文 献 综 述

一、研究背景及意义

能源是国民经济的基本支撑,是人类赖以生存的基础。自20世纪70年代以来，全世界面临人口爆炸、资源短缺、能源危机、粮食不足、环境污染、气候变化等全球重大问题的挑战。近年来，全球能源消费不断增长，石油价格不断攀升，人们越来越担心世界能源供应的可持续性。当今世界的地区冲突矛盾往往也与能源有关，能源问题涉及能源结构、能源效率、能源安全和能源环境四个方面^[1]。我国是能源消费大国，因此，面临的能源问题尤为严峻。据估计，我国煤炭剩余可采储量为900亿t，可供开采不足百年；石油剩余可采储量为23亿t，仅可供开采14年；天然气剩余可采储量为6 310亿m 3，可供开采不过32年^[2]。能源短缺的问题开始不断涌现出来；同时，我国又是能源进口的大国，国家信息中心最新发布的一份报告显示，2008年1-10月份，全国原油产量同增长 2.21%，原油加工量同比增长5.6%，这显示国内原油生产与原油需求增速的差距进一步拉大，而中国的原油进口依存度也已增加到55%^[3]。面对当今复杂多变的国际形势，我国的能源安全问题面临着严重挑战；近年来，频发的雾霾事件也为我国的环境问题敲响了警钟，传统化石能源利用所导致的环境问题也促使人们不断探索绿色环保可持续的新能源。

而风能作为新能源的一种，具有广阔的发展前景。与其他能源形式相比，风能具有储量大、分布广、可再生、绿色环保的优点^[4]。我国幅员辽阔，地形条件复杂，风力资源丰富，可开发量约7~12亿kW，其中陆地约为6~10亿kW，海上约为1~2亿kW，按2009年风力发电装机容量1613万kW，发电量269亿kW#183;h推算，未来每年可提供1.2~2万亿kW#183;h电量。由此可见，风能的开发利用对我国的可持续发展具有极大的意义和价值^[5]。

目前风力发电主要是陆上和海上风力发电，风力发电设备一般都是通过固定塔架将风力发电主要设备架设到塔架顶部，受多种因素限制，塔架高度目前只能达到100 m左右，使风能利用受到限制；采用尺寸庞大的螺旋桨风动机结构，其庞大复杂的机电设备使制造、安装和维修很困难；转速很低的螺旋桨风动机难以实现对发电机的直接驱动。此外，在百米左右高度的低空风功率密度一般在100 W/ m²级别范围内，风力资源有限。据有关报道，在高度1000m以上，特别是在6000#8212;12000m的高空，风功率密度可高达10 kW / m²以上。 利用该区域的风力资源成为风电技术领域的迫切任务,是满足人类对清洁再生能源需求的重要途径^[6]。为了应对上述风力发电的现状，促进风力发电技术的发展，各国都在不断研究开发空中漂浮式风力发电高效涡轮机来实现高空发电的产业化发展。

二、研究现状

尽管提出高空风力发电概念至今已经有30年，但高空风力发电面临着技术难度大、成本投入高两个主要问题，到目前还没有形成产业化^[7]。空中漂浮式风力发电高效涡轮机是高空发电设备的一种，空中漂浮式风电机是一种新概念风力发电机，这种新型的风力发电机将几乎可以在任何地方工作。”漂浮式风力发电机”利用漂浮设备，升到高空中捕捉强风，带动附在水平轴两端的发电机发电。发电机产生的电将通过连接在发电机上的电缆输送到地面。目前，由于这种风力发电机也在不断开发研究中，因此有着各种各样的形式^[8]。

下图就是最近美国阿尔泰罗能源公司他们研制出的一种可漂浮在空中的风力发电机，能够在距地面约合100米的高度发电，利用高空强风发电，风力可达到传统风力塔的5倍。借助一个充满氦气的充气壳进入高空，利用绳索固定，而后将所发的电传输到地面。这款风力发电机可应用于偏远的工业和军方设施以及乡村，取代用于驱动柴油发电机的昂贵燃料^[9]。

图1.美国阿尔泰罗能源公司研制出的一种可漂浮在空中的风力发电机

值得一提的是，目前的空中漂浮式风力发电涡轮机在获取风能的原理和设备上基本是一致的，区别主要在于漂浮设备和输电控制系统。