依賴太陽能和柴油發電的偏遠沿海社區，或許即將迎來一種全新的清潔能源方式：潮汐能。研究人員正在測試一種能在水下"飛行"的浮力風箏，探索其能否從斷續、低速的潮汐流中獲取足夠電力，為小型沿海社區供電。
地球潮汐的漲落每天都以極高的規律性驅動水流穿越海峽和水道，形成蘊含大量動能的洋流。與風能相比，海洋能的能量密度更高，在相同掃掠面積下能產生更多電力。加州大學伯克利分校土木與環境工程學教授埃文·瓦里亞諾表示："水下風箏可以做得更小，因為水的密度遠高於空氣。"
流體動力升力使翼形風箏在流動的水中"飛行"，原理與有風天氣中在空中飛翔的風箏相似。藉助現代傳感器和機載機器人技術，這種水下風箏能夠自主飛行"8"字形軌跡，使其在潮流中的運動速度遠超水流本身的速度。將這種運動與發電機相連，系統即可發出可用的電量，甚至在接近憩流期——即潮汐周期中流速最慢的階段——也能發電。這是固定式海底渦輪機等其他潮汐發電方式所無法實現的。
水下風箏技術正逐步走向成熟。發展最為領先的一款已在一處避風海灣安裝了兆瓦級示範系統，並已向電網輸電。其他定位於千瓦級的系統也開始在實際環境中展示能力，研究團隊正在不同條件下測量發電效率，並準備在偏遠社區開展試點。
在一種風箏設計方案中，發電機位於繫繩底端，安裝在船隻或錨定系泊裝置上。潮流推動風箏前進，拉伸繫繩並帶動發電機旋轉發電。之後，風箏切換至最流線型姿態，系統僅消耗少量電力將其收回，整個過程猶如一個巨型溜溜球。
位於加州門洛帕克的研究機構SRI國際開展的Manta項目在此基礎上加入了獨特設計——採用扭轉式繫繩代替靜態繫繩來驅動發電機旋轉，無需高變速比齒輪組，從而使系統成本更低、維護更簡便、結構更緊湊、效率更高。
不過，密西根大學機械工程教授克里斯·弗米利翁指出，所有水下風箏都面臨同一根本挑戰："風箏必須持續保持飛行狀態，這種周期性運動需要大量控制介入。"
這意味著風箏需要一套能根據發電機負荷持續調整飛行路徑的自動駕駛系統。整個過程極為複雜：風箏本身有六個自由度，繫繩還有三個。風箏在水中的姿態通過方向舵、升降舵和類副翼葉片來控制俯仰；機翼相對於水流的攻角需要精心設定，以在速度與繫繩張力之間取得平衡；同時還須在發電機負荷變化時保持飛行速度。瓦里亞諾表示："控制算法才是關鍵所在。"
2025年，瓦里亞諾及其團隊在舊金山灣測試了一款翼展1米的模型風箏系統。風箏通過繫繩連接至一艘船，成功驅動了一台額定功率2千瓦的小型發電機，在海灣1.5米/秒的典型峰值潮流下發電功率超過100瓦。"我們的發電量取決於水流狀況和所使用的控制算法，"瓦里亞諾說。目前，團隊已開始測試翼展2米、繫繩長15米的中試系統，模擬結果顯示，該系統在完整潮汐周期內（包括流速低於1米/秒的時段）應能實現平均1千瓦的發電功率。
每次在舊金山灣的測試都使用一艘小型漁船作為錨點，確保風箏僅感受到來自潮汐流的力。研究人員將風箏放入水中、啟動自動駕駛程序，便可觀察風箏像滑水運動員一般來回擺動，每次擺動都使風箏遠離發電機，繫繩隨之解扭。"我們能看到發電機積累電能，然後暫停，消耗少量能量為繫繩重新上弦，如此循環，"瓦里亞諾描述道。
研究人員在數百次擺動過程中追蹤了潮汐周期不同階段的發電量，並在拖曳風箏製造穩定1米/秒人工流的條件下開展了補充測試。今年7月至8月，團隊將進行更長周期的試驗，完整記錄一次潮汐周期的數據，隨後對Manta的發電效率進行深入分析。
