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大规模修建风电场对气候有何影响
2018-10-12 15:59  · 来源:中国气象报  · 作者:  · 责编:刘澄谚

  当今,全球大规模修建风电场。风力发电机就像一座座高耸的“空气搅动机”,它使局地风速明显减小,而大气层结稳定度则决定着风电场产生增温或降温效应。

  撒哈拉沙漠面积900多万平方公里,这里地广人稀,看起来一片荒芜。然而荒芜背后却蕴藏着巨大的宝藏。如果将这个宝藏充分开发出来,这一大片区域都可能发生巨大变化。

  这个宝藏就是可再生能源。有研究表明,如果在此区域大规模修建风电场或光伏发电场,其产生的电能是当前全球每年消耗电能的四倍多。但更令人意想不到的是,此举还可以使该区域的降水量翻倍,增加植被覆盖率,而植被生长又将进一步增加降水,形成良性循环。但这样的良性循环并不一定会发生在每个地方,如今,在风力发电的潜力被普遍看好之后,越来越多的研究指向了更深一层的问题——大规模修建风电场会对气候产生怎样的影响。

  减小局地风速

  从直观上看,风电场群产生的最直接影响就是会改变风速。“如果你去过风电场就会发现,风力涡轮机的旋转叶片很大,一般为几十米长,有的甚至超过百米。当风吹过叶片时,由于叶片横截面的形状上下不对称,风在通过叶片上方的时候流速大,下方的时候流速小。这就会导致叶片上方的压强小,下方的压强大,这种压力差会产生升力,令叶片旋转。”中国气象局专业气象服务首席专家、湖北省气象服务中心副主任陈正洪说。他在最近发表的文章《近20年来风电场(群)对气候的影响研究进展》中,对国内外风电场群对气候影响的相关研究成果进行了总结。

  可以想见的是,风电场其实相当于一道有缝隙的“屏障”,因此当风通过时会降低风速。有研究者利用数值模拟方法,在900平方公里的范围内分别设置1、9、36个风电场,计算相应风速在不同位置的变化,最后发现风电场效应使得风速明显衰减:进入风电场的风速是8-9米/秒,风电场最大衰减后风速只有5米/秒,在20公里以外风速开始回升。

  陈正洪说,“风力发电机运行过程中,会吸收气流的动量,增加地表的摩擦力,这会导致风电场内部及下游地区的风速衰减,并且风速的恢复需要一定的距离。风速衰减的影响范围为 5-60公里,随着风电场规模的增加和扩大,一般风电场内部风速可减小8%-16%,并且随着环境风速的增加而减小。”

  多产生增温效应

  风力发电机就像一座高耸的“空气搅动机”,叶片在不停地搅动上下方的空气,因此在垂直方向上会加强空气的流动,这就会对温度造成影响。“在大气层结稳定的情况下,上层的空气温度更高,下层的更低,在叶片的搅动下,上层的空气被带到下面,导致下层的空气温度升高。”陈正洪说,“另外,由于风电场内部和下游地区的风速减小,如果这个区域的下垫面恰好又比较潮湿的话,蒸发就会减弱,从而导致温度上升。”

  目前大多数研究得出的结果都是风电场具有地表增温效应,并且这种效应夜间强于白天,夏季强于冬季,尤其以夏季夜间的增暖效应最为强烈。不同规模大小的风电场可使其地表温度增加0.18℃-0.7℃。当然,也有发现降温效应的。这主要取决于近地层大气层结的稳定度,不同的稳定度造成风电场对近地层气温产生或上升或下降效应。

  至于风电场对降水量的影响,目前的研究还相对较少。风电场的设置改变了近地层的感热和潜热通量以及动量和风速,从而会间接改变降水量和云量。如前所述,在撒哈拉沙漠中大规模修建风电场可以增加降水量。但在具体研究中需要综合考虑热量和水分传输、风速变化、地形等多种因素才能知道局地降水量最终是增加还是减少。

  风电场的全球气候效应

  如果未来风能发电达到一定规模,比如占全球总发电量的10%甚至更高,那么这将对全球气候产生何种影响?

  研究者假定到2100年全球使用风能占总能源的10%以上,即在全球大约5800万平方公里的陆地上(相当于全球陆地面积的39%)设置风电场,沿海水深小于200米的地区(1000万平方公里左右)也设置风电场,考虑风机设置高度不同,旋转叶片直径不同,以及风机间距不同,做多组试验,从而产生不同的风电量,模式各运行60年。结果发现,陆地风电场设置使全球陆地年平均气温升高0.15℃,而沿海风电场试验中全球年平均气温没有变化。

  IPCC第五次评估报告结果显示,在模拟的多个排放情景下,相对于1850年至1900年,21世纪末期(2081年至2100年)全球地表温度变化可能超过1.5℃。可见,风电场对全球造成的变暖效应远低于人类活动排放的温室气体造成的变暖效应,但仍不可忽视。

  当前,全球能源系统正在发生深刻变革,随着可再生能源技术的发展,风力发电的成本将进一步下降,最终可与传统能源相抗衡。陈正洪认为,风能利用是减少碳排放的关键,我们需要加强影响机理的研究,找出主要的影响因子,构建更加完善的模型,同时根据影响原理寻求可行的低影响风电开发方案。

 

 

  

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