综述：从概念到商业化：机载风能系统（AWES）的系统性回顾

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：From inception to commercialization: A systematic review of airborne wind energy systems

本综述系统性回顾了2014-2024年间机载风能系统（AWES）的研究进展，涵盖了系统设计、控制策略、发电、能量传递、经济性及生命周期评估。文章重点分析了多飞行器AWES（MAWES）在规模化方面的变革潜力，并指出其在极端条件（如风速超过12 m/s）下的动态稳定性、协调控制及系统阻抗等关键挑战，强调了为实现可扩展、低足迹的机载风电场所需的有针对性研究。

　　

引言

能源是人类技术生存与发展的基石。随着人口增长、科技驱动的生活方式以及现代生活标准的提升，电力需求急剧增加，对能源部门，特别是控制碳排放构成了挑战。风能作为一种丰富且可持续的能源，与生态恢复努力相契合。然而，尽管其潜力巨大，目前风能仅供应全球需求的7%。传统风力涡轮机（WTs）受到轮毂高度和结构/经济限制的约束。机载风能系统（AWES）提供了一条前景广阔的发展路径，但面临着极端条件下的稳定性、高风速以及农场级协调等障碍。

系统设计分类与配置

AWES主要通过系留的无人机系统（如风筝或翼型飞行器）飞升至300米至1.5公里的高度，以获取更强、更稳定的高空风能。其系统设计可从飞行模式（升力模式Lift Mode和阻力模式Drag Mode）、能量转换系统（地面发电Ground-Gen和空中发电Fly-Gen）以及机翼结构（刚性翼、柔性翼、混合翼、马格努斯效应翼、旋转翼和轻气体浮空器）等多个维度进行分类。与需要庞大塔筒的传统风力涡轮机相比，AWES通过消除塔筒，显著降低了材料、建设和规模化成本以及环境影响。

控制策略

控制系统的可靠性对于AWES实现商业化部署至关重要。AWES的操作包括发射、发电（通常为泵浦循环模式，包括高张力牵引阶段和低张力回缩阶段）和着陆三个关键阶段。为了协调这些阶段，采用了多层控制架构，包括监督控制、外环控制、内环控制、卷扬机/地面站控制以及容错控制（FTC）。控制策略已从经典的PID控制发展到非线性模型预测控制（NMPC）和移动水平估计（MHE）等先进方法。通过AWEbox等工具部署的MAWES可将计算成本降低40%。容错控制策略对于处理传感器/执行器故障、确保系统在极端条件下的安全运行尤为重要。

能量、发电与功率密度优化

AWES的性能关键在于优化能量转换、发电和功率密度。理论最大功率遵循Loyd极限，与空气密度ρ、机翼面积A_w和自由流风速V_w的三次方成正比。研究表明，AWES可以实现比传统风电场高数倍甚至一个数量级的功率密度（Power Density）。例如，垂直机载风电场可实现高达6 MW/km²的功率密度，而传统风电场在同一风况下仅为2.4 MW/km²。多飞行器配置和优化的飞行轨迹对于最大化能量捕获至关重要。年度能源产量（AEP）和容量系数（CF）是评估长期性能的关键指标，AWES在有利地点可实现高达55%的CF。

经济性与生命周期评估

生命周期评估（LCA）表明，与传统涡轮机相比，MAWES可减少30%–50%的材料使用和20%–55%的碳排放。平准化能源成本（LCoE）是衡量经济可行性的关键指标。通过先进的材料、多飞行器配置和规模化经济，AWES有望实现具有竞争力的LCoE，特别是在高空风能资源丰富的地区。然而，当前AWES的LCoE仍比陆上风电高30%-40%，需要在预测性维护、材料耐久性和示范项目方面进行创新以降低成本。

挑战与未来方向

尽管取得了进展，AWES，特别是MAWES，仍处于早期部署阶段，面临诸多挑战。这些挑战包括多风筝农场的空气动力学干扰和系绳缠绕、高空部署的极端环境（如结冰、热收缩）、自主起飞/着陆的可靠性、材料与结构约束、海上部署的波浪相互作用与腐蚀、以及混合集成中的效率匹配问题。未来的研发方向应集中于先进的自主农场架构、Ground-Gen与Fly-Gen的协同、智能材料、混合海上集成以及明确的监管路径。建立国际农场级测试平台、定义标准化指标、构建开源仿真工具以及资助智能材料和先进架构的全球研究是优先事项。

结论

自21世纪初以来，AWES的发展已经从初步实践应用演进至具有最小监督的自主系统。虽然在优化飞行路径、鲁棒控制器和成功的自主风筝原型机方面取得了突破，但在实现极端条件下（如风速超过12 m/s）完全稳定的、可扩展的、并能与电网集成的农场级配置方面，仍然存在重大挑战。AWES商业化的未来取决于向多无人机（Multi-UAV）系统的过渡，这有望降低能源成本并提高效率。单机AWES的运营场地已经展示了该技术的潜力。研究人员与工业界之间的持续合作对于克服这些挑战、实现AWES在可再生能源中的变革性承诺至关重要。