太阳能与风能-谁赢了？

对我来说，他们可能成为巨人的终极书呆子歌曲“ Particle Man”中最令人高兴的事件是，在引入（按复杂性顺序）粒子人，三角人，宇宙人和人人，并了解到三角人在一场比赛中自然击败了粒子人，我们再次将人与人对抗，以发现三角人获胜。在这篇文章中，让太阳能逆风而行，看看谁赢了。

与研究详细研究的结果相反，我将采用通常的方法并估计我能做些什么。它是大人物问题个人掌握过程的一部分，同时还提供了完整性检查。在探索对迫在眉睫的石油危机的有用反应（或选择您最喜欢的摆脱化石燃料的理由）时，适当的策略是评估各种选择的标准能力。有些将证明比我们需要的大得多，而另一些则将是微不足道的，而许多将表明自己严重不足以匹配所需的规模。因此，目标是将这种粗略的分类过程执行为充裕，有用和浪费的时间。

地球能源预算

由于我将在未来几周讨论的许多选择最终都来自太阳，因此提出能源预算很有用。

在太阳从高空发²生的1370 W / m入射光中，有30％被立即反射而没有停顿足够长的时间以致打招呼。大约20％被大气和云层吸收，而50％被地面吸收。请注意，能量预算的7％用于传导和上升的空气（单独的现象；后者与风有关）。几乎没有热量能够在厚厚的大气中传导，因此，实际上这个数字完全与对流或移动的空气有关。

相比之下，人类的能源消耗（转换）率约为13 TW（13万亿瓦），全球平均每人约2,000 W（美国人为10 kW）。我们还可以除以地球面积来获得每平方米0.025 W的功率密度，如果仅计算陆地面积，则可以得到0.09 ²W / m的功率密度。

太阳势

如果50％的入射太阳辐射进入地面，那么面对太阳的平均²地面面积为700 W / m。但是，太阳将其置于地球²的预计？R区域（从太阳观察到的地球盘）上，而实际的3-D地球的面积为²4？R。因此，我们必须将其除以四，以获得实际地面单位面积的通量，得出170 W / m。²我们可以认为这个四分之一的因子是白天和黑夜的两个因子，再加上两个因子，因为太阳一直都不在头顶上方，导致地面每平方米的强度损失。

倾斜到站点纬度的面板可以补偿某些倾斜的太阳角损失（对于高纬度，即使在“高”午时，地面也总是受到这种几何稀释的影响），因此½该因子变为2 / ?，或0.64，代表全球比水平面板提高30％。在此方案中，我们的纬度倾斜面板的²功率为220 W / m（尽管几乎不受纬度和天气的影响）。倾斜的面板将需要更多的土地以避免自遮蔽，因此所需的土地面积将保持在170 W / m的预先调整值。²

请注意，太阳能潜力比我们对0.09 W / m土地面积的需²求要大多少。这意味着我们仅需要0.05％的土地即可捕获足够的阳光，或者在4.5小时（1.25小时）内有足够的阳光照射到土地（整个地球）上，可以满足一年的需求。那就是强大的资源！

但是，一旦我们考虑到效率（例如，为简单起见和保守起见就将其设为10％），我们需要的土地面积是上述计算的十倍。不过，这是微不足道的。我之前使用以下图形说明了以8％的效率将太阳能光伏（PV）占用多少土地才能产生18 TW的电力输出（请注意，今天13 TW的能耗中约有一半是在热机上损失的，因此18 TW的电力足以满足我们目前的需求）。

土地面积需要使用8％的高效光伏电池来产生18太瓦（比2010年的价值大50％），以黑点表示。

生病的把太阳能放到“丰富”的盒子里。

捕捉太阳

从太阳捕捉能量非常简单。在凉爽的日子里坐在阳光下，享受温暖的天气。安置好房屋，使朝南的窗户可以吞下阳光，并抵消（或消除）传统的热源。将集热器用于生活热水和/或室内采暖。将光伏面板粘贴在外面，如果未将其正面朝下放置，它将发电。集中阳光以加热流体和/或产生蒸汽以在热机中发电（可能与蓄热器结合使用）。当阳光普照时，有很多选择。

