水下风筝利用潮汐发电，助力偏远沿海社区清洁能源供给

依赖太阳能和柴油发电的偏远沿海社区，或许即将迎来一种全新的清洁能源方式：潮汐能。研究人员正在测试一种能在水下"飞行"的浮力风筝，探索其能否从断续、低速的潮汐流中获取足够电力，为小型沿海社区供电。

地球潮汐的涨落每天都以极高的规律性驱动水流穿越海峡和水道，形成蕴含大量动能的洋流。与风能相比，海洋能的能量密度更高，在相同扫掠面积下能产生更多电力。加州大学伯克利分校土木与环境工程学教授埃文·瓦里亚诺表示："水下风筝可以做得更小，因为水的密度远高于空气。"

流体动力升力使翼形风筝在流动的水中"飞行"，原理与有风天气中在空中飞翔的风筝相似。借助现代传感器和机载机器人技术，这种水下风筝能够自主飞行"8"字形轨迹，使其在潮流中的运动速度远超水流本身的速度。将这种运动与发电机相连，系统即可发出可用的电量，甚至在接近憩流期——即潮汐周期中流速最慢的阶段——也能发电。这是固定式海底涡轮机等其他潮汐发电方式所无法实现的。

水下风筝技术正逐步走向成熟。发展最为领先的一款已在一处避风海湾安装了兆瓦级示范系统，并已向电网输电。其他定位于千瓦级的系统也开始在实际环境中展示能力，研究团队正在不同条件下测量发电效率，并准备在偏远社区开展试点。

在一种风筝设计方案中，发电机位于系绳底端，安装在船只或锚定系泊装置上。潮流推动风筝前进，拉伸系绳并带动发电机旋转发电。之后，风筝切换至最流线型姿态，系统仅消耗少量电力将其收回，整个过程犹如一个巨型溜溜球。

位于加州门洛帕克的研究机构SRI国际开展的Manta项目在此基础上加入了独特设计——采用扭转式系绳代替静态系绳来驱动发电机旋转，无需高变速比齿轮组，从而使系统成本更低、维护更简便、结构更紧凑、效率更高。

不过，密歇根大学机械工程教授克里斯·弗米利翁指出，所有水下风筝都面临同一根本挑战："风筝必须持续保持飞行状态，这种周期性运动需要大量控制介入。"

这意味着风筝需要一套能根据发电机负荷持续调整飞行路径的自动驾驶系统。整个过程极为复杂：风筝本身有六个自由度，系绳还有三个。风筝在水中的姿态通过方向舵、升降舵和类副翼叶片来控制俯仰；机翼相对于水流的攻角需要精心设定，以在速度与系绳张力之间取得平衡；同时还须在发电机负荷变化时保持飞行速度。瓦里亚诺表示："控制算法才是关键所在。"

2025年，瓦里亚诺及其团队在旧金山湾测试了一款翼展1米的模型风筝系统。风筝通过系绳连接至一艘船，成功驱动了一台额定功率2千瓦的小型发电机，在海湾1.5米/秒的典型峰值潮流下发电功率超过100瓦。"我们的发电量取决于水流状况和所使用的控制算法，"瓦里亚诺说。目前，团队已开始测试翼展2米、系绳长15米的中试系统，模拟结果显示，该系统在完整潮汐周期内（包括流速低于1米/秒的时段）应能实现平均1千瓦的发电功率。

每次在旧金山湾的测试都使用一艘小型渔船作为锚点，确保风筝仅感受到来自潮汐流的力。研究人员将风筝放入水中、启动自动驾驶程序，便可观察风筝像滑水运动员一般来回摆动，每次摆动都使风筝远离发电机，系绳随之解扭。"我们能看到发电机积累电能，然后暂停，消耗少量能量为系绳重新上弦，如此循环，"瓦里亚诺描述道。

研究人员在数百次摆动过程中追踪了潮汐周期不同阶段的发电量，并在拖曳风筝制造稳定1米/秒人工流的条件下开展了补充测试。今年7月至8月，团队将进行更长周期的试验，完整记录一次潮汐周期的数据，随后对Manta的发电效率进行深入分析。

