高空墜落物成為空中風(fēng)力發(fā)電的一大殺手

Peter Weiss

Senior Technology Writer

2020年1月，一則源于美國(guó)加利福尼亞州的流言傳到了歐洲的研究人員和企業(yè)家那里。歐洲是一個(gè)橫跨大西洋的小型工程研究和開(kāi)發(fā)領(lǐng)域蓬勃發(fā)展的中心，主要進(jìn)行高空風(fēng)力發(fā)電（AWE）項(xiàng)目的研究和開(kāi)發(fā)。美國(guó)科技巨頭谷歌公司的母公司Alphabet正在悄無(wú)聲息地關(guān)閉Makani公司，它把這家令人敬畏的子公司培育成了世界最先進(jìn)、最引人注目以及設(shè)計(jì)資金最雄厚并且制造繩系飛行器（用AWE的術(shù)語(yǔ)講是風(fēng)箏）的企業(yè)，其最終目的是生產(chǎn)兆瓦級(jí)的風(fēng)能。

在2019年的夏天，總部位于美國(guó)加利福尼亞州阿拉米達(dá)的Makani Technologies公司得到了Alphabet和Royal Dutch Shell公司的支持，首次在海上風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域受到媒體關(guān)注[1]。在谷歌商業(yè)帝國(guó)7年的巨額財(cái)政支持下以及頂著巨大的業(yè)績(jī)壓力，這家初創(chuàng)公司最先進(jìn)的原型機(jī)M600風(fēng)箏發(fā)電系統(tǒng)——實(shí)際上是一架巨大的、用繩索系住的無(wú)人機(jī)，翼展堪比波音737——在挪威海岸的一個(gè)浮動(dòng)基地演示了一系列具有挑戰(zhàn)性的自主飛行動(dòng)作。Makani聲稱，通過(guò)這些舉措可以利用風(fēng)速高、資源豐富的離岸風(fēng)或其他具有巨大能量的風(fēng)（這些風(fēng)的高度要高于最高的傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片到達(dá)的高度），產(chǎn)生高達(dá)600 kW的電力——這款風(fēng)箏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是為大約300個(gè)美國(guó)家庭提供電力。

然而，不幸的是，測(cè)試產(chǎn)生了令人失望的結(jié)果，其中一些反復(fù)出現(xiàn)的缺陷在早些時(shí)候的陸上飛行試驗(yàn)中被注意到。也許最讓人警醒的事故是飛機(jī)完全沉沒(méi)在挪威沿海水域。2020年2月，流言成為官方公告，來(lái)自Alphabet公司和Makani公司的首席執(zhí)行官Fort Felker在一篇博客文章中寫(xiě)道：“盡管強(qiáng)大的技術(shù)得以進(jìn)步，但商業(yè)化之路比想象的要更長(zhǎng)且風(fēng)險(xiǎn)更大，Makani子公司在Alphabet公司的時(shí)代就要走到盡頭了。”[2]

Royal Dutch Shell公司也撤消了對(duì)Makani公司的支持。2020年9月，Makani公司完全停止了運(yùn)營(yíng)。首先，該公司向公眾公開(kāi)了其成立13年來(lái)積累的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。在前企業(yè)支持者的鼓勵(lì)下，Makani公司向社會(huì)承諾可以不受限制地使用其400多項(xiàng)專(zhuān)利和專(zhuān)利申請(qǐng)，而不會(huì)受到法律約束。此外，該公司的檔案管理員還發(fā)布了一部近兩個(gè)小時(shí)的紀(jì)錄片，該片生動(dòng)地展示了公司的發(fā)展歷程[3]。除紀(jì)錄片外，檔案管理員還發(fā)布了許多其他視頻、內(nèi)部報(bào)告、軟件、數(shù)據(jù)和材料，所有這些都在由Makani公司的工程人員撰寫(xiě)的1200頁(yè)、包含了三個(gè)部分的分析的報(bào)告，即《風(fēng)箏發(fā)電系統(tǒng)》（The Energy Kite）[4]中有所體現(xiàn)。首席工程師兼該報(bào)告的合著者Paula Echeverri在宣布公開(kāi)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的博客中寫(xiě)道：“通過(guò)公開(kāi)我們的工作和故事，我們希望為下一代科學(xué)家、發(fā)明家和登月者創(chuàng)造有利條件，以解決幾乎不可能的問(wèn)題。”[5]

