Products:
NI 9237, NI SoftMotion Module, LabVIEW, CompactRIO, DIAdem, FPGA Module, cRIO-9112, LabVIEW Real-Time Module, NI Developer Suite, cRIO-9014, NI 9476, NI 9217, Control Design and Simulation Module, NI 9853E, NI 9201, NI 9425, PID and Fuzzy Logic

The Challenge:
在北半球的大部分地區距離地麵幾千英尺的地方，有著能夠與世界上最好的地麵風力電站媲美的風力資源尚未得到開發。再往上10倍高的對流層則有著世界上能量密度最高的可再生能源。

The Solution:
Makani Power是空中風力發電領域中資金雄厚的領導者
，它相信空中風力渦輪（AWT）技術能夠將可開發的地麵風力資源擴大五倍，覆蓋美國大陸表麵的80％。空中風力渦輪與基於地麵的渦輪一起將通過減小發電波動，並縱向拓展能源采集的區域，幫助緩解能源問題。

        "我想當今處於領先地位的競爭者應該能通過仔細設計將空氣動力效率最大化
，提供包含板載飛行控製係統的可以工作在邊緣層的係統"

         您可能是傳統水平與垂直風力渦輪的專家
，但是您是否聽說過空中風力發電？按照目前新生的空中風力發電領域的創新速度，十年之後“空中風力發電渦輪”jianghuichengweijiayuhuxiaodecihui。zaibeibanqiudedabufendiqujulidimianjiqianyingchidedifang
，youzhenenggouyushijieshangzuihaodedimianfenglidianzhanpimeidefengliziyuanshangweidedaokaifa。zaiwangshang10倍高的對流層則有著世界上能量密度最高的可再生能源。

         利用高海拔風力資源可能還需要一些重要的技術突破，但是靠近地球的空中風力發電將在十年內成為成本低、實用並且可以用於大型公用規模的發電方式。大多數空中風力發電公司都將其重點放在位於距離地麵數千英尺的“邊緣層”。將在這個海拔下可以用於大型公用規模的空中風力發電帶入市場並不需要重大突破，僅需要紮實的工程工作、研發投資以及富有經驗的地麵風力發電團體的支持和指導。

         世界上至少有30個新興企業和研究小組都在努力讓空中風力發電成為現實。豐富的商用（COTS）技ji術shu和he工gong具ju讓rang他ta們men能neng夠gou達da到dao可ke觀guan的de創chuang新xin速su度du。在zai過guo去qu的de幾ji年nian中zhong
，他ta們men的de原yuan型xing係xi統tong已yi經jing證zheng實shi了le空kong中zhong風feng力li發fa電dian的de基ji本ben原yuan則ze，並bing且qie將jiang規gui模mo提ti高gao到dao數shu十shi千qian瓦wa級ji。行xing業ye領ling導dao者zhe的de下xia一yi步bu是shi證zheng實shi係xi統tong能neng夠gou在zai現xian場chang長chang期qi連lian續xu可ke靠kao地di運yun行xing。

        空(kong)中(zhong)風(feng)力(li)發(fa)電(dian)還(hai)處(chu)於(yu)初(chu)始(shi)階(jie)段(duan)，因(yin)為(wei)現(xian)在(zai)的(de)地(di)麵(mian)渦(wo)輪(lun)並(bing)不(bu)具(ju)備(bei)很(hen)高(gao)的(de)性(xing)價(jia)比(bi)
，如(ru)果(guo)能(neng)夠(gou)離(li)開(kai)地(di)麵(mian)，就(jiu)可(ke)以(yi)讓(rang)空(kong)中(zhong)風(feng)力(li)發(fa)電(dian)領(ling)域(yu)延(yan)伸(shen)到(dao)新(xin)的(de)地(di)方(fang)。Makani Power是空中風力發電領域中資金雄厚的領導者
，它相信空中風力渦輪（AWT）技術能夠將可開發的地麵風力資源擴大五倍，覆蓋美國大陸表麵的80％。空中風力渦輪與基於地麵的渦輪一起將通過減小發電波動，並縱向拓展能源采集的區域，幫助緩解能源問題。

