困扰风力发电场的“尾流效应”和“窃风”争议

随着全球各地的海上风力发电场在达成净零气候目标的竞赛中不断扩展，一种令人担忧的现象正引起越来越多的关注：在某些情况下，风力发电场会“窃取”彼此的风。

彼得·巴斯（Peter Baas）是荷兰专门从事可再生能源和天气预测的“威夫尔”（Whiffle）公司研究部门的科学家。他说：“风力发电场产生能量，而这些能量是从空气中提取的。从空气中提取能量会导致风速减少。”

他解释说，风力发电场内，每个涡轮机后方的风速比前方慢，整个风力发电场后方的风速也比前方慢。“这被称为‘尾流效应’（Wake Effects）。”

简单来说，当风力发电场的旋转涡轮机从风中提取能量时，它们会产生尾流并减慢风速。在某些天气条件下，这种尾流对于非常大且密集的海上风力发电场来说，可能会延伸超过100公里（62 英里）。也有研究人员表示尾流通常延伸数十公里。

研究表明，如果风力发电场建在另一个风力发电场的上风处，它可能会使下风处的发电量减少多达10%或更多。

通俗地说，这种现象被称为“窃风”——尽管挪威专门研究海上风能的律师埃里克·芬瑟拉斯（Eirik Finserås）指出：“‘窃风’这个术语有点误导，因为你不能偷窃无法拥有的东西——没有人拥有风。”

尽管如此，他指出这种现象可能会对风力发电场的开发商造成多种负面影响，甚至可能在跨境方面引发问题。事实上，风力发电场开发商之间因涉嫌“窃风”而进行的争议不断，这引起了依赖海上风能来达成净零气候目标的国家的担忧。

专家表示，虽然“窃风”问题在原理上早已为人所知，但由于海上扩展的规模和速度以及海上风力发电场的大小和密度，这一问题变得越来越迫切。

根据彼得·巴斯（Peter Baas）与荷兰代尔夫特理工大学和荷兰皇家气象研究所的研究人员进行的模拟，在北海这个海上风力发电蓬勃发展的地区，随着海上风力发电场越来越密集，“尾流效应”对海上能源生产的影响可能在未来几十年内增加。巴斯表示，风力发电场越密集越大，“尾流效应”就越强。

英国今年春季启动了一项新的研究项目，旨在提供“尾流效应”的更清晰图像，以帮助政府和开发商改善规划，避免争议。项目负责人、曼彻斯特大学土木工程研究员帕布罗·奥罗（Pablo Ouro）说，该项目将模拟尾流及其对2030年风力发电场产量的影响，届时英国水域内的涡轮机数量将比现在多出数千台。

奥罗表示：“我们多年来一直看到‘尾流效应’，并知道它们的存在。问题在于，为了达成净零目标，我们需要部署一定数量的海上风力发电容量。因此，到2030年，我们需要拥有比现在多三倍的（装机）容量，这意味着在不到五年的时间内，我们需要部署数千台涡轮机。”

“（一些）涡轮机将非常靠近已经运行的涡轮机，因此情况变得越来越拥挤。这些‘尾流效应’现在开始产生更大的影响。”他说。

英国政府承诺，到2030年将从风能等可再生能源中产生足够的电力来满足其电力需求。2025年英国政府的政策文件强调需要更好地理解尾流效应，并将其描述为一个新问题，为海上风力发电场带来不确定性。

奥罗表示，目前英国有多起风力发电场开发商之间因潜在“尾流效应”而产生的争议。在他看来，这些争议部分是由于对尾流的精确影响的不确定性造成的。例如，现行的英国指南关于海上风力发电场应如何间隔以避免“尾流效应”，可能未能反映尾流实际延伸的范围。

他解释说，由于海上风力发电场是成群建造的，因此很难评估它们如何相互影响彼此的能量产出。

奥罗说：“当你有两个风力发电场时，很容易评估风力发电场A与风力发电场B的相互作用。但如果你有六个风力发电场，它们如何相互作用？这是我们不知道的——但随着越来越多的风力发电场建成，这肯定会发生。”

