风力涡轮机提取能源会对环境有害吗?

Question

风力涡轮机的工作原理是将部分风能转化为电能。是否有可能有太多的涡轮机，导致它们从风中转移了太多的能量?我不是环境科学家，但我猜风能在环境中起着至关重要的作用。

那么如果我们移走太多的能量会发生什么呢?

Answer 1

简短的回答是肯定的，这是可能的。它还可以减少伤害。

变更摘要

以下是风力涡轮机发电而不是化石或核电站发电所发生的变化的简要总结:

• 从风中获得的能量比在逆风处获得的能量要多得多
• 在风力涡轮机的顺风处有更多的乱流
• 由于现在的电力是由风能提供的，因此被关闭或关闭的化石电厂或核电站周围环境中的低品位热量减少了。

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全球影响

据我们所知，在任何合理的全球部署水平上(比如，平均功率高达太瓦，但低于几十太瓦)，都不太可能产生全球影响。但是一排涡轮机就足以造成非常局部的影响，这些影响可能是积极的，也可能是消极的。

在文献中有一个关于移除太瓦风力发电的影响的公开讨论。但这只是一个理论上的讨论，并没有真正的意义，因为这完全取决于电力是从哪里提取的。

风能发生了什么变化?

最终，几乎所有的风能都以低品位的热量结束。这与它是否通过风力涡轮机到达那里无关。否则，它将最终由于摩擦而消散，在那里它成为环境中的低品位热量。如果是，那么它将被转换成电能，然后是一些能源服务(例如照明)，然后是环境低品位的热量。

所以部署大量的风力涡轮机只是动作在哪里这些能量被风带走了，但不知道有多少。

一个不带遮光罩的涡轮机最多可以提取16/27(59.3%)的风动能——这是贝茨极限。实际上，它更像是20-50%。这是一台E82-Enercon 3MW涡轮机的功率曲线Enercon手册：

相对于右边纵轴的较轻的曲线显示了风动能转化为电能的比例。在9米/秒左右的风速下，这一比例最高可达50%左右。还有一小部分(~2)是涡轮内部的转换损失。

能量变化是什么，在哪里?

整体情况更为复杂。从化石/核能到风能的转换是否会改变能源服务需求模式和能源效率，这是一个悬而未决的问题，因此会有很多连锁反应。但是，为了简化事情，把这些放在一边，仅仅从化石/核能转换到风能并不会为低品位的热量创造新的汇:照明将继续在同一时间和地点使用，就像现在一样。这样一来，风能就会从新的地方被提取出来:风力涡轮机，而不是靠下风的地方，在下风的地方，能量会被摩擦消耗掉。另一件需要改变的事情是，所有那些化石发电站和核电站将不再有额外的低品位热源。现在，它们是非常强烈的热源:核电站或燃煤电厂通常会像发电一样，释放出相当于当地热量150% - 200%的能量。因此，这对当地的天气系统来说是一个重要的热量输入，当它们关闭时，这些热量就不再存在了，因为电力是由风能提供的。

快速浏览一下文献

Smith, Barthelmie & Prior使用了一个大型陆上风电场对近地表温度、湍流强度和风速廓线影响的现场观测．他们发现，在白天，当他们距离涡轮机下风2公里以上时，温度没有可观察到的变化。然而，距离地面2.5米的夜间温度有所上升(因此农民使用风力涡轮机来预防霜冻)。

在我上面所写的内容之上，我们还在文献中获得了一些建模。现在，这很大程度上是不同假设之间的争论:选择你想要的答案，并相应地调整你的假设。然而，这些论文的作者有着不同的潜在立场，所以你会发现一系列可能的结果，你可以自己决定哪些假设更有可能。

马克·Z·雅各布森写了一本关于大气模型基础的书，并倾向于从微观层面建立。他最近的一篇论文显示了减少到达海岸的飓风能量的潜在好处，我们知道这样做的一级影响是积极的。

Roy & Traiteur看着风电场对地表空气温度的影响发现了显著的局部影响，以及缓解的选择。

Wang和Prinn看着多太瓦级装置对全球的潜在长期影响他们发现，大型陆上风力涡轮机可能会导致陆地变暖(尽管比它们将取代的煤炭和天然气工厂要小)，而大型海上风力涡轮机可能会导致全球变冷。该模型是通过假设涡轮相互作用将表现为表面粗糙度的普遍增加;另一个关键假设是，中尺度模型的细节损失对结果没有显著影响。

Kirk-Davidoff和Keith与王和普林一样，他们通过在表面粗糙度系数中添加异常来使用粗中尺度建模。对于大陆规模的风电场，他们发现全球温度变化很小，但局部变化可能高达2开尔文。

Rooijmans的硕士论文(乌得勒支大学，2004年)研究了一个巨大的影响(9 000 公里²)对海上风电场的降雨模式进行了研究，并使用中尺度环流模型，发现降水的分布可能会发生变化，海上降雨更多，陆上降雨更少。这个模拟风电场的规模大约是设想中最大的海上风电场的四倍。

结果和结论

热的分布影响天气和气候。因此，部署大量的风力涡轮机可以改变当地的蒸发和降雨模式。它们还可以改变霜冻的模式:涡轮机增加了流动中的湍流，靠近地面，减少霜冻:有些农场部署涡轮机来利用霜冻:你甚至可以(HT scruss)购买风力机专门用于在无风条件下产生湍流(具有讽刺意味的是，这些风力机器通常由化石燃料提供动力)。

所以这就是最终的变化:能源将从比以前更上游的风中提取;而且从化石和核电站的冷却系统中输入的热量更少。这些都是当地天气的影响，可能是有益的，有害的，或中性的。

Answer 2

用海上风力涡轮机阵列来驯服飓风自然气候变化4,195-200 (2014)

研究发现，大型涡轮阵列(300+ GW装机容量)可能会使近地表飓风的峰值风速降低25-41米秒−1(56-92英里/小时)，风暴潮降低6-79%。

在特定地点的海上涡轮机阵列的情况下，有显著减少飓风对沿海生态系统的破坏性影响的潜在好处。

Answer 3

EnergyNumbers的答案在全球范围内是正确的，但风力发电厂对野生动物有不同的影响，可能会产生其他长期后果:

1. 噪音污染会干扰当地的野生动物;尤其当风力发电厂建在水中时，噪音传播得更远。

2. 风力涡轮机经常杀死鸟类(甚至更大数量的蝙蝠)，对于少量的风车，这种影响是相当小的，但如果你有大量的风车，死亡的鸟类数量就会增长，这可能导致它们甚至灭绝。因为鸟类经常携带种子和吃害虫，失去它们可能会对你的环境造成严重后果。

如果这两点结合起来，那么过多的风车可能会对环境造成威胁。

Answer 4

在这个讨论中，有一件事被忽略了，那就是自然主要冷却系统之一的能量损失。通过降低风能，我们也降低了风能冷却世界的能力