大規(guī)模修建風(fēng)電廠對(duì)氣候有何影響?

文章來(lái)源:中國(guó)氣象局2018-10-11 10:22

摘要:風(fēng)力發(fā)電機(jī)就像一座高聳的“空氣攪動(dòng)機(jī)”,葉片在不停地?cái)噭?dòng)上下方的空氣,因此在垂直方向上會(huì)加強(qiáng)空氣的流動(dòng),這就會(huì)對(duì)溫度造成影響。
 
本期嘉賓:中國(guó)氣象局專業(yè)氣象服務(wù)首席專家 湖北省氣象服務(wù)中心副主任 陳正洪
 
采訪人:中國(guó)氣象報(bào)記者 吳鵬
 
本期觀點(diǎn):當(dāng)今,全球大規(guī)模修建風(fēng)電場(chǎng)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)就像一座座高聳的“空氣攪動(dòng)機(jī)”,它使局地風(fēng)速明顯減小,而大氣層結(jié)穩(wěn)定度則決定著風(fēng)電場(chǎng)產(chǎn)生增溫或降溫效應(yīng)。
 
撒哈拉沙漠面積900多萬(wàn)平方公里,這里地廣人稀,看起來(lái)一片荒蕪。然而荒蕪背后卻蘊(yùn)藏著巨大的寶藏。如果將這個(gè)寶藏充分開(kāi)發(fā)出來(lái),這一大片區(qū)域都可能發(fā)生巨大變化。
 
這個(gè)寶藏就是可再生能源。有研究表明,如果在此區(qū)域大規(guī)模修建風(fēng)電場(chǎng)或光伏發(fā)電場(chǎng),其產(chǎn)生的電能是當(dāng)前全球每年消耗電能的四倍多。但更令人意想不到的是,此舉還可以使該區(qū)域的降水量翻倍,增加植被覆蓋率,而植被生長(zhǎng)又將進(jìn)一步增加降水,形成良性循環(huán)。但這樣的良性循環(huán)并不一定會(huì)發(fā)生在每個(gè)地方,如今,在風(fēng)力發(fā)電的潛力被普遍看好之后,越來(lái)越多的研究指向了更深一層的問(wèn)題——大規(guī)模修建風(fēng)電場(chǎng)會(huì)對(duì)氣候產(chǎn)生怎樣的影響。
 
減小局地風(fēng)速
 
從直觀上看,風(fēng)電場(chǎng)群產(chǎn)生的最直接影響就是會(huì)改變風(fēng)速。“如果你去過(guò)風(fēng)電場(chǎng)就會(huì)發(fā)現(xiàn),風(fēng)力渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)葉片很大,一般為幾十米長(zhǎng),有的甚至超過(guò)百米。當(dāng)風(fēng)吹過(guò)葉片時(shí),由于葉片橫截面的形狀上下不對(duì)稱,風(fēng)在通過(guò)葉片上方的時(shí)候流速大,下方的時(shí)候流速小。這就會(huì)導(dǎo)致葉片上方的壓強(qiáng)小,下方的壓強(qiáng)大,這種壓力差會(huì)產(chǎn)生升力,令葉片旋轉(zhuǎn)。”中國(guó)氣象局專業(yè)氣象服務(wù)首席專家、湖北省氣象服務(wù)中心副主任陳正洪說(shuō)。他在最近發(fā)表的文章《近20年來(lái)風(fēng)電場(chǎng)(群)對(duì)氣候的影響研究進(jìn)展》中,對(duì)國(guó)內(nèi)外風(fēng)電場(chǎng)群對(duì)氣候影響的相關(guān)研究成果進(jìn)行了總結(jié)。
 
可以想見(jiàn)的是,風(fēng)電場(chǎng)其實(shí)相當(dāng)于一道有縫隙的“屏障”,因此當(dāng)風(fēng)通過(guò)時(shí)會(huì)降低風(fēng)速。有研究者利用數(shù)值模擬方法,在900平方公里的范圍內(nèi)分別設(shè)置1、9、36個(gè)風(fēng)電場(chǎng),計(jì)算相應(yīng)風(fēng)速在不同位置的變化,最后發(fā)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)效應(yīng)使得風(fēng)速明顯衰減:進(jìn)入風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)速是8-9米/秒,風(fēng)電場(chǎng)最大衰減后風(fēng)速只有5米/秒,在20公里以外風(fēng)速開(kāi)始回升。
 
陳正洪說(shuō),“風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中,會(huì)吸收氣流的動(dòng)量,增加地表的摩擦力,這會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部及下游地區(qū)的風(fēng)速衰減,并且風(fēng)速的恢復(fù)需要一定的距離。風(fēng)速衰減的影響范圍為 5-60公里,隨著風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模的增加和擴(kuò)大,一般風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部風(fēng)速可減小8%-16%,并且隨著環(huán)境風(fēng)速的增加而減小。”
 
