國際權威期刊《Science》撰文:風能科學的三個巨大挑戰

2020-12-05 騰訊網

本論文為美國國家可再生能源實驗室（NREL）Paul Veers等人聯合丹麥科技大學（DTU）Katherine Dykes等共同在《Science》期刊撰文，探討了國際風能研究中的巨大挑戰。

論文內容目錄

1、前言

2、風能科學的歷史發展

3、風能研究的重大挑戰

4、第一大挑戰：增進對大氣和風電場內流動機理的理解

5、第二大挑戰：大型風電機組的空氣動力學、結構動力學和海上風-水動力學

6、第三大挑戰：將風電場融合到未來電網中的系統科學

7、風能科學學科集成的作用

風能經過幾十年的研究和開發，已經成為一種主流能源。不過，還需要不斷的創新，以實現其滿足全球清潔能源需求的潛力。在此，我們概述了三個相互依存、跨學科的重大挑戰，這些挑戰是本研究工作的基礎。首先，需要更深入地了解風電場運行關鍵區域的大氣流動機理。第二涉及世界上最大的動態旋轉機械的科學和工程。第三個問題包括優化和控制在電網內協同工作的風電場群。應對這些挑戰可以使風電能夠滿足我們全球一半的電力需求。

1、前言

豐富、可負擔得起的多種形式能源使人類取得了顯著成就，包括現代糧食和運輸基礎設施。廣泛獲得負擔得起的清潔能源對未來人類的成就和提高全球生活水平至關重要。然而，到2050年，全球人口估計將達到98億，高於2017年的約76億。此外，彭博新能源金融（BNEF）估計，到2050年，全球每年的電力需求可能超過38000太瓦時，高於2017年的25000太瓦時。對低碳或零碳電力技術的需求正在增加，其他能源部門，如供暖、製冷和運輸的電力需求也在增加。由於這兩個部分耦合的大趨勢，全球對低成本清潔能源的需求正在增加。風能是廣泛、零成本的可用資源，以極低的生命周期汙染物排放，極有潛力成為全球日益增長的清潔能源需求的主要貢獻能源。

在過去的十年中，風能、太陽能和天然氣等三大電力來源的成本大幅下降。風能和太陽能之所以具有吸引力，是因為它們的低生命周期排放提供了公共健康和更廣泛的環境效益。包括諮詢機構、非政府組織和能源巨頭在內的主要能源預測機構，特別是BNEF、DNV GL、國際能源署和英國石油公司預計，所有這些能源的價格將繼續保持平價，到2050年（3-6年），風能和太陽能的供應量佔總電力需求的三分之一到二分之一，僅風能將佔全球電力需求的四分之一到三分之一。開發潛在太瓦級的風能，推動這些市場預測的經濟性實現，並隨後從每年數百太瓦時的風能和太陽能發展到每年數千太瓦時的風能和太陽能，可以為當地和全球帶來一系列深度的經濟和環境效益。

從商業角度來看，2018年全球新增風電裝機超過51吉瓦，併網容量超過半太瓦，全球每年在風能方面的投資約為1000億美元（美元）。能源顧問機構DNV-GL預測，到2050年，風能需求和部署規模將增長10倍，使該行業達到萬億美元規模，風電將作為全球電力的主要來源之一。

但是，為了保持對投資者和消費者的經濟吸引力，風能的成本必須繼續降低。此外，隨著出力波動變化的風能和太陽能發電設施的增加，新的挑戰浮出水面，這涉及長期的發電能力和系統的短期平衡，這兩者對於維持未來的電網系統穩定性和可靠性至關重要。未來，風能在三分之一以上的電力消耗，並且當地風電的瞬時出力水平可能超過當地電力需求的100％，這將要求我們思考發展模式，管理未來的電網系統。在高可再生能源比例的情景下，電力系統的相關變革將需要同時管理大量天氣驅動、可變出力以及不斷動態變化的電力消費模式。

未來系統的一個關鍵方面是，儘管時間不確定，但仍可獲得大量接近零邊際成本的能量。憑藉大量接近零邊際成本的能源，整個電力系統的更大靈活性將使許多不同的最終用戶能夠使用這些「廉價」能源。這種能源的潛在用戶可能需要為大量的電動汽車充電，引入化學的或其他儲能產品（有時稱為「 Power-to-X」應用程式），以不同的系統大小（從消費到工業）和時間範圍（從幾天到幾個月）提供廉價的儲能。

