世界风能研究面临三大挑战

在美国能源部国家可再生能源实验室（NREL）的领导下，一个国际科学家团队确定了全球风能研究面临的三个最大挑战。这项研究已发表在最近的《科学》杂志上。

近几十年来，风能已成为全球能源不可或缺的一部分。但要释放风能的全部潜力并满足全球对清洁能源的需求，还需要更多的创新。来自美国、德国、丹麦、芬兰、瑞典、西班牙和挪威的风能专家在《科学》杂志上提出了当今风能研究面临的三个最大挑战。

第一个挑战是要更好地了解大气中的风力环境。为了获得更多的风能，风力涡轮机建造得越来越高，彼此之间的距离也越来越远。因此，研发人员必须了解在这些海拔高度下的风力环境。之前，运营商使用简化的物理模型和简单的观测技术，可以在一般地形中安装风机，但是对于复杂地形的大气风力知识知之甚少。如果能更精确地计算出复杂地形下的风力条件，则可以进一步在经济和技术上优化风机，将其安装在适当的位置。

第二个挑战是解决巨型风机的旋转机械结构和系统动力学问题。风力涡轮机是目前世界上最大的柔性旋转机械，其叶片长度超过80米，塔架高度超过100米。相比之下风机的转子所扫过的区域相当于空客A380-800的三架最大客机的机头。随着风力涡轮机变得越来越大，需要新的材料和制造工艺来解决可伸缩性、运输和回收问题。上一代风力涡轮机设计时使用的许多简化条件不再有效。风能研究人员不仅必须了解大气，还需要评估如何同时确保结构安全和高效发电。

第三个挑战是设计和操作风力涡轮机，使其能够支持并提高电网的可靠性和弹性。来自风能和太阳能的更高馈入将极大地改变未来的电网。创新的控制概念可以利用风力涡轮机的特性来优化能源产量，同时支持电网稳定性。通过评估传感器的测量结果，可以提高风能产量，降低成本，并使操作适应电网要求。为了实现未来的愿景，需要进行广泛的研究，重点是模拟大气流动，各个涡轮机动力学以及与高级电力系统结合的系统控制。