團隊預計於2026年底完成全部分析。就目標數值而言，瓦里亞諾提及Manta與美國能源部水動力技術項目簽訂的合同，要求以不超過0.09美元/千瓦時的成本實現1千瓦的發電量。"如果我們差距很大，早就放棄了，"他說。
1千瓦聽起來微不足道，但總部位於瑞典哥德堡附近的Minesto公司旗下最大的水下風箏翼展達12米，驅動一台1.2兆瓦的發電機，將電力輸送至大西洋法羅群島的電網。與Manta不同，Minesto的設計將發電機直接安裝在翼體上，通過海底電纜將電力傳輸至岸邊。
Minesto首席執行官馬丁·埃德倫德表示："當你研究全球海洋的潮汐流分布時，就會意識到中低流速的潮汐資源極為豐富。"他認為，從平均峰值流速低至1.5米/秒的水流中採集能量具有經濟可行性。"我們已經實現併網發電並吸引到資本注入，但說我們在商業上'成功'還為時尚早，"他坦言。
對於離網家庭而言，千瓦級能源已能滿足基本生活需求。阿拉斯加許多偏遠社區依賴柴油發電機補充風能和太陽能的不足。Manta團隊計劃聯合梅特拉卡特拉印第安社區，在阿拉斯加亞歷山大群島測試該系統，並充分利用當地居民世代積累的關於狹窄海峽潮流的傳統知識。"我們的系統小巧便攜，能為這些偏遠海岸線上的人們提供清潔電力，"瓦里亞諾說。
總部位於俄勒岡州本德市的BladeRunner Energy公司已在阿拉斯加測試一套系留系統——不過該系統利用的是河流水流，其"風箏"形態更類似於螺旋鑽而非機翼。這款直徑2米的轉子在1.8至2米/秒的流速下可產生5千瓦電力，已在阿拉斯加大學塔納納河水動力測試基地完成驗證。若採用新款11千瓦發電機的測試順利，BladeRunner將把系統運往阿拉斯加西部的納帕穆特原住民村莊。聯合創始人兼首席執行官莫里爾·阿蘭戈表示："我們希望接入納帕穆特微電網系統，將其100%的柴油消耗替換掉。"
與風能和太陽能等其他可再生能源相比，潮汐能具有全年一致性強、可預測性高的顯著優勢。但與這些技術成熟度更高的能源形式相比，包括波浪能系統在內的海洋能技術仍處於較早期階段。密西根大學弗米利翁教授對此持樂觀態度："如果將水下風箏與其他海洋能技術橫向比較，我認為它們並不落後。我不認同水下風箏技術還很稚嫩、風險很高的說法。"
Q&A
Q1：水下風箏是如何在潮流中發電的？
A：水下風箏利用流體動力升力在水中"飛行"，藉助機載傳感器和機器人技術自主飛行"8"字形軌跡，其速度遠超水流本身。風箏拉動繫繩驅動發電機旋轉產生電力，之後切換至流線型姿態，系統消耗少量電能將其收回，循環往復，即使在潮汐憩流期也能持續發電。
Q2：Manta項目目前取得了哪些測試進展？
A：2025年，Manta團隊在舊金山灣測試了翼展1米的風箏系統，在1.5米/秒的峰值潮流下發電功率超過100瓦。目前已升級至翼展2米、繫繩長15米的中試系統，模擬顯示其在完整潮汐周期內平均發電功率可達1千瓦。團隊計劃於2026年底完成效率分析，目標成本低於0.09美元/千瓦時。
Q3：水下風箏技術適合哪些應用場景？
A：水下風箏最適合為偏遠離網沿海或島嶼社區提供清潔電力，替代昂貴的柴油發電。例如，Manta團隊計劃在阿拉斯加亞歷山大群島的梅特拉卡特拉印第安社區開展試點；瑞典Minesto公司已在法羅群島實現兆瓦級併網發電；BladeRunner Energy則瞄準阿拉斯加內陸原住民村莊的河流發電場景。
