量化中国陆上风电扩张中的能源 - 成本 - 碳排放权衡：基于全生命周期的风机设计优化

《Environmental Impact Assessment Review》：Quantifying energy–cost–carbon tradeoffs in China's onshore wind expansion: A life cycle-based turbine design optimization

　　

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  该框架将涡轮机尺寸与能量、成本和碳排放联系起来。
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  空间筛选确定中国有261万平方公里的适宜用地。
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  统一涡轮机部署可实现10.1太瓦的最大几何容量。
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  当风速高于6–8米/秒时，最佳转子直径和轮毂高度通常会下降。
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  最小化碳强度比最小化单位成本更倾向于使用更大的转子。

引言

在全球气候挑战日益严峻的背景下，中国作为全球最大的碳排放国之一（国际能源署，2021），已制定了雄心勃勃的能源转型目标，以实现碳达峰和随后的碳中和。具体而言，到2030年，中国目标是使非化石能源占总消费量的比例提高到约25%，并计划实现风电和太阳能累计装机容量超过1.2太瓦（国际能源署，2024）。

中国广阔的国土使其拥有丰富的陆上风能资源（李等人，2024），为可持续发电提供了巨大潜力。2024年，中国的风电装机容量实现了令人瞩目的增长，扩大了18%，达到约520吉瓦（国家能源局，2025）。值得注意的是，中国陆上风能的平准化电力成本已降至约0.029美元/千瓦时（国际可再生能源署，2025）。鉴于其技术成熟度和经济竞争力，风电在中国正在进行的能源转型中占据着举足轻重的地位。

风力涡轮机技术的进步推动了行业向提高单台涡轮机容量的趋势，主要通过增大转子直径和提高塔架高度来实现。例如，在安徽省部署的陆上风力涡轮机的转子直径达到200米（中国投资集团，2025），而在山东省莒县安装的涡轮机的塔架高度达到160米（菏泽日报，2020）。增大的转子叶片增加了扫掠面积，从而增加了能量产出，而更高的轮毂高度则有助于在低风速区域有效捕获能量。情景分析进一步表明，陆上涡轮机技术的进步可以抵消气候相关的风能资源减少对未来容量系数的影响（Jung和Schindler，2022）。

然而，虽然更大的涡轮机在理论上承诺改善能量性能（Wiser等人，2021；Rinne等人，2018），但其实际效益受到多种区域因素的限制，包括地理条件和风能资源分布（Kuczyński等人，2021）。最近的影响评估研究表明，风能规划需要更多地关注规划阶段的监管审查有效性和环境约束，而不是仅依赖资源潜力（Park等人，2025）。不加选择地追求增加涡轮机容量可能导致不成比例的建设与维护成本，可能降低经济效率并造成非预期的环境后果。因此，根据区域资源禀赋适当选择涡轮机尺寸对于有效平衡经济回报与环境可持续性至关重要。

现有的风力涡轮机成本和生命周期环境影响评估方法在范围和涡轮机设计参数的处理上存在差异。在成本估算方面，研究要么推导经验性的项目层面关系——例如最终总成本与装机容量之间的相关性——而不解决单台涡轮机层面的设计特定成本变化（Shen等人，2020），要么依赖于详细的部件和子系统工程模型，这些模型虽然参数明确，但由于其复杂性而难以在大规模筛选中实际操作（Fingersh等人，2006）。与此同时，生命周期碳排放研究已确定关键的排放驱动因素，并探讨了排放与发电量之间的统计联系（Bhandari等人，2020），而简化的生命周期评估替代方法已被提出以实现快速影响评估并推导出由运行假设（如寿命和负荷因子）驱动的碳方程（Padey等人，2013）。基于回归的生命周期评估分析进一步将碳强度与物理设计描述符联系起来，包括转子直径、轮毂高度和重量，通常表明由于发电能力更高，更大的涡轮机每单位电量可能更高效（Caduff等人，2012）。然而，这些研究很少产生一个统一的、参数明确的映射，该映射能够支持在不同风况下同时支持成本-碳权衡分析。

