想象一下，你透過(guò)車(chē)窗第一次遇到風(fēng)力渦輪機(jī)是在你沿著一條偏僻的高速公路快速行駛時(shí)的樣子。風(fēng)力渦輪機(jī)給人印象深刻，因?yàn)樗麄兙薮蟮男螒B(tài)，并且也象征著全球廣泛采用這種能源作為一種手段，以產(chǎn)生可持續(xù)的能源解決方案。

看到路邊的一系列風(fēng)電場(chǎng)是否會(huì)激起你對(duì)這些大規(guī)模生態(tài)保護(hù)裝置背后的科學(xué)技術(shù)的好奇呢？?jī)晌籌EEE電力與能源協(xié)會(huì)（PES）會(huì)員Pouyan Pourbeik和Nicholas Miller解釋了風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是如何工作的，以及它為什么如此重要。

什么是風(fēng)力渦輪機(jī)？

簡(jiǎn)單地說(shuō)，“風(fēng)力渦輪機(jī)是一種機(jī)械機(jī)器，它將風(fēng)能的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械旋轉(zhuǎn)能，用來(lái)做一些工作，”P(pán)ourbeik說(shuō)。

利用自然資源風(fēng)能作為能源生產(chǎn)并不是一種新的技術(shù)實(shí)踐。事實(shí)上，幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，風(fēng)力渦輪機(jī)已經(jīng)以各種方式發(fā)展起來(lái)。Pourbeik說(shuō)，有記錄的第一臺(tái)風(fēng)力渦輪機(jī)可以追溯到7世紀(jì)的伊朗，它被用來(lái)碾磨谷物和從井里抽水。

Pourbeik說(shuō)：“現(xiàn)代風(fēng)力渦輪機(jī)被用來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，然后將旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，以滿足住宅、商業(yè)建筑和工業(yè)的用電需求。”

風(fēng)力發(fā)電如何成為可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)？

風(fēng)力渦輪機(jī)的電力轉(zhuǎn)換過(guò)程是可持續(xù)的；利用風(fēng)能，這個(gè)過(guò)程比開(kāi)采或燃燒產(chǎn)生大量排放物的材料更清潔。風(fēng)能是減少碳排放、消除空氣中其他形式污染、最終擺脫對(duì)地球產(chǎn)生相反影響的傳統(tǒng)方法的解決方案。

風(fēng)力發(fā)電的另一個(gè)好處是這種能源是免費(fèi)且豐富的。Miller說(shuō)：“當(dāng)我講授風(fēng)力渦輪機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)時(shí)，我經(jīng)常以‘風(fēng)力渦輪機(jī)是一種將風(fēng)中的動(dòng)能/移動(dòng)的空氣中的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為財(cái)富的裝置’這句話開(kāi)始。” （The fact that there is electric power generated is incidental.）

Miller說(shuō)：“你負(fù)擔(dān)不起一個(gè)能一直捕捉所有可用能量的風(fēng)力渦輪機(jī)。”

風(fēng)能的挑戰(zhàn)是什么？

每一項(xiàng)技術(shù)都有自己的一系列挑戰(zhàn)，工程師有能力去解決這些挑戰(zhàn)。作為電力工程師，Pourbeik和Miller目前面臨的障礙是將其整合到現(xiàn)有的電網(wǎng)中，并使公眾普遍意識(shí)到該技術(shù)是一種可持續(xù)的工具。

Pourbeik說(shuō)：“設(shè)計(jì)這樣的系統(tǒng)并將其穩(wěn)妥地集成到世界范圍的電力基礎(chǔ)設(shè)施中存在著挑戰(zhàn)，但這正是電力和能源工程領(lǐng)域當(dāng)前技術(shù)環(huán)境如此令人興奮的原因所在。”

能源網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)之一是儲(chǔ)能和可靠性。傳統(tǒng)上，當(dāng)用戶需要電力時(shí)，發(fā)電和電網(wǎng)就能夠滿足這種需求。Miller說(shuō)：“但是隨著風(fēng)能和太陽(yáng)能的出現(xiàn)和爆炸性增長(zhǎng)，決定何時(shí)供電的是大自然，而不是消費(fèi)者。”

“自19世紀(jì)末20世紀(jì)初電力系統(tǒng)誕生以來(lái)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)電機(jī)將能量從機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，旋轉(zhuǎn)電機(jī)直接與大電網(wǎng)相連，”P(pán)ourbeik解釋道。這些傳統(tǒng)的機(jī)器以恒定的速度運(yùn)行，這意味著它們產(chǎn)生的電力頻率也是恒定的。

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不斷變化，電力工程師必須找到一種方法，將風(fēng)能有效地轉(zhuǎn)化為機(jī)械旋轉(zhuǎn)能。解決方案是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的電機(jī)連接到風(fēng)力渦輪機(jī)，運(yùn)行速度范圍很廣。

Pourbeik說(shuō)：“因此，為了將機(jī)器（以不同的速度運(yùn)行）與大容量電力系統(tǒng)（具有固定頻率）連接，需要使用電力電子轉(zhuǎn)換器接口。因此，從電網(wǎng)上看，發(fā)電設(shè)備的電氣特性變得非常不同。”

雖然電力電子轉(zhuǎn)換器已被用于其他方面，但從未像現(xiàn)在這樣大規(guī)模地將風(fēng)力發(fā)電廠的心臟與電網(wǎng)連接起來(lái)。在過(guò)去的幾十年里，電力和能源工業(yè)一直在學(xué)習(xí)如何以最可靠的方式利用這項(xiàng)技術(shù)。

Miller說(shuō)：“我和Pouyan經(jīng)過(guò)了第一階段的工作。自本世紀(jì)之交以來(lái)，我們目睹（并參與）了技術(shù)、市場(chǎng)、監(jiān)管和理解方面的創(chuàng)新穩(wěn)步消除了這一挑戰(zhàn)。今天，我們（美國(guó)和其他世界電網(wǎng)）經(jīng)常以我們認(rèn)為在未來(lái)幾十年內(nèi)幾乎不可能或不會(huì)發(fā)生的風(fēng)力和太陽(yáng)能發(fā)電水平運(yùn)行。”

IEEE PES和可再生能源集成社區(qū)都非常關(guān)注如何使電網(wǎng)以一種可靠、安全、清潔和負(fù)擔(dān)得起的方式工作。但Pourbeik和Miller對(duì)可持續(xù)能源的未來(lái)和正在開(kāi)發(fā)的技術(shù)充滿希望。

Miller說(shuō)：“我們正以驚人的速度繼續(xù)前進(jìn)，在所有這些方面都增加了創(chuàng)新。實(shí)話說(shuō)，做為一名電力工程師，沒(méi)有過(guò)比這更好、更令人興奮的時(shí)刻了。”