通過同化進行創新
         空中風力發電從傳統的風力發電領域中沿用了許多成熟技術，有時甚至使用相同類型的發電機、齒輪箱和並網型逆變器。表1bijiaoledimianwolunhekongzhongfengliwolunzhijiandexiangtongdianhebutongdian。kongzhongfengliwolundezhuyaobutongdianshicongfengzhongtiqunengliangdefangshi。bingfeishiyongdaxinggangtajiegou，ershishiyongshengsuodianlanjiangxitonggudingzaidimianshang。bushiyongxuanzhuanyepian，ershishiyongzhuanmenshejidejiyisaoguokongzhongdeyitiaolujingtiqunengliang。saoguokongzhonggengdajiemiandenenglishikongzhongfenglifadianxiyinrendezhuyaoyuanyinzhiyi
，congernenggoushiyongzhongdengdaxiaodejiyiconggaokongzhonggengqianggengchixudefengzhongtiqudaliangnengliang。yuchuantongwolunyepianjianduanxiangsi
，jiyiyifengsudeshubeizaikongzhongcefenghuaquanhuoshihuabazixing

，rutu1所(suo)示(shi)。空(kong)中(zhong)風(feng)力(li)渦(wo)輪(lun)和(he)地(di)麵(mian)渦(wo)輪(lun)都(dou)根(gen)據(ju)相(xiang)同(tong)的(de)空(kong)氣(qi)動(dong)力(li)學(xue)法(fa)則(ze)工(gong)作(zuo)。正(zheng)如(ru)傳(chuan)統(tong)的(de)風(feng)能(neng)一(yi)樣(yang)


，發(fa)電(dian)量(liang)與(yu)空(kong)氣(qi)密(mi)度(du)的(de)一(yi)半(ban)乘(cheng)以(yi)風(feng)速(su)的(de)立(li)方(fang)成(cheng)正(zheng)比(bi)（方程1）。

表1 空中風力渦輪借用了基幹地麵的風力渦輪的許多成熟技術

圖1 地麵渦輪（左圖）與空中風力渦輪（右圖）比較（圖片來源：KIT Energy)

方程1 和傳統渦輪相似，空中風力渦輪的能量輸出與風速的立方成正比

        因(yin)此(ci)
，風(feng)速(su)的(de)較(jiao)小(xiao)變(bian)化(hua)將(jiang)導(dao)致(zhi)能(neng)量(liang)的(de)較(jiao)大(da)變(bian)化(hua)，風(feng)速(su)翻(fan)倍(bei)則(ze)得(de)到(dao)八(ba)倍(bei)能(neng)量(liang)。和(he)傳(chuan)統(tong)渦(wo)輪(lun)葉(ye)片(pian)尖(jian)端(duan)相(xiang)似(si)，機(ji)翼(yi)以(yi)高(gao)速(su)通(tong)過(guo)空(kong)氣(qi)

，使(shi)用(yong)空(kong)氣(qi)動(dong)力(li)提(ti)升(sheng)有(you)效(xiao)獲(huo)取(qu)能(neng)量(liang)。翼(yi)展(zhan)與(yu)風(feng)力(li)渦(wo)輪(lun)葉(ye)片(pian)長(chang)度(du)可(ke)比(bi)
，讓(rang)空(kong)中(zhong)風(feng)力(li)渦(wo)輪(lun)可(ke)以(yi)掃(sao)過(guo)更(geng)大(da)的(de)空(kong)中(zhong)區(qu)域(yu)，從(cong)而(er)獲(huo)得(de)將(jiang)近(jin)10倍(bei)的(de)能(neng)量(liang)。空(kong)中(zhong)風(feng)力(li)渦(wo)輪(lun)可(ke)以(yi)在(zai)不(bu)同(tong)海(hai)拔(ba)高(gao)度(du)上(shang)下(xia)移(yi)動(dong)
，調(tiao)節(jie)飛(fei)行(xing)路(lu)徑(jing)從(cong)而(er)調(tiao)節(jie)風(feng)力(li)狀(zhuang)況(kuang)。在(zai)機(ji)械(xie)結(jie)構(gou)上(shang)，由(you)於(yu)空(kong)中(zhong)風(feng)力(li)渦(wo)輪(lun)並(bing)非(fei)固(gu)定(ding)在(zai)地(di)麵(mian)上(shang)，可(ke)以(yi)在(zai)飛(fei)行(xing)中(zhong)受(shou)到(dao)空(kong)氣(qi)枕(zhen)緩(huan)衝(chong)。但(dan)是(shi)快(kuai)速(su)移(yi)動(dong)產(chan)生(sheng)的(de)g力負荷將會對機翼和繩索電纜施加很大的張力。

