí)的能量，這完全能和當(dāng)今最大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)相提并論。

按勞埃德的設(shè)計(jì)，通過風(fēng)箏獲取電能有兩種方式：一是在風(fēng)箏機(jī)翼上安裝渦輪機(jī)葉片，類似螺旋槳，空氣流過時(shí)帶動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電能，然后通過能導(dǎo)電的繩索將電能傳送到地面，現(xiàn)在應(yīng)用這種方式的技術(shù)被稱作“飛翔的發(fā)電機(jī)”；另一種方案是通過風(fēng)箏施加給控制繩索的力，帶動(dòng)安裝在地面的設(shè)備發(fā)電。

但勞埃德沒有研究另一種可能性，就是渦輪葉片不僅僅作為能量收集裝置，而且可以同時(shí)產(chǎn)生上升拉力。這是澳大利亞工程師布賴恩·羅伯茨在1979年開始嘗試的技術(shù)，他稱之為“gyromill”，現(xiàn)在他和總部位于加州“天空風(fēng)電“公司正在合作研究。

從20世紀(jì)90年代開始，世界各地的其他團(tuán)體也開始嘗試各種風(fēng)箏發(fā)電的技術(shù)。但其中大部分的計(jì)劃都涉及雄心勃勃的龐大系統(tǒng)，因此即便取得了很多專利，也無法實(shí)現(xiàn)。這些早期發(fā)明家中最有名的可能就是烏波·歐克斯了，荷蘭第一個(gè)宇航員，他于1993年提出了“多風(fēng)箏梯形電站”。歐克斯現(xiàn)在是航空航天工程學(xué)教授，他的“梯形電站”雖然一直未能建成，但他在荷蘭代爾夫特理工大學(xué)開發(fā)空中發(fā)電系統(tǒng)所取得研究成果備受推崇。

總部位于漢堡的"天帆“公司創(chuàng)始人之一斯蒂芬·弗拉格也是這一領(lǐng)域領(lǐng)軍人物，他已經(jīng)籌集了七千多萬美元用于開發(fā)能帶動(dòng)船舶前進(jìn)的風(fēng)箏。致力于開發(fā)空中風(fēng)電的個(gè)人和公司不斷涌現(xiàn)，他們所孕育的理念都非常引人入勝。

我自己開始思風(fēng)箏來發(fā)電是在2005年。那時(shí)我洪都拉斯旅行歸來，在那里電網(wǎng)到不了的地區(qū)迫切需要便宜的電力。在那些農(nóng)村地區(qū)只能依靠柴油發(fā)電，但由于燃料成本限制，他們不能連續(xù)用電。

眾多發(fā)展中世界面臨同樣的問題。在那些地方，即使是移動(dòng)通訊業(yè)也要依靠持續(xù)的柴油發(fā)電，無線通訊服務(wù)因而價(jià)格昂貴。事實(shí)上，據(jù)位于倫敦的全球移動(dòng)通信系統(tǒng)協(xié)會(huì)（GSM Association）測(cè)算，在全球范圍內(nèi)，移動(dòng)通訊運(yùn)營(yíng)商為偏遠(yuǎn)信號(hào)基站花費(fèi)的柴油發(fā)電費(fèi)用約15億美元。

在戰(zhàn)時(shí)，柴油稀缺也個(gè)大問題，在戰(zhàn)爭(zhēng)區(qū)域用于移動(dòng)發(fā)電的燃料成本接近4美元每千瓦時(shí)，是通常電網(wǎng)電費(fèi)的10倍。（譯者：這個(gè)比喻似乎不合適，戰(zhàn)時(shí)軍人們不能天天放風(fēng)箏呀，太顯眼了吧）因此，如果利用風(fēng)箏發(fā)電能抵消那怕是小部分的柴油消耗，將會(huì)節(jié)省大量軍用開銷，無論是金錢和為保護(hù)備用補(bǔ)給線而犧牲的生命。

我開始探索利用風(fēng)箏發(fā)電補(bǔ)充柴油發(fā)電時(shí)，我正在威斯康星麥迪遜大學(xué)讀MBA一年級(jí)。我當(dāng)時(shí)異想天開。我完全注意到這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)取得成果，想法天真。接著，我創(chuàng)辦了WindLift，開始尋找研發(fā)展經(jīng)費(fèi)。

