张田勘

我国自主研制的S4000浮空风力发电系统（形似巨型飞艇），近日在西北某试验基地顺利完成了升空、驻空、发电、回收全流程验证。这个由北京中关村企业临一云川牵头，联合清华大学、中国科学院空天信息创新研究院研制的“空中发电站”，标志着我国高空风电技术正式从技术迭代走向工程化落地。

今年7月发布的《可再生能源发展“十五五”规划》明确提出“探索研究高空风电等新型风能利用技术”，这意味着高空风电成为国家能源技术布局的前沿方向。那么，费大力气把发电站送上天是为了什么？4000米高空的风与地面的风有何不同？中国高空风电走的是哪条新赛道？今天我们就来聊聊这个话题。

2026中关村论坛年会展出的平流层浮空风力发电系统模型。

2026年1月，浮空风力发电系统成功放飞至2000米高空。（视频截图）

4000米高空有个“风银行”

高空风力发电从传统的“二维平面”升级到了“三维空间”，是人类获取清洁、廉价、稳定能源的一条新路径。风电是利用风来发电的一种能源生产和供能方式，以地面大风车发电（塔筒式风电）常见。比起地面风电，高空风电能量更大、供应更稳，在物理特性、经济成本和地理适应性上都有显著优势。

在能量密度上，4000米高空的空气密度约为地面的三分之二。随着海拔升高，受地面摩擦影响减小，风速会急剧增加。一台放到4000米高空的风机，年发电量能顶地面好几台同类型风机发电量的总和。

高空风电受地表地形和局地天气影响小，流向稳定、全年利用率高。地面上则有时有风，有时无风，传统地面风电年利用小时数一般为2000小时至3000小时；而根据高空风能研究文献估算，4000米级高空理论上风电年有效利用时间为5000小时至6000小时，我国研制的S4000浮空风力发电系统在后续长期驻空测试中将检验这一潜力。

高空风电的稳定性还体现在具备类似基荷电源的特性。基荷电源是指在电网中连续、稳定、全天候运行的发电厂发出的电。高空风电具备类似火电、核电那种连续稳定工作的特性，未来有潜力作为新型基荷电源的补充。

我国的青海、西藏、甘肃有大量戈壁荒漠，日照好，地广人稀，但很多地方的地面风速不够大，或者冬季风大、夏季风小，发挥不稳定。而高空的风力强劲，4000米级别的浮空风力发电系统可以直接部署在高海拔缺电的高原、深远荒漠以及远离大陆的孤立海岛等难以架设传统电网的地方。

相比需要占用大量山脊、农田或近海海域的传统风电场，高空风电占地极小，其地面设备主要是控制和卷扬系统，占地面积仅为传统风电场的几十分之一，放飞一个飞艇即可进行高空风力发电，尤其适合那些没法建大型风电场的地方。

高空风电还可打破材料束缚，节省成本。比如，地面风电想多发电，就必须把塔筒建得更高，叶片做得更大。目前，地面风机叶片已经突破百米，塔筒重达数百吨，材料、制造和运输成本不可小觑。而此次由中国自主研发的S4000浮空风力发电系统直接用充氦气的轻质浮空囊体飞上天，长67米、宽40米、高23米，依靠一根高强度系缆连接地面，绕开了地面传统风机对数千吨钢材和水泥基础的依赖，大幅降低了发电成本。

一言以蔽之，发展高空风电不是因为地面风不够用，而是在4000米高空藏着一座“风银行”，能量密度和稳定性都上了一个台阶。

飞艇内藏了一座发电站

高空风电发电装置的外形像一艘飞艇，但它肚子里装的不是乘客，而是一座被极度轻量化的空中发电站——风力发电机、变电与整流单元和自动化控制大脑全都塞进了这个流线型外壳里。

