本文來自微信公眾號：Engineering（ID：engineering2015），作者：Peter Weiss，原文標(biāo)題：《高空墜落物成為空中風(fēng)力發(fā)電的一大殺手丨Engineering》，頭圖來自：視覺中國(12.900, 0.35, 2.79%)
2020年1月，一則源于美國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(3.200, 0.02, 0.63%)的小型工程研究和開發(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)目的研究和開發(fā)。
美國科技巨頭谷歌公司的母公司Alphabet正在悄無聲息地關(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)語講是風(fēng)箏）的企業(yè)，其最終目的是生產(chǎn)兆瓦級的風(fēng)能。
在2019年的夏天，總部位于美國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。在谷歌商業(yè)帝國7年的巨額財(cái)政支持下以及頂著巨大的業(yè)績壓力，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、用繩索系住的無人機(jī)，翼展堪比波音737——在挪威海岸的一個(gè)浮動基地演示了一系列具有挑戰(zhàn)性的自主飛行動作。
Makani聲稱，通過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)美國家庭提供電力。
然而，不幸的是，測試產(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)完全沉沒在挪威沿海水域。2020年2月，流言成為官方公告，來自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。”
Royal Dutch Shell公司也撤消了對Makani公司的支持。2020年9月，Makani公司完全停止了運(yùn)營。首先，該公司向公眾公開了其成立13年來積累的知識產(chǎn)權(quán)。在前企業(yè)支持者的鼓勵(lì)下，Makani公司向社會承諾可以不受限制地使用其400多項(xiàng)專利和專利申請，而不會受到法律約束。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，該片生動地展示了公司的發(fā)展歷程。
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的1200頁、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）中有所體現(xiàn)。首席工程師兼該報(bào)告的合著者Paula Echeverri在宣布公開知識產(chǎn)權(quán)的博客中寫道：“通過公開我們的工作和故事，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題。”
Makani公司的突然退出在AWE領(lǐng)域引發(fā)了短暫的危機(jī)感。但到目前為止，它的失敗似乎主要引起了這樣一個(gè)問題——如果Makani公司沒有將風(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(16.580, 0.48, 2.98%)專業(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，即使失去了Makani公司，但最近的事態(tài)發(fā)展表明AWE在國內(nèi)和國際上都得到了支持，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)始人和顧問委員會成員，該公司開發(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，利用纜繩上絞車的牽引力來對抗風(fēng)力，幫助風(fēng)箏提高升力。在過去10年里，小而靈活、擁有簡單曲線設(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)，如毛里求斯共和國于2020年11月從德國Skyails公司購買的首個(gè)商業(yè)銷售系統(tǒng)。預(yù)測和控制更大、更強(qiáng)的軟翼AWE風(fēng)箏的運(yùn)動更難也更復(fù)雜，仍有待進(jìn)一步研究和測試。注：資料來源：TU Delft，獲得許可
2020年9月下旬，國際能源署（IEA）的一個(gè)風(fēng)能技術(shù)項(xiàng)目組在法國巴黎召開了一次技術(shù)專家虛擬會議， 旨在確立該項(xiàng)目的首個(gè)專項(xiàng)任務(wù)，即促進(jìn)AWE廣泛的國際研究和合作。
值得注意的是，這與參加會議的美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）最近對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)會最近獲得了MegaAWE項(xiàng)目的資助，這是歐盟委員會的一個(gè)1500萬美元的項(xiàng)目，用于推進(jìn)歐洲西北部地區(qū)兆瓦級AWE的商業(yè)化。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，歐盟已在2021年年初的融資會議中表示對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)動力、可操作原型的剛性機(jī)翼 AWE的開發(fā)商。其最新推出的150 kW、AP3無人機(jī)于2020年12月在西班牙進(jìn)行了微風(fēng)試飛。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。Schmehl表示Ampyx公司將會取代Makani公司成為AWE最引人注目的開發(fā)商。
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)閉既沒有損害他的公司也沒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，這兩種選擇對于一項(xiàng)要擴(kuò)大到兆瓦級的技術(shù)來說都很復(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)箏沒有攜帶發(fā)電機(jī)，而是通過拉一根牽引繩，旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)，在風(fēng)箏的浮動基站上發(fā)電（圖 2）。
圖2. 圖片展示的是一個(gè)兆瓦級的、剛性機(jī)翼的AWE風(fēng)箏，該風(fēng)箏通過甲板上三角形端口的纜繩與浮動平臺相連接，其正準(zhǔn)備從離岸的浮動平臺上起飛。利用纜繩上的一個(gè)類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)動的渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子驅(qū)動風(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，風(fēng)箏拉緊纜繩以放纜退繞的方式帶動甲板下的絞車轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動平臺上的發(fā)電機(jī)發(fā)電。在纜繩全部解開后，當(dāng)被重新纏繞到絞車上時(shí)，飛機(jī)就會無動力滑翔回平臺。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)飛行注：資料來源：Ampyx Power，獲得許可
Nastri說：“我們從系統(tǒng)工程的角度來做這個(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，我們在構(gòu)建10個(gè)AP3的時(shí)候并沒有期望有9個(gè)AP3會墜毀，只剩一個(gè)會成功，我們是在設(shè)計(jì)不會墜毀的AP3。”
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)》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)并沒有彌補(bǔ)這一缺陷，它限制了機(jī)動性，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)的不同之處的新見解，作者說這可能會讓AWE整體受益但對能量風(fēng)箏空氣動力學(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間發(fā)生的變化外，其他一些變化也可能對公司倒閉起到了重要作用。在全球能源市場中，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。
據(jù)報(bào)道，Makani公司沒有預(yù)料到這些價(jià)格趨勢，這使得其對投資者來說越來越?jīng)]有吸引力。通用電氣（General Electric）、維斯塔斯（Vestas）和西門子（Siemens）等大公司正在展開競爭，它們將建造傳統(tǒng)的、但具有像足球場一樣大的葉片的風(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。
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。有人表示，這一變化很容易引起外界對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核心業(yè)務(wù)沒有直接關(guān)聯(lián)（如互聯(lián)網(wǎng)搜索和廣告）。
以上內(nèi)容來自：Peter Weiss. After Highflyer Crashes, Airborne Wind Energy Regroups[J]. Engineering, 2021, 7(3):277-279.
