提取風(fēng)能會改變天氣嗎？

　　在空氣中靠風(fēng)力推動(dòng)而發(fā)電的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，會影響天氣和環(huán)境嗎?

　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)“攫取”多少風(fēng)能

　　看到這個(gè)問題，也許你的第一反應(yīng)是沒有影響，但你知道嗎?就連以清潔無污染著稱的水力發(fā)電，也對生態(tài)環(huán)境有不小的負(fù)面影響。水力發(fā)電機(jī)攔截水流，表面上看，水流的總量并沒有變化，但不同地區(qū)的水流分配卻發(fā)生了變化，以致于造成了一些嚴(yán)重的后果。比如，由于水體流速的降低，水體透明度提高，這樣利于藻類進(jìn)行光合作用，導(dǎo)致藻類大量生長，甚至出現(xiàn)水體的富營養(yǎng)化;另外，還可能降低污染物遷移率，導(dǎo)致水體失去自凈能力，泥沙淤積，如果其中含有重金屬、有毒物質(zhì)，將會形成二次污染;大壩還會阻塞魚類洄游，導(dǎo)致魚類數(shù)量急劇減少;等等。與水力發(fā)電相似，風(fēng)力發(fā)電機(jī)也是靠攔截氣流來發(fā)電的，那么，攔截氣流又會對大氣有什么影響呢?首先要知道，風(fēng)力發(fā)電機(jī)“攔截”了多少氣流?讓我們做一個(gè)簡單的計(jì)算。用到的公式很簡單：高中學(xué)到的動(dòng)能定理E=mv2/2。速度v易于測量，風(fēng)速儀能很快給出準(zhǔn)確的數(shù)值，需要費(fèi)點(diǎn)功夫的是風(fēng)的質(zhì)量m。所謂風(fēng)，就是一定時(shí)間一定區(qū)域內(nèi)的空氣流動(dòng)，因此我們實(shí)際需要的是一段時(shí)間內(nèi)流過風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片上的空氣質(zhì)量。

　　空氣質(zhì)量也可以套用物理公式m=ρV。不同地區(qū)空氣密度ρ不一樣，平原地區(qū)空氣密度比高原地區(qū)更大，熱帶地區(qū)空氣密度比寒帶地區(qū)要小，但不必?fù)?dān)心，空氣密度我們也可以用實(shí)驗(yàn)或儀器測量。最后需要計(jì)算的只剩下空氣體積V。

　　讓我們想象空氣中有一個(gè)圓筒，圓筒的底部是風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片，其高度為風(fēng)在一秒內(nèi)流過的距離，這個(gè)圓筒所能裝下的空氣就是風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片一秒時(shí)間所能接觸到的空氣(此處我們暫且認(rèn)為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片是一個(gè)完整的圓形，中間沒有縫隙)。這樣一來，很容易得出空氣體積V等于葉片面積S乘以風(fēng)速v。

　　將以上數(shù)值代入我們的動(dòng)能公式中，風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)最終攔截到的風(fēng)能為ρSv3/2。顯然，密度更大的空氣會給風(fēng)力發(fā)電機(jī)提供更多的能量。同樣，擁有面積更大的葉片的風(fēng)力發(fā)電機(jī)也能獲得更多的能量。影響最大的變量是風(fēng)速，因?yàn)轱L(fēng)速翻倍將能使發(fā)電機(jī)的效率提高到原先的八倍。

　　當(dāng)然，在現(xiàn)實(shí)中，我們不可能建造一個(gè)能百分百將風(fēng)能轉(zhuǎn)變成電能的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，因?yàn)楫?dāng)空氣通過發(fā)電機(jī)時(shí)，發(fā)電機(jī)會從空氣中提取能量，這會使空氣減速。這也是為什么人們要將發(fā)電機(jī)隔開很遠(yuǎn)建造的原因，如果葉片離得太近，后面的發(fā)電機(jī)將比第一個(gè)效率低得多。現(xiàn)在我們所造出的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最大效率接近59%左右，不同設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)的效率在16%～42%之間。換句話說，發(fā)電機(jī)每攔截100J的風(fēng)能，人類只能獲得最多59J電能。因此，為了攔截更多風(fēng)能、獲得更多電能，人們傾向于在空氣密度更大、風(fēng)速更大的地方建造葉片更大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

　　如果人類只靠風(fēng)力發(fā)電

　　目前，風(fēng)能在世界范圍內(nèi)使用率并不高。2021年，全球發(fā)電量約為2.84×10^13kW·h，但風(fēng)力發(fā)電量占全球電力使用量不足5%，中國、美國等風(fēng)能發(fā)電裝機(jī)容量居世界前列的國家的風(fēng)電使用率也只在5%～6%之間。僅按這個(gè)比例計(jì)算，風(fēng)力發(fā)電機(jī)所攔截的大氣足以引起全球氣候變化嗎?

