海上风力发电场可以削弱飓风

78,000台涡轮机组成的森林可以大大降低飓风卡特里娜和桑迪的风速和风暴潮
 


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飓风是无法阻止的,对吗?显然不是。一项引人入胜的最新计算机模拟显示,在新奥尔良以外的35,000平方公里的海域上分布着78,000个大型风力涡轮机,可以将飓风卡特里娜登陆时的3级风速降低129至158公里/小时(80至98英里/小时),并将风暴潮减少79%。同样数量的涡轮机在纽约市近海可以将飓风桑迪的风速降低125至140公里/小时,并将风暴潮减少高达34%。
 
听起来令人印象深刻。但是等等……78,000台涡轮机?每台高100米,叶片跨度直径127米,间隔约650米,覆盖面积是康涅狄格州2.5倍的海域?这个想法听起来很疯狂,但除了底线:“成本将为零,”斯坦福大学土木与环境工程教授马克·雅各布森说。“涡轮机通过发电收入来支付自己的成本。风暴潮和风力保护是免费的,是一种额外的好处。”
 
实际上,建造如此庞大的风力发电场或多组风力发电场的成本将达数十亿美元。但是雅各布森说,成本将通过电力销售在一段时间内收回,从而取代许多燃煤或核电厂。他指出,还有另一种选择:“纽约正在考虑建造价值200亿美元的海堤”,以防止未来风暴潮在飓风桑迪造成纽约和新泽西州超过600亿美元的损失之后造成的损害。“海堤不能自己支付成本,”雅各布森说。“涡轮机可以。”
 
雅各布森在今天发表于《自然气候变化》杂志的一篇新论文中,以令人难以置信的细节计算出涡轮机如何化解飓风的力量。这项基于计算机模拟的练习是该工程师为可再生能源技术构建的一系列宏伟计划中的最新一步。(《大众科学》是自然出版集团的一部分。)
 
2009年的《大众科学》封面故事中,雅各布森和加州大学戴维斯分校的研究科学家马克·德卢奇提出了一个利用风能、水能和太阳能技术为整个世界供电的路线图。去年,雅各布森和他的同事公布了一个详细的计划,以同样的方式为整个纽约州供电,他们已经完成了加州的过程。数以万计的海上风力涡轮机是每个计划的核心组成部分。“海上风相当持续,”雅各布森说。“它们不是间歇性的”,这是对风能的诟病,即当没有风时就不会产生电力。
 
但是涡轮机不会在飓风中折断或倒塌吗?不会,因为风力发电场会减少风能。它是这样工作的:当飓风的外围带接近庞大的风力发电场时,涡轮机旋转,从风中获取能量。这些风通常会掀起波浪,并将空气拉到飓风眼壁旁边,从而增强风暴的强度。如果外围带的风减弱,风暴的力量就会减小;风速减慢,风暴潮减弱。随着飓风继续穿过风力发电场,涡轮机继续减少能量,因此飓风在前进时会失去力量。非常强的风永远不会增强到冲击涡轮机的程度。
 
在考虑到不同的排列组合之前,这个场景听起来不错,但雅各布森对每种情况都有答案。如果风以例如45度角而不是正面冲击发电场怎么办?他说,涡轮机仍然会减少能量。如果飓风在风力发电场的东边或西边50公里处怎么办?涡轮机只会减少风暴的边缘,但风暴不会在风力发电场后面的主要城市造成破坏。
 
雅各布森承认,涡轮机仍然可能被猛烈的风暴损坏。如今,当风速达到约125公里/小时(78英里/小时)时,运营商会关闭并锁定涡轮机。一旦风速超过180公里/小时(120英里/小时),即2级和3级飓风之间的临界线(卡特里娜飓风袭击新奥尔良时的风速为190公里/小时),涡轮机很可能会遭受损坏。尽管雅各布森说风力发电场的功率耗散应使风速保持在这些水平以下,但国家可再生能源实验室等机构的工程师正在研究如何加强涡轮塔和叶片。
 
