世界風能研究面臨三大挑戰

在美國能源部國家可再生能源實驗室（NREL）的領導下，一個國際科學家團隊確定了全球風能研究面臨的三個最大挑戰。這項研究已發表在最近的《科學》雜誌上。

近幾十年來，風能已成為全球能源不可或缺的一部分。但要釋放風能的全部潛力並滿足全球對清潔能源的需求，還需要更多的創新。來自美國、德國、丹麥、芬蘭、瑞典、西班牙和挪威的風能專家在《科學》雜誌上提出了當今風能研究面臨的三個最大挑戰。

第一個挑戰是要更好地了解大氣中的風力環境。為了獲得更多的風能，風力渦輪機建造得越來越高，彼此之間的距離也越來越遠。因此，研發人員必須了解在這些海拔高度下的風力環境。之前，運營商使用簡化的物理模型和簡單的觀測技術，可以在一般地形中安裝風機，但是對於複雜地形的大氣風力知識知之甚少。如果能更精確地計算出複雜地形下的風力條件，則可以進一步在經濟和技術上優化風機，將其安裝在適當的位置。

第二個挑戰是解決巨型風機的旋轉機械結構和系統動力學問題。風力渦輪機是目前世界上最大的柔性旋轉機械，其葉片長度超過80米，塔架高度超過100米。相比之下風機的轉子所掃過的區域相當於空客A380-800的三架最大客機的機頭。隨著風力渦輪機變得越來越大，需要新的材料和製造工藝來解決可伸縮性、運輸和回收問題。上一代風力渦輪機設計時使用的許多簡化條件不再有效。風能研究人員不僅必須了解大氣，還需要評估如何同時確保結構安全和高效發電。

第三個挑戰是設計和操作風力渦輪機，使其能夠支援並提高電網的可靠性和彈性。來自風能和太陽能的更高饋入將極大地改變未來的電網。創新的控制概念可以利用風力渦輪機的特性來優化能源産量，同時支援電網穩定性。通過評估感測器的測量結果，可以提高風能産量，降低成本，並使操作適應電網要求。為了實現未來的願景，需要進行廣泛的研究，重點是模擬大氣流動，各個渦輪機動力學以及與高級電力系統結合的系統控制。