国际权威期刊《Science》撰文：风能科学的三个巨大挑战

风能经过几十年的研究和开发，已经成为一种主流能源。不过，还需要不断的创新，以实现其满足全球清洁能源需求的潜力。在此，我们概述了三个相互依存、跨学科的重大挑战，这些挑战是本研究工作的基础。首先，需要更深入地了解风电场运行关键区域的大气流动机理。第二涉及世界上最大的动态旋转机械的科学和工程。第三个问题包括优化和控制在电网内协同工作的风电场群。应对这些挑战可以使风电能够满足我们全球一半的电力需求。

1、前言

丰富、可负担得起的多种形式能源使人类取得了显著成就，包括现代粮食和运输基础设施。广泛获得负担得起的清洁能源对未来人类的成就和提高全球生活水平至关重要。然而，到2050年，全球人口估计将达到98亿，高于2017年的约76亿。此外，彭博新能源金融（BNEF）估计，到2050年，全球每年的电力需求可能超过38000太瓦时，高于2017年的25000太瓦时。对低碳或零碳电力技术的需求正在增加，其他能源部门，如供暖、制冷和运输的电力需求也在增加。由于这两个部分耦合的大趋势，全球对低成本清洁能源的需求正在增加。风能是广泛、零成本的可用资源，以极低的生命周期污染物排放，极有潜力成为全球日益增长的清洁能源需求的主要贡献能源。

在过去的十年中，风能、太阳能和天然气等三大电力来源的成本大幅下降。风能和太阳能之所以具有吸引力，是因为它们的低生命周期排放提供了公共健康和更广泛的环境效益。包括咨询机构、非政府组织和能源巨头在内的主要能源预测机构，特别是BNEF、DNV GL、国际能源署和英国石油公司预计，所有这些能源的价格将继续保持平价，到2050年（3-6年），风能和太阳能的供应量占总电力需求的三分之一到二分之一，仅风能将占全球电力需求的四分之一到三分之一。开发潜在太瓦级的风能，推动这些市场预测的经济性实现，并随后从每年数百太瓦时的风能和太阳能发展到每年数千太瓦时的风能和太阳能，可以为当地和全球带来一系列深度的经济和环境效益。

从商业角度来看，2018年全球新增风电装机超过51吉瓦，并网容量超过半太瓦，全球每年在风能方面的投资约为1000亿美元（美元）。能源顾问机构DNV-GL预测，到2050年，风能需求和部署规模将增长10倍，使该行业达到万亿美元规模，风电将作为全球电力的主要来源之一。

但是，为了保持对投资者和消费者的经济吸引力，风能的成本必须继续降低。此外，随着出力波动变化的风能和太阳能发电设施的增加，新的挑战浮出水面，这涉及长期的发电能力和系统的短期平衡，这两者对于维持未来的电网系统稳定性和可靠性至关重要。未来，风能在三分之一以上的电力消耗，并且当地风电的瞬时出力水平可能超过当地电力需求的100％，这将要求我们思考发展模式，管理未来的电网系统。在高可再生能源比例的情景下，电力系统的相关变革将需要同时管理大量天气驱动、可变出力以及不断动态变化的电力消费模式。 

未来系统的一个关键方面是，尽管时间不确定，但仍可获得大量接近零边际成本的能量。凭借大量接近零边际成本的能源，整个电力系统的更大灵活性将使许多不同的最终用户能够使用这些“廉价”能源。这种能源的潜在用户可能需要为大量的电动汽车充电，引入化学的或其他储能产品（有时称为“ Power-to-X”应用程序），以不同的系统大小（从消费到工业）和时间范围（从几天到几个月）提供廉价的储能。

未来系统的第二个关键方面是从以传统同步发电厂为中心的电网系统过渡到以变流器为主的系统。后者减少了传统发电厂当前提供的系统中的物理惯量，同时增加了对信息和数字信号的依赖，以维持现代电网的鲁棒性和电能质量。

2、风能科学的历史发展

在人类文明的早期，就利用了风能，首先是推动帆船航行，然后才是驱动风车，这些风车通常用于碾磨谷物和抽水。然而，直到20世纪初，多亏了阿尔伯特·贝兹（Albert Betz），路德维希·普朗特（Ludwig Prandtl），尼古拉·朱可夫斯基（Nikolay Zhukovsky）等人在空气动力学新兴领域的开创性工作，使得风能科学的基础得以发展，并被专门应用于发电。利用“风力发电机”科学的设计原理，在全球范围内进行生产和安装，为那些还无法接入大电网的人提供电力。然而，随着现代电力系统在世界范围内的发展，正是上世纪70年代的石油危机，重新点燃了人们对可再生能源技术的兴趣，促使了并网型风电系统的商业化利用。