未來系統的第二個關鍵方面是從以傳統同步發電廠為中心的電網系統過渡到以變流器為主的系統。後者減少了傳統發電廠當前提供的系統中的物理慣量，同時增加了對信息和數位訊號的依賴，以維持現代電網的魯棒性和電能質量。

2、風能科學的歷史發展

在人類文明的早期，就利用了風能，首先是推動帆船航行，然後才是驅動風車，這些風車通常用於碾磨穀物和抽水。然而，直到20世紀初，多虧了阿爾伯特·貝茲（Albert Betz），路德維希·普朗特（Ludwig Prandtl），尼古拉·朱可夫斯基（Nikolay Zhukovsky）等人在空氣動力學新興領域的開創性工作，使得風能科學的基礎得以發展，並被專門應用於發電。利用「風力發電機」科學的設計原理，在全球範圍內進行生產和安裝，為那些還無法接入大電網的人提供電力。然而，隨著現代電力系統在世界範圍內的發展，正是上世紀70年代的石油危機，重新點燃了人們對可再生能源技術的興趣，促使了併網型風電系統的商業化利用。

從那時起，風能已經從一個利基資源增長到供應全球約5%的發電量的電源。一些國家的水平已經遠遠超出了這一全球平均水平，在世界上幾個國家達到了10%、20%或更多。風能利用的增長與研究和技術學習曲線推動的能源平準化成本（LCOE）大幅下降。近半個世紀以來，在風能方面的持續創新，平準化成本現在只佔20世紀70年代初期成本的一小部分。目前，風能的成本約為0.04美元/千瓦時，在沒有補貼的情況下，與越來越多的地區新安裝的其他電源相比，也具有競爭力。近幾十年來，LCOE的降低推動了風能的進一步開發，全球年裝機容量超過50GW，風能的累計運行容量超過半太瓦（見下圖1）。

迄今為止，三個基本驅動因素降低了風能成本：增加輪轂高度，增加額定功率和風輪直徑。使用風力發電能量捕獲的基本方程式便可以理解這些。

其中P是產生的瞬時功率，ρ是空氣密度，Cp是功率係數（或整個機組的空氣動力-機械-電氣性能效率），A是風輪的掃掠面積，V是自由流空氣速度。機組的設計會影響獲得更高的速度V和性能Cp以及可獲得的面積A。增加輪轂高度會減小地表氣流摩擦的影響，從而使風電機組可以在更高強度的資源空間內運行，風速V較高，對發電量產生複合影響。更大的發電機容量加上能夠實現變速運行的電力電子設備，可為安裝在給定位置的每臺機組提供更多的電力（假設Cp恆定）。單機高功率可以減少機組的安裝數量，更低的系統平衡成本和更少的運動部件（對於給定的功率容量水平），從而提高可靠性。

此外，風電變速恆頻輸出允許機組更寬範圍的風速下以最優Cp運行，以獲得最大的風能捕獲效率。第三個基本驅動力是更大、設計效率更高的風輪，其掃掠面積A更大，先進的葉片使用更少的材料。更大的風輪捕獲更多吹過機組的能量，並且由於葉片長度可以增加，而許多其他成本保持不變，因此，成本在單位能量成本的基礎上還能顯著降低。此外，隨著風輪尺寸相對於發電機額定功率不斷增大，機組的額定風速將降低，並在滿功率輸出下更長時間運行。當今有了優化、低成本、可靠的機組，輪轂高度也在100米或以上，葉片長度遠超過50米，額定功率到了5兆瓦及以上，這些均受益於過去幾十年的基礎研究和創新，但下一代風能的提升，將取決於知識和技術的進一步發展。

在這種情況下，持續的風能技術創新在一定程度上是具有挑戰性的，這是因為存在經典的問題。例如，簡單地放大風輪直徑和額定功率會違反「平方立方律」，這在風能行業和研究領域通常被提及。假設風速在風輪平面恆定，則所需的物料用量會隨體積而增加（立方倍），而能量捕獲僅隨風輪面積（平方倍）增加。儘管系統平衡成本的經濟性，以及系統中其他方面的經濟性，減輕了此特定問題的影響，但風電機組設計各個方面的集成創新，對於實現單位能源成本的優化是必要的。

