想象一下，你透過車窗第一次遇到風(fēng)力渦輪機是在你沿著一條偏僻的高速公路快速行駛時的樣子。風(fēng)力渦輪機給人印象深刻，因為他們巨大的形態(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)電場是否會激起你對這些大規(guī)模生態(tài)保護裝置背后的科學(xué)技術(shù)的好奇呢？兩位IEEE電力與能源協(xié)會（PES）會員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？

簡單地說，“風(fēng)力渦輪機是一種機械機器，它將風(fēng)能的動能轉(zhuǎn)化為機械旋轉(zhuǎn)能，用來做一些工作，”Pourbeik說。

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)實踐。事實上，幾個世紀(jì)以來，風(fēng)力渦輪機已經(jīng)以各種方式發(fā)展起來。Pourbeik說，有記錄的第一臺風(fēng)力渦輪機可以追溯到7世紀(jì)的伊朗，它被用來碾磨谷物和從井里抽水。

Pourbeik說：“現(xiàn)代風(fēng)力渦輪機被用來驅(qū)動電機，然后將旋轉(zhuǎn)機械能轉(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)力渦輪機的電力轉(zhuǎn)換過程是可持續(xù)的；利用風(fēng)能，這個過程比開采或燃燒產(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)電的另一個好處是這種能源是免費且豐富的。Miller說：“當(dāng)我講授風(fēng)力渦輪機的基礎(chǔ)知識時，我經(jīng)常以‘風(fēng)力渦輪機是一種將風(fēng)中的動能/移動的空氣中的動能轉(zhuǎn)化為財富的裝置’這句話開始?！?（The fact that there is electric power generated is incidental.）

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

風(fēng)能的挑戰(zhàn)是什么？

每一項技術(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，并使公眾普遍意識到該技術(shù)是一種可持續(xù)的工具。

Pourbeik說：“設(shè)計這樣的系統(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?！?/p>

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

“自19世紀(jì)末20世紀(jì)初電力系統(tǒng)誕生以來，通過旋轉(zhuǎn)電機將能量從機械能轉(zhuǎn)換為電能，旋轉(zhuǎn)電機直接與大電網(wǎng)相連，”Pourbeik解釋道。這些傳統(tǒng)的機器以恒定的速度運行，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)化為機械旋轉(zhuǎn)能。解決方案是一個旋轉(zhuǎn)的電機連接到風(fēng)力渦輪機，運行速度范圍很廣。

Pourbeik說：“因此，為了將機器（以不同的速度運行）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?！?/p>

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。在過去的幾十年里，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技術(shù)。

Miller說：“我和Pouyan經(jīng)過了第一階段的工作。自本世紀(jì)之交以來，我們目睹（并參與）了技術(shù)、市場、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（美國和其他世界電網(wǎng)）經(jīng)常以我們認(rèn)為在未來幾十年內(nèi)幾乎不可能或不會發(fā)生的風(fēng)力和太陽能發(fā)電水平運行。”

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對可持續(xù)能源的未來和正在開發(fā)的技術(shù)充滿希望。

Miller說：“我們正以驚人的速度繼續(xù)前進，在所有這些方面都增加了創(chuàng)新。實話說，做為一名電力工程師，沒有過比這更好、更令人興奮的時刻了?！?/p>