高海拔下工作
         通過超出地麵渦輪的範圍，空中風力機器在高海拔下采集持續強勁的風力資源。在2000英尺高度下
，北半球大部分地區超過40％的時間風速超過8米/秒。其能量密度（kW/m2）與世界上最好的地麵風力區域相媲美，如圖2所示。因此
，空中風力渦輪能夠讓風力領域延伸到全新區域，並且可以更加靠近人口密集中心。

          盡管邊緣層的風比較容易被現在的企業加以利用
，最為可觀的是位於對流層的噴氣流風。在35000英尺高度，平均能量密度超過20 kW/m2
，可用總資源用數千兆兆瓦（TW）計算，比世界能源需求高幾百倍。“從環境角度而言，製造巨大的兆兆瓦級別的可再生能源係統是十分重要的。”Carnegie Institution of Washington大學的Ken Caldeira在2010年風力能源大會上說道。“風力能源能夠達到滿足民用需求的規模這一觀點是言之有理的。風力能源是為數不多的民用規模發電技術之一。”
         Caldeira是世界著名的氣候科學家，他研究了從高海拔提取民用規模能量對環境造成的潛在影響。他的模型表明：提取能夠滿足世界能量需求的18TW並不會對氣候產生巨大影響

，隻會造成幾乎可以忽略的0.04 oC降溫效果。當然，讓世界切換到使用便宜、清潔
、無(wu)碳(tan)能(neng)源(yuan)將(jiang)必(bi)然(ran)為(wei)環(huan)境(jing)帶(dai)來(lai)正(zheng)麵(mian)影(ying)響(xiang)。利(li)用(yong)高(gao)海(hai)拔(ba)風(feng)力(li)資(zi)源(yuan)是(shi)一(yi)個(ge)大(da)膽(dan)的(de)設(she)想(xiang)
，也(ye)同(tong)時(shi)帶(dai)來(lai)了(le)許(xu)多(duo)技(ji)術(shu)挑(tiao)戰(zhan)和(he)後(hou)勤(qin)挑(tiao)戰(zhan)，例(li)如(ru)尋(xun)找(zhao)足(zu)夠(gou)堅(jian)韌(ren)輕(qing)質(zhi)的(de)繩(sheng)索(suo)電(dian)纜(lan)
，以(yi)獲(huo)得(de)美(mei)國(guo)聯(lian)邦(bang)飛(fei)行(xing)管(guan)理(li)（FAA）許可和進行空間清理。即便在邊緣層海拔仍然需要解決FAA許(xu)可(ke)問(wen)題(ti)。至(zhi)少(shao)對(dui)於(yu)現(xian)在(zai)而(er)言(yan)

，將(jiang)對(dui)流(liu)層(ceng)的(de)風(feng)力(li)資(zi)源(yuan)投(tou)入(ru)商(shang)業(ye)應(ying)用(yong)是(shi)不(bu)太(tai)可(ke)能(neng)的(de)。即(ji)便(bian)將(jiang)目(mu)標(biao)定(ding)在(zai)對(dui)流(liu)層(ceng)的(de)公(gong)司(si)也(ye)計(ji)劃(hua)從(cong)更(geng)加(jia)適(shi)中(zhong)的(de)高(gao)度(du)開(kai)始(shi)。“在1000英尺高度
，世界上70％的地區可以通過風力資源獲利。”     MAGENN Power公司CEO，Pierre Rivard說道。MAGENN Power是一家開發比空氣輕的類似飛艇和漂浮手機基站的發電機公司。