未來的風電技術的創新受到已經取得成果的進一步挑戰，可以通過關注風電機組葉片來說明。現代葉片在氣動設計、材料使用、製造工藝和結構上比以往任何時候都要複雜得多，並且與其他氣動應用（如飛機機翼）具有根本不同的特點。圖2顯示了當前最先進的葉片，與20世紀80年代的葉片設計特點的比較。一些關鍵創新，包括提高葉尖速度以減少扭矩和最小化傳動系統重量，採用更高速和高升力翼型、細長型、輕型葉片，及創新型葉尖形狀來降低噪音。隨著時間的推移，如果簡單地按當前長度放大的話，創新已使現代葉片比80年代的葉片輕了90%。比如包括氣動彈性剪裁（通過耦合葉片彎曲和扭轉，被動減少載荷）、加厚的平背翼型（通過輪轂附近的承載部位，提高氣動性能）、附加組件（如渦流發生器和流動柵欄）以及各種製造改進。

3、風能研究的重大挑戰

對實現風能全部潛力至關重要的研究挑戰，源於複雜且高度耦合的現象，這種現象跨越了許多與風能和更廣泛的電力系統相關的物理和時間尺度。為了以最小的成本獲得最大的價值，同時保持電力系統的可靠性和彈性，重要的是要從全球天氣現象到區域天氣活動，再到複雜的風場內的流動，最終取決於風場內機組的響應（圖3）。同時，風資源因位置而異，風資源在海上，平原和山脈上的特性各不相同。此外，風電場的機群必須與電力系統運營商，以及最終消費者的需求保持同步，時間範圍從亞秒級到十年級。

儘管歐洲風能研究院（EAWE）在2016年的風能研究挑戰制定了全面議程，但進一步技術發展的尺度，以及與依賴風能佔全球三分之一或更多的電力系統相關挑戰的規模需求，需要進一步研究。這項額外的工作試圖加強對風能研究領域的關注，並從更廣泛的科研領域確定關鍵的技能和能力，這對於實現高水平的風能利用必不可少。為了滿足這一需求，一組國際風電專家於2017年10月開始了一系列會議，探討並闡明了創新途徑和相關研究挑戰，如果解決這些挑戰，風能將成為供應全球電力需求的三分之一到二分之一甚至更多（Dykes等人列出了詳細的發現）。然後，將這些挑戰綜合為三大挑戰，需要跨許多學科進行全面、集成的研究計劃。

4、第一大挑戰：增進對大氣和風電場內流動機理的理解

風能來自地球表面的不均勻受熱和地球自轉的科裡奧利力。它是一種異構資源，高度依賴於地理位置和地形，無論是山區還是相對平坦的平原或沙漠。海洋上的風資源取決於一些不同的氣象因素，包括海風和陸地微風，與陸地的距離，水與氣溫的關係，以及波浪高度。即使在特定的區域，風在白天和黑夜之間以及整個季節也會有所不同。風電機組位於大氣或行星邊界層的較低水平（如，

更具體地說，以根本不同的方式對中尺度和微尺度進行數值建模，從而使評估跨越這些尺度風電場的大氣影響變得極為困難。影響當地天氣中尺度過程的大小約為5公裡至數百公裡，通常使用1-10 公裡的網格間距進行建模。微尺度過程驅動風電機組和風場運行，尺寸再縮小到1 公裡以內，並且水平網格間距在5到100 米之間。在垂直方向上，微尺度模型的解析度可能會達到幾米以內，但是流動被視為水平網格間距上的均值，因此無法解析影響機組的流場細節。如果這個過程的長度尺度遠大於模型網格間距，則能顯式求解該過程；如果過程的長度尺度遠小於模型網格間距，則需對過程進行參數化或簡化。

