美国物理学会 信用:CC0公共领域 20年前，风能主要是一个利基产业，对美国总电力需求的贡献不到1%
自那以后，风能成为开发清洁可再生能源的有力竞争者，这种能源可以维持电网运行，满足日益增长的全球能源需求
去年，风能提供了7%的国内电力需求，在全国范围内——无论是陆上还是海上——能源公司已经安装了比以前更高更宽的巨型涡轮机
位于拉勒米的怀俄明大学的工程师乔纳森·诺顿说:“风能将成为发电的一个非常重要的组成部分。”
他承认，怀疑论者怀疑风能和太阳能等可再生能源的可行性，因为它们依赖于天气，性质多变，因此难以控制和预测
“这是真的，”他说，“但是有办法克服它
" 马里兰州巴尔的摩市约翰·霍普金斯大学的诺顿和查尔斯·梅内沃在美国物理学会流体动力学分会第73届年会上组织了一次小型研讨会，研究人员在会上描述了风能的前景和流体动力学挑战
诺顿说，为了让风能变得有用并被接受，研究人员需要设计既高效又便宜的系统
这意味着更好地理解在所有尺度上控制风力涡轮机的物理现象
三年前，美国
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能源部的国家可再生能源实验室(NREL)聚集了来自世界各地的70名专家来讨论科学的现状
2019年，该组织发表了重大的科学挑战，需要解决这些挑战才能使风能满足一半的电力需求
其中一个挑战是更好地理解涡轮机运行的那部分大气的物理特性
“风实际上是一个大气流体力学问题，”诺顿说
“但是风力在涡轮机运行的水平上的表现仍然是我们需要更多信息的领域
" NREL国家风力技术中心的总工程师保罗·维尔说，如今的涡轮机叶片可以延伸50到70米，他在研讨会上概述了这些挑战
这些塔高出周围100米以上
“离岸，他们变得更大，”维尔说
建造更大的涡轮机的好处是，风力发电厂将需要更少的机器来建造和维护，并获得高于地面的强风
维尔说，但是大型发电厂的运行规模还没有得到很好的研究
“我们有很好的能力去理解和处理大尺度的大气，”维尔说
“像乔纳森和查尔斯这样的科学家在流体动力学方面做了惊人的工作来理解小尺度
但是在这两者之间，有一个领域还没有被深入研究
" 另一个挑战是研究这些巨型旋转机器的结构和系统动力学
风与叶片相互作用，叶片弯曲扭曲
诺顿说，旋转的叶片会产生高雷诺数，“而这些是我们没有太多信息的领域。”
维尔说，强大的计算方法有助于揭示物理学
“我们真的在尽可能地推进计算方法，”他说
“它将我们带到目前最快、最大的计算机上
" 诺顿指出，第三个挑战是研究涡轮机组的行为
每个涡轮机都会在大气中产生尾流，当尾流向下游传播时，它会与其他涡轮机的尾流相互作用
尾流可能合并；它们也可能干扰其他涡轮机
或者这个地区的其他东西
“如果顺风处有农田，我们不知道大气流量的变化会如何影响它，”诺顿说
他称风能为“终极尺度问题”
“因为它将涡轮机与空气的相互作用等小规模问题与大气建模等大规模问题联系起来，风能将需要来自各种领域的专业知识和投入来应对这些挑战
“风力是最便宜的能源形式之一，”诺顿说
“但是随着技术的成熟，问题变得更加困难
"
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