航空器如何驭风而行？高空风能驱动低碳转型新路径

高空风能捕获技术正成为全球能源领域的新焦点。我国在这一领域取得突破性进展，北京临一云川能源技术有限公司开发的S1500浮空器在新疆完成首飞试验，这款采用气球构型的系留浮空器专为空中风能捕获设计，标志着全球首个兆瓦级商用浮空风力发电飞行器正式诞生。与此同时，由中国能建中电工程牵头的"大型伞梯式陆基高空风力发电关键技术及装备"项目也传来喜讯，其5000平方米的"空中捕获伞"启运内蒙古，将开展高空风能捕获技术测试。

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这两类系留航空器虽形态各异，却同属高空风能系统（AWE）的飞行部分。与传统水平轴塔式风涡轮机（HAWT）和垂直轴塔式风涡轮机（VAWT）相比，AWE系统展现出独特优势。其飞行特性不仅为风能利用开辟新路径，更可能成为航空业减排的重要方案。AWE技术通过空气动力（如动力风筝）或空气静力（如气球）设备直接捕获或转换风能，既可提供机械牵引力，也能转化为电力。这一概念可追溯至18世纪，英国发明家乔治·波科克曾用风筝驱动越野车，开创了风能利用的先河。

近十年来，AWE在发电领域的应用逐渐显现。随着能源需求增长，风能已成为可再生能源的重要组成部分，但现有地面风能设备受限于气候和地理条件，仅能利用少量近地面风能。这促使全球多国将目光投向高空风能开发。AWE系统分为空基和陆基两种发电模式：空基模式将发电机安装在飞行器上，通过系留电缆传输电力；陆基模式则利用飞行器飞行产生的动力拉动地面发电机。从构型看，主要分为浮空器型（如系留涵道浮空器）和侧风风筝型（如固定翼无人机）。

浮空器型AWE中，系留气球可将发电装置送至高空，在风力持续时稳定发电；旋转气球则通过风力驱动产生动力。但这类设备需依靠气体浮力支撑重量，导致体积庞大、收放不便。侧风风筝型AWE采用软体或硬体风筝，通过特定飞行轨迹产生的空气动力运行，通常采用8字或螺旋上升轨迹，在线缆拉伸阶段捕获风能。这种模式在飞行器回收时需暂停发电，并消耗部分电能，因此需要平衡发电/耗电波动。部分系统还将小型涡轮机安装在固定翼飞机上进行空基发电，但额外设备和线缆增加了系统重量，降低了运行效率。

与传统地面风电相比，AWE系统具有显著优势。全球近地面可开采风能资源约428TW，而高空可达1873TW，是近地面的数倍。当前全球能耗仅为20TW，风能资源潜力巨大。2024年全球风能装机容量达1136GW，但平均日运行时间不足10小时，发电功率仅达装机容量的25%，反映出低空风能的不稳定性。AWE系统通过缆绳长度调整飞行高度，可选择风力充沛且稳定的区域，输出更持续的电力。其轻量化设计减少了材料需求，据研究，某AWE系统可比同等功率的HAWT减少超70%的材料用量，特别是取消了混凝土基座和钢制塔基，降低了生产端和运输端碳排放。

我国在AWE领域的发展势头强劲。临一云川能源技术有限公司自2024年成立以来，迅速推出三款浮空风力发电系统（S500、S1000、S1500）。2024年10月，S500首飞至500米高空，稳定发电50千瓦，打破世界纪录；2025年，S1000飞行至1000米高空，发电功率达100千瓦，再次刷新纪录。最新产品S1500采用40米直径环形涵道，内置12台风涡轮机，可升至1500米高空，风能利用率较传统系统提升20%以上。该公司计划未来推出S3000、S6000、S9000型号，目标开采3000米至9000米高空风力资源，将度电成本降至火力发电以下。

中国能建也在高空风能领域取得重要突破。其承担的国家示范项目在安徽绩溪建成并网，利用伞梯组合型陆基AWE发电构型，在300米至3000米高空发电。2025年9月，该公司与临一云川联合打造的氦气球伞梯组合体在安徽绩溪建成，启运至新疆测试。该系统利用20米级氦气球将多个5000平方米做功伞拉升至3000米高空，通过碳纤维缆绳驱动地面发电机组，最大功率达1兆瓦。做功伞采用新型高强度芳纶纤维材料，仅重2.3吨，飞行依靠雷达和智能飞控算法控制，可追踪最强风层并规避航空器。该系统预计2026年批量投产，每年可减少4000吨碳排放。

欧美国家在AWE领域也进行了长期探索。美国Altaeros公司开发的浮空涡轮系统（BAT）曾在阿拉斯加进行商用小型电网应用演示，但后转向通信和国防领域。法国Wind Fisher公司研发的浮空器陆基AWE平台采用马格纳斯效应转轮，展现了独特的技术路径。在固定翼飞机型风筝发电方面，谷歌旗下Makani公司开发的垂直起降固定翼无人机虽因商业化路线遥远而关闭，但其测试数据激发了新一轮AWE项目热潮。德国Kitecraft公司采用相似构型设计了垂直起降固定翼无人机，荷兰Ampyx Power公司则开发了水平起降固定翼无人机方案，并在海洋领域进行应用尝试。挪威Kitemill公司的垂直起降无人机采用陆基发电模式，螺旋桨仅用于起降，在空中飞行时不参与工作，系统运行周期的90%时间处于发电状态。

软体风筝领域同样活跃。德国SkySails公司开发的系留动力伞AWE系统已在2024年实现近100千瓦功率发电，其Venyo风筝装机200千瓦，KYO风筝装机450千瓦，最大飞行高度700米。法国Airseas公司利用航空技术开发的动力伞风筝"海翼"已为多家船运公司提供碳减排解决方案，其新一代1000平方米风筝帆可提供高达100吨的缆绳拉力。荷兰Kitepower公司的"鹰"型AWE发电风筝采用40至60平方米软体风筝，在10米/秒风速时平均发电30千瓦，最大功率达330千瓦，配备400度锂离子电池储能系统。

然而，AWE系统的规模化应用也面临挑战。作为兼具航空器和能源基础设施属性的系统，其管理需要航空与能源行业的交叉协作。未来AWE系统运行高度的提升将要求新的管理突破，包括空域规划、安全性审查和适航性认证等问题，这些都需要在技术突破和规模化应用过程中逐步解决。