拜登(Joe Biden)政府最近批准在玛莎葡萄园岛(Martha ‘s Vineyard)海岸建造一座拥有84个涡轮机的风力发电场，这将是美国迄今为止最大的海上风力发电场。为该项目开绿灯符合拜登的愿景，即在美国迅速扩大海上风力发电，特别是在东海岸，作为国家基础设施计划的一部分。
罗德岛布洛克岛附近的一个海上风力发电场(如图)是目前在美国运行的少数几个风力发电场之一。普林斯顿大学(Princeton)的“净零美国”(Net-Zero America)研究呼吁在本世纪中叶实现风力发电前所未有的增长，以使经济脱碳。
该计划开始弥合美国和世界其他国家之间的差距;美国在海上风力发电方面长期落后于欧洲，只有两个小型海上风力发电场和不到20个涡轮机，而欧洲有100多个风电场和5000多个涡轮机。该基础设施计划是该国电力供应和经济脱碳的一步。普林斯顿大学2020年12月发布的“净零美国”(Net-Zero America)研究报告指出，要想在本世纪中叶实现净零排放，风力发电必须以前所未有的速度增长。
令人惊讶的是，拜登政府的目标是到2030年部署300千兆瓦的海上风电，这一目标实际上超过了该报告的预测。“净零”报告呼吁到2030年，大量的陆地风力将达到231-386千兆瓦，而海上风力则要少得多，约为3-10千兆瓦。最新的农场只是300亿瓦目标的一小部分，800兆瓦或略低于1亿瓦的电力。这一产量水平与天然气发电厂相当，不过风力发电的波动比天然气更大。
在声明发布前几周，机械与航空航天工程副教授Marcus Hultmark和土木与环境工程教授、环境工程与水资源项目主任Elie Bou-Zeid分享了他们对美国风能产业的历史和未来的看法。
浩特马克专注于流体力学，包括风力涡轮机周围和风电场内部的流动。布扎伊德在环境流体力学和湍流、风能预测和风电场设计方面具有专业知识。这两家公司获得了由安德林格能源与环境中心(Andlinger Center for Energy and The Environment)于2020年授予的能源与环境创新研究基金，用于研究如何更好地设计风力发电场——特别是海上风力发电场——以最大限度地提高电力输出。他们还因一个相关项目的气候和能源挑战获得了High Meadows环境研究所的2020奖。
你如何描述今天的风力发电产业和技术，陆上的还是海上的?
埃利·布-扎伊德(EBZ):海上风力发电有一些令人兴奋的好处，并显示出巨大的发电潜力。特别是近海风往往更稳定，更容易预测。在美国，我们终于开始认真考虑大规模扩张海上农场。最大的挑战是，我们能否加快风力发电场的研究、开发、制造和安装，以满足净零目标和时间表所需的速度。我特别担心的是，如果制造和安装的速度超过了研发，导致不理想的涡轮机和农场被安装。例如，关于农场的选址和东部海岸线的风预测，我们还有很多需要了解的。
马库斯•霍特马克(MH):风力发电取得了巨大的成功，甚至超过了对其部署的最乐观预测。我认为没有人会预测到这条曲线。然而，如果能够克服一些有趣的技术挑战，可能有助于进一步提高风力发电场的性能。我把它比作60年代的汽车。有人可能会想，“我们完了。”我们知道该怎么做。”当时流行的想法是汽车制造商会把发动机做得越来越大，这样汽车就能跑得更快，有更多的马力。但最终，汽车行业不得不考虑燃油效率，而不仅仅是发动机的尺寸。风力涡轮机在很多方面都属于“60年代”。没有必要竭尽全力提高效率。在这一点上，该行业仍在继续使用一种在过去20年里行之有效的方法——让每一代新涡轮机变得更大。没人知道这种情况何时会结束，但总有一天会结束的，问题将转向制造更多的电力，而不一定是制造更大的涡轮机。
你的研究告诉了我们关于改进风力发电场仍然需要做的工作的什么?
