Ryan Wiser，Maureen Hand，Joachim Seel和Bentham Paulos
风力涡轮机的尺寸不断增大，帮助降低了风能的成本，在某些地区，风能在经济上与化石燃料替代品具有竞争力。但是，涡轮机在未来还能继续扩大规模吗?还是它们会遇到物理或后勤方面的限制?最近发表在杂志上的研究自然能源建议陆基风力涡轮机，尤其是近海风力涡轮机涡轮机有成长的空间，提供这一现身成熟的能源技术的承诺将来会降低未来的成本。
新学习总结了163位世界顶级风能专家的全球调查，以获得深入了解可能的幅度和未来风能成本降低的来源。它代表了有史以来最大的“专家委托能源技术”调查，由伯克利实验室，马萨诸塞州大学伯尔利实验室，以及IEA风技术协作计划任务26的参与者领导。
根据风专家的说法，较大的涡轮机在地平线上，从而进一步降低了陆地和海上风能的成本。涡轮机设计将继续因市场和项目现场而异，但专家预测平均涡轮机规模的持续进化增长在土地上，更加革命性的成长。图1描绘了美国陆地涡轮机尺寸的历史增长，同时还在2030年在北美展示了基于调查的平均预测涡轮机尺寸。海上预期增长与此同时，在2030年，同时显示了全球历史的全球近海涡轮机尺寸趋势和基于调查的平均预测大小。
北美陆基涡轮机尺寸的预期增长
全球上海涡轮机尺寸的预期增长
历史背景下的涡轮设计优化
风力的故事是机器尺寸的故事。从美国加利福尼亚州的美国行业的开始，美国部署的风力涡轮机的典型发电能力增加了20倍，从20世纪80年代典型的100千瓦涡轮机到今天的2 MW机器。现代涡轮机特色80米塔，100米转子直径：大足以扫描比美式足球场大50％。
随着这种规模，均均降低了上线成本（部分通过规模经济，每兆瓦的植物平衡成本）和增加涡轮机性能（通过较高的塔楼和较长的刀片）。组合，这些趋势降低了风能（LCoE）的均衡成本。
当然，涡轮尺寸由市场，风资源和现场地形不同，以及涡轮机是否部署在土地上，或海上。在所有网站上没有单一的“最佳”涡轮机，随着技术开发的，涡轮设计也转移了。
正如美国能源部2015年所记录的那样风能技术市场报告，最近最近的土地上最近的趋势已经朝向更长的刀片，并且扫过转子区域的结果增加（也见图1）。然而，自2011年，平均涡轮发电机容量大致相同。换句话说，公司正在将更大的刀片附加到同样的发电机尺寸，从而增加能量捕获。而且由于额外的前期资本成本是谦虚，总体趋势一直朝向较低的风能成本较低。发电机尺寸与转子扫过区域的比例称为“特定功率”，是风技术的重要且低于的开发。
虽然新一代低特定电力机器最初是为较低的风速网站而设计的，但它们现在正在部署在该国的一些最大的地区。这是通过在U.S.内部和通过改进的涡轮机材料和控制系统中看到的低湍流风力。结果：最近建设项目的平均容量因素超过了40％，甚至几年前的水平越来越闻名（图3）。
其他市场的具体权力已经下降，但美国在速度和衰落程度上是独一无二的。2015年，在美国安装的平均涡轮机的特定功率为250W / m2，相比330 w / m2在德国和350 w / m2在丹麦。相比之下，许多欧洲市场具有更大的平均发电机额定值（美国在2015年，在2015年，德国2.7兆瓦和丹麦的3.1兆瓦）。一些市场，最符合德国，德国最大的增长率越大（美国82米，在2015年，德国123米）。
部分趋势部分是与大部分茂密的欧洲存在的有限数量的可开发的高质量风力资源站点有关，这些限制支持从每个涡轮垫最大化能量产生的涡轮机的约束。满足这些需求的高容量涡轮机尚未尚不具有在较小的涡轮机平台上变得常见的超出转子（和低特定功率）。随着对更长刀片的设计和后勤挑战得到解决，可能会改变。
海上，风扇的成熟程度不那么成熟。尽管如此，2000年安装的1.6 MW全球平均涡轮机的平均大小使2015年的平均大小为4兆瓦（海上预期增长）。轮毂高度和转子直径类似地增加，具有较高的特定功率趋势，并且可以增加容量因素（能力因素，也看看在这里）。
图3.通过运营日期，美国陆基和全球海上风力项目的容量因素
离岸涡轮机将继续增长，大多数项目今天预计会使用涡轮机6至8兆瓦的范围．部分是由于海上运输大规模组件的更容易物流。但另外，建设海上风厂的非涡轮成本（尤其是基础和安装成本）是巨大的。通过涡轮机尺寸的增长最大限度地降低每兆瓦的成本是一个决定的优势。
调查说......地平线上还有更大的机器
通过每个涡轮机设计演变，有关于该技术是否达到限制的问题：是否物理扩大法律或交通和其他物流方面的挑战意味着已达到“最佳”涡轮机尺寸，并且额外的尺寸仅增加成本。并且作为一种相对成熟的技术，人们可能会发现通过涡轮机尺寸的持续增长，可以在系统中挤出更多的成本。
根据163种风专家调查的自然能源文章在美国，更大的涡轮机提供了希望，并将在2030年被常规使用。
