Vindenergiforskare från US Department of Energy's National Renewable Energy Laboratory (NREL) är bland ett team av författare som inbjuder det vetenskapliga samfundet att ta itu med tre utmaningar som kommer att driva innovationen som behövs för att vinden ska bli en av världens främsta lågkostnadskällor elproduktion.

Deras uppmaning till handling dök upp i en ny tidningsartikel publicerad i Vetenskap .

"Folk tror att eftersom vindkraftverk har fungerat i decennier, det finns inget utrymme för förbättringar. Och ändå, det finns så mycket mer att göra, "säger NREL Research Fellow och artikel medförfattare Paul Veers." Vindenergi har potential att vara en primär källa till lågkostnadsenergi för världen, men vi kommer inte dit på en affärsbana som vanligt. Vi behöver forskare och forskare över hela världen för att gå med oss ​​för att hantera vindens forskningsutmaningar. "

Hösten 2017, NREL sammankallade mer än 70 vindexperter från 15 länder för att diskutera ett framtida elsystem där vind kan tjäna den globala efterfrågan på ren energi. Baserat på denna workshop, artikel ledande författare Veers, NREL Group Research Manager Eric Lantz, och Katherine Dykes från Danmarks tekniska universitet identifierade tre "stora utmaningar" inom vindenergiforskning som kräver ytterligare framsteg från det vetenskapliga samfundet.

Första stora utmaningen:Förbättrad förståelse för vindresursen och flödet i atmosfären där vindkraftverken verkar.

När vindkraftverk ökar i höjd för att fånga större energiresurser och vindkraftverk sprids över större avstånd, vi måste förstå vindens dynamik vid dessa höjder och skalor. Tidigare användning av förenklade fysiska modeller och grundläggande observationsteknik har möjliggjort installation av vindkraftverk och förutsägelser om prestanda i en mängd olika terrängtyper. Men stora luckor finns i vår kunskap om vindflöden i komplex terräng eller under olika atmosfäriska stabilitetsförhållanden. Utmaningen är att modellera de olika förhållandena så att vindkraftverket kan optimeras, kostnadseffektiv, och kontrollerbar - och installerad på rätt plats.

Andra stora utmaningen:Att ta itu med struktur- och systemdynamiken för de största roterande maskinerna i världen.

Vindkraftverk är nu de största flexibla, roterande maskiner i världen, med bladlängder som överstiger 80 meter och torn som stiger långt över 100 meter. För att sätta detta i perspektiv, tre av de största passagerarflygplanen-Airbus A380-800-kunde passa näsa-till-näsa inom det svepade området på en vindkraftsrotor. När maskinerna fortsätter att bli större, nya material och tillverkningsprocesser behövs för att ta itu med de framväxande frågorna om skalbarhet, transport, och återvinning. Dessutom, skärningspunkten mellan turbin och atmosfärisk dynamik väcker flera viktiga forskningsfrågor. Många förenklade antaganden som tidigare generationer av vindkraftverk konstruerades gäller inte längre. Utmaningen ligger inte bara i att förstå atmosfären, men också för att dechiffrera vilka faktorer som är avgörande för både kraftgenereringseffektivitet och strukturell säkerhet.

Tredje stora utmaningen:Design och drift av vindkraftverk för att stödja och främja nätets tillförlitlighet och motståndskraft.

Hög vind- och solgenomträngning kommer att förändra framtidens elnät drastiskt. Wind kan tillhandahålla viktiga nätverkstjänster, som frekvenskontroll, rampning, och spänningsreglering. Innovativa kontroller kan utnyttja vindkraftverkens egenskaper för att optimera produktionen av anläggningsenergi samtidigt som dessa viktiga tjänster tillhandahålls. Till exempel, att använda stora datatekniker om information från sensorer som distribueras på maskiner runt anläggningen kan förbättra energifångst, minska kostnaden, och optimera driften för att möta nätkraven. Vägen till att förverkliga denna framtid kommer att kräva omfattande forskning vid skärningspunkten mellan atmosfärisk flödesmodellering, individuell turbindynamik, och vindkraftverkskontroll med den större elsystemdriften.

Dessa stora vindforskningsutmaningar bygger på varandra. Att känneteckna vindkraftverkets driftzon i atmosfären kommer att vara av avgörande betydelse för att göra framsteg i utformningen av nästa generation av ännu större billiga vindkraftverk. Att förstå både dynamisk styrning av maskinerna och att förutsäga karaktären av det atmosfäriska inflödet kommer att möjliggöra kontroll av anläggningen som behövs för nätstöd.

"Att ta itu med dessa utmaningar genom att ta ett tvärvetenskapligt tillvägagångssätt för vindenergi och teknik kommer att leda till lösningar som främjar det senaste inom vindkraftverkets produktion, "sade NREL Associate Lab Director for Mechanical and Thermal Engineering Sciences och artikelmedförfattare Johney Green." Detta tillvägagångssätt ger också de integrerade lösningar som är nödvändiga för att avancera hela systemet-från turbinen till anläggningen till det övergripande elnätet-för att få oss att redo för framtidens energisystem. "