將發電裝置用類似放風箏的方式飄到空中，利用高空充裕的風能進行發電，看似天方夜譚，但經過科學界的不斷研發，理想之光正在照進現實。

根據海外的最新一項調研，未來可能改變世界的十大發明中，高空風電赫然居首。科學界的評價是，其可能深刻改變全球未來的能源結構和現狀。

近兩年來，一場關于高空風電技術的賽跑已然開始。經粗略統計，高空風能發電公司全球已經超過50家。隨著實驗樣機的成功，2015年全球將正式開啟高空風能的商用化市場。

根據全球風能協會GWEC（Global Wind Energy Council）對2012年-2016年全球風電累計裝機量預測，以高空風能發電產業化初期在風電行業市場占有率為20%計算，高空風電行業市場需求量超過1000億美元。蕪湖天風新能源科技有限公司總經理鄒南之在接受中國證券報采訪時表示，我國發展高空風電有著獨特的資源稟賦。在國內外市場需求的推動下，高空風電設備、高空風電站建設的市場規模難以估量。但也有分析人士稱，受制于空域管制和“棄風”的情況，高空風電的發展仍有諸多掣肘，其產業化前景光明但道路依舊漫長。

風電新的解決方案

從定義看，高空風電是利用距地面約1600至40000英尺高空的風力來發電。早在20世紀70年代爆發能源危機時，各類高空風電的設計就不斷涌現。發達國家對高空風電的研究從未停止。美國、荷蘭、意大利等國都多次進行過高空風能發電試驗。目前主要有兩種高空風電的構架方式。第一種是在空中建造發電站，然后通過電纜輸送到地面;第二種類似“放風箏”，即通過拉伸產生機械能，再由發電機轉換為電能。

從技術層面看，高空“風箏型”發電有兩大關鍵環節，首先是高空風能收集環節，其次是高空風能轉化環節。其中，在高空風能收集環節，為了把“風箏”憑借風力送上天，至少需要100噸拉力。如果用鋼鐵做繩子，如此遠距離，鋼繩連自身重力都無法承受，因此采用的材料必須比重極輕，并具備高強度、耐腐蝕的特點。

高空風能轉化環節，則需要有效解決空中系統的穩定性，高空風能發電的持續性和穩定性難以得到有效保障。“風箏型”高空風力發電系統中，由于“風箏”既擔負平衡作用，又擔負做功的主體，平衡運動與做功運動互相耦合，所以不能分別控制，對平衡的控制必然影響到做功運動。而做功運動也必然會影響到系統的平衡。在整個運行做功的過程中，系統的平衡穩定很容易被破壞，而尋找平衡與做功的最佳控制模式復雜而又困難。

站在能源格局的角度，利用好風能十分必要。風能是太陽能的轉化形式，是一種不產生污染物排放的可再生自然資源。受破解化石能源日趨枯竭、保障能源供應安全和保護環境等訴求驅動，20世紀70年代中期以來，世界主要發達國家和一些發展中國家均十分重視風能的開發利用。特別是自20世紀90年代初以來，現代風能的最主要利用形式——風力發電發展十分迅速，全球風電機裝機年均增長率超過30%，從1990年的216萬千瓦升至2003年的4020萬千瓦。

同時，風電商業性開發的可行性已得到了驗證，限制風能大規模商業開發利用的主要因素——風力發電成本過去20年中有了大幅下降。隨風力資源不同、風電場規模不同和采用技術不同，風力發電的成本也相應有所不同。目前低風力發電成本已降至每千瓦時3至5美分，高風力發電成本也降至每千瓦時10至12美分。到2010年，其更將降至每千瓦時2至4美分和每千瓦時6至9美分，達到與化石能源展開競爭的水平。

隨著風能這一態勢的發展，全球風力發電裝機到2020年預計達12.45億千瓦，發電量占全球電力消費量的12%。業內普遍認為，風能將是21世紀最有發展前途的綠色能源，是當前人類社會經濟可持續發展的最主要的新動力源之一。
 