要把一座发电站搬到4000米高空，中国团队为此攻克了发电平台姿态控制、轻量化发电、千米级高压输电等17项核心技术难题。其中，更核心的问题主要是：怎么发电、怎么站稳、怎么防意外、怎么把电送下来。

发电 核心设备是轻量化发电模组，通常布置在飞艇涵道中心或下方，由高空强风带动风轮旋转，直接将风能转化为电能。为了压低空中重量，团队采用钛合金、碳纤维等轻量化材料与先进电机技术，使发电机整体重量较传统机型明显减轻；系统空中有效载荷超过1吨，输出电压等级覆盖10千伏至35千伏。发电机产生的高频交流电若直接通过长缆传输，线路损耗较大。机载设备先将其整流为高压直流电——电压升高后电流减小，线路损耗随之下降。发电系统还配备了高效散热装置，防止发电系统过热“罢工”。

站稳 4000米高空的湍流和风切变极其复杂，飞艇必须在看不见的气流中稳稳悬停，才能持续安全发电。飞艇装有精密的机载伺服舵机系统，像飞机的方向舵那样转动尾翼或侧翼，实时调整迎风角度。即使在极端风速扰动下，系统也能通过机载伺服舵机实时补偿风力矩，维持飞艇的迎风姿态。在西北某试验基地的全流程放飞验证中，这套控制系统成功顶住了高空极端环境，实现了72小时驻空稳定发电。

飞艇能站稳，还离不开它的“骨架”。传统的平流层浮空器多采用纯软式结构，在高空强湍流中极易变形导致失稳。据临一云川研发团队披露，S4000采用流线型囊体+刚性骨架的混合结构，抗风能力比传统纯软式浮空器提升45%。刚性骨架为整机提供了强有力的几何支撑，确保飞艇在强风工况下不会因外压不均发生塌陷或剧烈形变。流线型囊体还集成了涵道引射扩散技术，相当于给风机加装了一个聚风罩，能捕获并放大流经的高空风能，提高发电效率。外包覆膜采用高强度、低渗透率的多层复合织物材料，设计使用寿命可达20年。

防意外 高空环境恶劣，飞艇需要一双“眼睛”和一身“防护服”。激光雷达与超声波测风仪组成高空“眼睛”，实时探测飞艇前方和周边的风速、风向及气流扰动，帮助控制系统做出预判。飞艇表面涂有导电静电层，并配有机载消雷器，用于避雷，同时装有微波或电热除冰系统，防止飞艇因结冰增重而坠落。

送电 怎么把电送到地面是关键一步。S4000采用了一项极其关键的配套技术——中压直流输电与特殊缆绳技术，缆绳内部集成了千米级高压导线，能直接对接主流电网的供电需求。

值得一提的是，S4000并非凭空而来。中国研究团队之前已经做过S500（500米高度）、S1500、S2000等多代产品。S4000比S2000高度增加了一倍，但并非简单地把飞艇做大一倍——4000米高空空气密度和浮力更小、风更大、温度更低，团队几乎是把整个发电系统推倒重来，重新设计了囊体结构、发电系统和控制系统等。

未来，这些技术将为高海拔长期发电，以及更大型飞艇的研发提供技术基础和数据支撑。

那根缆绳也是主角

除了飞艇之外，高空风电还有一个隐藏的主角——系留缆绳，这根绳子既要轻便，又要能承受几十吨拉力并传输万伏高压电。其主要功能有4个：拽住飞艇不被吹跑，把10千伏至35千伏高压电从4000米高空送到地面，传输光纤信号实时控制飞艇姿态和发电状态，供应低压电维持飞艇内部设备运转。简单来说，就是把钢索、高压线、网线、电源线拧成一股绳。

传统钢缆太重，在4000米高空仅是自重就能把自己拉断。中国研究团队采用碳纤维复合芯材料的千米级自适应输电缆绳，抗拉强度达钢缆的3倍，重量仅为钢缆的1/4，且耐腐蚀、不导电、不易引雷，突破了飞艇背不动电缆的瓶颈。这根缆绳可以说是中国新材料技术的一次集中体现。

