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利用风能是最清洁、最可持续的发电方式之一. 风力发电不会产生有毒排放物，也不会产生温室气体全球变暖. 这, 事实上，风力发电是最丰富且成本竞争力日益增强的能源之一, 使其成为对危害我们健康和威胁环境的化石燃料的可行替代品.

风能是世界上发展最快的电力来源. 2012年，全球新增装机容量近4.5万兆瓦. 与2011年相比，这一数字增长了10% [1].

美国安装了创纪录的13台,2012年风电装机容量为351兆瓦, 能够产生足够的电力供300多万普通家庭使用[2]. 2012年，风能在美国发电量中所占比例不到4%, 它已经为美国9个州提供了超过10%的电力。3]. 由于它的诸多好处和显著降低的成本, 在我们迈向可持续能源未来的过程中，风力发电将发挥重要作用.

风能的历史

风能既古老又新颖. 源自古希腊的帆船, 到工业化前荷兰的谷物磨坊, 到明尼苏达州大草原上拔地而起的最新高科技风力涡轮机, 人类利用风力已有上千年的历史.

在美国, 风能最初的鼎盛时期是在1870年到1930年之间, 当时全国成千上万的农民利用风能抽水. 早在20世纪20年代，小型风力涡轮机就在农村地区使用, 20世纪40年代，大型机器的原型机被制造出来. 然而，当新政将电网连接到农村时，风车就失去了作用.

在20世纪70年代的能源危机期间，人们重新燃起了对风力发电的兴趣. 20世纪70年代，美国能源部(DOE)的研究重点是大型涡轮机的设计, 资金将流向主要的航空制造商. 虽然这些2兆瓦和3兆瓦的机器在当时被证明是不成功的, 他们确实提供了叶片设计和工程原理的基础研究.

现代风能时代始于20世纪80年代的加州. 1981年至1986年, 小公司和企业家安装了15台,000台中型涡轮机, 为旧金山的每个居民提供足够的电力. 受化石燃料高成本的推动, 暂停使用核能, 以及对环境恶化的担忧, 该州提供税收优惠以促进风力发电. 这些政策，加上联邦税收优惠政策，帮助风能产业起飞. 1985年税收抵免到期后，风力发电继续增长，尽管速度有所放缓. 也许风力发电增长放缓的更重要原因是20世纪80年代中期化石燃料价格的下降.

在90年代早期, 技术的进步提高了涡轮机的可靠性，降低了生产成本，为风能的发展提供了另一个动力. 除了, 对全球变暖和第一次海湾战争的担忧促使国会通过了《517888九五至尊娱乐》——一项全面的能源立法，其中包括对风能和生物质能发电的新的生产税收抵免. 然而, 此后不久, 电力行业开始期待大规模的结构调整, 在那里，电力供应商将成为竞争者，而不是受保护的垄断企业. 对各种新电厂的投资急剧下降, 特别是对于风能等资本密集型可再生能源技术. 美国最大的风能公司, Kenetech, 1995年宣布破产, 突然减速的受害者. 直到1998年，美国的风能产业才开始持续增长, 这在很大程度上要归功于联邦税收优惠政策, 国家级可再生能源要求和激励措施, 从2001年开始，化石燃料价格上涨.

而风能行业从21世纪初开始大幅增长, 它经历了一轮又一轮的繁荣与萧条周期, 联邦税收优惠政策时断时续. In 2006, 一段不间断的联邦政府对风能的支持开始了, 这导致了几年创纪录的增长.

在世界其他地区，特别是在欧洲，风能得到了更稳定、更长期的支持. 结果是, 与美国相比，欧洲国家目前能够以更少的土地面积和资源潜力，通过风力发电满足更多的电力需求. 以丹麦为例，风力发电已经满足了该国30%的电力需求. 风力发电也占葡萄牙全国电力需求的17%左右, 爱尔兰13%, 德国则为11% [4]. 认真承诺减少温室气体排放, 地方发展, 以及避免燃料进口的决心一直是欧洲风力发电发展的主要推动力.

风能资源

风的资源——风的速度, 多长时间, 当-在其发电成本中起着重要的作用. 风力涡轮机的输出功率是风速的立方. 换句话说，如果风速增加一倍，输出功率增加8倍. 因此，更快速度的风更容易捕获，成本也更低.

风速分为7级，1级最低，7级最高. 风资源评估评估的是一段土地上的平均风速.g. 50米高)，并将该地区划分为风级. 风力涡轮机在有限的风速范围内运行. 如果风太慢, 他们无法转身, 如果太快了, 它们关闭以避免被损坏. 3级风速(6级.7 – 7.通常需要4米/秒(m/s)或以上才能经济地发电. 在理想的情况下, 风力涡轮机应与资源的速度和频率相匹配，以最大限度地提高发电量.