另一个实际问题是,在墨西哥湾或大西洋沿岸的单个地区,一家公用事业公司或区域公用事业联盟是否真的需要来自78,000台涡轮机的电力。在雅各布森为纽约州的计划中,40%的电力来自13,000台海上涡轮机。“但是,如果你想为邻近的州供电,你很容易就能达到78,000台,”雅各布森说。全国各地将需要数十万台涡轮机。而且即使在今天,风力发电的成本也与化石燃料的成本具有竞争力。根据雅各布森的说法,美国发电的平均成本约为每千瓦时9美分,再加上每千瓦时5美分以支付化石燃料发电厂污染的医疗保健成本。风力发电的发电和医疗保健成本为每千瓦时10至15美分。“风力发电已经具有竞争力,”他说,因此没有理由选择化石燃料发电。
 
雅各布森的宏伟计划越来越受到公众的关注。去年十月,他被邀请参加大卫·莱特曼的《深夜脱口秀》。莱特曼礼貌但坚持不懈地试图将雅各布森描绘成有趣但可能有点古怪的人。在莱特曼指出石油公司不会喜欢雅各布森的计划之后,他要求这位工程师直视镜头,并“告诉人们一切都会好起来的”。雅各布森照做了,并且毫不犹豫地加入了一段关于可再生能源的简短演讲。莱特曼只是笑了笑。
 
在与《大众科学》谈论飓风研究时,雅各布森特别指出:“我不仅仅专注于风能。我们需要太阳能、风能、水力、地热……但是风能已经在发展了。它提供了美国4.5%的电力。我正在研究解决能源需求、健康影响和气候的最佳方案。我没有提倡任何东西。这只是科学。如果煤炭是最清洁的选择,我就会推动煤炭。但事实并非如此。”
 
看看媒体和公众对飓风研究的反应将会很有趣。一个很大的反对意见是风力涡轮机会杀死很多鸟类。雅各布森甚至对此有科学的回应。亚洲与全球化中心本杰明·索瓦库尔的一项重大研究发现,风力发电场每千兆瓦时发电量导致0.3至0.4只鸟类死亡。化石燃料发电厂导致每千兆瓦时5.2只鸟类死亡,包括采矿、栖息地破坏、酸雨、汞中毒和气候变化的影响。“化石燃料发电,”雅各布森总结道,“每千瓦时杀死的鸟类数量是风力发电的10倍。”
 
雅各布森似乎对一切都有冷静的答案。不过,78,000台涡轮机?

Mark Fischetti has been a senior editor at 大众科学 for 17 years and has covered sustainability issues, including climate, weather, environment, energy, food, water, biodiversity, population, and more. He assigns and edits feature articles, commentaries and news by journalists and scientists and also writes in those formats. He edits History, the magazine's department looking at science advances throughout time. He was founding managing editor of two spinoff magazines: 大众科学 Mind and 大众科学 Earth 3.0. His 2001 freelance article for the magazine, "Drowning New Orleans," predicted the widespread disaster that a storm like Hurricane Katrina would impose on the city. His video What Happens to Your Body after You Die?, has more than 12 million views on YouTube. Fischetti has written freelance articles for the New York Times, Sports Illustrated, Smithsonian, Technology Review, Fast Company, and many others. He co-authored the book Weaving the Web with Tim Berners-Lee, inventor of the World Wide Web, which tells the real story of how the Web was created. He also co-authored The New Killer Diseases with microbiologist Elinor Levy. Fischetti is a former managing editor of IEEE Spectrum Magazine and of Family Business Magazine. He has a physics degree and has twice served as the Attaway Fellow in Civic Culture at Centenary College of Louisiana, which awarded him an honorary doctorate. In 2021 he received the American Geophysical Union's Robert C. Cowen Award for Sustained Achievement in Science Journalism, which celebrates a career of outstanding reporting on the Earth and space sciences. He has appeared on NBC's Meet the Press, CNN, the History Channel, NPR News and many news radio stations. Follow Fischetti on X (formerly Twitter) @markfischetti

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