大气中风能的物理极限及其作为可再生能源的应用：从理论基础到实际影响
摘要：大气层产生了多少风能，其中多少可以用作可再生能源？本综述旨在给出一级估计和灵敏度，以回答这些问题，并与数值模拟模型得出的结果保持一致。第一部分描述了热力学如何确定大尺度上大气层从太阳辐射驱动产生多少风能。产生和维持大尺度大气运动所做的功可以看作是大气热力机的结果，其驱动力是热带和极地之间太阳辐射加热的差异。由此产生的运动传输热量，使得这种差异太阳辐射加热及相关的大尺度温度差减少。热力学驱动因素与结果动力学之间的相互作用导致全球平均动能生成速率的最大值约为1.7 W m^(-2)，与观测推断的2.1-2.5 W m^(-2)非常吻合。第二部分侧重于将大气动能转化为可再生能源的限制。下层大气的动量平衡显示，在大尺度上，只有大约26%的动能可以转化为可再生能源，每个表面积的典型资源潜力约为0.5 W m^(-2)。小型风电场产量较高的明显差异可以通过解释地表附近动能的耗散和补充的空间尺度约为100 km来解释。最后，我讨论了这些见解如何与已建立的气象概念相容，如何为实际应用提供信息，并为简单、分析和透明地开展气候科学奠定基础。
作者：Axel Kleidon
论文ID：2010.00982
分类：Atmospheric and Oceanic Physics
分类简称：physics.ao-ph
提交时间：2022-10-18