从20世纪90年代末开始, 美国能源部国家可再生能源实验室(NREL)一直在与各州政府合作，在各州的基础上制定和验证高分辨率的风能资源潜力评估. 2012年对美国陆上风电技术潜力的评估发现了近33个,000太瓦时的电位, 相当于2012年美国总用电量的8倍[5].

尽管目前还没有项目在美国安装, 位于海上的风力资源也提供了巨大的潜力, 还有一个额外的优势是靠近高密度的沿海人口中心. 美国海上风电的技术潜力接近17%,000 TW, 是2012年美国总用电量的四倍[6].

有几个因素会影响风速和涡轮机产生更多电力的能力. 例如，风速随着离地面高度的增加而增加. 如果离地面10米处的风速为6米/秒，则约为7米/秒.5米/秒，高度50米. 2003年斯坦福大学的一项研究调查了高海拔地区的风速，发现多达四分之一的美国——包括历史上被认为风力潜力不足的地区——可能适合提供负担得起的风力发电。7]. 为了在高海拔地区利用这种潜力, 最新的风力涡轮机的转子现在可以达到130米的高度。8]. 除了高度, 风力的强度随温度和海拔而变化, 两者都会影响空气密度. 明尼苏达州的冬季风将比同样速度的南加州夏季风携带更大的能量.

风吹得越多，风力涡轮机产生的电力就越多. 但是，当然，风不会一直持续地吹. 用来描述这种情况的术语是“容量因子”,“这就是涡轮机在一段时间内实际产生的功率除以它在这段时间内以最大额定容量运行时可能产生的功率.

一种更精确的产出测量方法是“特定产量”.它测量的是涡轮叶片旋转时扫过的每平方米面积的年能量输出. 总的来说，风力涡轮机捕获了20%到40%的风能. 所以在平均风速为7米/秒的地方, 一台典型的涡轮机将产生大约1,每年每平方米面积100千瓦时. 如果涡轮机的叶片有40米长, 总扫描面积为5,029平方米, 输出功率约为5.每年500万千瓦时. 叶片长度的增加, 这反过来又增加了扫过的面积, 能否对风力涡轮机的输出功率产生重大影响.

影响风力发电成本的另一个因素是涡轮机与输电线路的距离. 一些大的风区, 特别是在高平原和落基山脉的农村地区, 有巨大的能源生产潜力吗, 尽管由于远离负荷中心，它们一直无法得到发展. 认识到这, 各州政府和美国能源部已经开始合作确定这些“可再生能源区”，并通过输电规划整合这些资源的开发.

风力资源的最后一个考虑因素是风速的季节和日变化. 如果在电力需求高峰期间刮起风, 风力发电场的电力将比在非高峰时期更有价值. 在加州, 例如, 夏季，中央山谷的高温和旧金山附近海岸的低温导致强风吹过阿尔塔蒙特山口, 电力需求旺盛的时期.

解决风力发电的可变性

对于电力公司来说，处理大规模的风的可变性绝不是不可克服的. 电网运营商必须适应电力需求的不断变化, 打开和关闭发电厂, 并且随着用电量的上升和下降，每一秒都在改变它们的输出. 运营商总是需要让发电厂处于备用状态，以应对需求的意外激增或下降, 以及电厂和输电线路的中断. 因此，运营商不需要对每个风力设施的风力输出变化做出反应. 除了, 风总是在某个地方吹, 因此，将风力涡轮机分布在广阔的地理区域有助于消除资源的可变性.

在实践中, 许多公用事业公司已经证明，风能可以在不存在可靠性问题的情况下为他们的电力供应做出重大贡献. Xcel能源公司，为近3.500万客户遍布西部和中西部的八个州, 目前拥有风电投资组合总计4个,并计划将其风力发电能力提高到457兆瓦,2018年达到800兆瓦[9]. 在科罗拉多州, 最近，在风力强劲、电力需求较低的几个晚上，Xcel依靠风力提供了超过50%的电力. 在类似的条件下，Xcel在明尼苏达州也有37%的电力来自风力发电。10]. 在欧洲的一些地区，风力发电已经提供了超过20%的电力，而且对系统可靠性没有不利影响. 例如，德国有三个州的风电渗透率至少达到40% [11].

将风能并入电网的挑战可能会增加成本，但不会增加太多. 美国几个地区的公用事业公司进行了广泛的工程研究, 以及在欧洲的实际运营经验发现，即使渗透率高达20%, 电网整合成本仅占风力发电批发成本的10%左右. 然而, 因为风能的可变成本很低, 它可以通过取代运行成本较高的机组的输出来降低整个系统的运行成本.g.，燃气轮机).