探索設計空間

         從整體上看共有三種對空中風力發電係統進行分類的基本方法：1）海拔：低海拔、邊緣層或對流層；2）機翼類型：比空氣輕或重、固定或活動、拖動
、提升或基於旋翼機；3）發電機位置和類型：地麵或空中
、齒輪箱或直接驅動。

        hedimianfenglifadianlingyudezaoqixiangsi，kongzhongfenglifadiandeyanjiuyuanzhengzaiceshisuoyoukenengdeshejixuanze，zhaochuzuijiafangan。jibianshiyongjisuanjimoxing，muqianrengranmeiyouwuliyuanxingdetidaiwu。keyigongzuodeyuanxingxitongyezainulishuofuchiyouhuaiyitaiduderenbingshefaxiyintouzizhe。“我想多年之前人們仍然持有相當的懷疑態度
，但是現在有許多新興公司都在進行研發。”Joby Energy商業開發總監Archan Padmanabhan說道。“在過去的幾年中


，行業中出現了許多原型係統，我們看到它們成長到數十千瓦。在Joby，womencongdimianfadianjishejikaishi
，ceshizizhuangainian
，bingzuizhongzhizaoledaiyoujiyidekongzhongfadianxitong
，tajuyouduogeluoxuanjiang，jiangdiannengtongguodianlanchuansongxialai。xianzaiwomenzhengzaitansuonenggoujianhuaqifeihejiangluodejiyi。

克服技術難關
        使用“帶有繩索的機翼”的發電設想並不是全新的。其基本概念已經在1970年代後期申請了專利，目前已經公開。Lawrence Livermore國家實驗室研究員Miles L. Loyd探索了空中風力發電的基本數學方程
，開發了計算機模型並且使用小型實驗原型係統進行了驗證。他影響深遠的論文《側風風箏發電》在1980年6月出版的Journal of Energy期刊上發表。那麼為什麼空中風力發電還沒有實現商業化？答案與複雜性、成本和莫爾定律有關。10年前，處理、儀器、傳感器和控製軟件都十分昂貴。現在，嵌入式計算機運算能力的指數增長（莫爾定律）、儀器技術和高級高效率軟件工具和堅固嵌入式計算機平台的出現讓空中風力發電公司能夠使用商用COTS技術和高級軟件工具縮短設計
、原型開發和現場部署之間的時間

，構建並測試其原型係統。
        “空中風力發電在十年前會具有性價比嗎
？”Padmanabhan問道。“不。隻有有了現在的技術進步才讓空中風力發電具有性價比，這些歸功於價格低廉的飛機材料
、低成本的GPS傳感器
、自(zi)動(dong)飛(fei)行(xing)軟(ruan)件(jian)和(he)嵌(qian)入(ru)式(shi)計(ji)算(suan)的(de)卓(zhuo)越(yue)性(xing)能(neng)。我(wo)們(men)攻(gong)克(ke)的(de)最(zui)大(da)的(de)技(ji)術(shu)挑(tiao)戰(zhan)在(zai)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)領(ling)域(yu)。由(you)於(yu)航(hang)天(tian)領(ling)域(yu)的(de)發(fa)展(zhan)，飛(fei)行(xing)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)比(bi)過(guo)去(qu)任(ren)何(he)時(shi)候(hou)都(dou)更(geng)加(jia)穩(wen)定(ding)。現(xian)代(dai)的(de)商(shang)業(ye)飛(fei)機(ji)主(zhu)要(yao)使(shi)用(yong)自(zi)動(dong)駕(jia)駛(shi)飛(fei)行(xing)，人(ren)們(men)也(ye)信(xin)任(ren)這(zhe)些(xie)係(xi)統(tong)，沒(mei)有(you)人(ren)認(ren)為(wei)飛(fei)機(ji)會(hui)因(yin)此(ci)而(er)墜(zhui)落(luo)。飛(fei)機(ji)行(xing)業(ye)能(neng)夠(gou)提(ti)供(gong)許(xu)多(duo)技(ji)術(shu)，我(wo)們(men)正(zheng)在(zai)從(cong)中(zhong)學(xue)習(xi)。”
         Windlift是(shi)另(ling)一(yi)家(jia)空(kong)中(zhong)風(feng)力(li)發(fa)電(dian)新(xin)興(xing)企(qi)業(ye)
，它(ta)正(zheng)在(zai)開(kai)發(fa)移(yi)動(dong)空(kong)中(zhong)風(feng)力(li)渦(wo)輪(lun)，因(yin)為(wei)它(ta)們(men)能(neng)夠(gou)提(ti)供(gong)高(gao)能(neng)源(yuan)密(mi)度(du)，讓(rang)它(ta)們(men)成(cheng)為(wei)內(nei)燃(ran)發(fa)電(dian)機(ji)和(he)所(suo)需(xu)的(de)易(yi)受(shou)影(ying)響(xiang)的(de)燃(ran)料(liao)供(gong)給(gei)的(de)未(wei)來(lai)替(ti)代(dai)品(pin)，所(suo)以(yi)吸(xi)引(yin)了(le)美(mei)國(guo)軍(jun)事(shi)的(de)濃(nong)厚(hou)興(xing)趣(qu)。Windlift使用NI LabVIEW圖形化編程語言和NI CompactRIO堅固嵌入式儀器係統進行控製和動態監視，圖中顯示了12 kW原型係統的界麵（圖3）。控製設計工程師Matt Bennett解釋了商用工具在其開發中起到的重要作用。“使用商用COTS實時係統起到了重要作用
，”他說道，“在高負荷下使用機翼主動飛行是一個重大挑戰，NI CompactRIO係統解決了所有讓係統保持穩定所需的信號處理和反饋控製任務。我們廣泛使用了現場可編程門陣列（FPGA）完全並行處理任務。LabVIEW FPGA技術是必不可少的。有許多任務必須使用FPGA完成，而沒有其他方法。”