中尺度和微尺度過程的交界處存在約1.5-0.5公裡的大氣現象（圖3）。該區被Wyngaard稱為「未知地帶」（未知區域），橫跨大氣過程及其各自的物理模型，這些模型具有根本不同的特徵和理解。在大於1.5-0.5 公裡的空間尺度上，模型僅求解平均流動，隱式參數化了湍流的影響，而較小尺度的模型則能顯式地求解湍流，並模擬隨時間變化的隨機流場。兩者之間的聯繫取決於對過渡性質的全面理解，而這種理解目前還很難。

隨著與風電機組和風電場相關經濟性因素將葉尖高度和風輪尺寸增加至200 m，並期望在未來獲得更大尺寸，描述這個未知區域已變得越來越重要。在這種尺度下，風電機組會受到湍流特徵的影響，這些湍流特徵是由中尺度現象驅動的，並在這個尺度內發揮作用。具體來說，這些大氣過程的空間尺度開始與風輪的尺度和高度相匹配，因此，對於人們難以理解的區域，其物理性質對於確保單個機組和整個風場的最佳設計和性能至關重要。

在理解風電場流動機理方面，與中尺度到微尺度過渡密切相關的內容是個額外的挑戰。首先，通過風場的氣流取決於大氣和地形、近海海面或兩者的綜合影響所產生的微尺度流動效應。第二，與機組本身的相互作用，當氣流流經電場中的每一排機組也改變了流動。

儘管過去使用簡化的物理模型和基本的觀測技術，可以安裝風電場並預測其在各類地形的發電性能，但我們對複雜地形或在不同大氣穩定性條件下的流場的認識，仍然存在很大差距，這種穩定性描述了可能會在一天中或季節內發生變化。再轉向海風引發的氣象/海洋（又稱海洋氣象）附加物理耦合的環境，在該環境中，仍然存在複雜的建模不確定性，尤其是在破碎或不規則波浪，大氣穩定性和熱帶風暴的情況下。

尾流的產生（流場由於被捕獲了能量，而在其中產生的低能量區域）在圖3中以霧狀流場的形式顯示在微尺度流場圖的風電機組後面，以及中尺度部分的整個風電場之後。尾流的存在，使對整個風電場性能（能源生產）及風電機組承受的載荷（資本和運營成本）過程的理解變得更加複雜。風電機組尾流非常複雜：它們的行為會根據機組尺寸和設計的特性，以及隨不同的入流情況和機組運行條件變化而變化，並且可在給定的風電場內甚至相鄰的電場間具有持久的影響。

已經可使用中尺度建模工具和現場測量探索一座風電場的尾流對下遊電場以及當地環境的影響，但目前尚不能充分理解。局部微氣候可測量的變化會影響地表溫度，溼度和農業，但這些影響也是高度可變的，難以預測。海上風電場的微氣候更是如此。一些研究者質疑風能的區域發展在什麼時候達到飽和，然後收益遞減，但意見分歧很大。風電場的尾流也隨大氣穩定性而變化，這使評估幹擾的能力變得複雜。最後，資源的區域強度可能會受到氣候變化的影響，從而為未來風電場開發選址和盈利能力帶來問題。

用於遙感的測量技術的最新進展（使用雷射，聲學或雷達來測量大氣現象）被用來描述風場中傳播的尾流。然而，這些技術的進一步發展，及其在廣泛環境條件下測量活動中的應用，需要進一步解決尾流的物理特性，及其對單個機組、整個電場和場間運行的影響。在近海海洋環境中，測量更具挑戰性。在這些情況下，Sempreviva等人展示了如何將燈塔，輪船和浮標的數據集成，並與遙感和建模相結合。這樣的平臺可以擴展測量範圍，但也有其自身的局限性，這說明需要對儀器和技術進行更大的創新。

5、第二大挑戰：大型風電機組的空氣動力學，結構動力學和海上風-水動力學

除了葉片在旋轉之外，運行中的風電機組看起來似乎非常穩，但是由於在各個方向上受到的力和力矩，以及在整個20年或更長的使用壽命中，整個系統都一直在不斷屈伸運動。持續運動的基礎是流入和流經風場的風與機組之間重要的相互耦合作用。風電機組在其整個使用壽命中的動態響應值得深入研究。