从那时起，风能已经从一个利基资源增长到供应全球约5%的发电量的电源。一些国家的水平已经远远超出了这一全球平均水平，在世界上几个国家达到了10%、20%或更多。风能利用的增长与研究和技术学习曲线推动的能源平准化成本（LCOE）大幅下降。近半个世纪以来，在风能方面的持续创新，平准化成本现在只占20世纪70年代初期成本的一小部分。目前，风能的成本约为0.04美元/千瓦时，在没有补贴的情况下，与越来越多的地区新安装的其他电源相比，也具有竞争力。近几十年来，LCOE的降低推动了风能的进一步开发，全球年装机容量超过50GW，风能的累计运行容量超过半太瓦（见下图1）。 

迄今为止，三个基本驱动因素降低了风能成本：增加轮毂高度，增加额定功率和风轮直径。使用风力发电能量捕获的基本方程式便可以理解这些。

其中P是产生的瞬时功率，ρ是空气密度，Cp是功率系数（或整个机组的空气动力-机械-电气性能效率），A是风轮的扫掠面积，V是自由流空气速度。机组的设计会影响获得更高的速度V和性能Cp以及可获得的面积A。增加轮毂高度会减小地表气流摩擦的影响，从而使风电机组可以在更高强度的资源空间内运行，风速V较高，对发电量产生复合影响。更大的发电机容量加上能够实现变速运行的电力电子设备，可为安装在给定位置的每台机组提供更多的电力（假设Cp恒定）。单机高功率可以减少机组的安装数量，更低的系统平衡成本和更少的运动部件（对于给定的功率容量水平），从而提高可靠性。

此外，风电变速恒频输出允许机组更宽范围的风速下以最优Cp运行，以获得最大的风能捕获效率。第三个基本驱动力是更大、设计效率更高的风轮，其扫掠面积A更大，先进的叶片使用更少的材料。更大的风轮捕获更多吹过机组的能量，并且由于叶片长度可以增加，而许多其他成本保持不变，因此，成本在单位能量成本的基础上还能显著降低。此外，随着风轮尺寸相对于发电机额定功率不断增大，机组的额定风速将降低，并在满功率输出下更长时间运行。当今有了优化、低成本、可靠的机组，轮毂高度也在100米或以上，叶片长度远超过50米，额定功率到了5兆瓦及以上，这些均受益于过去几十年的基础研究和创新，但下一代风能的提升，将取决于知识和技术的进一步发展。

在这种情况下，持续的风能技术创新在一定程度上是具有挑战性的，这是因为存在经典的问题。例如，简单地放大风轮直径和额定功率会违反“平方立方律”，这在风能行业和研究领域通常被提及。假设风速在风轮平面恒定，则所需的物料用量会随体积而增加（立方倍），而能量捕获仅随风轮面积（平方倍）增加。尽管系统平衡成本的经济性，以及系统中其他方面的经济性，减轻了此特定问题的影响，但风电机组设计各个方面的集成创新，对于实现单位能源成本的优化是必要的。

未来的风电技术的创新受到已经取得成果的进一步挑战，可以通过关注风电机组叶片来说明。现代叶片在气动设计、材料使用、制造工艺和结构上比以往任何时候都要复杂得多，并且与其他气动应用（如飞机机翼）具有根本不同的特点。图2显示了当前最先进的叶片，与20世纪80年代的叶片设计特点的比较。一些关键创新，包括提高叶尖速度以减少扭矩和最小化传动系统重量，采用更高速和高升力翼型、细长型、轻型叶片，及创新型叶尖形状来降低噪音。随着时间的推移，如果简单地按当前长度放大的话，创新已使现代叶片比80年代的叶片轻了90%。比如包括气动弹性剪裁（通过耦合叶片弯曲和扭转，被动减少载荷）、加厚的平背翼型（通过轮毂附近的承载部位，提高气动性能）、附加组件（如涡流发生器和流动栅栏）以及各种制造改进。

随着与风电机组和风电场相关经济性因素将叶尖高度和风轮尺寸增加至200 m，并期望在未来获得更大尺寸，描述这个未知区域已变得越来越重要。在这种尺度下，风电机组会受到湍流特征的影响，这些湍流特征是由中尺度现象驱动的，并在这个尺度内发挥作用。具体来说，这些大气过程的空间尺度开始与风轮的尺度和高度相匹配，因此，对于人们难以理解的区域，其物理性质对于确保单个机组和整个风场的最佳设计和性能至关重要。

在理解风电场流动机理方面，与中尺度到微尺度过渡密切相关的内容是个额外的挑战。首先，通过风场的气流取决于大气和地形、近海海面或两者的综合影响所产生的微尺度流动效应。第二，与机组本身的相互作用，当气流流经电场中的每一排机组也改变了流动。

尽管过去使用简化的物理模型和基本的观测技术，可以安装风电场并预测其在各类地形的发电性能，但我们对复杂地形或在不同大气稳定性条件下的流场的认识，仍然存在很大差距，这种稳定性描述了可能会在一天中或季节内发生变化。再转向海风引发的气象/海洋（又称海洋气象）附加物理耦合的环境，在该环境中，仍然存在复杂的建模不确定性，尤其是在破碎或不规则波浪，大气稳定性和热带风暴的情况下。

