尽管现代普遍认为风能技术是成熟的，但全球巨大的风能资源（比全球总耗电量高 20 倍）与全球现有风能发电技术的有限普及之间存在着持续的脱节。
我们在文中描述了一种风能的收集方法，该方法以更接近物理资源本身的方式在地理上分配风力发电机，从而来解决这种脱节。
为此，技术开发的重点是研究大量小型风力涡轮机阵列，这些涡轮机可以利用受生物学启发的工程新理念在低海拔地区收集风能。
这种方法极大地扩展了风能的覆盖范围，因为较小的风力涡轮机可以安装在大型系统无法安装的许多地方。
此外，这些小型风力涡轮机的视觉、听觉和雷达特征较低，对鸟类和蝙蝠造成的影响很小。
可以利用这些特性来获得大众在文化上的认可并将这种新技术快速投入使用，与单独使用现有技术相比这种方法能够更快地实现州和国家的可再生能源目标。
新一代简单、可大规模制造（甚至可 3D 打印）的垂直轴风力涡轮机中组件数量的数量级减少会产生可观的经济效益。
然而，只有克服过去三十年限制进展的重大科学挑战，才能实现这一愿景。
发展风能技术的背景和动机我们可以从碳排放、用水、运营和维护还有成本多个角度对可再生能源和传统化石燃料进行比较。
一个常见的出发点是观察到可再生能源——主要是太阳能和风能——比煤炭、石油和天然气更为分散。
事实上，典型的燃煤发电厂每平方米 的占地面积可产生 90 瓦的电力，而聚光太阳能发电厂的发电量约为 20 W/m²，现代风电场平均为 2-5 W/m² 。
然而，这些数字掩盖了可再生能源独特且具有潜在变革性的优势，即其全球可用性。
例如，图 1 比较了全球煤炭储量的地理分布与风能的地理分布。
与其他化石燃料一样，煤炭是一种高度本地化的能源，在全世界不到5%的陆地地下才有。
相比之下，风无处不在。
除了亚马逊、刚果和东南亚的森林茂密地区外，全球几乎每个角落都可以将风能转化为有用的能源。
此外，这些风能资源十分巨大——据估计，全球风力发电量为 250 万亿瓦，是全球总耗电量的 20 倍——它们出现在干旱沙漠和主要大城市的城市峡谷等多种环境中。
左图，世界煤炭储量（灰色） 右图，陆地上空 80 米处的世界风速尽管风能资源在全球范围内可用，但迄今为止，风能技术对全球发电的影响并不大。
目前只有 4 个国家 10% 以上的电力来自风能，而且都在欧洲。
在美国，爱荷华州和南达科他州等州也有风能普及率高的地方实例；尽管如此，美国只有 4% 的电力来自风力发电。
或许最令人心酸的是索马里和马拉维等发展中国家的例子，它们拥有极好的风能资源，但家庭电气化率仍然是世界上最低的。
我们可以将丰富的风能资源与现有风能技术的有限采用之间的这种对立归结于什么呢？许多经济、基础设施、监管和文化问题对此都有关联。
然而，一个根本原因是现存的风能发电模式，即依靠少数越来越大的风力转换机器发电的模式。
这种集中式发电方法出现在工业革命之后，是由于需要处理高度本地化的化石燃料而兴起的。
传统的螺旋桨式风力涡轮机（即水平轴风力涡轮机或 HAWT）加剧了这种趋势，它们必须间隔很远，以避免与相邻涡轮机尾流相互作用引起的空气动力学干扰和疲劳载荷（图2)。
这一要求迫使风能系统远离能源需求高的人口中心以及最近的离岸地点，并转向偏远地区。
而且它还需要安装非常大的风力涡轮机，这样才可以通过获取高海拔地区更多可用的风力资源来缓解整个风电场的低效率问题。
然而，由于我们将自己限制在这种收集风能的方法中，我们就已经丧失了像风这样的全球分布式能源所提供的关键优势和机会：在接近消耗点的地方产生能量的能力；从千瓦级到兆瓦级的能量转换设备固有的多功能性；农村社区和发展中世界的接入，当地发电尤其重要在没有可靠的集中式电网的情况下很有价值；和与现状相比，采用分布式风能技术的潜在障碍更低。
北海 Horns Rev 海上风电场，在前排涡轮机后面的雾中可以看到湍流尾迹可以肯定的是，规模经济对更大的风力涡轮机部件来说是有利的。
我们假设可以通过简化基础风力涡轮机设计来规避这种限制，即将每个风力涡轮机中的组件数量从现代 HAWT 中的大约 8000 个减少到下一代小型垂直轴风力涡轮机（VAWT；图 3）中的不到 12 个。
变速箱等一些部件在大型系统中确实更具成本效益；然而，它们在 VAWT 中被完全消除。
垂直轴设计避免了将风力涡轮机朝向迎风结构的需要，进而消除了另一个成本因素。
而且，较小的风力涡轮机尺寸有助于使用低成本结构部件，例如木塔，其成本比同等钢塔低 90%。
这些节省可以抵消在风速较低的低海拔地区运营的劣势。