增加风能的使用实际上有助于建立一个更可靠的电力系统. 今天的现代风力涡轮机有复杂的电子控制，可以不断调整其输出, 并且可以帮助电网运营商稳定电网，以应对意外的运行状况, 比如电线或发电厂停电. 这为电网运营商提供了更大的灵活性来应对此类事件. 存储技术的发展前景也可以提高未来的可靠性, 尽管至少在接下来的几十年里，在没有储能的情况下，仍有足够的空间来大幅扩大风能的使用.

风力涡轮机的力学原理

现代电动风力涡轮机有几种不同的风格和许多不同的尺寸, 取决于它们的用途. 最常见的款式, 大或小, 是“横轴设计”(叶片轴线与地面水平). 在这个涡轮机上，两个或三个叶片在它所在的塔的逆风处旋转.

小型风力涡轮机通常用于提供电网外的电力, 从很小的, 为帆船上的电池充电而设计的250瓦涡轮机, 到为奶牛场和偏远村庄供电的50千瓦涡轮机. 就像古老的农场风车, 这些小型风力涡轮机通常有尾部风扇，使它们朝向风.

大型风力涡轮机, 最常用于公用事业，为电网提供电力, 范围从250千瓦到巨大的3.在海上使用的5到5兆瓦的机器. 2009年，陆基风力涡轮机的平均容量为1.75 MW [12]. 公用事业规模的涡轮机通常成组或成排地放置，以利用主要的风点. 像这样的风力“农场”可以由几个或数百个涡轮机组成, 为成千上万的家庭提供足够的电力.

从外面看, 水平轴风力涡轮机由三大部分组成:塔架, 叶片, 在叶片后面还有一个盒子, 叫做机舱. 机舱内是大部分动作发生的地方，在那里运动转化为电力. Large turbines don't have tail fans; instead they have hydraulic controls that orient 叶片 into the wind.

在最典型的设计中，叶片连接在一个进入变速箱的轴上. 齿轮箱，或变速器，提高旋转的速度，从大约50转到1800转. 较快的转轴在发电机内部旋转，产生交流电. 电力必须以合适的频率和电压产生，以与公用电网兼容. 因为风速变化, 发电机的速度可以变化, 产生电流的波动. 解决这个问题的一个办法是采用恒速涡轮机, 叶片调整的位置, 通过稍微向一侧转动, 当风速加快时减速. 另一个解决方案是使用变速涡轮机, 叶片和发电机随风改变速度的地方, 精密的电源控制装置可以调节电力输出的波动. 第三种方法是使用低速发电机. 德国的Enercon涡轮机有一个直接驱动，跳过了升压变速箱.

与恒速涡轮机相比，变速涡轮机的一个优势是它们可以在更大的风速范围内运行. 如果风太慢，所有的涡轮机都有其所能承受的风速上限和下限, there's not enough power to turn 叶片; if it's too fast, 设备有损坏的危险. 涡轮机的“切断”和“切断”速度可以影响涡轮机运行的时间，从而影响它们的功率输出.

风能市场

风能发电的成本已经从1981年的25美分/千瓦时下降到2008年的平均4美分/千瓦时, 50%的项目在3.3 to 5.2美分/千瓦时(包括联邦生产税抵免) [13]. 尽管自2005年以来风力涡轮机的价格有所上涨(更多信息见下文), 在拥有最好资源的地区, 与煤和天然气发电厂的新一代发电相比，风力发电在成本上具有竞争力. 事实上, 美国能源部劳伦斯伯克利实验室的分析发现，自2003年以来，风电价格一直与批发电力具有竞争力.

随着风力发电成本变得更具竞争力，世界各地的需求呈指数级增长. 全球风力发电能力从去年的6%多一点增长到现在,从1996年的000兆瓦增加到282兆瓦以上,在2012年底达到500兆瓦[14]. 最近增长最为显著的是美国, 中国。, 印度, 和欧洲, 而是加拿大的市场, 亚洲和太平洋其他地区也在迅速崛起.

2012年底，美国风电市场规模超过6万兆瓦. 其中近一半的产能位于德克萨斯州、加利福尼亚州、爱荷华州、伊利诺伊州和俄勒冈州。15].

截至2012年, 美国拥有仅次于中国的第二大风电装机容量(总风电装机容量为75台),324 MW) [16]. 美国的许多风能开发都是由联邦政府推动的生产税抵免 (PTC)和州级可再生电力标准(RES). PTC提供一个2.在风力发电设施运作的头10年内，每千瓦时可获1美分的税收抵免[17]. 尽管它是风能发展的主要驱动力之一, 自1999年以来，联邦政府已经三次允许PTC到期. PTC的这些失误导致了一个繁荣-萧条的周期，使风电行业一度大幅放缓了好几个月.