　　地球的大氣總質(zhì)量十分巨大：約5×10^18kg，平均風(fēng)速為12到15m/s，據(jù)此計(jì)算地球大氣的總動(dòng)能約為4.5×10^20J，即1.25×10^14kW·h。因此，按目前全球的風(fēng)力發(fā)電量和發(fā)電效率計(jì)算，想要獲得足夠多的風(fēng)電，風(fēng)力發(fā)電機(jī)需要攔截地球大氣能量的3%，少了這一點(diǎn)點(diǎn)風(fēng)，對地球似乎影響不大。

　　不過，未來風(fēng)電使用量將會持續(xù)增加，根據(jù)發(fā)展趨勢計(jì)算，2050年風(fēng)電和光伏將占到全球發(fā)電量一半，到那時(shí)地球大氣能量的10%以上將被用于發(fā)電。這個(gè)數(shù)字就足以令人擔(dān)憂了，如果地球一下子少了10%以上的風(fēng)，將造成多大的影響?會不會氣溫異常，熱帶更熱、兩極更冷;會不會降水異常，陸地干旱、海水上漲;會不會生物受害，飛鳥折翼、洋流減速……

　　先不必過度擔(dān)心，因?yàn)槲覀冞€需要考慮一個(gè)因素：我們在計(jì)算時(shí)將風(fēng)能默認(rèn)為是靜止而固定的，我們?nèi)〉厍蛏咸囟〞r(shí)刻存在的瞬時(shí)風(fēng)能與全球相同時(shí)間所需的累積能量進(jìn)行比較。而實(shí)際上，風(fēng)能是不斷變動(dòng)的：由于太陽輻射造成地球表面各部分受熱不均勻，引起大氣層中壓力分布不平衡，在水平氣壓梯度的作用下，空氣沿水平方向運(yùn)動(dòng)形成風(fēng)。因此，只要地球維持自轉(zhuǎn)、太陽持續(xù)加熱，風(fēng)能就會綿延不絕。考慮到這一點(diǎn)，風(fēng)力發(fā)電實(shí)際上并沒有消耗地球大氣能量的10%，而是只提取了十億分之幾。從長遠(yuǎn)來看，地球作為一個(gè)整體將不會受到影響。

　風(fēng)力發(fā)電機(jī)真的無害嗎?

　　雖然對全球影響極小，但是在區(qū)域范圍內(nèi)，風(fēng)力發(fā)電還是會對天氣和環(huán)境造成一些改變。

　　有研究人員通過計(jì)算機(jī)模擬運(yùn)算，發(fā)現(xiàn)美國僅依靠風(fēng)力滿足全國用電需求時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)所散發(fā)出的熱量一年內(nèi)將使美國大陸的氣溫上升0.24℃左右。這是因?yàn)楫?dāng)風(fēng)力穿過發(fā)電機(jī)葉片時(shí)，一大部分風(fēng)被攔截轉(zhuǎn)化成了電能，這種能量之間的轉(zhuǎn)換影響到了陸地表面和大氣層之間的自然能量交換擾動(dòng)和循環(huán)模式，從而改變風(fēng)電場及其周邊地區(qū)的天氣和氣候，以致氣溫上升。

　　另外，在風(fēng)能較大的地區(qū)進(jìn)行集中開發(fā)將會對當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成一些破壞。比如中國福建東北沿海，風(fēng)能開發(fā)潛能巨大。沿海風(fēng)電場風(fēng)機(jī)多分布于山脊和山頂，工程挖填量大，地表擾動(dòng)劇烈，植被破壞點(diǎn)多，原有植被破壞后恢復(fù)難度較平原地區(qū)大，引起的水土流失問題尤為突出。

　　其次，風(fēng)力發(fā)電機(jī)對鳥類危害是巨大的。因?yàn)榘l(fā)電機(jī)葉片要在空中旋轉(zhuǎn)，所以不少遷徙飛翔的鳥兒會被葉片打落。并且風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪音，也會對鳥類低飛起到驅(qū)趕和驚擾的效應(yīng)，而風(fēng)電場在夜間發(fā)出的光源，也會使得部分鳥類死亡。曾有研究表明，風(fēng)力發(fā)電站每產(chǎn)生1GWh的電力就會產(chǎn)生大約0.3只鳥的死亡。

　　不過，綜合考慮，風(fēng)力發(fā)電仍算是最環(huán)保的能源之一了。在區(qū)域氣候和生態(tài)影響方面，風(fēng)力發(fā)電的危害十分容易避免，控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)量和分布，將發(fā)電機(jī)更多建造在海面上，給葉片刷上明顯的顏色，這些危害就會大大減小。而另一方面，風(fēng)力發(fā)電在節(jié)水方面還有顯著優(yōu)勢，許多發(fā)電廠都會使用大量的水來冷卻發(fā)電機(jī)，包括所有化石燃料以及生物燃料發(fā)電廠、地?zé)岷秃穗姀S等。而風(fēng)力在吹拂葉片的同時(shí)能帶走大量熱能，歐盟的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在發(fā)電時(shí)改用風(fēng)能每年可以節(jié)省數(shù)十億立方米的水。