尾流的产生（流场由于被捕获了能量，而在其中产生的低能量区域）在图3中以雾状流场的形式显示在微尺度流场图的风电机组后面，以及中尺度部分的整个风电场之后。尾流的存在，使对整个风电场性能（能源生产）及风电机组承受的载荷（资本和运营成本）过程的理解变得更加复杂。风电机组尾流非常复杂：它们的行为会根据机组尺寸和设计的特性，以及随不同的入流情况和机组运行条件变化而变化，并且可在给定的风电场内甚至相邻的电场间具有持久的影响。

已经可使用中尺度建模工具和现场测量探索一座风电场的尾流对下游电场以及当地环境的影响，但目前尚不能充分理解。局部微气候可测量的变化会影响地表温度，湿度和农业，但这些影响也是高度可变的，难以预测。海上风电场的微气候更是如此。一些研究者质疑风能的区域发展在什么时候达到饱和，然后收益递减，但意见分歧很大。风电场的尾流也随大气稳定性而变化，这使评估干扰的能力变得复杂。最后，资源的区域强度可能会受到气候变化的影响，从而为未来风电场开发选址和盈利能力带来问题。

用于遥感的测量技术的最新进展（使用激光，声学或雷达来测量大气现象）被用来描述风场中传播的尾流。然而，这些技术的进一步发展，及其在广泛环境条件下测量活动中的应用，需要进一步解决尾流的物理特性，及其对单个机组、整个电场和场间运行的影响。在近海海洋环境中，测量更具挑战性。在这些情况下，Sempreviva等人展示了如何将灯塔，轮船和浮标的数据集成，并与遥感和建模相结合。这样的平台可以扩展测量范围，但也有其自身的局限性，这说明需要对仪器和技术进行更大的创新。

全球电力系统在几个时间尺度上运行，提供了对大宗能源和瞬时电力的所有需求。时间尺度随电网稳定性和可靠性、运行和规划需求的变化而变化，并从亚秒延伸到几十年（图5）。在这些较宽的时间范围内，发电厂必须为电网提供多项功能，包括防雷、短路和浪涌保护，在瞬态、谐振和电压不稳定的扰动下进行稳健运行，在几分钟到几小时内满足能源需求，确保长期可预测和可控的产能供应。此外，大型旋转机器（如现在热电厂和水力发电厂中发现的机器）产生的电能形成一个能量传输网，其特性（如频率、电压和相位）由这些发电机的物理旋转和惯量决定。 

随着传统发电厂的物理惯量相对于整体系统容量的下降，基于变流器的发电（例如风能和太阳能发电场）必须提供更多可预测和可控制的电力以支持电网可靠性，稳定性和电力服务。如今的风电场可以满足当前电网的许多需求，但是还需要进行进一步的研究，以解决未来的风电场及其特殊属性如何用于满足基于变流器电网的需求的问题。实现这一未来的道路将需要在大气流动建模、单个风电机组动力学、风电场控制以及更大的电力系统运行的交叉点进行大量研究。三个相交的研究领域构成了第三大挑战：风电场的控制，以变流器为主导的电网以及用于系统分析和运行的数据集成和建模计算方法。

第一步，研究人员必须通过提供足够的控制权限来服务于不断扩展的功能集，从而解决与风电场相关的挑战。不断增长的风电场运行的经验表明，管理具有数百个随机运行的单个风电机组系统的复杂性。最近的研究强调了不仅使能量产出最大化，而且通过管理风场流场以提高系统性能的可能性。通过监测实时运行中可用的数据，风电场控制的新机会正在出现。对流场和动力学的更全面的了解，使电场运行状态的实时表征，以及在短期内控制流场和风电机组响应的能力成为可能。创新的控制可以利用机组设备的特性来提供辅助服务（例如，可以利用风轮的转动惯量来克服电网故障，或者可以使用连接到发电机的变流器中的功率电子设备来管理电网需求）。例如，最近的工作已经使用这种集成的建模方法，来研究风电场进行有功功率控制的潜力。

支持未来以变流器为主的电网系统所需的研究超出了单个风电场的控制范围。例如，风电机组提供了潜在的物理惯量源，但通常通过电力电子转换器将机组（现存的）和太阳能与电网互连，电力电子转换器使用软件和控件来赋予他们类似于传统电厂的属性。未来配备适当电力电子设备的风电场可以提供物理或“合成惯量”，后者使风电机组能够充当“虚拟同步发电机”。考虑到可再生能源对电网的贡献高达25％的研究，需要进一步完善，以达到50％甚至80％以上的份额。

还需要新的传感器和数据管理技术来获取和传输关于未来电网状态的实时数据，未来电网将更多地依靠信息而不是物理惯量。数据源将包括测量和模拟的组合。先进的随机系统分析和数据科学的机会已经成熟，可以从区域天气状况和预报、描述单个风电机组和电厂状态的数百万个信号以及整个电网的实时更新中提取价值信息。此外，系统运行各个方面的不确定性（从天气对可再生能源可用性和电力需求的影响到储能的可用性和许多其他现象）使得这是一个非常大的随机和动态优化问题，需要更多的应用数学与计算科学社区参与。