在過去的幾十年中，風電機組的數值仿真能力結合了最前沿的風電機組機理知識（例如，耦合空氣動力學，結構動力學，控制系統，甚至是海上應用的流體動力學），使風能行業能夠設計可以連續多年提供高效發電能力，在各種極端天氣下都可安全的機組。結果，風電機組已經成為了世界上最大的柔性旋轉機械，即在恆定的複雜載荷下必須連續運行20年或更長時間（典型的設計和財務攤銷期）的大型工程結構。葉片長度已接近80 m，並且塔頂高度已遠遠超過100 m，最高葉尖高度通常超過200 m，相當於一座60層以上的建築物。這個尺寸用另一個方式來描述：目前最大的客機、翼展為80 m的空客A380-800s，可以安裝3架在一個風電機組的風輪掃略區域內。

但是，對於陸上和海上應用，業界都在尋求更大的風電機組，使其能夠在更高空的風速下獲得更高的規模經濟性，從而降低單位容量的製造、安裝和運營成本。隨著機組尺寸的不斷增加，圍繞風電機組動力學存在一些重要的研究問題。風電機組動力學與大氣，尾流和其他源於複雜氣流作用於風輪，以及高雷諾數和巨大且柔性設備的氣彈行為之間的相互作用。另外，在包括極端天氣事件，或在具有額外移動自由度的漂浮平臺上的安裝，存在與在海上安裝運行相關的動力學。

未來的大型風電機組將部分運行在經常研究的大氣表層之上，在那裡，它們可能會遇到流場的顯著變化，這是由於特徵性較差的因素，例如風切變（風速的垂直差異）、轉向（風向的垂直差異）以及上遊風電機組的尾流。挑戰不僅在於了解大氣層，而且在於破譯哪些因素對發電效率和結構安全至關重要。設計思考必須越來越多地考慮中尺度到微尺度的轉變與風電機組動力學的相互依賴性，以評估、準確預測和控制載荷。

空氣動力學的假設本身越來越受到質疑。瞬變的氣流與受非定常空氣動力學運動且變形的葉片之間的相互作用，正推動著當前理論的發展。丹麥技術大學現在可能進行的最大規模的最新實驗表明，這些大葉片與不同湍流強度的相互作用可能會影響翼型的基本升力和阻力特性，這在較小尺度時不予考慮。由於很難在無法控制的大氣中獲得實驗真值，因此研究人員正在尋找下一代百億億次超級計算機，以提供將葉片表面邊界層（以微米為單位）與行星邊界層（以公裡為單位）之間存在聯繫的分析洞察。

這些高度柔性結構的彈性位移使空氣動力學複雜化，隨著機組尺寸的增加，它們產生了複雜的氣動彈性行為。葉片穿過空氣渦流，渦流通常在下遊對流，並遠離相對較硬的結構。當葉片彎向和彎離風時，風輪與其產生的渦流相互作用，這使設計假設的準確性受到質疑。此外，結合複合材料的葉片的結構動力學，內置的曲率和掠角以及大的非線性變形（包括扭轉和彎曲扭曲耦合），進一步增加了物理模型的複雜性和關鍵設計方面的評估，例如穩定性。實際上，儘管到目前為止，氣彈穩定性通常並不是風輪葉片設計的主要考慮，但對於未來的高柔性大風輪而言，情況可能會有所改變。的確，穩定性分析對於避免共振現象，確保顫振的安全裕度，以及理解低阻尼模態對振動和載荷的影響是必要的。

海上風電場需要將空氣動力學，與波浪和洋流產生的水動力學相結合進行建模。儘管幾十年來已經設計和建造了包括石油鑽探平臺在內的各種海上結構應用，但空氣動力和水動力的大小卻不大相似，它們之間的相互作用也沒有達到需要進行耦合分析的程度。為了探索專門風能的海上支撐結構的構造，水動力學模型將需要涵蓋海況的非線性和不規則性，碎波，高雷諾數對鈍體的粘性影響，渦激振動，以及海床基礎動態土壤-結構的相互作用等等。與這些海上應用特別相關的是極端天氣條件，例如颶風或熱帶氣旋，這種情況在計劃進行海上風能開發的許多地區（例如在美國東海岸或太平洋上）非常普遍，靠近韓國，臺灣和日本。Han 概述了在受颶風影響的地區建造海上風電場時必須考慮的因素。