Makani公司的突然退出在AWE領(lǐng)域引發(fā)了短暫的危機(jī)感[6]。但到目前為止，它的失敗似乎主要引起了這樣一個(gè)問(wèn)題——如果Makani公司沒(méi)有將風(fēng)箏沖浪的根源、生態(tài)價(jià)值、浮華的工程和Alphabet公司的贊助結(jié)合在一起以吸引媒體關(guān)注，那么公眾和投資者將如何看待AWE？荷蘭代爾夫特理工大學(xué)（TU Delft）航空航天工程專(zhuān)業(yè)副教授、AWE研究員以及該領(lǐng)域的倡導(dǎo)者和組織者Roland Schmehl說(shuō)，即使失去了Makani公司，但最近的事態(tài)發(fā)展表明AWE在國(guó)內(nèi)和國(guó)際上都得到了支持，其人氣持續(xù)上升。Schmehl是位于代爾夫特的AWE公司Kitepower的聯(lián)合創(chuàng)始人和顧問(wèn)委員會(huì)成員，該公司開(kāi)發(fā)的軟翅風(fēng)箏的機(jī)翼是由柔性織物制成的，具有繩系、加固、可彎曲的翼型，比剛性機(jī)翼更符合人們對(duì)風(fēng)箏的普遍認(rèn)知（圖1）。

圖1.2013年，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)航空航天工程專(zhuān)業(yè)的研究生發(fā)射了一個(gè)25 m2的實(shí)驗(yàn)性軟翼能量風(fēng)箏，利用纜繩上絞車(chē)的牽引力來(lái)對(duì)抗風(fēng)力，幫助風(fēng)箏提高升力。在過(guò)去10年里，小而靈活、擁有簡(jiǎn)單曲線設(shè)計(jì)的風(fēng)箏，其尺寸已經(jīng)比圖中的風(fēng)箏大得多。事實(shí)證明，這些軟翼風(fēng)箏適用于小范圍使用的中等功率的AWE系統(tǒng)，如毛里求斯共和國(guó)于2020年11月從德國(guó)Skyails公司購(gòu)買(mǎi)的首個(gè)商業(yè)銷(xiāo)售系統(tǒng)[7]。預(yù)測(cè)和控制更大、更強(qiáng)的軟翼AWE風(fēng)箏的運(yùn)動(dòng)更難也更復(fù)雜，仍有待進(jìn)一步研究和測(cè)試。資料來(lái)源：TU Delft，獲得許可。

2020年9月下旬，國(guó)際能源署（IEA）的一個(gè)風(fēng)能技術(shù)項(xiàng)目組在法國(guó)巴黎召開(kāi)了一次技術(shù)專(zhuān)家虛擬會(huì)議，旨在確立該項(xiàng)目的首個(gè)專(zhuān)項(xiàng)任務(wù)，即促進(jìn)AWE廣泛的國(guó)際研究和合作[8]。值得注意的是，這與參加會(huì)議的美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）最近對(duì)AWE表現(xiàn)出的興趣不謀而合。與此同時(shí)，兩家歐洲AWE風(fēng)箏制造商和AWE的歐洲工業(yè)協(xié)會(huì)最近獲得了MegaAWE項(xiàng)目的資助，這是歐盟委員會(huì)的一個(gè)1500萬(wàn)美元的項(xiàng)目，用于推進(jìn)歐洲西北部地區(qū)兆瓦級(jí)AWE的商業(yè)化[9]。Schmehl表示，AWE領(lǐng)域預(yù)計(jì)將有一個(gè)更大的歐盟（EU）資助項(xiàng)目，名為Horizon Europe [10]，歐盟已在2021年年初的融資會(huì)議中表示對(duì)AWE的提議很感興趣。

隨著Makani公司的退出，荷蘭海牙的Ampyx Power公司（在MegaAWE融資中被選中的風(fēng)箏制造商之一）現(xiàn)在成為了擁有最強(qiáng)動(dòng)力、可操作原型的剛性機(jī)翼AWE的開(kāi)發(fā)商。其最新推出的150 kW、AP3無(wú)人機(jī)于2020年12月在西班牙進(jìn)行了微風(fēng)試飛[11]。Schmehl注意到Ampyx公司于2020年12月發(fā)布了一個(gè)新的引人注目的視頻，該視頻引起了投資者的注意[12]。Schmehl表示Ampyx公司將會(huì)取代Makani公司成為AWE最引人注目的開(kāi)發(fā)商。

圖2.圖片展示的是一個(gè)兆瓦級(jí)的、剛性機(jī)翼的AWE風(fēng)箏，該風(fēng)箏通過(guò)甲板上三角形端口的纜繩與浮動(dòng)平臺(tái)相連接，其正準(zhǔn)備從離岸的浮動(dòng)平臺(tái)上起飛。利用纜繩上的一個(gè)類(lèi)似于彈射器的輔助裝置發(fā)射風(fēng)箏，然后由飛行器上的電池驅(qū)動(dòng)的渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)風(fēng)箏飛到操作高度。當(dāng)風(fēng)箏達(dá)到飛行高度時(shí)，只靠風(fēng)力和重力推動(dòng)，風(fēng)箏拉緊纜繩以放纜退繞的方式帶動(dòng)甲板下的絞車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)平臺(tái)上的發(fā)電機(jī)發(fā)電。在纜繩全部解開(kāi)后，當(dāng)被重新纏繞到絞車(chē)上時(shí)，飛機(jī)就會(huì)無(wú)動(dòng)力滑翔回平臺(tái)。風(fēng)箏降落在甲板上時(shí)，準(zhǔn)備再次起飛，進(jìn)行另一次能量生產(chǎn)飛行。資料來(lái)源：Ampyx Power，獲得許可。