我國具有產業先天優勢

高空風電之所以被業內給予很高期望，在于目前的風能利用僅限于幾十米至百米的低空，其一大缺點就是不穩定可靠。而在幾千米至1萬米的高空，不僅風速更大且風力穩定，一年中不刮風的時間不足5%，因此高空風能發電具有發電時間長與輸出穩定的優勢。同傳統風電相比，高空風電投資成本約為常規風電的1/3到1/2，而占地面積僅為1/30且無噪音，對環境影響較小。

業內人士強調指出，高空風電客觀上克服了傳統風電因風量隨意性、波動性以及所處地理位置偏僻所伴生的電網建設欠缺等“缺陷”，可以一定程度上降低棄風問題的嚴重程度。

正因為如此，盡管業內對于高空風電的技術可行性存有較大的疑問，但是高空風電客觀的存在并有巨大的利用價值卻是不爭的事實。

美國環境和氣候科學家克里斯蒂安·阿切爾和肯·考德伊拉在研究報告指出：高空中蘊藏的風能超過人類社會能源總需求的100多倍。美國國家環境預報中心（NCEP）1979年至2006年的數據資料表明：在500米至15000米的高度范圍，風的流向穩定，且高度越高、風的強度越大，穩定性就會越好;當靠近地面時，受地形等影響，風具有很強的隨機性，強度也顯著下降。

而美國國家環保中心和美國能源局的氣候數據則顯示，高空風能最好的地點是美國東海岸和亞洲東海岸。這其中，就包括中國。

相關資料顯示，中國絕大部分地區5000米以上高空中的有效風能密度在每平方米1000瓦以上。由于高空風的穩定性，高空風能發電技術的另一大優勢就是電場可以建在主干電網附近或大城市周邊，而不像傳統太陽能發電場、傳統風電場多位于遠離發達城市和主干電網的偏遠地區或海邊。

2009年，北京市上空百米高度的平均風速是每秒4.1米，能量密度是每平方米78瓦;700米高度的風速是每秒7.3米，能量密度每平方米430瓦;而在萬米高度，風速達到每秒34.5米，能量密度則上升到每平方米16275瓦。青島市條件更好：100米高度風速每秒5.5米，能量密度每平方米194瓦;700米高度風速每秒7.5米，能量密度每平方米470瓦;萬米風速每秒40.8米，能量密度高達每平方米22584瓦。

據國網能源研究院副總經濟師白建華介紹，眼下正致力于高空風能發電的歐美知名公司主要有WindLift、Altaeros energies、Makani Power等，幾家公司分別發展自身的高空發電系統，目前研制出商用樣機，最早于今年內能夠商用化。

此外，中國廣東高空風能技術有限公司創造性地發明了天風技術方案，采用傘梯組合型高空風電機組解決了高空風能采集穩定性的問題，成為商業化的優勢方案，世界上首臺實用性大功率高空風能發電系統已經落戶安徽蕪湖。
 

兩大頑疾仍待解

白建華指出，風電在技術層面上有諸多解決方案，一是在“風箏”機翼上安裝類似螺旋槳的渦輪機葉片，空氣帶動葉片旋轉產生電能，然后通過導電繩索將電能傳送到地面，這種技術如今被昵稱作“飛翔的發電機”;另一種方案是，通過空中的風箏施加給控制繩索的力，帶動地面設備發電。目前的主流高空風能發電模式是高空風箏型發電。不過無論是哪種解決方式，都是一種傘梯的組合形式。

傘梯組合高空風能發電的空中系統運行高度是300至10000米，與目前風力發電相比具有諸多優勢。傘梯組合高空風能發電無噪音，無廢氣污染，不受地理位置的限制，是環境友好型的產品技術。高空風及高空風能相較于低空風和低空風能的優勢是：風速大、平均能量密度高、地域分布廣、穩定性高、常年不斷。

