关于支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。 通过购买订阅，您正在帮助确保未来能够继续讲述关于塑造我们今天世界的发现和想法的具有影响力的故事。
编者注：此问答是《大众科学》进行的一项调查的一部分，该调查对象是参与开发和实施非化石燃料能源技术的公司高管。
目前，哪些技术障碍最限制风力发电的发展？在不久的将来和更长远的时间内，克服这些障碍的前景如何？
无论是建在陆地上还是海上，几乎所有的风力涡轮机都面临着相同的技术问题，这与风的自然变异性有关。如今，最佳地点的最佳机器现在的“负载系数”或效率水平约为 35%。涡轮机设计中最大的问题不是叶片，而是我们看不到的东西。它是机器的内部结构——容纳在机舱或涡轮机主体中的工程部件，它将动能转化为电能——需要改进。
机舱的主要主力是发电机。这些机器最初于 1831 年为煤炭行业开发，它们使铜线穿过磁铁以将机械能转化为电能。该系统的基本原理并没有发生太大变化。发电机在稳定的输入能源（如煤炭或水力发电）下运行良好，并且在这种稳定的原动机下，它们可以以高达 90% 以上的峰值效率运行。这种水平的能量输入被称为“最佳状态”。不幸的是，在最佳状态之外的速度下，发电机的效率会急剧下降，大量可用能量会被浪费。
如果风速超过这个最佳状态，轴会加速，扭矩会超过发电机的容量，因此工程师会“桨距”叶片，字面上将它们转出风向，并让多余的能量吹过，实际上假装风仍然以每小时 30 英里的速度稳定吹拂。如果风速低于最佳状态，轴会减速，导致发电机效率下降。为了补偿，工程师会接合齿轮箱以人为地加速轴。齿轮箱“欺骗”发电机，使其认为风仍然稳定吹拂，但会导致严重的效率损失。
齿轮箱是风力发电的致命弱点，它有许多运动部件，需要频繁维护，并且经常导致涡轮机停运长达 10% 的时间。此外，它们非常重，需要稀有且昂贵的起重机才能将发电机吊入机舱外壳，从而阻碍了建设项目。最后，为了提高发电机的强度，工程师传统上会扩大机器的直径。这限制了它们的尺寸，使其不超过道路的宽度，否则就无法运输。
对于海上风电，该行业将需要通过设计更坚固可靠的设备来解决可靠性和技术难题。首先，港口通常不适合管理海上涡轮机的庞大尺寸。其次，海上涡轮机的故障率非常高，而且维修成本甚至比陆上涡轮机更高。再次，齿轮箱被证明是风力发电的致命弱点。此外，海上涡轮机必须与恶劣的环境和海水的锈蚀特性作斗争。与陆上故障一样，海上问题也可能严重损害开发商的回报。
这些技术挑战意味着目前只有风力强劲的地点才适合风力发电，据估计，美国只有 18,000 平方英里的此类地点。为了使风力发电真正具有与化石燃料的成本竞争力，必须有更多的地点变得可行，并且新技术必须进步以在风的变异性中蓬勃发展，而不是挣扎求生。
为此，ExRo Technologies 重新发明了发电机，使其能够在峰值效率（90% 以上）下运行，无论风速有多快或多慢，或者其速度变化有多频繁。这种灵活性和可扩展性的功能是通过控制器（机舱的“大脑”）以电子方式实现的，从而消除了对容易发生故障的齿轮箱的需求。可变输入电力发电机或 VIEG（发音为“veej”）能够通过提高其发电能力或实时调整自身以适应可用风力，从而从接近零到非常高的风力产生能量。这提高了任何地点风力发电的可靠性，特别是那些由于风速低而被认为不适合风力发电的地点。
将风力发电规模扩大到为更大的国家或全球客户群服务是否存在障碍？
土地的可用性和将风力发电与更大的电网系统集成是扩大风力发电规模的两个障碍。在美国，几乎每个目前被认为可行的地点都已被抢占。扩大风力发电规模意味着找到在风力太小而无法被开发商视为有利可图的投资的土地上产生风力发电的方法。这意味着开发新技术，例如 ExRo 的 VIEG，即使在接近零风力的情况下也能产生能量。这将开辟广阔的城乡土地资源，并优化现有风电场的产量。