风力涡轮机规划研究主要涉及空间选址或涡轮机选择。基于地理信息系统（GIS）的选址研究将风能资源与空间约束相结合，以识别适宜的部署区域，其中一些还纳入了更广泛的可持续性考虑。例如，黄等人（2023）将基于GIS的选址与资源时间足迹相结合，以评估福建的材料、碳、土地和劳动力需求，而苏等人（2026）将植被碳固存纳入内蒙古的风电场选址。这些研究扩大了选址的环境范围，但主要关注风力涡轮机应部署在哪里。

相比之下，涡轮机选择和设计研究优化了不同风况下的场地-涡轮机匹配、农场布局、发电量、容量系数和能量成本（Gualtieri，2017；Chowdhury等人，2013；Chen等人，2018）。空间解析的生命周期研究进一步表明，涡轮机尺寸和当地风况共同影响温室气体（GHG）回收期（Dammeier等人，2019）。更直接的是，Canet等人（2023）通过优化转子直径和轮毂高度来评估经济与生命周期环境目标之间的帕累托权衡。尽管取得了这些进展，一个关键挑战是如何将这些设计层面的成本-碳权衡与在不同风能资源和土地可用性区域的涡轮机选择联系起来。

为了弥补这些差距，本研究开发了一个针对中国陆上风能部署的区域特定评估与优化框架。本研究做出了三项贡献。首先，它建立了一个参数明确且可重复的映射，将转子直径和轮毂高度与年发电量（AEP）、生命周期成本和生命周期温室气体排放联系起来。其次，它将此设计模型与透明的空间排除标准和涡轮机阵列间距相结合，以估算在规定的空间约束下适宜用地和部署潜力。第三，它应用基于情景的发电量、碳强度和生命周期成本约束，以推导不同风速区的目标特定涡轮机尺寸策略。通过在统一框架内将涡轮机设计、空间可行性和规划目标联系起来，本研究扩展了现有的风能资源评估、涡轮机选择和生命周期评估工作，从而为中国的战略能源转型和长期碳中和目标做出贡献。

章节摘要

方法

本研究开发了一个整合框架，通过考虑涡轮机设计、区域风能资源、适宜用地、能源生产、生命周期成本和生命周期温室气体排放，来评估和优化中国的陆上风能部署。工作流程结合了风能生产建模、经济评估与碳评估、空间筛选以及在不同代表性风速区的目标特定涡轮机选择（图1）。

年发电量和容量系数

在主要参数假设下，涡轮机的功率曲线被积分到威布尔风速分布上，以确定每种工程可行的转子直径（D）和轮毂高度（h）组合的预期年发电量：$$\mathrm{AEP}=T·{\int }_{\nu =0}^{{\nu }_f}p\left(\nu \right)·f\left(\nu \right)\mathit{d\nu }$$其中$T=365\times 24\mathrm{h}=8760\mathrm{h}$表示一年中的小时数。

图3展示了毛年发电量和容量系数的分布情况。在所评估的涡轮机配置中，单台涡轮机的年发电量范围为0.07至42.8吉瓦时/年，而容量系数（CF）

结论与未来展望

本研究开发了一个区域特定的生命周期评估与优化框架，将涡轮机几何形状与年发电量、生命周期成本和生产至电网的温室气体排放联系起来。空间筛选确定约261万平方公里的适宜用地，占中国国土面积的27.2%。在统一设计的国家筛选案例下，估计的最大几何容量达到10.1太瓦，对应于30拍瓦时/年的毛发电量，以及应用统一后10.6拍瓦时/年的发电量

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本文中报告的工作。

致谢

这项工作得到了国家重点研发计划（项目编号：2023YFC3904500）、国家自然科学基金（项目编号：72674037, 52293445, 72321002）以及区域环境与可持续发展国家重点实验室（编号：24K07ESPCT）的资助。

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