但白建華認為，哪怕克服了技術路徑和商業應用難題，高空發電仍有諸多難題待解，其中核心在于兩個方面。首先，其運行范圍內需要禁飛，而我國高空風能豐富地區為經濟發達的東部地區航線密集，而該區域卻是高空風能的優勢區域，高空風能發電需要得到軍方的批準。目前我國空域緊張，高空風能發電能否大規模應用，需要等待空域改革的進一步進行，放開空域用于民用。

其次，就是風電上網問題，即使在技術和商業上均已實現突破的情況下，風電上網仍然困難重重。白建華強調，在近年快速發展之下，我國風電裝機規模在2012年底超過美國成為世界第一。但風電發展過程中，因電網建設工期不匹配而導致的棄風消納問題也逐步凸顯，并同樣可能成為高空風電的掣肘。數據顯示，今年上半年棄風限電主要集中在蒙西（33億千瓦時、棄風率20%）、甘肅（31億千瓦時、棄風率31%）、新疆（29.7億千瓦時、棄風率28.82%）。

未來國家節能減排的方向或會是高空風電領域最大的利好。長江證券研究報告認為，高空風能發電對節能減排作用顯著。根據專家統計估算，每輸出1度風電，可以節約0.4千克標準煤。

根據上述數據，并以中路股份參股的天風技術建設的100兆瓦高空風力發電場項目（年發電量約5.6億千瓦時）為例，可估算出僅此項目，正常投產后每年可為社會節約原煤逾30萬噸，減少污染物排放逾70萬噸。

白建華表示，可以預見風力發電產業化道路仍然崎嶇，但是技術的實現并非遙不可及。更重要的是其商業模式存在一定吸引力。他預計，如果政策環境到位，技術層面完全能達到商業化“甜蜜點”，只要產業配套成熟，未來發展仍值得期待。

高空風電發展需“天時、地利、人和”

“高空風電”其實并不像其字面意思那樣觸不可及甚至虛無縹緲。現代科技發展已無數次證明，新技術從概念推進到實體產品所需要的時間越來越短。對于能源消費大國之一的中國，高空風電的落地正在加速推進中。當然，這需要同時具備“天時、地利、人和”。

在這其中，最不費力的也許就是“地利”。據美國權威氣候監測數據，高空風能最佳地點就包括中國所在的亞洲東海岸。數據顯示，最先進的地面風力發電站的風力密度低于每平方米1千瓦。中國陸地上空萬米高空處大部分地區的風力密度均值逾每平方米5千瓦;其中，江浙魯地區上空的高空急流附近的風力密度甚至達到每平方米30千瓦，為世界之最。中國的高空風能條件尤其好，風力強且分布廣，大部分地區都具有發展高空風電、特別是“風箏型”發電的氣候條件。

在此背景下，中國的廣東高空風能技術有限公司躋身全球高空風電主要“玩家”行列絲毫不令人意外。

不過，當前開展研發工作的“天時”似乎并不有利。國際油價在過去一年里呈現出“斷崖式”下跌走勢并持續低位徘徊;更重要的是，這種趨勢可能長期存在。業界普遍認定低油價現狀短期內將難有改觀。

傳統能源價格重挫，對于新能源形式的研發，從來都不是好消息。對于中國來說，一方面，國內能源資源仍以煤炭為主，石油對外依存度持續上升，讓國內高空風電研發成本壓力高企、意愿逐漸淡漠;另一方面，此前中國企業與全球同行業競爭對手“你追我趕”的競爭態勢也可能松動。