许多人对我的太阳能热情做出了反应，指出圣地亚哥是太阳能的绝佳去处-因此，难怪Im着迷于此。但是圣地亚哥仅比美国48个州以下的典型地点好19％（我们得到了许多海平面云：五月灰色之后是六月格洛姆，有时是七月星云-好吧，最后的押韵是我自己的拉丁书呆子发明，所以吟是原谅的。

美国国家可再生能源实验室（NREL）对美国239个站点进行了为期30年的日照研究（数据在此处），从中可以看出，在下48个城市（华盛顿州奎拉尤特市）上，最差的研究地点半岛）仅比最佳学习地点（莫哈韦沙漠中的加利福尼亚州达格特）差两倍。事实证明，密苏里州圣路易斯市通过各种措施赢得了最典型的太阳能位置奖。它的年平均水平为4.8 kWh / m² /天（这很方便，相当于每天4.8个小时的直射阳光，因为直射阳光提供大约1 kW / m的功率²）。将该数字除以24可得到kW / m，以便²与我们之前的评估进行比较：圣路易斯²200 W / m。

风势

风代表二次太阳能流，来自土地的不同太阳能加热以及大气中温度梯度引起的对流（下方热，上方冷）。因此，风就像桌子上的太阳屑一样，注定只占直接太阳势的一小部分。你猜多少钱？1%, 5%, 10%? 作为估计，我们可以处理什么？

一种方法是注意对流是由温暖表面和凉爽高度之间的温差驱动的热过程。从热系统（我们称为热力发动机）产生机械能的最大热力学效率为（Th？Tc）/ Th，下标表示冷热限制，以开尔文表示。对流层（从地面一直延伸到天气所居住的约10 km）的平均表面温度约为290 K，对流层顶温度约为230 K，从而使最高效率达到20％。但是，现在我们根据以下观点将其分解：大气中大约一半的冷却是通过直接辐射而不是对流进行的，总对流能的一部分会在水平风中表现出来，并且还会有粘性损失使风的动能转化为大气中的热量。因此，我最终估计不到太阳所沉积的热能的5％最终会导致水平风。

我们可能尝试的另一种处理方式是猜测对流层中的典型风速为20 m / s（44 mph），并请注意，每平方米土地上都坐拥104公斤重（导致mg = 105 N / m²的压力，即每平方英寸14磅）。因此，每平方米空气中½的²动能为mv = 2 MJ。现在是棘手的部分。如果我们立即从空中消耗掉所有的能量，那么仿佛什么也没有发生，要花多长时间才能重新建立全部流量？我要说的是一天，即86,400秒。同时，我很想长短一些。神经症可能是体面猜测的迹象。这转化为大约25 W / m的功率²密度，大约是总太阳能输入的7％。对于球场来说还不错。注意到上面的能源预算图形显示上升的空气占太阳能总预算的7％，我们可能会猜测水平风的上限为5％。这样可提供17 ²W / m，比表面可用的日光少一个数量级。啊-但是在地面有多少这种风能呢？

捕捉风

追风可能是一个微妙的工作。贪婪受到惩罚。通过从迎面而来的风中掠夺所有动能，空气必须停止，以便迎面而来的气流绕过障碍物转移。从理论上讲，孤立的风车在进入自限状态（称为贝兹极限）之前，可以捕获入射在转子区域的动能的59％。工程上的实际操作施加了进一步的限制，因此当今最好的风车的总效率达到40％至50％。

风车将产生多少功率？如果风速为v，则每秒钟传送一管空气，其体积为Av，其中A是转子的面积（ΔD/ 4，如果²D是转子的直径）。那么，每秒入射在风车上的空气质量为？Av，其中？? 空气密³度为1.2 kg / m。因此，每秒可用的动能或功率为P½ =？Av。³然后，将其乘以净效率（<50％）即可获得电能。注意对速度的三次依赖性。这是一个大问题。将风切成两半，可用功率减少八分之一。现在，世界上最大的风力涡轮机的转子直径为126 m，最大发电量为7.6 MW（我计算出该值相当于v = 13 m / s或29 m.p.h.）。风车通常会在较高的风速下自行限制，否则有可能被吹成碎片。