在北美（图1）基于陆地的应用中，专家预计在平均涡轮发电机大小（2 MW在2015年3.25 MW 2030年）进化生长和平均轮毂高度（82米2015至115米的2030）。转子直径也增加，在美国已经看到的当前低位保持特定功率。欧洲项目预计将以平均更大的发电机（3.75兆瓦）（3.75兆瓦），并证明特定权力的强劲减少，与北美洲的特定权力汇集。总体而言，这些趋势与最近的商业产品均符合许多主要的涡轮机制造商释放。
海上风预计会看到更大的变化，11兆瓦涡轮机在2030（图2）上定期部署在固定底部应用中。该规模的涡轮机预计将设有轮毂高度平均125米，转子平均直径为190米，使扫过面积超过足球场的尺寸的五倍以上。预计平均特定功率将保持在当前水平。
离岸涡轮机这一大超越当前的商业产品，这主要集中在涡轮机上8兆瓦及以下，但与主要制造商的计划一致地拥有10+ MW涡轮机的原型，2020年。部署在北美部署的涡轮机被预测为比欧洲（9兆瓦）小，也许反映了北美目前在离岸发展中落后的事实。
降低成本，增强价值和增加涡轮机设计的可开发领域
据参与调查的专家表示，风力涡轮机尺寸的增加是LCOE降低的一个核心因素。在中位数(最佳估计)情况下，陆基风力发电的成本预计到2030年平均下降24%，到2050年下降35%。固定底部的海上作业成本降幅更大，2030年为30%，2015年为41%。而且这两种应用的成本都可能更低:专家预测，到2030年成本下降40%以上，到2050年下降50%以上的可能性为10%。
虽然有很多因素可以降低能源成本，但涡轮机的尺寸是关键。专家们评估了28种可能的降低LCOE的方法，表1列出了前5种方法。陆基风主要受益于转子尺寸的增大(以及比功率的降低)、转子设计的改进和塔高的提高。对于固定底海上风力而言，最大的单一驱动因素是增加涡轮发电机额定容量和转子直径，同时保持当前水平的比功率。
用于降低风电量的驾驶员能源的能源成本
该调查还询问了如何减少额前资本成本（CAPEX）和运营费用（OPEX），增加容量因素和涡轮机设计生活，以及融资成本的改进会影响能源成本。
对于陆基风能，专家预计LCOE的削减将主要受到能力因素和资本支出的改善的影响。预计到2030年将部署更高的塔和更大的转子，这与提高能力因素的相对重要性是一致的。实现更低的投资成本，同时增加涡轮机的尺寸，将需要持续的设计，工程和制造的进步。
对于固定底部的海上风，减少的前期成本被视为LCoE改进的单一重要驾驶员到2030，其具有较小的显着性增加。较大的平均涡轮发电机能力将降低海上结构，基础和安装的高（Per-MW）成本。作为一个NREL报告它说，“更大尺寸的涡轮机减少了系统平衡的要求(也就是说，更少的子结构和其他基础设施需要达到相同的项目规模)。”最近的一次BVG Associates的报告同时，突出涡轮发电机尺寸，轮毂高度和转子长度的正面影响不仅是CAPEX，而且还彰显了OPEX和容量因子;该报告基于单独的涡轮机尺寸引用2014年和2030年之间的LCoE可能减少18％。
更大的涡轮机带来的不仅仅是更低的能源成本。最近研究表明低比功率的机器(和更高的塔)可以提高风能在电力市场的价值，因为它们有更稳定的输出。与此同时，美国能源部和能源部的工作表明，更大的涡轮机和涡轮机设计的进步可能会开启风能开发的新领域土地和离岸，否则将被视为没有吸引力。
有上行的空间吗？
风力行业有历史预测涡轮机的增长率。即使是我们研究的专家们也预测了当前常见做法的下一步，因为他们的中位数猜测。是否可能超出可能？在某种程度上，较大的涡轮机的成本将比产生的能量输出和收入快，更大的尺寸增加不经济。但聪明的工程师会继续找到避免这种高原的方法吗？
调查结果的中值掩盖了一个事实，即并非所有专家都同意未来涡轮机的尺寸。如图4所示，一些专家预计较小的涡轮机将更常见，而其他人预计更大的涡轮机将主导市场。
2030年全球涡轮机尺寸的专家调查舆论范围
那些真正的大型涡轮机需要基本的技术进步，因此需要公共和私人研发。美国能源部正在探讨帮助较大的涡轮机的方法土地和在海．欧盟资助的upwind.而且，最近，INNWIND。欧盟项目强调涡轮机尺寸高达20兆瓦。浮动近海涡轮机开辟了新的可能性领域，拥有自己的工程挑战和机遇。更常规，研究人员团队领导弗吉尼亚大学(在美国能源部的资助下)正在研究具有足够大的叶片来驱动50兆瓦海上机器的涡轮机的潜力;还有一些人在探索“高空”风，本质上是将风力涡轮机系在地面上飞行。
与研发一样，原始愿景可能或可能不会完全成果。但科学的进步可能会流血到商业风力部门，有关，有助于实现涡轮规模的潜在利益，以降低成本，提高风能的市场价值，开设可能的风力发展的新领域。
该调查是根据IEA风技术协作计划的主持进行的。Berkeley Lab对这项工作的贡献由美国能源效率和可再生能源部的美国能源部提供资金。
这自然能源可以找到文章在这里．还提供了关于调查结果的完整报告，展示式滑块总结结果是展示风格的展示;此博客的PDF版本也可用。
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