此外，在全球 89% 的风站中，当海拔高度从 80 m 降低到 10 m 时，风力等级不会降低。
左，市售 VAWT具有翼型横截面的垂直定向叶片 (A) 绕涡轮机的垂直轴旋转，带动安装在塔架 (C) 上的发电机 (B)。
右图，加州理工学院风能优化现场实验室 (FLOWE)。
多达 24 个商用 VAWT 的阵列在各种配置中进行测试，以研究空气动力学相互作用和发电。
为什么以前没有采用这种方法。
1980 年代对 VAWT 的研究表明，它们的空气动力学比 HAWT 更复杂，因此它们对疲劳载荷的反应更难预测。
在该领域出现明显的结构性故障后，VAWT 在很大程度上被放弃了。
我们在全国范围内的现场测试和其他经验表明，即使在今天，最好的商用 VAWT 在初始调试后数月甚至数周内都会出现结构或电气故障 [另请参见图 4]。
尽管如此，如果可以在连贯的多学科研究计划中利用计算流体动力学、材料科学、电气工程和实验诊断学的最新进展，那么可靠的 VAWT 设计问题就已经成熟了。
加州理工学院优化风能现场实验室 (FLOWE) 的 VAWT 结构故障示例尽管过去四年在加州理工学院优化风能现场实验室 (FLOWE) 进行的现场测试揭示了现有小型 VAWT 技术的局限性，它还证实了由于海拔相对较低，以前认为不现实的低海拔地区也可以有效地收集风能的风速。
迄今为止，已经收集了超过10,000小时的测量数据，对10米高的VAWT进行了全面的现场测试，这些VAWT配置了各种布置，其中包括许多受鱼类鱼群原理启发的布置。
结果表明，与现代风电场相比，尽管使用的风力涡轮机高度是现代结构的十分之一，并且在阵列中的间距也很保守，但给定涡轮机阵列占地面积的风能产量有可能增加 10倍，[如图 5]。
这一违反直觉的结果为将这种方法应用于风能收集提供了多种机会。
下面描述了激发该领域进一步研究具体的令人信服的例子。
18-VAWT 阵列配置的左顶视图。
灰色箭头表示盛行风向 。
VAWT 直径和间距按比例绘制。
在每次测试中，所有 9 对 VAWT 对都与涡轮机对之间的叶片运动方向反向旋转，无论是逆风还是顺风。
右图，FLOWE 18-VAWT 阵列的足迹功率密度测量。
打开圆圈，直接测量。
实心圆圈，使用几何校正因子将直接测量外推到无限 VAWT 阵列。
每个数据点代表一次十分钟的现场平均测量。
虚线范围表示现代 HAWT 农场性能。
风能技术发展带来的战略机遇阿拉斯加偏远村庄的发电。
阿拉斯加人均能源消耗量居全国第二，人均二氧化碳排放量居全国第三，电价居全国第四。
该州还缺乏像美国本土 48 个州那样的综合互联电网；相反，许多农村社区依赖必须通过恶劣环境运输的柴油来发电。
因此，阿拉斯加提供了一个独特的机会来研究目前的风能发电方法如何既满足能源需求，同时又降低发电成本和碳足迹。
具体而言，该地区风能的更大普及可以减少对柴油燃料的依赖和相关的潜在环境危害，同时通过增加能源生产组合的多样性和降低能源成本来增强能源安全。
此外，在阿拉斯加进行的现场测试为阿拉斯加部落村庄的广大美洲原住民社区提供了一个理想的平台，那里有多达一半的高中生在毕业前辍学，只有不到 2% 的大学毕业生，失业率是所有美洲原住民中最高的。
这些社区的劳动力发展——在可再生能源的特定背景下——有可能通过令人兴奋且直接相关的课程来激励学生留校和做出成就，这些课程将会培养新的地方能源行业的未来领导者。
阿拉斯加具有挑战性的环境条件为风能技术提供了严格的现实世界测试，如今这些技术通常在受控实验室研究或计算机中设计。
这一地区的研究也具有更广泛的环境意义，因为布里斯托尔湾地区包括许多依赖能源的小村庄，而且也拥有世界上一半的红鲑渔业。
为加州老化的风电场改造技术，在这十年内，全球每年用于风电场运营和维护的支出预计将达到 130 亿美元 。
其中大部分成本与需要重新为老化的风力发电场供电有关，要么增加电力生产要么满足与噪音产生和对候鸟和蝙蝠的影响相关的新环境法规。
由于加州是第一个开发大型风电场的州，它也是第一个面临与风电场重新供电相关的技术和经济挑战的州。
上述 VAWT 系统的低剖面和高功率密度使它们有可能被安置在现有的风力发电场内，来增加发电量或取代旧风力涡轮机的发电。
例如，加利福尼亚州北部的 Altamont Pass 是美国最早的风电场之一，目前每平方米占地面积平均产生 1 瓦的电力。
通过在低于 HAWT 的局部有利风力条件下分配 VAWT，VAWT 阵列测得的 10-20 W/㎡ 平均性能可以转化为农场发电量的两倍以上。
