该重估风阻型高空风能转换机理的价值了(四)
——价值的重温与重估——
当风阻型机理从动力学的层面摆脱了系绳摆动的羁绊,寄身于继承了中国板式风筝的全部特性且能基于面积使风载受控的系留式单轴扑翼机后,相对于风速型机理,风阻型机理对高空风能转换技术的价值就必须给予重新评估了。
合理性
虽然现在还不是讨论“力矩平衡”是否能让风筝力学再见“柳暗花明”的时候,其适用边界也还需要得到更多的实践检验。但仅就“风阻型机理在本质上不需要柔性约束结构额外承担横向载荷”这一点,就早已具备了前提性理论优势,只是面对迫不及待扑向高空风能的资本一直苦于“独木难支”而已。或许正是因此,欧洲的高空风能转换技术至今还存在“风速vs风阻”的机理之争。
风筝版风阻型机理的力学、运动均具有一维属性以及二者始终保持方向的一致性,这使其处于能够随时具有“最小势能”的临界状态,因而具有本质性的系统稳定性。
风筝版风阻型机理的本质性结构力学特征是:凭借基于材料的抗拉强度的单向承载能力,使滞空结构的比强度最大化;与之相应的结构设计原则为:基于二维结构产生风载,基于一维结构传递风载;这为滞空结构的轻质化指出了毋庸置疑的途径。
风阻型机理的本质性运动为两种单参数往复运动,因而均具有“天赋”的开关控制属性;而两者的相关性所具有的“分时、串联”时序特征——改变风载大小后改变系绳长度,也同样具有基于状态的单参数开关控制属性。这种基于结构及其状态的开关控制不仅已经具有了“数字化控制”的属性,还以至简的规模提供了本质性的控制稳定性,更为运用“开关型脉宽调制技术”提升控制品质提供了基础。说到底,风阻型机理只需对“高度、风载及其相关性”进行开关控制的本质,恰恰应和了“三生万物”的至理!而总想让命中注定终身“风餐露宿”的高空风能转换技术披上“系统复杂,控制精细”的斗篷,其实是件很不堪的事儿。
风筝版风阻型机理基于系统的稳定性以及往复运动,充分利用风载“始终为系绳长度的增加提供动力”的单向驱动特性,根据系绳的运动阻尼差异驱动风载结构产生机构外形的变化。这在本质上为提高滞空机构完成风能转换的效费比奠定了动力学基础。所谓“一事不烦二主”莫过如此。
可靠性
可靠性是任何工业技术必备的核心要素之一。而对于系留式高空风能转换技术来说,受柔性约束只能单向承载的力学特性所限,自持滞空的可靠性就必须达到“即使其它使用功能全部失效,自持滞空都必须维持,除非与之相关的结构完整性不复存在”的程度。这使其毋庸置疑的成为系留式高空风能转换技术唯一的关键特性。显然,就基于结构的自持滞空能力,“无为而治”的风筝没有挑战者!哪怕是基于“轻气浮力”的自持滞空装置,必然还要额外面对浮力工质的“有没有”和/或“热不热”的可靠性问题;而其看似“无风自立”的优雅,在“高度”和/或“通过系绳回收速度获得滞空风载”的技术语境里,就显得矫情了。何况,若不借助风筝原理,风大了咋儿整?更何况,没说风筝不能揣个降落伞和/或热气球以备不时之需啊!
在与风能转换功能相关的方面,由于能够通过机械“本能”实现的功能,同样具有“基于结构完整性”的可靠性特征。因此,基于自身结构和力学的相关性,机械的自动完成既定的时序过程,对强化风能转换功能的可靠性至关重要。而前文以系留式单轴扑翼机为例描述的“机构实现”表明:至少有一种基于风阻型机理的高空风能转换技术,能完全以机械自动化的方式实现风能转换。可见,风阻型机理所体现的“大道至简”,使其在风能转换功能的可靠性方面也具有显著的优势。
事实上,之所以本栏在若干随笔中反复强调“保持全部风筝特性”,正是因为打从风筝诞生之日起,除了收放系绳,它的操控者就一直没事儿可干!即使三百年前George Pocock就给风筝多加了一根系绳,但能让风筝在风中不再那么“逆来顺受”的还是“收放系绳”。至于因双系绳“纠缠”导致的控制可靠性问题,早在20世纪40年代初,Paul E. Garber就已经在Target kite中给出了对策。
在与结构完整性相关的方面,工程机械的技术成熟度使风阻型机理的重点集中在滞空机构,而其中最为关键的是抗过载能力。但对风筝版风阻型机理而言,经典的“通过降额使用提高可靠性”的方法并不完全适用。其根源仍旧是前文提到的“力矩平衡”,即:由于滞空力矩与风速的正相关,因而会再现前文提及的“系绳逆风摆动-迎角减小-风载下降”的自适应过程;其间,系绳风载同样通过加剧系绳弯曲程度使自身获得自适应的衰减;因而最终真正需要“全力以赴”承受过载的是在平面风载结构中必不可少的框架。只是,随着迎角的减小,平面风载结构的框架也趋于以最小风载截面承受风载且以上游构件为主。虽然在真实的高速紊流条件下,滞空结构内部应力-应变的无序化,会急剧消耗结构完整性的冗余。但至少从静载角度可以断言:风筝模型的结构可靠性已是无出其右。
由于前文所述的控制性能基于机械“本能”,因而相比涉及“电磁兼容性”的可靠性在当代“智能机械系统”中通常至少被列为重要特性的状况,风阻型机理对此类可靠性只能勉强将其归属于一般特性。毕竟与之相关的可靠性分解最多只涉及收卷电动机的功率冗余和系绳长度行程开关的可靠性。
讨论风阻型机理的自适应能力是个容易诱发“非技术性”议题的事儿。但这种能力是使“利用风筝发电”能够在所有风电技术中独领风骚的王牌,只好奋不顾脸恃强凌弱了。
前文已从风载变化的自适应过程揭示了风筝的自适应能力是其系统稳定性的基石。但其所涵盖的还有如下列涉及风速、风向的情况。
对风速下降或自重上升的自适应能力表现为:在外因渐变的假设下,自适应过程为“系绳顺风摆动-迎角增大-风载增大-滞空力矩增大-恢复稳定滞空”。
对风向竖直偏转的自适应能力表现为:向上偏转时如风速增加;向下偏转时如风速下降。
对风向水平偏转的自适应能力表现为:在风向渐变的假设下,自适应过程为“系绳顺风平摆-恢复系绳中心线与风向共面”;(注:为防止系绳产生累计扭转,地面主机需具备回转功能且将系绳的系留点沿半径向外偏置,以基于系绳张力驱动地面主机顺风转动。)
事实上,风筝做为一个基于结构的自适应“四轴平衡”1系统 ,根本无需像传统风能转换设备那样对桨距/偏航进行测控,并且随动响应更及时。而后者意味着有效输出的稳定性和累计得到提升。