Ampyx公司的首席執(zhí)行官Fabrizio Nastri表示，盡管Makani公司公布了其互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP），但Makani公司的關(guān)閉既沒(méi)有損害他的公司也沒(méi)有讓他的公司獲得利益，因?yàn)閮杉夜镜脑O(shè)計(jì)是截然不同的。Makani M600是一種非常規(guī)的垂直起飛和降落的飛機(jī)，機(jī)翼上攜帶了沉重的發(fā)電渦輪機(jī)。Nastri說(shuō)，這兩種選擇對(duì)于一項(xiàng)要擴(kuò)大到兆瓦級(jí)的技術(shù)來(lái)說(shuō)都很復(fù)雜且有風(fēng)險(xiǎn)。相比之下，Ampyx公司的風(fēng)箏盡管有機(jī)械輔助，但堅(jiān)持以普遍和廣為人知的航空標(biāo)準(zhǔn)水平起飛和降落以最小化跑道尺寸。Ampyx公司的風(fēng)箏沒(méi)有攜帶發(fā)電機(jī)，而是通過(guò)拉一根牽引繩，旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)，在風(fēng)箏的浮動(dòng)基站上發(fā)電（圖2）。Nastri說(shuō)：“我們從系統(tǒng)工程的角度來(lái)做這個(gè)，使用和航空航天工業(yè)相同的標(biāo)準(zhǔn)，因此我們有很多工程師。并且，我們?cè)跇?gòu)建10個(gè)AP3的時(shí)候并沒(méi)有期望有9個(gè)AP3會(huì)墜毀，只剩一個(gè)會(huì)成功，我們是在設(shè)計(jì)不會(huì)墜毀的AP3?！?/p>

一系列因素，尤其是遠(yuǎn)低于預(yù)期的發(fā)電量，似乎導(dǎo)致了Makani M600的失敗。Makani公司的工程師在《風(fēng)箏發(fā)電系統(tǒng)》[4]中討論了M600的9個(gè)缺點(diǎn)。例如，風(fēng)箏的渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子減少了通過(guò)風(fēng)的能量，降低了控制面，如副翼和升降機(jī)的效率。然而，M600的設(shè)計(jì)并沒(méi)有彌補(bǔ)這一缺陷，它限制了機(jī)動(dòng)性，阻礙了電力生產(chǎn)。雖然在某些情況下，人們獲得了關(guān)于能量風(fēng)箏與普通飛機(jī)的不同之處的新見(jiàn)解，作者說(shuō)這可能會(huì)讓AWE整體受益，但對(duì)能量風(fēng)箏空氣動(dòng)力學(xué)的誤解導(dǎo)致了原型設(shè)計(jì)失誤。報(bào)告結(jié)論稱，設(shè)計(jì)的M600（一個(gè)比Makani公司之前做的要大得多的風(fēng)箏）放大了缺陷。Makani公司倒閉時(shí)，還在設(shè)計(jì)一種名為MX2的新型風(fēng)箏（這也在報(bào)告中進(jìn)行了討論），它的機(jī)翼面積增加了60%，控制面更大，并進(jìn)行了其他改進(jìn)，以糾正M600的缺陷。

除了在Makani公司的工程工作站和制造車(chē)間發(fā)生的變化外，其他一些變化也可能對(duì)公司倒閉起到了重要作用。在全球能源市場(chǎng)中，現(xiàn)有可再生能源和豐富而經(jīng)濟(jì)的天然氣的成本不斷下降，導(dǎo)致電價(jià)大幅下降，使得新型可再生能源的發(fā)展更加困難[13]。據(jù)報(bào)道，Makani公司沒(méi)有預(yù)料到這些價(jià)格趨勢(shì)，這使得其對(duì)投資者來(lái)說(shuō)越來(lái)越?jīng)]有吸引力[14]。通用電氣（General Electric）、維斯塔斯（Vestas）和西門(mén)子（Siemens）等大公司正在展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)，它們將建造傳統(tǒng)的、但具有像足球場(chǎng)一樣大的葉片的風(fēng)力渦輪機(jī)。這些渦輪機(jī)的尺寸特別大，功率也特別高，將進(jìn)一步挑戰(zhàn)AWE的生存能力[15]。

Makani公司顯然也受到了谷歌公司創(chuàng)始人Larry Page和Sergey Brin的特別關(guān)注，后者表示特別喜歡AWE公司，但兩人都在2019年年底退出了谷歌公司的日常管理[16]。有人表示，這一變化很容易引起外界對(duì)Makani公司的擔(dān)憂，即Alphabet子公司造成的高額虧損，且其與谷歌公司旗下的高利潤(rùn)核心業(yè)務(wù)沒(méi)有直接關(guān)聯(lián)（如互聯(lián)網(wǎng)搜索和廣告）[17]。