风力涡轮机可持续的能源解决方案

想象一下，你透过车窗第一次遇到风力涡轮机是在你沿着一条偏僻的高速公路快速行驶时的样子。风力涡轮机给人印象深刻，因为他们巨大的形态，并且也象征着全球广泛采用这种能源作为一种手段，以产生可持续的能源解决方案。

看到路边的一系列风电场是否会激起你对这些大规模生态保护装置背后的科学技术的好奇呢？两位IEEE电力与能源协会（PES）会员Pouyan Pourbeik和Nicholas Miller解释了风力发电技术是如何工作的，以及它为什么如此重要。

什么是风力涡轮机？

简单地说，“风力涡轮机是一种机械机器，它将风能的动能转化为机械旋转能，用来做一些工作，”Pourbeik说。

利用自然资源风能作为能源生产并不是一种新的技术实践。事实上，几个世纪以来，风力涡轮机已经以各种方式发展起来。Pourbeik说，有记录的第一台风力涡轮机可以追溯到7世纪的伊朗，它被用来碾磨谷物和从井里抽水。

Pourbeik说：“现代风力涡轮机被用来驱动电机，然后将旋转机械能转换成电能，以满足住宅、商业建筑和工业的用电需求。”

风力发电如何成为可持续发展的技术？

风力涡轮机的电力转换过程是可持续的；利用风能，这个过程比开采或燃烧产生大量排放物的材料更清洁。风能是减少碳排放、消除空气中其他形式污染、最终摆脱对地球产生相反影响的传统方法的解决方案。

风力发电的另一个好处是这种能源是免费且丰富的。Miller说：“当我讲授风力涡轮机的基础知识时，我经常以‘风力涡轮机是一种将风中的动能/移动的空气中的动能转化为财富的装置’这句话开始。” （The fact that there is electric power generated is incidental.）

Miller说：“你负担不起一个能一直捕捉所有可用能量的风力涡轮机。”

风能的挑战是什么？

每一项技术都有自己的一系列挑战，工程师有能力去解决这些挑战。作为电力工程师，Pourbeik和Miller目前面临的障碍是将其整合到现有的电网中，并使公众普遍意识到该技术是一种可持续的工具。

Pourbeik说：“设计这样的系统并将其稳妥地集成到世界范围的电力基础设施中存在着挑战，但这正是电力和能源工程领域当前技术环境如此令人兴奋的原因所在。”

能源网面临的挑战之一是储能和可靠性。传统上，当用户需要电力时，发电和电网就能够满足这种需求。Miller说：“但是随着风能和太阳能的出现和爆炸性增长，决定何时供电的是大自然，而不是消费者。”

“自19世纪末20世纪初电力系统诞生以来，通过旋转电机将能量从机械能转换为电能，旋转电机直接与大电网相连，”Pourbeik解释道。这些传统的机器以恒定的速度运行，这意味着它们产生的电力频率也是恒定的。

由于风力发电机的转速不断变化，电力工程师必须找到一种方法，将风能有效地转化为机械旋转能。解决方案是一个旋转的电机连接到风力涡轮机，运行速度范围很广。

Pourbeik说：“因此，为了将机器（以不同的速度运行）与大容量电力系统（具有固定频率）连接，需要使用电力电子转换器接口。因此，从电网上看，发电设备的电气特性变得非常不同。”

虽然电力电子转换器已被用于其他方面，但从未像现在这样大规模地将风力发电厂的心脏与电网连接起来。在过去的几十年里，电力和能源工业一直在学习如何以最可靠的方式利用这项技术。

Miller说：“我和Pouyan经过了第一阶段的工作。自本世纪之交以来，我们目睹（并参与）了技术、市场、监管和理解方面的创新稳步消除了这一挑战。今天，我们（美国和其他世界电网）经常以我们认为在未来几十年内几乎不可能或不会发生的风力和太阳能发电水平运行。”

IEEE PES和可再生能源集成社区都非常关注如何使电网以一种可靠、安全、清洁和负担得起的方式工作。但Pourbeik和Miller对可持续能源的未来和正在开发的技术充满希望。

Miller说：“我们正以惊人的速度继续前进，在所有这些方面都增加了创新。实话说，做为一名电力工程师，没有过比这更好、更令人兴奋的时刻了。”