一個12米小風箏竟爲1000人供電？而且是在海底飛？成本也比風電低
你放過風箏嗎？放過。
你在水下放過風箏嗎？什麼？水下放風箏，你瘋了嗎？
沒有瘋！瑞典一家公司不僅在水下放風箏，而且還利用風箏來發電，一個“風箏”就輸出了1.2兆瓦的電力，可以滿足一個1000人小鎮的電力需求。
你的腦洞是不是已經不夠用了？
這個挑戰所有人腦洞的概念，來自瑞典Minesto公司，該公司創始人注意到一個很少有人關心的現象：風箏在高空飛行時，似乎總是傾向於走8字。他認爲這將讓風箏盤旋下降或俯衝時，獲得比周圍風速更大的速度，從而可以利用來收集更多的能量。
此前的競賽帆船就採用了這樣的策略，可以讓帆船在15英里/小時的風中，航行速度高達60英里/小時。而德國、荷蘭等數個國家的公司，包括美國NASA，都在測試將風箏放飛到高空來發電，但在水裏，真的可以放風箏嗎？
Minesto不信這個邪，他們獨闢蹊徑不走尋常路，經過多年的研究，硬是開發出了“龍”系列水下發電風箏，目前最大的一款是龍-12，翼展12米，重28噸，渦輪直徑3.5米，可以產生1.2兆瓦的電力，已在今年2月安裝到冰島和挪威之間法羅羣島一處水道的海底，這裏有豐富的潮汐資源，並已開始向當地的國家電網輸送電力。
你可能已經跌掉眼鏡了，這究竟是如何做到的？水下是如何放風箏的？
Minesto的水下風箏看起來像一架黃色的飛機，結構很簡單，完全是模塊化設計。最大的部分是機身和機翼，可能是一體的，前面安裝發電機、變速箱及控制系統，左右機翼後面各安裝一個升降舵和方向舵，用來控制上下左右方向，這是水下風箏走8字的關鍵。和飛機最大的不同就是，飛機的螺旋槳安裝在頭部，它的螺旋槳，也就是渦輪機安裝在尾部。
機身下方是結實的長達55米-100米的繫繩，可以把風箏牢牢地固定在海底，讓風箏在潮汐流中衝浪來發電，就像空中的風箏利用風來發電一樣。機載系統控制風箏按照預定的8字形路線在水底移動，可以獲得比水流速度快數倍的相對流速，從而讓渦輪機產生更大的電力。
換句話說，這種渦輪機和風力渦輪機原理是一樣的，只是它利用的是比空氣密度大近千倍的水，並且還利用水下風箏的8字路線運行，讓效率又提升了幾倍，從而帶來更高的發電效率。看看它的尺寸你就知道了，只有12米的翼展，28噸重，而同樣級別的風電機，塔高就有85米，轉子直徑62米，重量高達近百噸。
比起固定在海底的潮汐渦輪機，龍-12的效率也要高得多。2019年號稱世界上最大潮汐發電站的蘇格蘭MeyGen項目，在海底安裝了首批4臺1.5兆瓦的渦輪機，轉子直徑高達18米，底座重量數百噸，但提供的電力也只是和龍-12差不多。
這裏要普及一個知識點，很多人可能都知道，風力發電機的發電功率主要取決於轉子直徑，和直徑的平方成正比，所以風電機設計得越來越大，目前中國明陽推出的世界上最大的22兆瓦風電機，轉子直徑已經達到了驚人的310米。
雖然空氣和水流動的能量不可同日而語，但同是海底渦輪機，爲什麼蘇格蘭18米轉子的渦輪機，會和龍-12只有3.5米的發電量差不多呢？
這就是你可能並不知道的另一個知識點了，不管是水力還是風力，發電功率是和流速的3次方成正比的，是不是太驚人了？只要速度稍微提高一點，發電功率就可以大增，怪不得Minesto會想出這種利用風箏走8字的發電方式了，因爲它可以產生比靜止渦輪機多幾倍的電力。
Minesto的其他優勢還包括，相比其他競爭技術體積小重量輕，每兆瓦重量只有1/15，在1.2米/秒的低流速下仍可經濟高效地發電。也正是因爲小而美，它可以低成本地製造安裝，並方便地拖到岸上維修維護，降低了離岸作業的成本。
然後就是水下風箏，完全浸沒在海底，幾乎不影響人們欣賞風景，對環境的影響也很小，不過不小心撞到它渦輪的鯨魚可能不見得會同意。最後就是它的發電量高度可預測，因爲潮汐和洋流都是由大自然嚴格按規律掌控的。
根據Minesto的分析，全球潮汐流和洋流的潛在裝機容量高達600GW，大於目前全球核電裝機容量的400GW，這還是不完全的統計，因而水下風箏具有極爲美好的前景。
目前Minesto已在全球多個國家和地區，包括瑞典、威爾士、北愛爾蘭等推廣他們的水下風箏技術，亞洲的第一個地點是臺灣，因爲這裏有豐富的潮汐和洋流資源。Minesto已在臺灣設立了公司，準備在高雄建設亞洲第一個水下風箏發電場。
我在寫這篇文章的時候，其實一直有一個問題揮之不去，爲什麼風箏會在空中走8字呢？這家公司沒有說，網上也沒有找到簡單明瞭的解釋，就在我要放棄的時候，居然發現2018年北京第二中學姜旖奇、尹澤龍、黃爍3名同學的研究論文，對此進行了定性定量的分析計算，並進行了實驗驗證。
簡單來說就是，風箏之所以在空中走8字，是風箏在不同風力條件下，試圖穩定自身的嘗試和空氣動力之間複雜相互作用的結果，尤其是偏轉力模型爲觀察到的特定運動模式提供了可靠的解釋。
三位同學的論文，全面解釋了風箏的“8”字軌跡，是由於風箏需要穩定和平衡作用在其上的氣動力而產生的，而這些氣動力在飛行過程中，並不是對稱分佈的，這就導致飛行方向不斷調整，形成八字形軌跡，而不是更簡單的圓形或橢圓形軌跡。
最後他們還發現，在微風條件下因爲風速較小，風箏比較容易處於穩定的漂浮狀態，因而很難出現8字軌跡。而要讓風箏進入8字軌跡，需要滿足風速較快、風箏線張力較大、且風箏有一個較大的初始切向速度的條件，因爲即使風力較大，但風箏初始切向速度較小的話，風箏也會直接升起，在高處到達一個平衡點，成爲我們常見的穩定的放風箏的情形。
所以你看了這篇文章，也想投資水下風箏發電的話，最好先去看看這篇論文，避免水下風箏造好了，卻無法讓它走8字，發電效率就會降低好幾倍，平準化成本也就沒有任何競爭力了。
論文：《風箏8字軌跡成因的研究》
https://oss.linstitute.net/wechatimg/2018/07/qiuchengtong2017physicsbronze2.pdf