我们应该考虑如何优化整个农场或一组农场，而不仅仅是一个涡轮机。我们的实验室对非常非常规的垂直轴风力涡轮机农场设计进行了探索性工作，与主要的水平轴风力涡轮机相比，垂直轴风力涡轮机的叶片设计和旋转方式不同。我们的研究表明，通过更智能的布局，风电场的产量最多可以增加60%。其他研究小组也研究过这样的方法:将第一行的叶片倾斜，这样第一行产生的功率更小，而第二行和第三行产生的功率更多，从而产生更多的总产量。
一个问题是，研究和工业之间存在差距。在研究方面，我们倾向于提出所有这些复杂的想法，并在实验室中用模型和计算动力学平台来测试它们。但是，当我们参观德克萨斯州的一个陆基风力发电场并询问他们如何设计涡轮机的布局时，我们发现他们很可能使用了一个比我们使用的简单得多的模型。我目前的重点是风力预测，我们的目标是开发简单而准确的方法，更容易被工业，特别是没有大型研发团队的农场建设者和经营者所采用。
MH:我的研究目的是帮助人们更好地预测风力涡轮机的运行情况，更好地理解它们安装后是如何发电的。风能是最广泛使用的可再生能源之一，但由于风力发电场和涡轮机的规模，研究团体和行业并没有完全了解到底发生了什么。在其他领域，研究人员经常在风洞中测试比例模型。这在风力涡轮机上行不通，因为它们太大了，而且物理原理无法在传统的实验室测试中复制。另一种方法是进行数值模拟。由于规模的原因，我们也无法进行精确的数值计算，因为计算成本太高;即使对最强大的超级计算机来说，这也需要太多的时间。
研究人员所要做的是一些需要模型的工作，这些模型需要基于经验输入进行调整。这种输入通常是不完美的，而且由于缺乏数据，模型验证具有挑战性。这意味着设计师不能提出开箱即用的想法，也不知道性能将如何受到影响;如果涡轮机和农场看起来与上一代相似，性能就能得到最好的预测。但没有两个风电场是完全相同的。它们位于不同的位置，使用不同的风，使用不同的涡轮机。因此，没人能肯定地说为特定地区设计风力发电场的最佳方式是什么，也没人能确切地说这些风力发电场在建成之前会有怎样的表现。
这就是我们要改变的。普林斯顿的Forrestal校园我们正在构建一个新的工具,能够代表一个真正的物理风电场使用高压缩空气,使我们理解正在发生的事情在50米塔或涡轮表面只有建筑只有50厘米塔。这个世界上独一无二的设施将允许我们实验验证模型，并探索风能收集所涉及的物理。
你能进一步说明海上风力发电场和陆上风力发电场的区别吗?达到净零值意味着什么?
一个重要的区别是，掠过海洋的风更快。与陆地表面相比，水面不会增加太多的阻力，而且海洋相对于陆地有更稳定的温度。陆地加热和冷却的循环方式与近海不同，这完全改变了风的模式。因此，海上浮动平台可以获得最稳定和可预测的风力供应。对于靠近海岸的农场来说，一个重要的特征是陆海风。在白天，陆地很热，所以风倾向于从海洋向陆地移动;在晚上，风倾向于从陆地转向海洋。历史上，研究人员对这种循环的研究非常简单，而且没有风力发电场的影响，所以这需要进一步的调查。
我们的发现揭示了陆海风的一些非常复杂的行为，这对于预测和模拟海上风电场非常重要。这将有助于确定风力发电场的位置，并预测每天和每小时的性能。这些农场的产量可能会显著增加，而在风能行业，即使产量增加1%，也会带来巨大的经济收益。
MH:无论是陆上还是海上的风力涡轮机和风力农场都将受益于改进的预测。海上风力涡轮机的规模比陆上风力涡轮机增长得更快。在运输它们所需的基础设施方面的限制更少，因此它们可以更大，从而为电网生产更多的可再生能源。由于海洋中单个涡轮机的安装成本较高，所以建造更少但更大的涡轮机是有意义的。陆上和近海的风模式是不同的，正如每天的变化一样。空气和海洋之间的相互作用不同于空气和陆地之间的相互作用，这可能会对单个风力涡轮机后面产生的尾流产生影响，进而影响整个风电场。我们知道通过将涡轮间距拉大可以减少尾迹的损失，但这方面还需要做更多的研究。
考虑到这个行业和技术的历史，您如何看待这个国家的风力发电和海上风力发电的未来?
EBZ:随着风力发电的普及，将会有更多的风电场分布在更大的地理区域，地点的多样性将允许资源在不同的时间使用，并有助于平滑电力供应的变化。更广泛的农场几乎可以作为一个虚拟的风电场来运营，利用多个农场的发电量之和。理想情况下，电池技术的出现将弥补电力生产和消耗之间的差距。市场和可行性会随着新技术的出现而迅速转变。很难说未来会怎样，但我认为，在未来几十年里，我们将看到美国和世界各地的海上风能迅速转变;特别是，我认为将会有更多的浮动风力发电场比目前的预测。
MH:十年前，人们认为海上漂浮的风力涡轮机是未来主义的，任何人在谈话中提到它们都是疯狂的。很明显，这并不疯狂。而且，据对风力产业的了解，浮动涡轮机将比任何人预计的都要快地广泛部署。理想的情况是，在未来，随着我们提高预测能力和实验室测试方法，我们将能够缩短从设计到实施涡轮机的周期。这也将为更多的实验性设计打开大门，这些设计目前是被禁止的，因为我们没有工具来预测它们的性能和寿命。