有望使水深在60m或更深廣闊海域的風能開發成為可能的漂浮式海上系統，其風電機組平臺（74）的運動有額外的自由度。如果整個風輪都搖晃進出自己的尾流，則風輪與自身的渦流相互作用（對於大型葉片）的不確定性會放大，就像在漂浮基礎上發生的那樣。由於空氣動力學複雜性加劇了空氣動力學問題，因為這些風電機組進行的大運動違反了通常用於海洋結構設計的水動力學理論假設。這種複雜的氣動-水動力-伺服-彈性系統的耦合穩定性分析是過去尚未徹底研究的問題。

新材料和製造方法是實現這些結構開發的必要組成部分。了解動態特性將有助於建立設計要求，但是，這將需要材料和製造技術方面的突破，以實現低成本，可靠的系統設計。儘管過去幾十年來，風能已從材料創新中受益，包括通過纖維增強複合材料，稀土永磁體，電力電子半導體，潤滑劑等，但仍然迫切需要改善材料性能以應對特別惡劣的環境條件和運行載荷。與風能材料科學和工程相關的獨特挑戰是，不僅需要針對具體應用調整或定製材料性能，而且還需要商品化，即易於以極低成本批量生產。可回收性是另一個可取的特性（圖4中顯示了一個示例）。機組的葉片和各種子組件必須大規模集成（1至100 m或更大），但它們的屬性需要以較小規模（1μm至1 mm或更大）進行定製。

葉片需要足夠的剛度來避免撞擊塔架，需要有足夠的柔性以持續適應不斷變化的風況，可以持續使用20年的耐久性，以及可以抵抗腐蝕，同時減少水分和汙垢的表面，所有這些都要以商品價格計算。現代葉片仍使用類似於90年代風電機組的材料，它們基於低成本的複合纖維和耐用的環氧樹脂。需要樹脂基體，纖維增強材料和芯材以及粘合劑和製造方案方面的創新，以非常低的成本獲得更高的強度，剛度和重量性能。如果熱塑性樹脂可以證明對葉片可行，則可以極大地改善葉片的製造，從而允許複合結構元件的二次焊接，並且最重要的是，壽命結束時可回收利用。除了葉片，塔架，承載底盤，用於監測設備和環境的傳感器，機械傳動部件，例如軸承和潤滑劑，進一步創新將使電氣傳動系統組件（例如發電機）以及變流器，功率控制和電網支持功能中使用的半導體等受益。

6、第三大挑戰：將風電場融合到未來電網中的系統科學

全球電力系統在幾個時間尺度上運行，提供了對大宗能源和瞬時電力的所有需求。時間尺度隨電網穩定性和可靠性、運行和規劃需求的變化而變化，並從亞秒延伸到幾十年（圖5）。在這些較寬的時間範圍內，發電廠必須為電網提供多項功能，包括防雷、短路和浪湧保護，在瞬態、諧振和電壓不穩定的擾動下進行穩健運行，在幾分鐘到幾小時內滿足能源需求，確保長期可預測和可控的產能供應。此外，大型旋轉機器（如現在熱電廠和水力發電廠中發現的機器）產生的電能形成一個能量傳輸網，其特性（如頻率、電壓和相位）由這些發電機的物理旋轉和慣量決定。

隨著傳統發電廠的物理慣量相對於整體系統容量的下降，基於變流器的發電（例如風能和太陽能發電場）必須提供更多可預測和可控制的電力以支持電網可靠性，穩定性和電力服務。如今的風電場可以滿足當前電網的許多需求，但是還需要進行進一步的研究，以解決未來的風電場及其特殊屬性如何用於滿足基於變流器電網的需求的問題。實現這一未來的道路將需要在大氣流動建模、單個風電機組動力學、風電場控制以及更大的電力系統運行的交叉點進行大量研究。三個相交的研究領域構成了第三大挑戰：風電場的控制，以變流器為主導的電網以及用於系統分析和運行的數據集成和建模計算方法。