盡管如此，建設“美麗中國”的趨勢，也在為高空發電可能的落地做“人和”上的準備。同時，中國在高空發電研發技術起點和人才儲備方面，并不遜于任何歐美國家。

目前，除去需要謹慎決策的空域改革之外，顯著存在的棄風問題，就是高空發電落地中國最主要的負面因素之一。棄風，最直接的原因就是消納并網未獲有效解決;好消息則是，分布式光伏發電領域已為新能源發電并網做出了有益的嘗試。而即將到來的“十三五”周期，則是高空發電在中國發展不可錯過的機遇期。

雖說是“謀事在人，成事在天”。但只有“謀事”在先，“成事”才有基礎和可能性。這個道理，同樣適用于期待高空發電落地的中國。

各路資本紛紛進軍高空風電領域

在產業領域，高空風電仍然是嗷嗷待哺的嬰兒。在資本領域，國內外各路資本早就對高空風電項目虎視眈眈，這也從很大的程度上促進了高空風電發電行業發展。從這些企業的技術軌跡上也可以一窺高空風電產業未來的發展方向。目前致力于高空風能發電的歐美知名公司主要有WindLift、Makani Power、Altaeros energies等幾家，各家的方案也不盡相同。

谷歌入股Makani Power

2006年Makani Power獲得了谷歌1500萬美元的種子資金、美國高級研究計劃局300萬美元的撥款以及其他私人投資，2008年谷歌公司投資又增加到2000萬美元。2013年5月，Makani Power被谷歌公司收購，并入Google X部門。

Makani Power已制造出大型碳復合材料“風箏”，每個“風箏”配備4臺帶螺旋槳發電機。在起飛前，這些發電機作為電動機帶動螺旋槳轉動，作為風箏上天的動力。風箏起飛后就能在風中飛行，飛行所產生提升力很快就能使風箏在不需要其他助力下前行。一旦靠風帶來的推力能和螺旋槳產生拉力平衡，此時，發電機將開始產生電力。風箏的飛行電腦將引導風箏被繩索牽引沿著弧線飛行，不斷圍繞地面基站轉圈。

不過，上述產品的成本顯然還有進一步壓縮空間。根據Makani Power自身針對特大功率風箏渦輪發電機的研發，其利用翼狀“風箏”收集高海拔風能的試驗，已實現的發電成本是使用風力渦輪發電的50%。

KiteGen高空風箏發電MARS系統

為克服傳統風力發電受場地和風向風速因素影響較大等諸多缺點，意大利KiteGen科技公司將目光投向高空風能，并開發出全新的MARS（Magenn AirRotor System）系統。

MARS系統主要由高空的拖曳風箏和地面的發電設備兩部分組成。拖曳風箏和地面的風力渦輪機相連，并通過安裝在發電設備上的航空感應器來控制風箏旋轉的方向和路徑，以最大限度帶動風力渦輪機旋轉并發電。

與傳統風力發電相比，MARS系統擁有無可比擬的優勢：能從高空獲得穩定風能。“風箏”飛行高度越高，所獲平均風速就越大，發電效率也就越高，而傳統風力渦輪機最高平均高度只有100米左右。

MARS系統不僅發電效率高，占用的空間和面積也非常小。一般來講，一個發電能力為1000兆瓦的傳統風力發電廠所用面積約在250到300平方公里之間，而使用MARS系統的發電廠只需5到6平方公里就可達到同等發電能力。此外，MARS系統每千瓦小時的發電成本約為0.02美元到0.05美元，而石化能源每千瓦小時發電成本在0.05美元到0.09美元，傳統風力發電廠成本則為0.15美元。

對于還處于測試階段的MARS系統，上述優勢也許預示著廣闊的前景。

Windlift仍需研發全自動運行系統

Windlift由Robert Creighton于2006年在美國威斯康辛州建立。美國國防部在2009年9月授予Windlift開發產品的合同。該產品是一個具有12Kw功率的移動可再生能源系統。

Windlift目前的系統使用了一個90厘米直徑的滾筒和一個60千瓦發電機連接，這個發電機最初用于混合動力汽車。風箏通過拉動繩索轉動滾筒帶動發電機發電，電能存儲到鉛酸電池，然后通過控制線使風箏釋放拉力。這個過程還會反過來通過電力帶動電機，反轉滾筒并再次拉緊風箏。