發電技術
        我(wo)們(men)都(dou)熟(shu)悉(xi)地(di)麵(mian)渦(wo)輪(lun)的(de)旋(xuan)轉(zhuan)葉(ye)片(pian)。那(na)麼(me)空(kong)中(zhong)風(feng)力(li)渦(wo)輪(lun)是(shi)如(ru)何(he)發(fa)電(dian)的(de)呢(ne)？盡(jin)管(guan)技(ji)術(shu)多(duo)種(zhong)多(duo)樣(yang)，從(cong)使(shi)用(yong)繩(sheng)索(suo)的(de)旋(xuan)翼(yi)機(ji)直(zhi)至(zhi)比(bi)空(kong)氣(qi)輕(qing)質(zhi)的(de)旋(xuan)轉(zhuan)飛(fei)艇(ting)，最(zui)普(pu)通(tong)而(er)且(qie)常(chang)用(yong)的(de)方(fang)法(fa)使(shi)用(yong)以(yi)下(xia)兩(liang)個(ge)基(ji)本(ben)原(yuan)則(ze)之(zhi)一(yi)：1）地麵發電機連接繩索電纜，在風箏拉動電纜時候產生電能；2）板載一組風力驅動的高速螺旋槳驅動小型空中發電機。表2比較了這些常用方法的優缺點。例如美國Windlift和歐洲KITEnergy正在開發的地麵發電機係統使用機翼拉動繩索電纜發電。繩索電纜的轉矩和速度通過旋轉連接到絞盤鼓的發電機產生電能。如圖4所示，共有兩個不同的工作模式――tuodongjieduanhehaiyuanjieduan。zaituodongjieduanxia，jiyihuanmanladongshengsuodianlan，daodadaoshengsuozuidachangduhuozuidahaibaweizhichanshengdianneng。ranhouhaiyuanjieduankaishi，jiyihuidaoyuanwei，bingjiangshengsuodianlanraohui。haiyuanjieduanshijishangxuyaoxiaohaoshaoliangdianneng
，yinweifadianjichengweiqudongdianjijiangdianlanraohui。ranhouzhenggeguochengzhongxinkaishi。zaiqudongmoshixia，jiyiyiwuxianfangshijiangGPS坐標和方向角信息通過空中慣性測量單元（IMU）傳送到地麵上的風箏驅動單元（KSU）。KITEnergy使用NI PXI平台和LabVIEW實時軟件作為地麵控製單元，獲取並處理傳感器信號
，並執行高級控製算法指揮絞盤電機―發電機，並操縱風箏。“到目前為止

