随着夏季的临近，电力需求激增，家庭和企业都开始使用空调。为了满足日益增长的需求，许多东海岸城市都寄希望于在大西洋建设的海上风电项目。

对于电网运营商来说，了解这些海上涡轮机能够收获多少风能至关重要，但做出准确的预测却很困难。科罗拉多大学博尔德分校的一组科学家及其合作者正在努力应对这一挑战。

在3月14日《风能科学》杂志上发表的一篇新论文中，由博士生戴夫·罗森克兰斯(Dave Rosencrans)和大气与海洋科学系教授朱莉·K·伦德奎斯特(Julie K. Lundquist)领导的团队估计，计划在大西洋地区建设大型风电场的海上风力涡轮机可能会夺走附近其他涡轮机的风力，从而使风电场的发电量减少30%以上。

考虑到这种所谓的“尾流效应”，研究小组估计，拟建的风电场仍可满足新英格兰电网(覆盖康涅狄格州、缅因州、马萨诸塞州、新罕布什尔州、罗德岛州和佛蒙特州)约 60% 的电力需求。

“正计划建造数千台海上风力涡轮机，因此我们需要预测这些尾流何时会产生巨大成本，何时影响甚微，”同时也是科罗拉多大学博尔德分校可再生和可持续能源研究所研究员的伦德奎斯特说道。

了解尾流效应

当风穿过涡轮机时，位于前方或上游的涡轮机会从风中吸收一些能量。因此，涡轮机后面的风速会减慢，并且变得更加湍流。这意味着下游的涡轮机受到的风速会变慢，有时会导致发电量减少。

论文的第一作者罗森克兰斯说，尾流效应在近海尤为明显，因为那里没有房屋或树木搅动空气，有助于消散尾流。

研究团队利用计算机模拟和大气观测数据计算出，尾流效应使东海岸某拟建风力发电厂的总发电量减少了 34% 至 38%。大部分发电量减少来自同一风力发电厂内涡轮机之间形成的尾流。

但在某些天气条件下，尾流可能会到达顺风方向 55 公里处的涡轮机，并影响其他风力发电场。例如，在炎热的夏天，凉爽海面上的气流往往相对稳定，导致尾流持续更长时间并传播更长的距离。

“不幸的是，夏季电力需求旺盛，”罗森克兰斯说。“我们表明尾流将对发电产生重大影响。但如果我们能够预测其影响并预测其何时发生，那么我们就可以在电网上管理它们。”

平衡之举

2024 年初，首个大型海上风电项目马萨诸塞州沿海的五座风力涡轮机将为新英格兰电网输送首批风电。罗德岛、弗吉尼亚州和纽约州沿海正在建设更多的风力涡轮机。拜登政府设定的目标是到 2030 年安装 30 千兆瓦的海上风电容量，足以为 1000 多万户家庭提供一年的电力。

与化石燃料能源相比，风能和太阳能往往具有可变性，因为太阳不会一直照耀，风也不会一直吹。

伦德奎斯特表示，这种变化给电网运营商带来了挑战。电网是一个复杂的系统，需要实时实现供需完美平衡。任何不平衡都可能导致毁灭性的停电，就像 2021 年德克萨斯州发生的停电事件一样，当时停电导致近 250 人死亡。

随着国家不断扩大可再生能源项目并将更多清洁电力纳入电力系统，电网运营商需要准确了解每种可再生能源可以产生多少能源。

为了更好地了解拟建风电场区域的风向，去年 12 月，作为风能预报改进项目 3 的一部分，Lundquist 的团队访问了新英格兰海岸附近的岛屿并安装了大量仪器。该项目是科罗拉多大学博尔德分校、伍兹霍尔海洋研究所和其他几个国家实验室的研究人员合作完成的。

这些仪器包括天气监测器和雷达传感器，将收集未来一年或更长时间的数据。此前，海上风力发电预测模型通常依赖于船舶和卫星观测的间歇性数据。科学家们希望，通过直接从海洋中获取连续数据，可以改进预测模型，更好地将更多的海上风能整合到电网中。

除了空调和热泵需求增长外，近年来，由于电动汽车、数据中心和制造设施的普及，的电力消耗也迅速上升。分析预测，未来五年，的电力需求将增长近5%，与过去十年预计的每年0.5%的增长率相比，这是一个巨大的增长。

“我们需要多种清洁能源来满足需求并实现电网脱碳，”伦德奎斯特说。“通过更好地预测风能，我们可以更多地依赖可再生能源。”