但需要指出的是，Windlift的上述成果仍為半自動運行系統，需要一位操作員手動操作控制桿來飛行機翼。該公司目前正在研發全自動運行系統。

軟銀入股Altaeros Energies

Altaeros Energies公司的高空風能發電系統被稱為“結合了飛艇與風電渦輪機”（BAT）。該系統由四個部分組成：第一部分為殼，殼由工業紡織物構成，里面充滿惰性氣體氦氣。殼的作用是用來帶渦輪機飛上天并讓渦輪機在高空保持穩定;第二部分為渦輪機，渦輪機為傳統的輕量型的三葉風能渦輪機，渦輪機被垂直固定在殼內;第三部分為纜繩，纜繩本身具有高強度、比重極輕的特性，纜繩與地面工作站相連，用來固定住渦輪，同時纜繩也被用于把電力傳送到地面工作站;第四部分為地面工作站，它是移動的，包含自動控制系統和電源調節設備。

BAT工作過程為，充滿氦氣的殼帶著渦輪機飛上天，到風能能量密度足夠的高空后固定住，渦輪機開始利用風能發電，通過纜繩把電力傳回地面工作站。

2014年12月4日，軟銀宣布將投資700萬美元，支持Altaeros Energies發展高空風力發電。
 

中路股份入股廣東高空風能

繼以3000萬元增資入股廣東高空風能技術有限公司后，中路股份去年12月發布公告稱，擬以人民幣4049.15萬元受讓公司實際控制人陳榮持有的廣東高空風能50.005%股權。同時，擬對高空風能增資人民幣3000萬元，本次交易完成后，公司將持有高空風能58.041%的股權。通過這兩次資本運作，中路股份也成為A股市場高空風電的唯一標的。

廣東高空風能技術有限公司由留美博士張建軍于2009年回國在廣州建立，是目前國內唯一從事300米-10000米高空風能發電技術研發、發電系統設計和高空風能發電站建造等業務的企業。以張建軍為首的高空風能技術團隊成員，專業技術涵蓋了流體物理、精密機械制造、機電控制、無線電通信、智能傳感、聯網技術、軟件工程及自動控制等。

高空風能公司采取天風技術方案，由空中系統和地面系統組成?？罩邢到y由一個或數個做功傘、若干平衡傘組成;地面系統主要由發電機、卷揚機（滾筒和反向轉動電機）和萬向滑輪組成;傘之間、做功傘與卷揚機之間是通過輕質高強度纜繩連接。

天風技術傘梯組合型高空風電機組解決了高空風能發電系統不穩定的問題。這也是國外Makani公司與Windlift公司產品尚未完全解決的問題。

天風技術中，升力平衡系統與做功系統是分別控制的。平衡系統在風的作用下產生升力，維持整個系統在空中的平衡，本身不參與做功，這種平衡系統是一種穩定系統。做功系統在風的作用下運動，將風能轉換為機械能，拉動地面的發電機轉動發電。

由于做功系統和平衡系統相對獨立，在風的隨機擾動下，平衡系統可以自我調節而不影響做功。做功過程中對系統的擾動也不會直接傳遞到平衡系統，平衡系統在整個運行過程中都處于穩定狀態，從而保證了做功的穩定進行。

長江證券研究報告指出，用天風技術建設的高空風電場項目，可以獲得穩定性高的風電輸出，一改目前常規風電穩定性低的“垃圾電”現象。采用天風技術建設的高空風電場，無需建造塔筒及葉片，由于風電系統采用模塊組合結構而容易實現規模效應，項目建設造價可低于常規風電場。采用模塊組合結構，高空風電場的發電功率可達1000兆瓦，實現的發電成本低于每千瓦時0.30元。