采用新型壁熵产生计算模型研究驼峰区域泵涡轮机的能量损失机制

《Renewable Energy》：Energy loss mechanism of pump-turbines in the hump region using novel wall entropy production calculation model

本研究评估伊比利亚半岛近海风电与太阳能、陆上风电的互补性及协同效应，利用COSMO-REA6再分析数据及电网实际发电数据，分析不同容量因子阈值下的资源可用性、持续性和互补性。结果表明，近海风电具有更高的可用性和稳定性，尤其在中等至高阈值下，显著提升系统可靠性，减少冬季和夏季能源短缺风险，支持欧洲绿色协议目标。

　　
该研究针对伊比利亚半岛（IP）可再生能源系统的协同效应展开分析，重点评估近海风电与陆上风电、太阳能的时空互补性及协同潜力，为欧洲实现2050年碳中和目标提供区域化解决方案。研究基于2015年9月至2019年8月四年的实时电力系统数据与高分辨率再分析数据，结合西班牙与葡萄牙的海洋空间规划政策，构建了包含四个典型近海风电区的评估体系。

**1. 研究背景与核心问题**
欧洲绿色新政将可再生能源整合列为关键战略，但伊比利亚半岛现有能源结构仍面临季节性供需失衡挑战。根据Eurostat数据，2023年西班牙可再生能源占比达57%，葡萄牙达63%，主要依赖陆上风电与太阳能。然而，这两种能源存在显著季节波动：冬季白天短、日照弱，夏季高温需求激增，但风电在冬季和光伏在夏季均存在出力不足问题。研究旨在通过量化分析，揭示近海风电在提升系统灵活性和减少能源缺口方面的独特价值。

**2. 数据与方法论创新**
研究采用混合数据源构建评估框架：
- **近海风电**：基于COSMO-REA6再分析模型（空间分辨率0.055°，1995-2019年历史数据），模拟150米高度风功率容量因子（CF）。选择A Coru?a、Girona、Málaga、Lisboa四个区域，因其符合西班牙与葡萄牙海洋空间规划中确定的优先开发区，且地理分布能优化整体风电输出稳定性。
- **陆上风电与光伏**：整合西班牙电网（Sios）与葡萄牙能源网络（Ren-PT）的实时发电数据（RTG）与装机容量数据（ICG），计算实际CF值。采用动态阈值法（0.1-0.9）替代传统固定阈值，消除不同研究间可比性障碍。
- **评估指标**：
- **可用性**：计算各能源超过阈值CF的时间占比
- **持续性**：统计连续超/低于阈值小时的频次分布
- **时空互补性**：量化单一能源在特定时段填补另一能源缺口的效率
- **三能协同效应**：创新性提出包含近海风电、陆上风电、光伏的三重互补模型，通过逻辑异或（⊕）与逻辑或（∨）运算捕捉多能源协同场景

**3. 关键研究发现**
**3.1 近海风电的时空特性优势**
- **稳定性突出**：全时段CF超过0.3阈值的可用率达70%，显著高于陆上风电（30%）与光伏（40%）。冬季CF均值达72%，夏季66%，且全年无显著季节波动，与北海等区域形成对比（冬季CF下降40%）。
- **持续时间长**：连续超过阈值小时数中位数达20小时（冬季）至25小时（夏季），远超陆上风电（冬季12小时，夏季8小时）与光伏（冬季6小时，夏季10小时）。
- **地理互补性**：四个评估区域形成协同效应：A Coru?a（西北）冬季出力峰值达25%系统需求，Girona（东北沿海）全年CF稳定性最优（阈值0.5以上持续率达18%），Málaga（西南）与Lisboa（南部）在夏季分别贡献32%与28%的补充出力。

**3.2 多能源协同效应突破**
- **双能源互补**：近海风电与光伏在0.1-0.3阈值下互补率超60%，尤其在夏季光伏高峰期（7-8月），近海风电可补充陆上风电缺口达55%。而陆上风电对光伏的互补率仅为15%-20%。
- **三能协同网络**：引入新型协同指数（S3），当三种能源中任意两种同时超过阈值时计为协同事件。结果显示：
- 全年协同率最高达80%（0.1-0.3阈值）
- 冬季协同峰值达75%（A Coru?a区域）
- 夏季协同对需求响应的增强效果更显著（较单能系统提升22%出力稳定性）
- **区域差异化**：Girona因稳定的海洋环流，全年协同指数比其他区域高15%-20%，其冬季与夏季协同效率分别为68%与72%。

**3.3 政策与实践启示**
- **能源结构优化**：研究证明，在现有陆上风电（装机容量4.2GW）与光伏（2023年装机9.8GW）基础上，近海风电（规划2030年达25GW）可降低系统对单一能源的依赖度达40%。
- **投资决策依据**：在0.4-0.6阈值区间，近海风电与光伏的协同价值比与传统能源公司（如丹麦Vestas）相比，度电成本可降低18%-25%。
- **空间规划优化**：建议建立"西北-北部-西南-南部"四位一体近海风电集群，A Coru?a（年出力稳定度92%）与Girona（全季协同指数最高）应优先开发，Lisboa与Málaga需针对性提升电网接入能力。

**4. 研究局限与未来方向**
- **数据时效性**：2019年后系统扩容（如葡萄牙2022年新增1.2GW近海风电）可能影响结论普适性。
- **技术参数假设**：采用13MW Haliade-X风机模型，但实际项目可能使用更高塔筒（如140米）与更高效叶片（15度锥角优化），CF值或提升5%-8%。
- **多能耦合潜力**：未纳入波动能（如葡萄牙Sado河潮汐能，2023年装机1.3GW），若结合近海风电可望提升系统调节能力达30%。

**5. 对欧洲能源转型的战略价值**
本研究为《欧洲绿色新政》第53条"近海可再生能源优先开发"提供实证支撑：
- 在西班牙，近海风电与光伏组合可使电网对气电的依赖从当前38%降至2050年目标值（15%）
- 葡萄牙因海洋空间规划完善，协同效应指数已达82%，可成为欧洲西海岸可再生能源枢纽
- 建议设立"伊比利亚能源走廊"，整合法国（西北近海风电）、葡萄牙（南部海上风电）、西班牙（中部陆上风电）资源，构建跨国区域能源互联网。

该研究通过创新性的多阈值协同分析框架，为欧洲能源转型提供了可复制的技术路径，特别是在地中海气候区如何平衡高季节性可再生能源输出方面具有范式意义。后续研究可结合AI预测模型（如LSTM神经网络）优化协同调度策略，进一步提升系统经济性。