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2019年12月27日 星期五

全球最有潛力的風場在彰化


美國科羅拉多大學研究人員,不久前在《自然·地球科學》發表最新研究成果,指出全球變暖,或將對世界範圍內的風能資源分布產生深遠影響。

到本世紀中後期,北半球可供利用的風能資源,將大量減少,南半球一些地區,風能資源則可能急劇增加,風電開發潛力整體向南轉移。


全球变暖,北半球风力会减弱?


1.風能資源分布或向南半球轉移
極地冷,赤道暖,南北半球中緯度地帶常年盛行西風,也叫熱成風。這一道風帶中,平均風速比其他地方更大,聚集了大量的風能資源,並覆蓋了包括中國在內的北半球許多國家。在氣候變化的背景下,中緯度西風帶的變化,會直接影響風能資源的利用潛力。

美國科羅拉多大學的最新研究成果認為,全球變暖或將對世界範圍內的風能資源分布產生深遠影響。到本世紀中後期,北半球可供利用的風能資源將大量減少,南半球一些地區風能資源,則可能急劇增加。

研究人員利用超級電腦的模擬結果,對未來兩種不同的溫室氣體排放情景下,風能資源的演變進行探討。

第一種是中等排放情景,假定碳排放量在本世紀中葉達到最高,隨後保持穩定;到本世紀末,大氣中二氧化碳濃度約為目前濃度的1.5倍,全球平均氣溫增暖1.1至2.6攝氏度。

第二種是高排放情景,對應能源結構改善緩慢、缺乏氣候應對措施的發展模式,碳排放量將持續增加,大氣中二氧化碳濃度在本世紀末超過當前三倍,全球氣溫升高2.6至4.8攝氏度。

結果顯示,無論在中等排放情景還是在高排放情景下,北半球的風能資源都將整體顯著減少,尤其是包括中國西北、西伯利亞、東北亞、美國、加拿大、英國、地中海沿岸等在內的中緯度地區,即沿北半球西風帶一線。

在高排放情境下,到本世紀末,內蒙古至東北一帶的風能資源,甚至將減少10%到20%。

南半球的風能資源,在中等排放情景下變化不大,在高排放情境下,卻將整體大幅增加。尤其在高排放情景下,到本世紀末,巴西東部和澳洲東北部的風能資源,將迅猛增加超過40%。


全球变暖,北半球风力会减弱?


2.原因在於南北極增暖幅度不同
這種差異的產生,或歸根於全球變暖,以不同方式影響南北半球的風帶演變。在北半球,北極增暖與海冰消融,是一個互相促進的正反饋過程,以至於在全球變暖的大背景下,極地增暖更為明顯;於是,赤道與極地之間的溫度梯度被削弱,中緯度西風帶風速整體減小。

一些模擬結果也指出,由於高緯度增暖顯著,中緯度地區南北側的冷暖對峙減弱,風暴系統的活動整體減少,也是風能資源減少的一個原因。

而在南半球,尤其在高排放情景下,南極增暖不如南美中部、非洲南部和澳洲的陸上增暖明顯。這部分大陸與同緯度海洋間的溫度梯度增大,成為主導風帶強度變化的因素。陸地變暖更快,陸上熱低壓增強,海陸氣壓梯度增大,風速增大,風能資源因此增加。

除南極洲外,南半球大陸主要分布在熱帶和副熱帶地區,所以整體風能資源的增加,也以熱帶和副熱帶最為明顯。而值得一提的是,在南美和澳洲的中高緯地區,風能資源仍趨於減少,和北半球類似。


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3.北歐極端大風出現幾率反而增高
西風帶內常見南北冷暖氣團的對峙,又叫鋒面。如果大氣中有小擾動發生,譬如某一方氣團主動移向另一方,氣團運動軌跡在地轉偏向力的作用下發生偏轉,就會誘生出大尺度的大氣渦旋,又叫鋒面氣旋。

從氣候角度而言,鋒面氣旋頻繁發生並通過的地區,便是「位於風暴軌跡上」的地區,平均風速也通常比其它區域更大。

但想要利用風能,並非風越大越好。極端的猛烈陣風反而會對風車造成破壞。風車的設計一般基於能應對若干年(譬如50年)一遇的最大風等等標準,這個標準跟當地氣候背景的統計數據直接相關。

科學家們使用超級電腦對北歐的模擬結果表明,若全球氣候變暖,中緯度的「風暴軌跡」會整體向北移動,鋒面氣旋的數量會減少,但單個風暴的強度增強。

由此一來,北歐地區的極端大風,出現頻率會升高,強度也會增大。這對按過往氣候數據標準設計的風車而言,不是好消息,也意味著新建風電場必須考慮在將來,承受更強的風暴襲擊的可能性。

與可能增大的極端大風相對應,海上的極端大浪也會隨之增大。對北大西洋未來風浪演變的研究表明,目前「20年一遇」的大浪,在2080年可能每4至12年就會出現一次;對歐洲北海的氣候模擬顯示,到21世紀末,海浪平均高度會上升5%至8%。

由於陸上空間有限且摩擦阻力更大,海上風力發電正是當下發展的熱門方向;而風和浪的雙重考驗,對中緯度地區近海風電場的建造,提出了新的挑戰。

不過,在緯度稍低的地區,譬如地中海沿岸,由於風暴軌跡朝北移動,未來氣候展望中的風浪反而會減小。

4.增暖對於高緯度地區是把雙刃劍
在高緯度或北極地區,寒冷的天氣是阻礙風能發電推廣應用的一個原因。風車葉片暴露在零下溫度的潮濕空氣中,存在結冰的風險,而一旦結冰,葉片將失去平衡、阻力增大,風電轉換的效率將因此降低,而且存在安全隱患。

據統計,在芬蘭,9%-45%的風車停轉事件,都和結冰有關。當然,設計不易聚集冰雪的葉片、使用電流加熱等方法,能一定程度上克服結冰的問題,但這也會讓運行和維護的成本變高。

氣候變暖對於這些地區而言,可能是一個好消息。超級電腦模擬結果顯示,無論假設的升溫是大是小,在本世紀末,高緯度地區的霜期均會明顯縮短,結冰頻數大幅下降。

在斯堪的納維亞半島的一些地方,結冰頻率甚至將會下降100%。與此同時,由於風暴軌跡北移,高緯度帶也會更頻繁受鋒面氣旋系統影響,潛在風能資源變得更充足。於是,一些原本不適宜佈局風電場的區域,將來可能成為開闢風能資源的新領地。

與氣溫上升相對應,高緯永凍土地帶也會因而縮減,而這會帶來利弊兩方面的影響。

一來由於凍土層的範圍和深度減小,輸電線路鋪設、風電場建造等會變得更加方便;

二來若凍土層持續消融,風車基座如何設計也成了問題,因為風車和土壤之間的受力和支撐關係將持續改變,稍不平衡就會有倒伏的風險。

如何權衡其中得失,減小風險擴大效益,還得靠工程師們的智慧頭腦。

不僅對陸上風電場,增暖對於高緯地區的海上風電場也有多重影響,尤其對海上風電場數量增長最快的區域——歐洲而言。

對未來海冰演變的研究發現,北波羅的海及波的尼亞灣一帶的海冰覆蓋天數,將從目前的130-170天,減少到本世紀後期的0-90天,不少區域甚至將終年不封凍。

而海冰減少會使海上風車的基座穩定性變差,且更易受到大風大浪的破壞。與此同時,海平面上升也會增加風車基座被淹沒的風險。不過,冰川消融會使海水鹽度降低,這將有利於減緩海水對風車基座和傳輸線路材料的腐蝕。299180323

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