假设我们的风车只能对较低的150 m大气层进行索赔，那么我们可以从地²面获取180 kg / m的空气，这是我们用来进行计算的总量的1.8％。这将我们的17 W / m变²成0.31 W / ²m。考虑到收集效率，我得到0.15 W ²/ m，这比我们的陆上需求略大。我必须记住，我认为5％是转换为水平风的太阳能输入能量的比例的上限估计。而且我还没有解决以下事实：地表附近的风比高空的风轻。另一方面，风没有严格分层，因此新能量可以从上方进入，从而将我们的作用范围扩展到我使用的150 m极限以上。

总而言之，风肯定会进入“有用的”盒子。但是考虑到实用性，即使在100％的土地面积上进行部署，风能也无法像太阳能那样轻松满足我们的总需求。

太阳能与风能抗争

谁赢？这取决于您最看重的是什么。如果它的装机容量是风能，则它会吸太阳能。如果它的总可用资源，那么太阳能将获得成功。从经济上讲，每峰瓦数或每千瓦时风能便宜一些，因此它赢得了这场竞赛。小型（家庭）安装：采用太阳能。夜间：利风。间歇性：两者都会输（尽管通常是互补的）。

当我开始对替代能源进行自我教育时，我一直看到以W / m为单位的太阳势（日照）和风势图。²风比太阳能好得多。例如，美国年度日照的太阳图看起来像：

年度日照。将值乘以1000并除以24得到W / m的单位。²

在这里，这些值以kWh / m ²/ day给出，因此要获²得W / m，只需乘以1000，再除以24。例如，密苏里州的亮黄色覆盖物为4.5–5.0 kWh / m /天，²或188–208 W / m。²步长为0.5 kWh / m /天，或²约20 W / m。²这使西南沙漠中最橙色的区域达到271 292 W / m。²

同时，被认为值得开发的站点的风向图如下所示：

请注意，最好的站点超过800 W / ²m，大的土地面积接近500 W / m。²从表面上看，这看起来比太阳能要好得多。但要注意：风能密度的分母中的面积是转子的面积，而不是像太阳图那样有效的陆地面积（在30度纬度时面板倾斜度增加15％，在45度时面板°倾斜度增加41％ °）。

风车领域的经验法则是，它们并排的转子直径不应小于5个（相对于风向），风向不得小于10个转子直径（分别使用> 4和> 7） 。否则，一台风车会挡住另一台风车，使风陷入泥潭，并使气流绕过障碍物。结果是，每台风车的放样面积为50平方转子直径，而转子本身为π/ 4平方转子直径。因此，转子仅占陆地面积的1.6％，因此转子面积的800 W / m的毛²坯面积占土地的13 W² / m，内陆热点的面积为8 W / m。²

结果是，得克萨斯州泛²滥区中一块1 m的平坦土地可能获得200 W的平均阳光（向下校正纬度倾斜），而风能则为8W。如果我们以15％的效率将太阳光转换为电能，以45％的效率（典型值）将风能转换为电能，则我们的功率为30 W vs. 3.5W。太阳能（在同一位置）将风击败的数量级为一个数量级。将最佳的太阳能站点与最佳的风力站点进行比较（按转子面²积获得1000 W / m的功率），太阳能的优势是五倍。

作为侧面探索，如果我看一下上面的风向图，并以密歇根湖为水的参考区域，以内布拉斯加州为州的典型区域（分别为60,000 km和200,000 km），则我算²出约8个湖²泊，值得一提的是近海红色，一个湖泊中可以有近海蓝色，还有大约七个橙色到粉红色。再加上这8个州的橙色粉红色土地，我们在图形中表示了13 TW的海上风能和4.5 TW的陆基风能（使用3 TW时）。我先前对0.15 W /² m的风势的估计值乘以下48个州的面积可得出约1.2 TW。我对这个差异感到困惑。我的估算受到太阳能预算中分配给移动空气的7％能量的限制，因此基于地图的估算过于乐观（例如，功率密度基于孤立的风车，而全面部署可能会产生足够的摩擦力来显着改变风的模式；和/或因为我没有应用效率因数），或者我限制使用底部150 m的大气层而忽略了垂直电流可能补充的能量。请参阅附录，以与研究进行比较并了解不匹配的情况。

