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24小时滚动新闻 发表于  2018-01-10 10:37:04 3251字 ( 0/32)

全球变暖或将影响风能资源分布 风电开发潜力南移

北极增暖相对更为明显。

美国科罗拉多大学研究人员不久前在《自然·地球科学》期刊发表最新研究成果,指出全球变暖或将对世界范围内的风能资源分布产生深远影响。到本世纪中后期,北半球可供利用的风能资源将大量减少,南半球一些地区风能资源则可能急剧增加,风电开发潜力整体向南转移。
1.风能资源分布或向南半球转移
极地冷,赤道暖,南北半球中纬度地带常年盛行西风,也叫热成风。这一道风带中,平均风速比其他地方更大,聚集了大量的风能资源,并覆盖了包括中国在内的北半球许多国家。在气候变化的背景下,中纬度西风带的变化会直接影响风能资源的利用潜力。
美国科罗拉多大学的最新研究成果认为,全球变暖或将对世界范围内的风能资源分布产生深远影响。到本世纪中后期,北半球可供利用的风能资源将大量减少,南半球一些地区风能资源则可能急剧增加。
研究人员利用超级计算机的模拟结果,对未来两种不同的温室气体排放情景下风能资源的演变进行探讨。第一种是中等排放情景,假定碳排放量在本世纪中叶达到最高,随后保持稳定;到本世纪末,大气中二氧化碳浓度约为目前浓度的1.5倍,全球平均气温增暖1.1至2.6摄氏度。第二种是高排放情景,对应能源结构改善缓慢、缺乏气候应对措施的发展模式,碳排放量将持续增加,大气中二氧化碳浓度在本世纪末超过当前3倍,全球气温升高2.6至4.8摄氏度。
结果显示,无论在中等排放情景还是在高排放情景下,北半球的风能资源都将整体显著减少,尤其是包括中国西北、西伯利亚、东北亚、美国、加拿大、英国、地中海沿岸等在内的中纬度地区,即沿北半球西风带一线。在高排放情境下,到本世纪末,内蒙古至东北一带的风能资源甚至将减少10%到20%。
南半球的风能资源在中等排放情景下变化不大,在高排放情境下却将整体大幅增加。尤其在高排放情景下,到本世纪末,巴西东部和澳大利亚东北部的风能资源将迅猛增加超过40%。
2.原因在于南北极增暖幅度不同
这种差异的产生,或归根于全球变暖以不同方式影响南北半球的风带演变。在北半球,北极增暖与海冰消融是一个互相促进的正反馈过程,以至于在全球变暖的大背景下,极地增暖更为明显;于是,赤道与极地之间的温度梯度被削弱,中纬度西风带风速整体减小。一些模拟结果也指出,由于高纬度增暖显著,中纬度地区南北侧的冷暖对峙减弱,风暴系统的活动整体减少,也是风能资源减少的一个原因。
而在南半球,尤其在高排放情景下,南极增暖不如南美中部、非洲南部和澳洲的陆上增暖明显。这部分大陆与同纬度海洋间的温度梯度增大,成为主导风带强度变化的因素。陆地变暖更快,陆上热低压增强,海陆气压梯度增大,风速增大,风能资源因此增加。除南极洲外,南半球大陆主要分布在热带和副热带地区,所以整体风能资源的增加也以热带和副热带最为明显。而值得一提的是,在南美和澳洲的中高纬地区,风能资源仍趋于减少,和北半球类似。
3.北欧极端大风出现几率反而增高
西风带内常见南北冷暖气团的对峙,又叫锋面。如果大气中有小扰动发生,譬如某一方气团主动移向另一方,气团运动轨迹在地转偏向力的作用下发生偏转,就会诱生出大尺度的大气涡旋,又叫锋面气旋。从气候角度而言,锋面气旋频繁发生并通过的地区,便是“位于风暴轨迹上”的地区,平均风速也通常比其它区域更大。
但想要利用风能,并非风越大越好。极端的猛烈阵风反而会对风车造成破坏。风车的设计一般基于能应对若干年(譬如50年)一遇的最大风等等标准,这个标准跟当地气候背景的统计数据直接相关。