在推进S4000工程化的过程中，中国研究团队在浙江舟山建立了高性能蒙皮材料生产基地，破解了供应链被外部“卡脖子”的风险。同时，清华大学与中科院的专家成功将中压直流导线、数据传输光纤均匀包裹在这层核心纤维的外部，做到了“承重、导电、通信”三位一体的自适应线缆。

系留线缆在几千米的高空会经历剧烈的弯曲、摩擦以及雷电、雨雪的侵袭，但又需保证万伏高压不外泄。为此，中国研究团队采用了高性能绝缘材料，导电层外部包裹多层聚酰亚胺（俗称黄金膜）或交联聚乙烯，这类材料仅需薄薄一层，就能抵抗数万伏的击穿电压。

概括来说，系留线缆把承重交给特种纤维，把导电交给高压轻质铝，把安全交给高性能绝缘材料，把尺寸缩到最小，形成了同轴一体化设计。一根缆绳成为连接天地、输送电能的高空能源大动脉，也让S4000能在西北4000米高空成功顶住恶劣的湍流天气。没有这根绳子，空中发电站可能只是个漂亮的摆设。

高空风电的中国方案开启新赛道

中国在4000米级浮空风力发电全流程放飞验证（升空、驻空、发电、回收）这个细分领域走到了世界前列。

美国企业Altaeros Energies是全球高空浮空风电的早期探索者之一，于2010年创立。不过，目前其业务重心已战略转型，转向无人浮空器平台服务。欧洲采用“陆基风筝”路线，让风筝（通常是采用碳纤维等轻量化复合材料制造的刚性飞翼）飞入200米至500米高空，利用高空强风进行高效率的“横风滑翔”，产生巨大的气动升力，后通过高强度动力绳传导至地面，拖拽地面卷扬机高速转动，继而带动固定在地面上的重型发电机，将动能转化为电能输出到电网。

中国的S4000走的是空基浮空器路线——发电机随飞艇上天，系缆只输电不牵引，因此能像传统风机一样连续发电，不像陆基风筝路线那样存在收绳间歇。

一直以来，高空风电被科学界和能源界视为人类风能开发的终极边界。如果说传统地面风电是在捕获风能的浪花，高空风电就是直接深入了风能的大洋。从全球能源战略和绿色转型的角度来看，高空风能资源总量极为丰富，是尚未大规模开发的清洁能源富矿。中国以外，4000米级浮空风力发电全流程放飞验证在全球范围内还没有公开的产品完成过。高空风电的工程化之路才刚刚开始，但S4000证明了中国方案有能力把风能的边界推向4000米。而且，与之相关的诸多新技术，如轻量化高功率密度发电机、碳纤维复合芯系留线缆、轻量化囊体材料等，每一项都是高端制造能力的体现，可以反哺其他行业，在未来带动更多产业链的发展。

科学 放大镜

空中发电站会替代陆上风电吗？

陆上风电仍然是主力，高空风电负责查漏补缺，二者是“队友”不是“对手”。

以后哪里都可以见到吗？

不是说以后家家户户上空飘电站，它要去的地方，恰恰是现在连电线杆都立不起来的地方。比如，戈壁滩、偏远海岛、山区哨所等电网覆盖不到或电价高的地方。

真能“飘”20年不落吗？

空中发电站靠囊体内的氦气提供静浮力，不靠动力吊着。20年是设计寿命指标，实际运行中走的是定期降落检修的路线。能用20年，不等于连续20年不落地。

离大规模商用还有多久？

若按当前的研发节奏，S4000浮空风力发电系统首批示范项目并网时，将是第一个观察窗口。目前还需验证的项目包括20年寿命期内氦气泄漏率、雷暴天气应对、结冰条件下发电效率、空域协调机制等。