高空风能突破贝兹（Betz）极限：面向未来脱碳的高空风能

《The Innovation》：Breaking the Betz limit: High-altitude wind energy toward future decarbonization

　　

风电是碳中性能源系统转型的重要组成部分。截至2025年底，全球风电装机超过1346 GW，为2020年以来最高增速。为获取更多能量，风力机单机容量与效率持续提升，但更大风机带来结构负担及贝兹（Betz）极限这一效率约束：1919年Albert Betz提出，风力机最多捕获风中动能的59.3%。陆上风电受用地限制，远海风电受供应链集中、建设周期长与成本高企影响。由于风速随高度增加，高空风能（High-Altitude Wind Energy，HAWE）成为新方向；系留翼式系统可由地面发电机或升空发电机发电，扩压器增强飞发系统可通过diffuser augmentation使功率系数Cp超过16/27。基于ECMWF第五代再分析，东亚高空受副热带急流主导，约10 km高度最大风速近40 m/s，风功率密度可达29881.8 W/m2，约为近地35.2倍；冬季资源最强、夏季最弱。研究人员以管道推力比τD定义相对功率系数B=Cp/Cp,max=Copen,p(1+τD)/(16/27)，当扩散与端板等增益满足式（2）时B>1，即突破开放转子贝兹（Betz）极限但不违背流体力学，因为扩压器改变了流动边界条件。HAWE当前度电成本（Levelized Cost of Energy，LCOE）偏高，但Airborne Wind Europe预测2035—2040年可低于其他可再生与化石电源，2050年比常规风电低约40%。论文还指出HAWE预报需雷达、航报、多层再分析与垂直分辨数值天气预报；最大功率跟踪采用高斯过程回归、贝叶斯优化与模型预测控制；平空系统规划需重估长时储能、制氢与压缩CO2储集，短时调度参与调峰调频，实时控制需电网形成控制与虚拟同步机。低空经济中氦平台还可支撑运输、充电、监测与通信，但需规避民航航路，防范候鸟影响、系绳失效、缠绕与浮空体逃逸，并通过双停机、排气阀与撕裂板保障安全；材料强度、功重比及系绳/囊体在紫外、雷暴、覆冰与风切变下的耐久性决定规模化前景。

《The Innovation》刊发的这篇观点型论文以“高空风能（High-Altitude Wind Energy，HAWE）”为对象，回应传统风电在陆地用地、远海供应链与贝兹（Betz）极限下的增长瓶颈。研究背景方面，全球风电装机到2025年底已超1346 GW，但更大风机带来结构负担，开放转子风力机理论最大功率系数被贝兹（Betz）极限16/27约束；陆上受土地限制，远海受供应链集中、工期与成本制约。因此研究人员将视角从平面风电转向空间化高空风能，利用300—15000 m高度更强、更稳的风资源，并借助扩压器增强构型突破经典效率上限。

为开展研究，研究人员主要使用以下关键技术方法：基于ECMWF第五代再分析数据集评估东亚不同高度风功率密度与副热带急流时空分布；建立致动盘模型与管道分区，引入管道推力比τ_D和相对功率系数B刻画扩压器增强风力机功率系数；采用高斯过程回归与贝叶斯优化进行高度选择与不确定性量化，并用模型预测控制实现高度调度与约束满足；在平空能源系统中从规划、短时调度与实时控制三层分析储能、制氢、压缩CO₂存储、调峰调频及电网形成控制。

高空风能：从平面到空间视角。研究人员指出HAWE通常由升空装置经系绳连接地面站，分为地面发电机系统（如风筝系统）与飞发系统（如氦填充浮空平台携带转子），Loyd早在1985年证明系留翼式HAWE功率可达常规风机约5倍。

容量与效率的变革性优势。基于再分析，东亚高空受地形摩擦减弱后的副热带急流主导，约10 km高度气候平均最大风速近40 m/s，每升高1 km风速增约1.7—3 m/s，风功率密度增约123.2—866.8 W/m²，10 km资源约为近地35.2倍；冬季平均9434.99 W/m²，夏季1947.1 W/m²。扩压器通过在出口形成显著负压区产生轴向抽吸，使通过转子平面的质量流量高于无约束转子，从而C_p可超16/27；研究人员给出B=C_p/C_p,max=C_open,p(1+τ_D)/(16/27)，并给出B>1的充分必要条件式（2），说明这并非违背流体力学，而是流动边界条件被重新定义。

HAWE支撑能源脱碳的展望。研究人员认为HAWE预报不能沿用近地模型，须表征高度依赖的风速变率、气动特性与系统构型，并使用雷达产品、商用飞机报告、多层再分析与垂直分辨数值天气预报。最大功率跟踪需在爬升能耗与磨损间权衡，两阶段框架先把不确定性预测与贝叶斯优化结合以确定最优高度，再由模型预测控制保证约束与在线适应。平空系统中飞发系统可避免能量回收阶段从而出力更稳；规划层需重估长时储能、制氢与压缩CO₂存储，短时层需协同常规机组调峰调频并优化变流器与并网设计，实时层需虚拟同步机、快速储能与专用逆变器标准。

HAWE在低空经济中的作用。除发电外，氦基HAWE平台可支撑低空运输、机载充电、交通监测与通信中继，在青藏高原、离岸岛屿等基础设施薄弱区提供电、通信与监视一体化能力。但运行高度须避开民航航路并纳入低空空域审批—登记框架；环境上需关注候鸟与飞行路径干扰，安全上需防范系绳失效、缠绕与浮空体逃逸。研究人员提出异常时先断开系绳与囊体连接，再切断电力电缆与能源系统，并以系绳运动控制、放气阀或撕裂板降低二次事故风险。材料强度、系统功重比及系绳/囊体在强紫外、雷暴、覆冰与风切变下的长期耐久性，是决定全生命周期成本与可靠性的瓶颈。

讨论与结论部分，研究人员总结HAWE把风电从“平面资源”拓展为“空间资源”，既可通过更高高度获取副热带急流级别风功率密度，又可通过扩压器增强风力机在理论上超越贝兹（Betz）极限；其大规模部署关键不在单一气动突破，而在平空系统建模、高度自适应控制、电网接入、空域治理与材料耐久性的系统耦合。结论上，HAWE为脱碳提供新路径：若投资与供应链成熟，度电成本（LCOE）有望在2035—2040年低于其他可再生与化石电源，2050年较大型常规风电低约40%；同时HAWE可作为低空经济中的多功能空中基础设施，但必须在空域管理、生态影响、安全运行与长期材料可靠性上同步突破，才能实现从示范到规模化的跨越。