风能在时间与空间上都面临巨大的科学挑战。掌握物理学知识并解决覆盖这些范围的相关研究需求，将使风能成为未来世界能源供应的主要来源。 （图片来源：Josh Bauer and Besiki Kazaishvili，国家可再生能源实验室（NREL））
NREL风能研究人员，作为文章的其中一组作者，他们邀请科学界共同应对三大挑战——挑战将会驱动风力发电的创新需求，使之成为世界上最主要的低成本发电能源之一。
他们的行动号召出现在《科学》（Science）杂志新发表的一篇文章中。
“人们认为，风力发电机已投入工作几十年，已无改善空间。但实际仍有很多工作要去完成。”NREL的研究员、文章的合作者Paul Veers说道，“风能有潜力成为世界低成本能源的主要来源，但如果一切照旧，我们无法实现这一目标。我们需要世界各地的科学家和研究人员加入，应对风能研究的挑战。”
2017年秋季，NREL召集了15个国家70多位的风能专家代表，探讨未来的电力系统，在该系统中，风能可满足全球清洁能源的需求。基于这个研讨会，文章的主要作者Veers，NREL小组研究组长Eric Lantz和丹麦科技大学的Katherine Dykes确定风能研究中，需要科学界有进一步发展的三个“重大挑战”。
第一个重大挑战：增进对风力发电厂所在大气区域内的风力资源和流动的了解
为捕获更多的能源，风机越来越高，风力发电厂分布得越来越远，需了解风能在这些高度与规模下的动力。过去，人们使用的简化物理模型与基本观测技术，就可以安装风电厂，预测各类地形的性能。但对风在复杂地形或不稳定大气条件下流动的情况，我们知之甚少。这一挑战在于我们要模拟这些条件，优化风力发电站，使其成为经济实用、可控的发电站——并安装在恰当的地方。
第二个重大挑战：解决世界上最大旋转机器的结构与动力学问题
现在，风力发电机是世界上最大的柔性旋转机器，有80米多米长的叶片和100多米高的塔楼。换句话说，三架最大的客机——空客A380-800s——可面对面处在同一风力发电机转子扫过的区域内。随着风机不断变大，我们需要新材料与制造工艺，解决可扩展性、运输、循环这些新出现的问题。此外，风机与大气动力学的交叉引出几个重要的研究问题。前几代风机的许多简化假设已不再适用。这一挑战在于不仅要理解大气知识，也要辨认出影响发电效率与结构安全的最重要的因素。
第三个重大挑战：设计运营风力发电站，以支持增强电网的可靠性与弹性
风能与太阳能的高穿透，将极大地改变未来的电网。风能可提供基本的电网服务，如频率控制、倾斜装置、电压调节。新型控制可在提供这些基本服务时，利用风机的特性，优化发电站的能量输出。比如，运用大数据技术，处理发电厂周围机器上的传感器信息，可提高能源捕获，减少成本，优化操作，满足电网要求。为实现这一目标，在大气流动模拟的交叉点、单个涡轮动力学、由风电厂控制的大型电力系统运行这些方面，需要进行大量研究。
这些风能研究的重大挑战相互依存。找到大气中风电厂运行区特征，对实现下一代低成本风机设计改进，十分重要。理解机器的动态控制、预测大气流入的特性，有可能实现对发电站的控制，进而获得电网支持。
“通过跨学科方法，利用风能科学与工程应对这些挑战，将有利于找到提升发电厂能源输出水平的最优解决方案，”NREL机械与热力工程科学实验室副主任、文章的合作者Johney Green说道，“这一方法也为推进整个系统——从发电机到发电厂再到整个电网，提供了必要的综合解决方案——使我们为未来的能源系统做好准备。
——文章来自：环球科学