三角胜

多年来，Solar和Wind一直在争夺能源游戏的购买权。谁赢了？化石燃料：它们仍然能击败任何一条。那就是我们的三角形。化石燃料既便宜又可靠，是它们自己的存储设备，可以通过汽车，卡车，轮船，飞机运输，并且可以与我们现有的基础设施无缝配合。风能，尤其是太阳能，通常不会在价格上竞争。两者都是断断续续的，因此它们无法大规模适应我们当前的基础架构，需要大量的存储和传输才能成为主要的能源供应商。在油价下降阶段，我们将不会遇到液体燃料紧缩的真正帮助。电动汽车不太可能迅速廉价地打入市场，以免陷入困境。

不要误会我的意思。我是两种能源生产方式（尤其是太阳能）的忠实拥护者。我被太阳能的原始数字所左右。我有一个自制的独立光伏系统和高尔夫球车电池，可为我提供大部分电力（作为一项附带福利的爱好）。我感到高兴的是，现在风能在美国产生的电能约占总发电量的1％，而该价格并不比传统电力高得多。我个人认为，我们应该克服这些事情要比我们的老朋友更昂贵的想法，并全面接受它们，以应对成本，间歇性，存储问题，传动装置的增加以及总成本的减少需求。

我知道这些事情都是可能的，而且我们在阳光和风能中可以从物理角度满足我们（希望减少的）需求。但是，人们会自愿承诺及时采取这种更为昂贵的行动的想法似乎纯属幻想。只有不断上升的能源成本才能驱动我们。我们冒着为时过晚的风险。我们发现自己陷入了“能源陷阱”。我们了解到，当能源价格飞涨时，每件事物都会变得更加昂贵-甚至被认为是逃脱路线的可再生能源。在这种压力下，我们负债累累的经济和两极化的政治体系破裂了。替补人不会扫罗来挽救一天。人与人相遇。他们打架，三角获胜。三角人。

附录

作为一项本科生研究项目的一部分，托马斯·图（Thomas Tu）对可靠的风势评估进行了筛选，以与我的估计进行比较。就上下文而言，我的端点估计为²0.15 W / m，如果要开发100％的地球陆地面积，则相当于约21 TW。我们在全球消耗约13 TW的风，并安装了0.045 TW的风力。

这些发现中有卡洛斯·德卡斯特罗（Carlos de Castro）等人的论文瑰宝，出于多种原因而获得了我的最有价值论文奖。首先，它总结了来自各种来源的全球风能潜力估算值。其次，它遵循自上而下的方法，就像我在这里所做的一样（从可用的总能源预算开始）。第三，它指出，许多自下而上的估算（从风电场的输出开始并按比例放大）违反了节能，因为最终消耗的能量超过了系统中可用的能量。完整的PDF受到访问限制，但基本要点已在“油桶”上的帖子中进行了总结。

如本文所述，全球潜力的估计范围为1 TW至80 TW。对经济生存能力的评估倾向于使我们到2050年不超过5 TW，最终的可持续风能估计约为7 TW。需要注意的重要一件事是估算值相差很大，这意味着我们尚不确定风能是否可以满足当前需求的很大一部分。

我发现对于de Castro等人特别有用。方法是对流层中风耗散的总功率的一组数值（这些数字范围为340-3600 TW，再次涵盖了很宽的范围）。他们选择1200 TW作为最实际的方式。下一步是估计在最低的200 m中有多少能量，他们通过三种独立的方法接近所有能量，都指向约100 TW。请注意，这大约是严格比例量的四倍（10 km中的200 m将产生1200 TW的2％，即24 TW）。因此，实际上，这包含了我怀疑我错过的能源补充：风能的耗散不成比例地发生在地面附近。应用于可用土地（避免冰盖等），我们在全球拥有20 TW。他们继续应用各种实际的效率约束-我在分析中没有考虑其中的许多。这些因素在《油桶》一文中进行了总结，最终估计全球潜在潜能约为1 TW。

即使这个估计值的数量级太悲观了（尽管我对他们的自上而下的常识性方法产生了共鸣），结果还是一样的：风在“有用的”框中应占一席之地，但它没有它背后的数字使它成为像Sun这样的过多资源。

通过。汤姆·墨菲

这是汤姆·墨菲（Tom Murphy）的特邀帖子。汤姆是加利福尼亚大学圣地亚哥分校的物理学副教授。这篇文章最初出现在汤姆的博客《做数学》中。