想象一下，你透過車窗第一次遇到風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。風力渦輪機給人印象深刻，因為他們巨大的形態，并且也象征著全球廣泛采用這種能源作為一種手段，以產生可持續的能源解決方案。

看到路邊的一系列風電場是否會激起你對這些大規模生態保護裝置背后的科學技術的好奇呢？兩位IEEE電力與能源協會（PES）會員Pouyan Pourbeik和Nicholas Miller解釋了風力發電技術是如何工作的，以及它為什么如此重要。

什么是風力渦輪機？

簡單地說，“風力渦輪機是一種機械機器，它將風能的動能轉化為機械旋轉能，用來做一些工作，”Pourbeik說。

利用自然資源風能作為能源生產并不是一種新的技術實踐。事實上，幾個世紀以來，風力渦輪機已經以各種方式發展起來。Pourbeik說，有記錄的第一臺風力渦輪機可以追溯到7世紀的伊朗，它被用來碾磨谷物和從井里抽水。

Pourbeik說：“現代風力渦輪機被用來驅動電機，然后將旋轉機械能轉換成電能，以滿足住宅、商業建筑和工業的用電需求。”

風力發電如何成為可持續發展的技術？

風力渦輪機的電力轉換過程是可持續的；利用風能，這個過程比開采或燃燒產生大量排放物的材料更清潔。風能是減少碳排放、消除空氣中其他形式污染、最終擺脫對地球產生相反影響的傳統方法的解決方案。

風力發電的另一個好處是這種能源是免費且豐富的。Miller說：“當我講授風力渦輪機的基礎知識時，我經常以‘風力渦輪機是一種將風中的動能/移動的空氣中的動能轉化為財富的裝置’這句話開始。” （The fact that there is electric power generated is incidental.）

Miller說：“你負擔不起一個能一直捕捉所有可用能量的風力渦輪機。”

風能的挑戰是什么？

每一項技術都有自己的一系列挑戰，工程師有能力去解決這些挑戰。作為電力工程師，Pourbeik和Miller目前面臨的障礙是將其整合到現有的電網中，并使公眾普遍意識到該技術是一種可持續的工具。

Pourbeik說：“設計這樣的系統并將其穩妥地集成到世界范圍的電力基礎設施中存在著挑戰，但這正是電力和能源工程領域當前技術環境如此令人興奮的原因所在。”

能源網面臨的挑戰之一是儲能和可靠性。傳統上，當用戶需要電力時，發電和電網就能夠滿足這種需求。Miller說：“但是隨著風能和太陽能的出現和爆炸性增長，決定何時供電的是大自然，而不是消費者。”

“自19世紀末20世紀初電力系統誕生以來，通過旋轉電機將能量從機械能轉換為電能，旋轉電機直接與大電網相連，”Pourbeik解釋道。這些傳統的機器以恒定的速度運行，這意味著它們產生的電力頻率也是恒定的。

由于風力發電機的轉速不斷變化，電力工程師必須找到一種方法，將風能有效地轉化為機械旋轉能。解決方案是一個旋轉的電機連接到風力渦輪機，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（具有固定頻率）連接，需要使用電力電子轉換器接口。因此，從電網上看，發電設備的電氣特性變得非常不同。”

雖然電力電子轉換器已被用于其他方面，但從未像現在這樣大規模地將風力發電廠的心臟與電網連接起來。在過去的幾十年里，電力和能源工業一直在學習如何以最可靠的方式利用這項技術。

Miller說：“我和Pouyan經過了第一階段的工作。自本世紀之交以來，我們目睹（并參與）了技術、市場、監管和理解方面的創新穩步消除了這一挑戰。今天，我們（美國和其他世界電網）經常以我們認為在未來幾十年內幾乎不可能或不會發生的風力和太陽能發電水平運行。”

IEEE PES和可再生能源集成社區都非常關注如何使電網以一種可靠、安全、清潔和負擔得起的方式工作。但Pourbeik和Miller對可持續能源的未來和正在開發的技術充滿希望。

Miller說：“我們正以驚人的速度繼續前進，在所有這些方面都增加了創新。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。”