相比于標準的地面風力渦輪機，空中風能發(fā)電具有一些獨特的優(yōu)勢
全球利用風能發(fā)電的功率正在增長，很快將達到1000千兆瓦。從長遠來看，如果陸上和海上站點變得擁擠，那么就有可能使用空中風能設備或高空作業(yè)的系留浮空器來實現這一目標。風速隨著高度的增加而增加，一項謹慎的研究表明，全球的風能最大可能達到7.5太瓦左右的功率。其他人則認為，包括高空急氣流在內的高層大氣資源所能產生的總量要遠遠高于1400太瓦。事實上，高空環(huán)境中確實充滿了可利用的能量。 然而，即使只提取高空環(huán)境中的一小部分能量也是非常困難的。如果以某種方式獲得了大量的能量，那么它可能會對環(huán)境或氣候產生巨大的影響。例如，目前還沒有人提出能夠在高空急氣流提取能量的方法，我們所述的高空急氣流是會影響天氣系統(tǒng)的。但是，從海拔較低的大氣中提取能源是可能的，而且還將提供一個非常龐大的新型資源量，它可能達到目前風力發(fā)電所能產生的能量的四倍之多。 系留在地面美國政府一直在認真考慮空中風力發(fā)電的構想，同時幾家大公司也在關注。美國SkyWindPower公司在早期提出了一個“飛風”設計，類似于無人機系統(tǒng)的旋翼由小型翼型輔助來提供升力一樣。通過拉動與它地面相連的纜繩來產生電能，然后沿著纜繩輸送到地面。飛行高度約在600米時，阻力就非常大了，纜繩必須足夠堅固才能抵抗這個高阻力。2014年，谷歌投資了另一種由美國Makani公司開發(fā)的機載發(fā)電機設計。它的600千瓦原型機——機載風力渦輪機(AWT)，有一個被系在地面上的翼型。它在250-600米高空的強風中繞著一個大的垂直圈飛行，旋翼既充當渦輪又充當螺旋槳，就像SkyWind一樣。然后，直接驅動發(fā)電機將電力通過纜繩輸送到地面站。在長時間的低風、惡劣天氣或維護期間，AWT可以收回纜繩，然后再釋放。Makani公司認為，鑒于高海拔地區(qū)的風速，他們的AWT每單位容量所能產生的的能量大約是傳統(tǒng)渦輪機的兩倍(也就是說，它的負載系數大約是60%，而不是30%)。這將使它在生產電力時，可以節(jié)約一半的成本，而且不需要塔身，這樣可以減少90%的材料，從而降低成本。 美國-印度公司Skymill也開發(fā)了一種不同的“卷回-放出”像風箏一樣的浮空器的方法。這臺機器上有一個巨大的“自動陀螺”轉子，它被拴在地面上，運轉起來像溜溜球一樣上升和下降，轉動地面上的絞車卷筒來發(fā)電。意大利的Kite Gen公司也開發(fā)和測試了類似的設計，該公司制作了一個類似于滑翔機的大馬蹄形風箏，它以一個巨大的圓形四處俯沖時，會不同程度地拉著與絞盤相連的系繩，在地面上發(fā)電。通過地面上的(重型)發(fā)電機和空中少量的設備，這種配置可能比天載的轉子-發(fā)電機系統(tǒng)更經濟。 從長遠來看，一些人將目光投向大型的風箏Gen-type系統(tǒng)，如康諾特能源的32mw概念，由于對材料的需求更低，可以提供更好的“能源投資回報”(EROEI)。Kite Gen提到的EROEIs可能是100:1，也可能是300:1或更多，而傳統(tǒng)地面風力渦輪機所能達到的最大的EROEIs是80:1。然而，這種設計將會出現一些問題，如系繩和動力輸出裝置的安全性問題。還需要避免與空中交通的沖突和碰撞風險。但在一些偏遠地區(qū)，尤其是離岸地區(qū)，不需要考慮這些問題。這對于Shell 和 E.ON這樣的大公司來說不成問題，因為它們的關注點在海上。
事實上，Shell公司支持了英國Kite Power Systems公司開發(fā)的一種產能風箏，在這種設備中，一個巨大的像滑翔機一樣的風箏拉著一條長長的繩索，就像Skymill公司和Kite Gen公司的想法一樣。這個風箏將會從地面上的一個旋轉產生電能的鼓狀裝置中繞出來。在Kite Power設計的版本中，當風箏達到全工作高度（可能在300米左右）時，它會被強制拴緊并自動降低到一個較低的高度，絞盤系統(tǒng)會將其拉下來并拉緊松弛的部分，以便它可以準備再次向全高度攀升。同時，第二個風箏升起，使得雙風箏系統(tǒng)可以連續(xù)產生凈功率。在蘇格蘭對500KW級系統(tǒng)進行測試之后，該公司將會計劃在陸上和海上安裝3MW級系統(tǒng)。
其實也有一些混合版本的類似裝置。瑞士初創(chuàng)企業(yè)Skypull已經研發(fā)出一種多直升機無人機，可以自行起降，而無需發(fā)射架或地面風。無人機的飛行高度在200至600米之間，起飛時是用電池供電的，一旦無人機飛回地面，電池都會重新充電。小眾應用及其他乍一看，在風中飛行似乎不太可能，但一些最初的懷疑論者已經轉變?yōu)橹С终?，而且他們似乎有可能產生新穎的想法。當然，我們也會有很多有競爭力的對手。工程顧問IDTechex研究了19個最有趣的系統(tǒng)前景，并預測了30-100KW級系統(tǒng)的首次銷售。他們甚至表示，空中風力發(fā)電“將在20年內成為一項數十億美元的業(yè)務”，然而我們相信這肯定還有更大的發(fā)展空間。 可能機載設備最初僅限于小眾應用。例如，我們已經設計出了可駕駛氣球式裝置的設備，這些設備既可以在岸上使用也可以在海上使用。還有一種看起來像是甜甜圈形狀的氣球，它有一個中央管道轉子，但這種氣球更加適合在偏遠地區(qū)使用。
無論如何，一些分析人士對飛行系統(tǒng)的廣闊前景更為樂觀，當然這是會有飛行器自身的一些基礎吸引力在內的因素。在傳統(tǒng)的風力渦輪機中，大部分能量是由葉片的外尖捕獲的，因為葉片外尖部分將會以最高的速度運動。其余的葉片部分使用較少，其主要功能是支持高產能的尖端部分。這和風力發(fā)電設備的塔身一起，增加了很多質量。 相比之下，動力飛行器和系留浮空器系統(tǒng)則不需要這種塔身，因為所有的機翼表面都以相同的高速運行。盡管安裝在機翼上的無人機渦輪結構具有重量損失，但它的優(yōu)勢在于它可以將自身飛入高風速區(qū)域。與系留浮空器不同的是，你不必等到強風吹起或把它拖到合適的地方工作。 這些新技術還有很長的一段路要走，但如果能徹底規(guī)避飛行器和人可能面臨的危險，那么真的可以說是海闊憑魚躍，天高任鳥飛了。
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