他指出：“另一个问题是涡轮机变得非常大。”涡轮机越来越高，叶片越来越大，以捕捉更多的风能。最新的涡轮机叶片跨度超过100 米，相当于一个足球场的长度。在最大的海上涡轮机中，一台涡轮机可以为大约18,000至20,000个欧洲普通家庭供电。

但这种尺寸的增加可能会加剧“尾流效应”，因为更大的叶片直径可能会产生更长的尾流。奥罗还补充说，应该进行更多研究以了解其影响。

抢占最佳位置？

芬瑟拉斯（Finserås）在挪威卑尔根大学进行博士研究期间，领导了一项关于“尾流效应”和监管缺口的研究。该研究分析了挪威计划中的风力发电场的尾流如何可能对丹麦的下风发电场产生负面影响。芬瑟拉斯警告说，除非解决“尾流效应”管理问题，否则可能会导致法律和政治冲突，并使投资风能变得更加困难。

芬瑟拉斯说：“至少在欧洲，北海和尤其是波罗的海可能会成为大规模海上风力发电场建设的中心。因此，‘尾流效应’问题很可能会渗透到北海及其他地区的能源转型中。”

从投资角度来看，即使是相对较小的“尾流效应”也可能对海上开发商造成问题，芬瑟拉斯说。“建造海上风力发电场的成本非常高，”他解释道，这是由于这些发电场的巨大规模以及所有相关的复杂工作，包括部署专用船只。

他说，为了证明其投资合理并获利，“对于开发商来说，能够预测风力发电场在25或30年的典型寿命期间将产生一定量的电力非常重要”。芬瑟拉斯说，即使是相对较小的、意外的能量产出减少也可能打乱这一投资计算，使风力发电场在财务上不可行。

他警告说，如果运营商或国家试图通过确保最佳位置来避免“尾流效应”，可能会产生另一个风险：“尾流效应”可能会导致所谓的“抢水现象”，即各国争相开发以从最佳可用风力资源中获益。他说，匆忙开发可能会增加忽视风力发电场规划其他重要方面的风险，例如保护海洋环境。

曼彻斯特大学的奥罗也看到了跨境问题的日益风险：“迄今为止（在英国）提交的所有争议都是英国风力发电场之间的，但如果明天英国风力发电场与荷兰、比利时或法国的风力发电场之间发生争议呢？因此，我们越早预见这种情况，并为‘好吧，这就是我们要解决这个问题的方法’奠定基础，就越好。这减少了不确定性，对行业更有利。”

芬瑟拉斯建议欧洲国家在规划风力发电场时通过合作和相互咨询来解决风力窃取问题，并引入明确的法规来管理风力作为共享资源。他建议，风力可以像其他有法规的共享海洋资源一样被对待，例如跨越国界的油田或鱼类。“国家之间以前规范过类似问题。”他说。

芬瑟拉斯说，为了解决这些棘手问题，参与的欧洲国家通常有良好的政治关系，这是有帮助的。

他说：“我们必须使能源部门脱碳，而且必须非常迅速地进行，这是欧盟在海上风能政策方面的雄心。因此，毫无疑问，所有这些都在迅速发生。但我们不应该因为事情发生得快而阻止找到好的解决方案，”他说，没有人有兴趣为风力争斗。“尽管（风能扩展）正在全速进行，但各国之间仍有动力合作，找到公平的解决方案。”

不仅仅是欧洲在努力更好地理解“尾流效应”。例如，中国正在迅速扩展其海上风力发电场，那里的研究人员已经将“尾流效应”对中国海上风力发电场的影响放在了聚光灯下。

自该项目于三月宣布以来，奥罗收到了大量对该项目感兴趣的电子邮件，在他看来，这表明问题的紧迫性。“我们需要理解这一点，我们需要在建模方面取得更多进展，以便每个人都充满信心，因为我们需要这么多的海上风力来达到净零。我们必须实现这一目标。”