风况不太有利但更靠近能源消耗点的土地，如果配备 VIEG 涡轮机，则可以盈利。这缓解了与所有可再生能源发电相关的输电问题，并降低了建设新基础设施的巨额成本。陆上和海上风电场都需要新的电力线路，除了费用之外，还经常面临当地社区的反对。
但也许更大的难题是让风能在线发出电网想要且可以使用的信号。传统上，风电厂的信号会根据风的变异性而波动，从而产生不均匀的电压和信号频率。这导致风力发电被严重低估。它通常以甚至 30% 的折扣率出售给一些公用事业公司。
为了补偿，风力涡轮机制造商采用复杂的电力电子设备来在将信号发送到电网之前“清洁”信号。这种发电机后信号处理非常昂贵，不仅是因为昂贵的设备，还因为电力输出效率的降低。
通过将发电机配置与可用的源能量相匹配，ExRo 的 VIEG 可以协调输出电压和系统电阻与电网要求。这意味着任何给定地点为电网提供更高的容量和可靠性，从而允许将更多的可再生能源纳入电网发电组合中，并为风电厂运营商带来显着的经济收益。
现有的能源基础设施能否应对风力发电的增长？或者这是否也需要进一步修改？
风力发电很少在用电现场产生，因此改进目前的电网至关重要。为了真正扩大风能规模，需要长距离输送大量电力，而通常风最大的地点也是最偏远的地点。通常，项目开发商必须与公用事业公司合作，将电力线路延伸到现场。仅仅这一前景就让一些项目望而却步。
为了改进这一点，电网本身必须更新为所谓的跨越全国的高压骨干网。这方面的一个模型可以从印第安纳州到俄亥俄州再到弗吉尼亚州找到，该公司名为美国电力公司。
鉴于当前的经济危机，您的行业能否获得必要的资金（来自公共或私人来源）来充分资助其增长？
鉴于所有这些技术障碍，根据美国风能协会的数据，2008 年美国风力发电的增长率仍然达到了创纪录的 50%。随着银行业危机后融资枯竭，专家预计 2009 年新上线风力发电量将减少。[编者注：本次调查是在经济刺激法案签署成为法律之前提交的。]
然而，由于风电行业面临的制造瓶颈，已经计划和付费的项目很可能会继续进行。此外，风电项目往往在三年内完成规划，这为风电开发商提供了机会，可以为其风电场订购 VIEG 发电机，从而从其场地获得更多的风能。
从战略角度来看，风能更大的竞争对手是：现有煤炭、石油和天然气技术还是其他替代能源技术？
煤炭和天然气是风能最大的竞争对手。当涉及到发电时，成本是王道。在风力发电的生产成本（并提供给消费者）低于燃煤发电之前，它将继续成为购电方的第二选择。严酷的现实是，30% 的容量系数根本不足以将替代能源的成本降至煤炭成本以下，并且通过稍微好一点的齿轮箱或稍微好一点的脱落系统挤出另一个百分点根本无法使国家达到能源部 20% 的风能容量目标。
您和您行业中的其他人是否计划在五年内实现成本目标？
ExRo 的任务是“比煤炭更便宜”。目前，根据美国能源信息管理局的数据，煤炭发电量占所有电力（美国为 50%）的 40% 以上。这是因为它是最便宜的能源形式，低至每千瓦时 (kWh) 2 美分。为了达到平价上网，该行业必须将其成本/千瓦时从某些地区高达 5 美分/千瓦时降下来。其他地方的风力发电成本低至 3.5 美分/千瓦时，并且随着先进涡轮机技术的出现，预计这一数字在未来几年将下降。然而，来自略微好一点的齿轮箱或涡轮叶片新涂层的小幅改进并不能解决问题。
需要能够应对风的变异性和间歇性的技术来克服与煤炭的价格战。通过第三方测试表明涡轮机的效率有潜力实现两位数的增长，VIEG 有望迎接这一挑战。效率的这种提高将大大降低风力发电的成本/千瓦时，并将建造新风电场的选择从利他主义的选择转变为经济的选择。