自2004年底以来，PTC一直保持不变, 并作为2009年《617888九五至尊娱乐》的一部分延长至2012年[18]. 2012年底, 国会通过了对2013年开始建设的风电项目的PTC有限延期[19].

国家级可再生电力标准 (RES), 也通常称为可再生投资组合标准(RPS), 要求发电的最低比例来自可再生能源. 通过创造对更多可再生能源的需求, 这些政策也是美国风能发展的主要推动力. 在风电装机容量排名前10位的州中，有9个州制定了可再生能源政策, 从1998年到2011年，风力发电约占州可再生能源新增装机容量的89% [20, 21]. 除了服务于近期市场, 29个州(加上华盛顿), 采用可再生电力标准的直流电(DC)也旨在刺激未来几年的重大新发展. 其他州级政策也在推动美国风电市场, 包括可再生电力基金和各种税收优惠.

除了, 自愿性绿色电力市场和公用事业“绿色定价”计划导致了一个较小的, 但迅速扩大的风电开发市场. 美国能源部在2010年公布了这一数据, 超过3500万兆瓦时的可再生能源发电在自愿市场上出售，这对美国可再生能源供应总量做出了重大贡献, 风力发电占自愿销售的83%。22]

风能的未来

价格竞争越来越激烈, 日益增长的环境问题, 并呼吁减少对外国能源的依赖, 风能的强劲未来似乎是肯定的. 全球风能理事会预计，全球风电装机容量将达到536个,到2017年将达到1000兆瓦, 几乎是现在的两倍, 增长尤其集中在亚洲和欧洲[23]. 涡轮机越来越大，越来越复杂, 陆基涡轮机现在通常在1-2兆瓦范围内, 以及3-5兆瓦范围内的海上涡轮机. 风电行业的下一个前沿领域是能够在较低风速下运行的深水近海和陆基系统. 两项技术的进步都将为新的发展提供广阔的空间.

与任何经历快速增长的行业一样, 在前进的道路上偶尔会遇到挑战. 就像美国经济的很多方面一样, 金融危机对风能行业造成了沉重打击, 减缓了新项目的融资，阻碍了不断增长的美国制造业的发展. 人们还担心在一些地方与鸟类和蝙蝠物种发生碰撞. “邻避”问题继续拖慢一些地区的发展. 但是新的生产设施, 仔细的选址和管理实践, 提高公众对风能巨大而多样的好处的认识将有助于克服这些障碍. (参见: 风能对环境的影响.)

美国能源部2008年的一项综合研究发现，到2030年将风力发电扩大到20%是可行的, 负担得起的, 而且不会影响国家电力供应的可靠性. 除了表明这是可以做到的, 据估计，实现这一目标将创造500多个就业机会,美国新增1万个就业岗位, 每年减少8.25亿吨温室气体排放(约20%), 节省4万亿加仑的水24]. 除了这些好处之外，还将大大改善子孙后代的空气和水质，并大大减少受化石燃料价格波动影响的可能性. 而达到这一水平需要国家的坚定努力, 风能已经准备好迎接挑战了.

引用:

[1]全球风能理事会(GWEC). 2012年全球风能报告.

[2]美国风能协会. 2013. Wind energy top source for new generation in 2012; American wind power installed new record of 13,124 MW.

[3]美国风能协会. 2013. 目前，美国九个州的风力发电量占总发电量的10%以上.

[4]忧思617888九五至尊娱乐家联盟. 2013. 增加可再生能源:你可以依靠的能源.

[5]安东尼·洛佩兹、比利·罗伯茨、唐娜·海姆勒、内特·布莱尔和吉安·波罗. 2012. 美国可再生能源技术潜力:基于gis的分析. 国家可再生能源实验室.

[6]安东尼·洛佩兹、比利·罗伯茨、唐娜·海姆勒、内特·布莱尔和吉安·波罗. 2012. 美国可再生能源技术潜力:基于gis的分析. 国家可再生能源实验室.

[7]王志强，王志强.L.， M.Z. 雅各布森. 2003. 由测量得到的80米处USwinds和风力的时空分布. 地球物理学报，2008,doi:10.1029/2002JD002076,2003.

[8]李国强，李国强. Enercon E-126:世界上最大的风力涡轮机(目前).

[9]杨志强，刘志强. 2011年企业社会责任报告. 2011年和预计2018年可再生能源组合(以兆瓦计).

[10]李志强. 2012. 科罗拉多州风力发电达到57%. cnn财经，8月6日.
劳克林,T. 2012. 破纪录. 明尼阿波利斯，明尼苏达州:Xcel能源公司.

[11][参考译文. 2009. 2008年风力发电增长超过10年平均增长率. 世界观察研究所.