团队预计于2026年底完成全部分析。就目标数值而言，瓦里亚诺提及Manta与美国能源部水动力技术项目签订的合同，要求以不超过0.09美元/千瓦时的成本实现1千瓦的发电量。"如果我们差距很大，早就放弃了，"他说。

1千瓦听起来微不足道，但总部位于瑞典哥德堡附近的Minesto公司旗下最大的水下风筝翼展达12米，驱动一台1.2兆瓦的发电机，将电力输送至大西洋法罗群岛的电网。与Manta不同，Minesto的设计将发电机直接安装在翼体上，通过海底电缆将电力传输至岸边。

Minesto首席执行官马丁·埃德伦德表示："当你研究全球海洋的潮汐流分布时，就会意识到中低流速的潮汐资源极为丰富。"他认为，从平均峰值流速低至1.5米/秒的水流中采集能量具有经济可行性。"我们已经实现并网发电并吸引到资本注入，但说我们在商业上'成功'还为时尚早，"他坦言。

对于离网家庭而言，千瓦级能源已能满足基本生活需求。阿拉斯加许多偏远社区依赖柴油发电机补充风能和太阳能的不足。Manta团队计划联合梅特拉卡特拉印第安社区，在阿拉斯加亚历山大群岛测试该系统，并充分利用当地居民世代积累的关于狭窄海峡潮流的传统知识。"我们的系统小巧便携，能为这些偏远海岸线上的人们提供清洁电力，"瓦里亚诺说。

总部位于俄勒冈州本德市的BladeRunner Energy公司已在阿拉斯加测试一套系留系统——不过该系统利用的是河流水流，其"风筝"形态更类似于螺旋钻而非机翼。这款直径2米的转子在1.8至2米/秒的流速下可产生5千瓦电力，已在阿拉斯加大学塔纳纳河水动力测试基地完成验证。若采用新款11千瓦发电机的测试顺利，BladeRunner将把系统运往阿拉斯加西部的纳帕穆特原住民村庄。联合创始人兼首席执行官莫里尔·阿兰戈表示："我们希望接入纳帕穆特微电网系统，将其100%的柴油消耗替换掉。"

与风能和太阳能等其他可再生能源相比，潮汐能具有全年一致性强、可预测性高的显著优势。但与这些技术成熟度更高的能源形式相比，包括波浪能系统在内的海洋能技术仍处于较早期阶段。密歇根大学弗米利翁教授对此持乐观态度："如果将水下风筝与其他海洋能技术横向比较，我认为它们并不落后。我不认同水下风筝技术还很稚嫩、风险很高的说法。"

Q&A

Q1：水下风筝是如何在潮流中发电的？

A：水下风筝利用流体动力升力在水中"飞行"，借助机载传感器和机器人技术自主飞行"8"字形轨迹，其速度远超水流本身。风筝拉动系绳驱动发电机旋转产生电力，之后切换至流线型姿态，系统消耗少量电能将其收回，循环往复，即使在潮汐憩流期也能持续发电。

Q2：Manta项目目前取得了哪些测试进展？

A：2025年，Manta团队在旧金山湾测试了翼展1米的风筝系统，在1.5米/秒的峰值潮流下发电功率超过100瓦。目前已升级至翼展2米、系绳长15米的中试系统，模拟显示其在完整潮汐周期内平均发电功率可达1千瓦。团队计划于2026年底完成效率分析，目标成本低于0.09美元/千瓦时。

Q3：水下风筝技术适合哪些应用场景？

A：水下风筝最适合为偏远离网沿海或岛屿社区提供清洁电力，替代昂贵的柴油发电。例如，Manta团队计划在阿拉斯加亚历山大群岛的梅特拉卡特拉印第安社区开展试点；瑞典Minesto公司已在法罗群岛实现兆瓦级并网发电；BladeRunner Energy则瞄准阿拉斯加内陆原住民村庄的河流发电场景。