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

　　風力發(fā)電機“攫取”多少風能

　　看到這個問題，也許你的第一反應是沒有影響，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)境有不小的負面影響。水力發(fā)電機攔截水流，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，這樣利于藻類進行光合作用，導致藻類大量生長，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，導致魚類數(shù)量急劇減少;等等。與水力發(fā)電相似，風力發(fā)電機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，風力發(fā)電機“攔截”了多少氣流?讓我們做一個簡單的計算。用到的公式很簡單：高中學到的動能定理E=mv2/2。速度v易于測量，風速儀能很快給出準確的數(shù)值，需要費點功夫的是風的質(zhì)量m。所謂風，就是一定時間一定區(qū)域內(nèi)的空氣流動，因此我們實際需要的是一段時間內(nèi)流過風力發(fā)電機葉片上的空氣質(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，但不必擔心，空氣密度我們也可以用實驗或儀器測量。最后需要計算的只剩下空氣體積V。

　　讓我們想象空氣中有一個圓筒，圓筒的底部是風力發(fā)電機葉片，其高度為風在一秒內(nèi)流過的距離，這個圓筒所能裝下的空氣就是風力發(fā)電機葉片一秒時間所能接觸到的空氣(此處我們暫且認為風力發(fā)電機的葉片是一個完整的圓形，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乘以風速v。

　　將以上數(shù)值代入我們的動能公式中，風力發(fā)動機最終攔截到的風能為ρSv3/2。顯然，密度更大的空氣會給風力發(fā)電機提供更多的能量。同樣，擁有面積更大的葉片的風力發(fā)電機也能獲得更多的能量。影響最大的變量是風速，因為風速翻倍將能使發(fā)電機的效率提高到原先的八倍。

　　當然，在現(xiàn)實中，我們不可能建造一個能百分百將風能轉(zhuǎn)變成電能的風力發(fā)電機，因為當空氣通過發(fā)電機時，發(fā)電機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)電機隔開很遠建造的原因，如果葉片離得太近，后面的發(fā)電機將比第一個效率低得多?，F(xiàn)在我們所造出的風力發(fā)電機的最大效率接近59%左右，不同設計的發(fā)電機的效率在16%～42%之間。換句話說，發(fā)電機每攔截100J的風能，人類只能獲得最多59J電能。因此，為了攔截更多風能、獲得更多電能，人們傾向于在空氣密度更大、風速更大的地方建造葉片更大的風力發(fā)電機。

　　如果人類只靠風力發(fā)電

　　目前，風能在世界范圍內(nèi)使用率并不高。2021年，全球發(fā)電量約為2.84×10^13kW·h，但風力發(fā)電量占全球電力使用量不足5%，中國、美國等風能發(fā)電裝機容量居世界前列的國家的風電使用率也只在5%～6%之間。僅按這個比例計算，風力發(fā)電機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，平均風速為12到15m/s，據(jù)此計算地球大氣的總動能約為4.5×10^20J，即1.25×10^14kW·h。因此，按目前全球的風力發(fā)電量和發(fā)電效率計算，想要獲得足夠多的風電，風力發(fā)電機需要攔截地球大氣能量的3%，少了這一點點風，對地球似乎影響不大。

　　不過，未來風電使用量將會持續(xù)增加，根據(jù)發(fā)展趨勢計算，2050年風電和光伏將占到全球發(fā)電量一半，到那時地球大氣能量的10%以上將被用于發(fā)電。這個數(shù)字就足以令人擔憂了，如果地球一下子少了10%以上的風，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……

　　先不必過度擔心，因為我們還需要考慮一個因素：我們在計算時將風能默認為是靜止而固定的，我們?nèi)〉厍蛏咸囟〞r刻存在的瞬時風能與全球相同時間所需的累積能量進行比較。而實際上，風能是不斷變動的：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，空氣沿水平方向運動形成風。因此，只要地球維持自轉(zhuǎn)、太陽持續(xù)加熱，風能就會綿延不絕?？紤]到這一點，風力發(fā)電實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。從長遠來看，地球作為一個整體將不會受到影響。

　風力發(fā)電機真的無害嗎?

　　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。

　　有研究人員通過計算機模擬運算，發(fā)現(xiàn)美國僅依靠風力滿足全國用電需求時，風力發(fā)電機所散發(fā)出的熱量一年內(nèi)將使美國大陸的氣溫上升0.24℃左右。這是因為當風力穿過發(fā)電機葉片時，一大部分風被攔截轉(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和循環(huán)模式，從而改變風電場及其周邊地區(qū)的天氣和氣候，以致氣溫上升。

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

　　其次，風力發(fā)電機對鳥類危害是巨大的。因為發(fā)電機葉片要在空中旋轉(zhuǎn)，所以不少遷徙飛翔的鳥兒會被葉片打落。并且風力發(fā)電機運轉(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，而風電場在夜間發(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，風力發(fā)電的危害十分容易避免，控制風力發(fā)電機的數(shù)量和分布，將發(fā)電機更多建造在海面上，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，包括所有化石燃料以及生物燃料發(fā)電廠、地熱和核電廠等。而風力在吹拂葉片的同時能帶走大量熱能，歐盟的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，在發(fā)電時改用風能每年可以節(jié)省數(shù)十億立方米的水。