我和風(fēng)險(xiǎn)投資家第一次會(huì)面沒有拉來錢，但我得到一些很好的建議，那位風(fēng)投建議我研究下風(fēng)箏沖浪，他在夏威夷度假時(shí)發(fā)現(xiàn)了這個(gè)運(yùn)動(dòng)。我趕緊搜索互聯(lián)網(wǎng)，終于見識(shí)到了人們?nèi)绾卫么箫L(fēng)箏蘊(yùn)含的能源。為了確保我能學(xué)到風(fēng)箏沖浪的經(jīng)驗(yàn)，我自己玩起了風(fēng)箏沖浪。

將風(fēng)箏用于沖浪或用于發(fā)電的設(shè)計(jì)者都有個(gè)大致相同目標(biāo)，即使風(fēng)箏能對(duì)繩索產(chǎn)生最大的張力。因此，WindLift的第一個(gè)設(shè)計(jì)原型就是使用現(xiàn)成的用于沖浪的風(fēng)箏進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，這也是幾乎是我獨(dú)立開發(fā)的第一個(gè)模型。2008年，我和我羽翼未豐的公司來到北卡羅萊納州的威斯康星，就是要利用這里充沛的海風(fēng)，而且用于測(cè)試的季節(jié)更長(zhǎng)些。也是基于同樣的原因，1900年萊特兄弟選擇了北卡羅萊納州的基蒂霍克進(jìn)行試驗(yàn)。可惜的是，從那以后國(guó)家的海岸得到了高度開發(fā)，當(dāng)年萊特兄弟試驗(yàn)飛行的孤獨(dú)沙丘現(xiàn)在每年聚集著數(shù)以百萬計(jì)的游客。所以WindLift的工程師和我選擇在幾公里外的內(nèi)陸曠野進(jìn)行試飛。

作者在陸地上使用沖浪風(fēng)箏進(jìn)行WindLift的發(fā)電試驗(yàn),他舉著風(fēng)箏,等著風(fēng)力足夠時(shí)放飛.

我們目前的系統(tǒng)使用了一個(gè)90厘米直徑的滾筒，和一個(gè)60千瓦發(fā)電機(jī)連接，這個(gè)發(fā)電機(jī)最初用于混合動(dòng)力汽車。風(fēng)箏通過拉動(dòng)繩索轉(zhuǎn)動(dòng)滾筒帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，電能存儲(chǔ)到鉛酸電池里，然后通過控制線使風(fēng)箏釋放拉力，在這個(gè)過程中，反過來通過電力帶動(dòng)電機(jī)，反轉(zhuǎn)滾筒并再次拉緊風(fēng)箏。

我們最初的模型用“翼傘”構(gòu)建的，和現(xiàn)代降落傘原理類似。但是我們很快就意識(shí)到，在再次拉緊過程中，需要內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定飛行的狀態(tài)。在這個(gè)過程中，風(fēng)箏將釋放所有拉力，或者更好的情況是讓拉力為負(fù)數(shù)，即讓空氣把風(fēng)箏向下推。

但是翼傘只有在完全收起翼展時(shí)才能釋放繩索大部分的拉力，因此，我們又使用了一種技術(shù)先進(jìn)的充氣風(fēng)箏，在風(fēng)箏翅膀前面有一條細(xì)長(zhǎng)的空氣泡，用來保持翅膀形狀。即便如此，翅膀還是過于靈活，在再次拉緊過程中難以控制。我們正在做的工作就是設(shè)法提高翅膀的強(qiáng)度，但又不能太過僵硬，否則在硬著陸時(shí)會(huì)損壞或撞壞接觸到的東西。如果這樣行不通，想要不消耗過多能量就拉回風(fēng)箏，我們就只能采取完全剛性的翅膀了。

到目前為止，我們已經(jīng)建立了兩個(gè)地面發(fā)電站，并使用上述帶空氣泡的沖浪風(fēng)箏來測(cè)試發(fā)電。這些風(fēng)箏無法產(chǎn)生滿足我們所設(shè)計(jì)系統(tǒng)需要的巨大拉力。但這很快就能由我們自己新設(shè)計(jì)的風(fēng)箏來完成，預(yù)計(jì)明年開始試飛。在這之前，只使用標(biāo)準(zhǔn)的沖浪風(fēng)箏，我們的系統(tǒng)發(fā)不了多少電，但是這些試驗(yàn)讓我們能將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值和數(shù)值模型進(jìn)行比較，并且研發(fā)電子遙測(cè)設(shè)備和控制自動(dòng)飛行。