目前尚不清楚位于同一位置的 VAWT 和 HAWT 如何在空气动力学方面相互作用或如何优化这种相互作用。
以往对 VAWT 进行全面研究的经验证明，必须通过现场测试来补充实验室规模的实验和计算机模型，才能严格回答此类问题。
因此，现场经验可以在技术开发过程中创建一个重要的反馈循环。
此类研究的理想环境是前面提到的 Altamont Pass，它包含世界上最大的风力涡轮机集中地。
目前利用 3D 打印等使用点制造技术来实现定制供个人、家庭或小型社区使用的能源系统为对更小、更简单的风能系统的关注提供了一个独特的机会。
这种自己动手 (DIY) 的方法利用创客运动的全球兴起，使感兴趣的各方能够构建和部署风能转换设备。
这一努力的一个潜在变革里程碑是实现完全 3D 打印的千瓦级 VAWT 组件。
相关 VAWT 组件的尺寸虽然超出了大多数 3D 打印系统的当前能力，但随着制造技术的成熟，在未来几年内是可以实现的。
能够成功大幅降低风能系统的成本是与 3D 打印范例兼容的小型风力涡轮机所独有的优势。
近代风能研究的挑战只有系统地、严格地解决长期存在的阻碍进步的科学障碍，才能实现这些想法，使我们生产和消费电力方式发生根本性变化。
为此，我们建议围绕以下相互关联的研究重点组织一项研究计划，来回答基本问题：有用的风能位于何处？我们可以做些什么来更好地收获它？而且，我们如何优化这些系统的功能、集成和采用？现有的风力资源地图是基于有意远离建筑物和树木等结构的传感器，因为这些物体会产生更复杂的风场，从而难以解释传感器的测量结果。
然而，这里设想的分布式风能系统往往位于如此复杂的风场中。
因此，有必要对建筑环境中发生的流动结构相互作用进行基于物理学的理解，特别强调如何从位于这些复杂环境中的传感器网络重建局部风场。
这方面的研究活动应包括风洞和水洞测量以及规范流-结构相互作用的计算机模拟；开发新的计算工具，以吸收来自廉价、大规模分布的风力传感器的众包风力数据；以及由此产生的风力模型中不确定性的正式量化。
这项工作的一个示例成果将是整体的、开源的城市、州和国家风力资源地图，这些地图可用于从个人到公用事业规模的发电。
一个补充的研究目标是开发支持分布式部署和运行范例的风力涡轮机设计理念。
这项工作应强调使用可持续制造工艺（包括 3D 打印）设计和制造低成本、轻质和耐损坏的材料和开发可靠的 VAWT 系统。
这方面的研究活动可能包括通过控制体系结构和材料微观结构来创建智能的、功能分级的材料；开发支持可扩展制造的新纳米制造方法；为定制的 VAWT 扭矩和噪声特性测试流量控制策略；提高对生物污垢和结冰耐受性的转子叶片设计；对发展中地区用于风力涡轮机制造的本地采购材料进行评估。
一个重要的研究目标是优化阵列中风力涡轮机的空气动力学和电气的相互作用，以最大限度地提高发电量，提高发电的可靠性和使用寿命，并最大限度地降低成本。
来自自治和网络系统、仿生工程、最优控制理论和计算流体动力学的概念可以通过阵列中各个单元之间的自动、实时反馈控制和数据共享来实现风力发电的动态优化。
丰富的参数空间可用于实验室和现场的探索优化，包括静态和动态涡轮机高度、间距和阵列配置；电源处理协议；与 HAWT 位于同一地点；与太阳能、柴油和电池储能的混合动力；与海上风电应用的浮动平台集成。
风能技术发展的愿景在本文中，我们简要概述了风能技术发展现状的替代方案。
可以肯定的是，这种方法与该领域的当前轨迹并不相互排斥。
事实上，一个重要的机会可能在于传统 HAWT 和 VAWT 的共同定位。
尽管如此，目前基于大量小型、简单 VAWT 的风力收集方法提供了一组独特的机会，这些 VAWT 在许多情况下可以取代传统的 HAWT，或者仅用于 HAWT 无法到达的位置和应用。
在任何一种情况下，都需要完成大量额外的研究，以实现此处建议的风能的全球潜力。
此处描述的路线图和近期应用可以作为该工作的有用起点。
参考文献:https://scholar.google.com/scholar?hl=zh-CN&as_sdt=0%2C5&as_rr=1&q=A+New+Approach+To+Wind+Energy:++Opportunities+And+Challenges++John+O.+Dabiria+%2C+Julia+R.+Greera+%2C+Jeffrey+R.+Koseffb%2C+Parviz+Moinc+%2C+&btnG=#d=gs_qabs&t=1686661007620&u=%23p%3Du1Q1XHTpAU8J
