风力涡轮机的能源提取会对环境有害吗?

Question

风力涡轮机的工作原理是将一些风能转化为电能。是否有可能有太多的涡轮机，导致它们从风中带走太多的能量?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。

那么如果我们移除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燃料或核电站发电所带来的变化的简要总结:

• 能量从风中被带走，而不是在逆风处
• 在风力涡轮机的下风处有更多的湍流
• 更少的低品位热量被投入到已经关闭或关闭的化石燃料或核电站周围的环境中，因为现在电力由风能提供。

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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，这些影响可能是正面的，也可能是负面的。

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，几乎所有风中的能量都以低品位的热量结束。不管它是否通过风力涡轮机到达那里。如果不是，它最终会由于摩擦而消散，在那里它会变成环境中的低品位热量。如果是，那么它将被转换成电力，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移动而已在哪里这些能量从风中被带走，但不是多少。

一个无罩的涡轮机最多可以提取风动能的16/27(59.3%)——这是贝茨极限。实际上，大概是20-50%。这是E82-Enercon 3MW涡轮机的功率曲线，来自Enercon宣传册：

较轻的曲线，画在垂直轴的右边，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。从化石燃料/核能转向风能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，因此会产生很多连锁反应。但是，为了简化问题，把这些放在一边，仅仅从化石燃料/核能转向风能不会为低等级的热量创造新的汇:照明将继续在同一时间和地点使用，就像现在一样。将会发生的是，能量将在新的地方从风中提取:在涡轮机上，而不是在更远的顺风处，能量将通过摩擦消散。另一件会改变的事情是，在所有那些化石燃料和核电站中，将不再有额外的低品位热量来源。现在，它们是非常强烈的热源:核电站或燃煤电厂通常释放的能量是当地热量的150% - 200%，就像它们发电一样。因此，这是一个重要的热量输入到当地的天气系统中，当它们被关闭时，这些热量将不复存在，因为电力是由风能提供的。

快速浏览一下文献

Smith、Barthelmie和Prior对大型陆上风电场对近地表温度、湍流强度和风速剖面的影响进行了现场观测。他们发现，在白天，一旦他们离涡轮机顺风超过2公里，温度就没有明显的变化。然而，在离地面2.5米的地方夜间气温升高(因此农民使用风力涡轮机来防冻)。

除了我上面写的，我们在文献中也有很多模型。现在，这主要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，这些论文是由持不同基本立场的人写的，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可能或更不可能。

马克Z雅各布森写了一本关于大气建模基础的书，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，我们知道它的一级影响将是积极的。

Roy & Traiteur研究了风力发电场对地表气温的影响发现了显著的局部影响，以及缓解措施。

Wang & Prinn看了看多太瓦规模装置的潜在长期全球影响他们发现，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发电厂要小)，而大型海上风力涡轮机可能会导致全球变冷。建模是通过假设涡轮机的相互作用表现为表面粗糙度的一般增加来完成的;另一个关键假设是，中尺度模拟的细节损失对结果没有显著影响。

柯克-大卫杜夫和基思与Wang和Prinn一样，他们通过在表面粗糙度系数中添加异常来使用粗糙的中尺度模型。在大陆规模的风电场中，他们发现全球温度变化很小，但局部温度变化可能高达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(9 000 公里)的影响²利用中尺度环流模型，对海上风电场的降雨模式进行了研究，发现降水分布可能会发生变化，海上降雨更多，陆上降雨更少。这个模拟的风电场大约是设想中最大的海上风电场的四倍。

结果和结论

热量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:涡轮机增加气流中的湍流，靠近地面，减少霜冻;有农场部署涡轮机以利用霜冻预防:你甚至可以(HT螺旋)购买风力机致力于在无风条件下产生湍流(讽刺的是，这些风力机通常是由化石燃料提供动力的)。

所以这是最终的变化:能量将从比以前更上游的风中提取;从化石燃料和核电站的冷却系统进入系统的热量更少。这些都是局部天气影响，可能是有益的、有害的，也可能是中性的。

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，大型涡轮机阵列(装机容量超过300吉瓦)可能会使近地表飓风峰值风速降低25-41米/秒(56-92英里/小时)，风暴潮降低6-79%。

在特定地点的近海涡轮机阵列的情况下，有可能大大减少飓风对沿海生态系统的破坏性影响。

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;当风车建在水中时尤其如此，因为水中的噪音会传播得更远。

2. 风力涡轮机通常会杀死鸟类(甚至更多的蝙蝠)，对于少数风车来说，这种影响很小，但如果你有大量的风车，死亡的鸟类数量就会增加，这可能会导致它们灭绝。因为鸟类经常携带种子并吃害虫，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，那么拥有太多的风车可能会对环境造成威胁。

Answer 4

在这个讨论中被忽略的一件事是自然的主要冷却系统之一的能量损失。通过降低风的能量，我们也降低了风给世界降温的能力