多產(chǎn)生增溫效應(yīng)
 
風(fēng)力發(fā)電機(jī)就像一座高聳的“空氣攪動(dòng)機(jī)”,葉片在不停地?cái)噭?dòng)上下方的空氣,因此在垂直方向上會(huì)加強(qiáng)空氣的流動(dòng),這就會(huì)對(duì)溫度造成影響。“在大氣層結(jié)穩(wěn)定的情況下,上層的空氣溫度更高,下層的更低,在葉片的攪動(dòng)下,上層的空氣被帶到下面,導(dǎo)致下層的空氣溫度升高。”陳正洪說(shuō),“另外,由于風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部和下游地區(qū)的風(fēng)速減小,如果這個(gè)區(qū)域的下墊面恰好又比較潮濕的話,蒸發(fā)就會(huì)減弱,從而導(dǎo)致溫度上升。”
 
目前大多數(shù)研究得出的結(jié)果都是風(fēng)電場(chǎng)具有地表增溫效應(yīng),并且這種效應(yīng)夜間強(qiáng)于白天,夏季強(qiáng)于冬季,尤其以夏季夜間的增暖效應(yīng)最為強(qiáng)烈。不同規(guī)模大小的風(fēng)電場(chǎng)可使其地表溫度增加0.18℃-0.7℃。當(dāng)然,也有發(fā)現(xiàn)降溫效應(yīng)的。這主要取決于近地層大氣層結(jié)的穩(wěn)定度,不同的穩(wěn)定度造成風(fēng)電場(chǎng)對(duì)近地層氣溫產(chǎn)生或上升或下降效應(yīng)。
 
至于風(fēng)電場(chǎng)對(duì)降水量的影響,目前的研究還相對(duì)較少。風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)置改變了近地層的感熱和潛熱通量以及動(dòng)量和風(fēng)速,從而會(huì)間接改變降水量和云量。如前所述,在撒哈拉沙漠中大規(guī)模修建風(fēng)電場(chǎng)可以增加降水量。但在具體研究中需要綜合考慮熱量和水分傳輸、風(fēng)速變化、地形等多種因素才能知道局地降水量最終是增加還是減少。
 
風(fēng)電場(chǎng)的全球氣候效應(yīng)
 
如果未來(lái)風(fēng)能發(fā)電達(dá)到一定規(guī)模,比如占全球總發(fā)電量的10%甚至更高,那么這將對(duì)全球氣候產(chǎn)生何種影響?
 
研究者假定到2100年全球使用風(fēng)能占總能源的10%以上,即在全球大約5800萬(wàn)平方公里的陸地上(相當(dāng)于全球陸地面積的39%)設(shè)置風(fēng)電場(chǎng),沿海水深小于200米的地區(qū)(1000萬(wàn)平方公里左右)也設(shè)置風(fēng)電場(chǎng),考慮風(fēng)機(jī)設(shè)置高度不同,旋轉(zhuǎn)葉片直徑不同,以及風(fēng)機(jī)間距不同,做多組試驗(yàn),從而產(chǎn)生不同的風(fēng)電量,模式各運(yùn)行60年。結(jié)果發(fā)現(xiàn),陸地風(fēng)電場(chǎng)設(shè)置使全球陸地年平均氣溫升高0.15℃,而沿海風(fēng)電場(chǎng)試驗(yàn)中全球年平均氣溫沒(méi)有變化。
 
IPCC第五次評(píng)估報(bào)告結(jié)果顯示,在模擬的多個(gè)排放情景下,相對(duì)于1850年至1900年,21世紀(jì)末期(2081年至2100年)全球地表溫度變化可能超過(guò)1.5℃??梢?jiàn),風(fēng)電場(chǎng)對(duì)全球造成的變暖效應(yīng)遠(yuǎn)低于人類活動(dòng)排放的溫室氣體造成的變暖效應(yīng),但仍不可忽視。
 
當(dāng)前,全球能源系統(tǒng)正在發(fā)生深刻變革,隨著可再生能源技術(shù)的發(fā)展,風(fēng)力發(fā)電的成本將進(jìn)一步下降,最終可與傳統(tǒng)能源相抗衡。陳正洪認(rèn)為,風(fēng)能利用是減少碳排放的關(guān)鍵,我們需要加強(qiáng)影響機(jī)理的研究,找出主要的影響因子,構(gòu)建更加完善的模型,同時(shí)根據(jù)影響原理尋求可行的低影響風(fēng)電開(kāi)發(fā)方案。
 
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