第一步，研究人員必須通過提供足夠的控制權限來服務於不斷擴展的功能集，從而解決與風電場相關的挑戰。不斷增長的風電場運行的經驗表明，管理具有數百個隨機運行的單個風電機組系統的複雜性。最近的研究強調了不僅使能量產出最大化，而且通過管理風場流場以提高系統性能的可能性。通過監測實時運行中可用的數據，風電場控制的新機會正在出現。對流場和動力學的更全面的了解，使電場運行狀態的實時表徵，以及在短期內控制流場和風電機組響應的能力成為可能。創新的控制可以利用機組設備的特性來提供輔助服務（例如，可以利用風輪的轉動慣量來克服電網故障，或者可以使用連接到發電機的變流器中的功率電子設備來管理電網需求）。例如，最近的工作已經使用這種集成的建模方法，來研究風電場進行有功功率控制的潛力。

支持未來以變流器為主的電網系統所需的研究超出了單個風電場的控制範圍。例如，風電機組提供了潛在的物理慣量源，但通常通過電力電子轉換器將機組（現存的）和太陽能與電網互連，電力電子轉換器使用軟體和控制項來賦予他們類似於傳統電廠的屬性。未來配備適當電力電子設備的風電場可以提供物理或「合成慣量」，後者使風電機組能夠充當「虛擬同步發電機」。考慮到可再生能源對電網的貢獻高達25％的研究，需要進一步完善，以達到50％甚至80％以上的份額。

還需要新的傳感器和數據管理技術來獲取和傳輸關於未來電網狀態的實時數據，未來電網將更多地依靠信息而不是物理慣量。數據源將包括測量和模擬的組合。先進的隨機系統分析和數據科學的機會已經成熟，可以從區域天氣狀況和預報、描述單個風電機組和電廠狀態的數百萬個信號以及整個電網的實時更新中提取價值信息。此外，系統運行各個方面的不確定性（從天氣對可再生能源可用性和電力需求的影響到儲能的可用性和許多其他現象）使得這是一個非常大的隨機和動態優化問題，需要更多的應用數學與計算科學社區參與。

7、風能科學學科集成的作用

這些風能研究的巨大挑戰是相互依存的。在設計下一代甚至更大的低成本風電機組方面取得進展時，描述大氣中的風電場運行區域至關重要，同時了解機組的動態控制和預測大氣流場的性質將有助於控制電網支持所需的電場數量。風能科學還涉及大氣中越來越大範圍的時空尺度上的物理學耦合，巨大的柔性氣動彈性和機械系統，以及與洲際電網系統的集成和支持。

儘管各個學科的持續進步非常重要，但認識到理解跨學科的考慮因素和技術驅動因素的價值也至關重要。類似於航空航天學科如何在材料、製造、空氣動力學、結構和控制方面取得重大成就，同時在更廣泛的飛機和太空飛行器系統上進行創新，風能科學的新興學科尋求利用深層學科專業知識和系統知識來應對複雜和多方面的挑戰。

幾所大學和研究機構已經成功地進行了風能學科集成研究的示範，在這些研究機構中，國家和國際資助的項目通過跨學科設計，旨在應對前面描述的一些挑戰。這些機構已經開始在專門研究風能的部門中培訓下一代科學家和工程師。歐洲風能學院是由40多家歐洲大學組成的合作組織，主要從事風能研究和教育活動，這是圍繞風能組織一門科學學科的又一例證。滿足全球清潔能源需求風能的未來增長，將需要跨越傳統學科，更加專門的風能研究。如圖6所示，可以通過吸引來自各個部門和學科的研究人員來實現朝著將風能科學作為自己的學科進行研究的這一轉變。

除了集成風能研究的廣泛科學、工程和數學需求外，處理和簡化跨多個學科（實驗和計算）的大量信息交換的方法，對於成功的綜合研究至關重要。在計算和數據科學相關領域的研究，將進一步支持風能科學界，因為它尋求跨尺度和學科集成的模型和數據。

這種跨學科的風能科學和工程方法為開發解決方案提供了潛力，這些解決方案不僅可以推進風電機組子系統的最新技術的發展，也可以為推進整個系統（從風電機組到風電場再到整個電力系統）提供必要的集成解決方案。當通過全面了解大背景的現實情況來了解各個領域的活動時，這樣最有可能獲得成功。長期的研究挑戰已經迫在眉睫，我們需要立即採取行動，而新的進展將取決於一代又一代的科學家，他們在各自的專業以及風能科學的廣度方面都受到過精深的教育。

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