，理論結果、數值結果和實驗結果表明KITEnergy技術能夠提供大量幾乎隨處可用的可再生能源

，並且比化石能源價格低廉。”KITEnergy創始人Mario Milanese說道。例如Joby Energy和Makani Power等(deng)其(qi)他(ta)公(gong)司(si)正(zheng)在(zai)進(jin)行(xing)空(kong)中(zhong)發(fa)電(dian)機(ji)設(she)計(ji)。使(shi)用(yong)位(wei)於(yu)飛(fei)機(ji)上(shang)的(de)多(duo)個(ge)小(xiao)型(xing)螺(luo)旋(xuan)槳(jiang)驅(qu)動(dong)發(fa)電(dian)機(ji)進(jin)行(xing)發(fa)電(dian)，通(tong)過(guo)繩(sheng)索(suo)電(dian)纜(lan)將(jiang)電(dian)能(neng)傳(chuan)送(song)到(dao)地(di)麵(mian)。空(kong)中(zhong)發(fa)電(dian)機(ji)係(xi)統(tong)通(tong)常(chang)與(yu)飛(fei)機(ji)相(xiang)似(si)，而(er)不(bu)像(xiang)風(feng)箏(zheng)，它(ta)帶(dai)有(you)板(ban)載(zai)計(ji)算(suan)機(ji)自(zi)動(dong)駕(jia)駛(shi)係(xi)統(tong)和(he)飛(fei)行(xing)控(kong)製(zhi)界(jie)麵(mian)，和(he)提(ti)升(sheng)翼(yi)與(yu)副(fu)翼(yi)一(yi)樣(yang)對(dui)方(fang)向(xiang)角(jiao)進(jin)行(xing)控(kong)製(zhi)。空(kong)中(zhong)風(feng)力(li)發(fa)電(dian)公(gong)司(si)的(de)許(xu)多(duo)工(gong)程(cheng)項(xiang)目(mu)都(dou)主(zhu)要(yao)關(guan)注(zhu)完(wan)善(shan)飛(fei)行(xing)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)，讓(rang)它(ta)們(men)更(geng)加(jia)穩(wen)定(ding)能(neng)夠(gou)處(chu)理(li)各(ge)種(zhong)問(wen)題(ti)，包(bao)括(kuo)從(cong)旋(xuan)風(feng)到(dao)驅(qu)動(dong)裝(zhuang)置(zhi)驅(qu)動(dong)裝(zhuang)置(zhi)和(he)傳(chuan)感(gan)器(qi)故(gu)障(zhang)。Makani Power係xi統tong的de設she計ji使shi之zhi能neng夠gou在zai需xu要yao的de時shi候hou
，自zi動dong切qie斷duan繩sheng索suo，完wan成cheng自zi動dong降jiang落luo。所suo有you尋xun求qiu挑tiao戰zhan的de控kong製zhi工gong程cheng師shi或huo航hang天tian工gong程cheng師shi都dou可ke以yi考kao慮lv投tou身shen空kong中zhong風feng力li領ling域yu。圖tu5展示了Joby Energy設計的主要特性
，它能夠完成垂直起飛和降落，並使用高速側風飛行模式將能量輸出最大化。

        duiyufenglilingyudexinshengfenzhieryan
，womenrengranyaopanduannazhongshejizuiweishiyongqiezuijuyouxingjiabi。xianzaichengzhiweibisaihaiweishiguozao，danshiwoxiangdangjinchuyulingxiandiweidejingzhengzheyinggainengtongguozaixishejijiangkongqidonglixiaolvzuidahua，tigongbaohanbanzaifeixingkongzhixitongdekeyigongzuozaibianyuancengdexitong。tu6所示的空中風力發電離成為成熟的技術還有很遠，但有一點是不容置疑的――zheshiyigelingrenzhenfendeshidai。meigeqifeidexinxingyuanxingxitongdourangchiyouhuaiyitaiduderenhetouzizhexiangxinlikaidimiandefenglifadianbingbushiyigefengkuangdexiangfa。ruguoninshifenglifadianlingyudezhuanyerenyuan，qingkaolvliyongnindezhuanchangrangkongzhongfenglifadianshiyeqibu。yaolejiegengduoxinxi，qingfangwenkongzhongfenglinengyuanlianmengwangzhanwww.aweconsortium.org