近日，南方科技大学环境科学与工程学院副教授曾振中团队2020级本科生赵雅楠以第一作者身份在环境科学与生态学领域的国际知名期刊Environmental Research Letters上发表论文。该论文题为“Global assessment of spatiotemporal changes of frequency of terrestrial wind speed”，深入探讨了近四十年陆地风速频率的变化及其对风力发电潜力的影响。

风能部署是我国实现双碳目标的重要途径之一,截至2020年底,我国风电装机容量达到2.8亿千瓦,预计在2030年风电和太阳能发电总装机容量达到 12 亿千瓦以上。由于风机产生的风能与风速的立方成正比，探索风资源潜力、剖析可有效发电的风速的时空变化对风能发展有重要意义。                                           

在2015-2019年间，大量研究发现全球地表平均风速在经历了持续四十年的下降后（-0.08 m s^-1 decade^-1），于2010年左右有显著的回升(0.09 m s^-1 decade^-1)。这个现象的发现给风力发电领域释放出了积极的信号。有研究近一步指出，2010-2017年间风速的回升使风力发电潜力提高了17 ± 2%。但这些研究大多关注平均风速的趋势变化，而未考虑有效发电风速的频率变化。由于风机90%的发电量由风速大于50%分位数的部分产生，评估风速频率的变化以及该变化对风力发电的影响十分重要。

本研究通过构建数学模型来探究有效发电风速的时空变化。我们基于1981-2021年间全球1511个气象站点的风速数据，依据风力发电的有效风速以及风速的百分位数得到的分段标准，把风速按大小分为九个区间，并分析这些区间风速的频率变化。通过统计这41年间不同大小风速的频率变化，我们发现1981-2010年间平均风速的下降由强风频率大幅减少（⩾ 5.0 m s⁻¹，图2g-i）主导，且强风贡献率达到了220.37%。但在平均风速显著回升的近十年间，强风的频率并未出现显著的增加。而微风（0.１m s^-1 -2.9 m s^-1，图2 b-c）在近四十年间的频率显著增多，伴随零风速频率的显著下降，缓解了平均风速在2010年前的显著下降以及主导了近十年风速的回升。这意味着有利于风力发电的优质风资源并未随着平均风速的回升出现显著增加。我们采用特定风机的功率曲线（图3 b）来进一步探究风速频率变化对全球风力发电的影响。结果显示，相比1981-2010年风力发电潜力-10.02 TWh yr^-1的下降速率（图3 c），近十年风力发电潜力仅以2.67 TWh yr^-1的速率回升,由此可见,近十年风力发电潜力并没有出现和平均风速一样的回升幅度,该发现可助力于风力发电政策指定和可再生能源规划发展.

图2 1981-2021年间不同大小风速的频率变化 

图3 风机功率曲线（ｂ）与全球风力发电潜力（ｃ） 

该研究揭示了陆地平均风速显著提升背景下，风速频率的时空变化及其对风力发电的影响。这项研究凸显了风速频率变化研究的重要性，旨在为风能开发提供参考。

赵雅楠为论文第一作者，曾振中为论文通讯作者，南科大是论文第一单位。本研究得到国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金和南方科技大学启动基金的资助。

论文链接: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/acc9d5 

供稿：环境科学与工程学院

通讯员：晏梓添

主图：丘妍

编辑：朱增光