科学家们使用超级计算机对北欧的模拟结果表明,若全球气候变暖,中纬度的“风暴轨迹”会整体向北移动,锋面气旋的数量会减少,但单个风暴的强度增强。由此一来,北欧地区的极端大风出现频率会升高,强度也会增大。这对按过往气候数据标准设计的风车而言不是好消息,也意味着新建风电场必须考虑在将来承受更强的风暴袭击的可能性。
与可能增大的极端大风相对应,海上的极端大浪也会随之增大。对北大西洋未来风浪演变的研究表明,目前“20年一遇”的大浪,在2080年可能每4至12年就会出现一次;对欧洲北海的气候模拟显示,到21世纪末,海浪平均高度会上升5%至8%。由于陆上空间有限且摩擦阻力更大,海上风力发电正是当下发展的热门方向;而风和浪的双重考验,对中纬度地区近海风电场的建造提出了新的挑战。不过,在纬度稍低的地区,譬如地中海沿岸,由于风暴轨迹朝北移动,未来气候展望中的风浪反而会减小。
4.增暖对于高纬度地区是把双刃剑
在高纬度或北极地区,寒冷的天气是阻碍风能发电推广应用的一个原因。风车叶片暴露在零下温度的潮湿空气中存在结冰的风险,而一旦结冰,叶片将失去平衡、阻力增大,风电转换的效率将因此降低,而且存在安全隐患。据统计,在芬兰,9%-45%的风车停转事件都和结冰有关。当然,设计不易聚集冰雪的叶片、使用电流加热等方法,能一定程度上克服结冰的问题,但这也会让运行和维护的成本变高。
气候变暖对于这些地区而言可能是一个好消息。超级计算机模拟结果显示,无论假设的升温是大是小,在本世纪末,高纬度地区的霜期均会明显缩短,结冰频数大幅下降。在斯堪的纳维亚半岛的一些地方,结冰频率甚至将会下降100%。与此同时,由于风暴轨迹北移,高纬度带也会更频繁受锋面气旋系统影响,潜在风能资源变得更充足。于是,一些原本不适宜布局风电场的区域,将来可能成为开辟风能资源的新领地。
与气温上升相对应,高纬永冻土地带也会因而缩减,而这会带来利弊两方面的影响。一来由于冻土层的范围和深度减小,输电线路铺设、风电场建造等会变得更加方便;二来若冻土层持续消融,风车基座如何设计也成了问题,因为风车和土壤之间的受力和支撑关系将持续改变,稍不平衡就会有倒伏的风险。如何权衡其中得失,减小风险扩大效益,还得靠工程师们的智慧头脑。
不仅对陆上风电场,增暖对于高纬地区的海上风电场也有多重影响,尤其对海上风电场数量增长最快的区域——欧洲而言。对未来海冰演变的研究发现,北波罗的海及波的尼亚湾一带的海冰覆盖天数将从目前的130-170天减少到本世纪后期的0-90天,不少区域甚至将终年不封冻。而海冰减少会使海上风车的基座稳定性变差,且更易受到大风大浪的破坏。与此同时,海平面上升也会增加风车基座被淹没的风险。不过,冰川消融会使海水盐度降低,这将有利于减缓海水对风车基座和传输线路材料的腐蚀。
延伸阅读:酒泉等风电场潜力或下降
目前,世界最大的风力发电基地位于我国甘肃酒泉。截止到2012年,风电装机容量已超6000百万瓦特,相当于能供给英国全国的电力需求,而这一数字还在不断上升中。甘肃位于我国西北-蒙古地区风能富集带,常年风速较大,风能密度超过150瓦特每平方米,是我国投建风电厂的理想场所,也对当地就业、税收、经济发展起到了重要促进作用。若气候变暖持续,这一区域的风电潜力很可能随之下降,现有风电设备的潜力无法得到充分发挥。包括中国和美国两大能源消费巨头在内,北半球中纬度地带的许多国家都将面临同样的问题,这也将给人类节能减排目标的实现增添更多压力。
研究人员指出,当前风力发电能力的评估和布局大多基于过去的气候资料统计,而很少考虑受将来大气环流受人类活动影响发生变化后对风能资源分布的影响。新研究对未来风电厂布局的经济性和可持续性、为决策者衡量和规划替代能源的策略提供了新的参考。

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