我們并不是獨(dú)行者。在我們的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手中，最先進(jìn)的是使用剛性翅膀而不是纖維做的翅膀。這樣的設(shè)計(jì)往往更昂貴，并且在著陸時(shí)容易產(chǎn)生損壞.但是這些剛性翅膀比纖維翅膀更符合空氣動(dòng)力學(xué)，從而也能從風(fēng)中獲取更多的能量。

位于加利福尼亞州阿拉梅達(dá)的公司Makani Power就是是采取這種方式的龍頭企業(yè)之一。Makani獲得了谷歌1500萬美元的種子資金、美國(guó)高級(jí)研究計(jì)劃局300萬美元的撥款以及其他私人投資，他們已經(jīng)制造出大型碳復(fù)合材料風(fēng)箏，每個(gè)風(fēng)箏配備4臺(tái)帶螺旋槳發(fā)電機(jī)。在起飛前，這些發(fā)電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，作為風(fēng)箏上天的動(dòng)力。風(fēng)箏起飛后就能在風(fēng)中飛行，飛行所產(chǎn)生提升力很快就是能使風(fēng)箏在不需要其他助力下前行。一旦靠風(fēng)帶來的推力能和螺旋槳產(chǎn)生拉力平衡，此時(shí)，螺旋槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片了，發(fā)電機(jī)將開始產(chǎn)生電力。那時(shí)的風(fēng)箏運(yùn)行速度非常快，因此Makani的風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以齒輪變速箱，從而降低了重量和維護(hù)成本。

Makani公司在剛性的翅膀上安裝發(fā)電機(jī).

就在今年早些時(shí)候，Makani推出了額定功率30千瓦的自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)原型。他們的工程師們宣稱這個(gè)系統(tǒng)在不同的風(fēng)力條件下都能滿足設(shè)計(jì)預(yù)期，這就表明，Makani很快就能生產(chǎn)出能投入實(shí)際使用制造可靠電力的設(shè)備，這將在空中風(fēng)能領(lǐng)域拔得頭籌。

Makani的工程師的最終目標(biāo)是在海上部署他們的系統(tǒng)，并將生產(chǎn)電能接入電網(wǎng)。我一直懷疑Makani的這種采用剛性翼的方法，因?yàn)榫哂薪?jīng)濟(jì)意義的是產(chǎn)能50千瓦至5兆瓦的更大的設(shè)備，但無論如何，我很欽佩Makani令人印象深刻的技術(shù)成就，他們使空中發(fā)電更接近商業(yè)化了。

如果你依然認(rèn)為通過風(fēng)箏發(fā)電是天方夜譚，那就想想現(xiàn)在已達(dá)到發(fā)電廠規(guī)模的風(fēng)力渦輪發(fā)電在25年前也顯得遙不可及?，F(xiàn)在世界上風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量已超過238萬千瓦，10年就增長(zhǎng)了10倍。當(dāng)然這只能占世界電力需求的一小部分，但是這個(gè)比例在不斷上升，在加上空中發(fā)電，上升速度會(huì)更快，進(jìn)一步削弱對(duì)化石燃料的依賴。

所有參與的團(tuán)隊(duì)需要進(jìn)行大量的創(chuàng)造和試驗(yàn)才能成功。航空業(yè)的先驅(qū)們也有同樣的經(jīng)歷，他們面對(duì)同樣挑戰(zhàn)和質(zhì)疑，但他們最終克服了障礙。我們現(xiàn)在享受著成果，坐飛機(jī)時(shí)從沒有想過是那些非凡的技術(shù)讓航空旅行變得安全和平常。高空發(fā)電也將如此。后人們都將會(huì)從中受益，但他們不會(huì)去多想這個(gè)屬于高空的產(chǎn)業(yè)在自己起步騰空之前，曾經(jīng)歷過的所有那些失敗的實(shí)驗(yàn)，曾跨越過的那些無數(shù)技術(shù)鴻溝。

本文最初以“風(fēng)電產(chǎn)業(yè)：去放風(fēng)箏吧！”為名發(fā)表。

關(guān)于作者：

羅伯特·克賴頓在美國(guó)威斯康星-麥迪遜大學(xué)攻讀工商管理碩士學(xué)位時(shí)開始研發(fā)高空風(fēng)力發(fā)電。期間他發(fā)現(xiàn)了風(fēng)箏沖浪運(yùn)動(dòng)，并為了研究怎樣控制風(fēng)箏，自己也進(jìn)行這樣運(yùn)動(dòng)。他的努力得到了回報(bào)，他創(chuàng)辦了WindLift公司，并成為開發(fā)精密風(fēng)箏發(fā)電原型的幾家公司之一