提取風能會改變天氣嗎？

　　在空氣中靠風力推動而發電的風力發電機，會影響天氣和環境嗎?

　　風力發電機“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電，也對生態環境有不小的負面影響。水力發電機攔截水流，表面上看，水流的總量并沒有變化，但不同地區的水流分配卻發生了變化，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，甚至出現水體的富營養化;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，將會形成二次污染;大壩還會阻塞魚類洄游，導致魚類數量急劇減少;等等。與水力發電相似，風力發電機也是靠攔截氣流來發電的，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值，需要費點功夫的是風的質量m。所謂風，就是一定時間一定區域內的空氣流動，因此我們實際需要的是一段時間內流過風力發電機葉片上的空氣質量。

　　空氣質量也可以套用物理公式m=ρV。不同地區空氣密度ρ不一樣，平原地區空氣密度比高原地區更大，熱帶地區空氣密度比寒帶地區要小，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電機葉片，其高度為風在一秒內流過的距離，這個圓筒所能裝下的空氣就是風力發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。

　　將以上數值代入我們的動能公式中，風力發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電機提供更多的能量。同樣，擁有面積更大的葉片的風力發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電機的效率提高到原先的八倍。

　　當然，在現實中，我們不可能建造一個能百分百將風能轉變成電能的風力發電機，因為當空氣通過發電機時，發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電機隔開很遠建造的原因，如果葉片離得太近，后面的發電機將比第一個效率低得多。現在我們所造出的風力發電機的最大效率接近59%左右，不同設計的發電機的效率在16%～42%之間。換句話說，發電機每攔截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電機。

　　如果人類只靠風力發電

　　目前，風能在世界范圍內使用率并不高。2021年，全球發電量約為2.84×10^13kW·h，但風力發電量占全球電力使用量不足5%，中國、美國等風能發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?

　　地球的大氣總質量十分巨大：約5×10^18kg，平均風速為12到15m/s，據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電量和發電效率計算，想要獲得足夠多的風電，風力發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增加，根據發展趨勢計算，2050年風電和光伏將占到全球發電量一半，到那時地球大氣能量的10%以上將被用于發電。這個數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，我們取地球上特定時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、太陽持續加熱，風能就會綿延不絕。考慮到這一點，風力發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。

　風力發電機真的無害嗎?

　　雖然對全球影響極小，但是在區域范圍內，風力發電還是會對天氣和環境造成一些改變。

　　有研究人員通過計算機模擬運算，發現美國僅依靠風力滿足全國用電需求時，風力發電機所散發出的熱量一年內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電機葉片時，一大部分風被攔截轉化成了電能，這種能量之間的轉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模式，從而改變風電場及其周邊地區的天氣和氣候，以致氣溫上升。

　　另外，在風能較大的地區進行集中開發將會對當地環境造成一些破壞。比如中國福建東北沿海，風能開發潛能巨大。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大，引起的水土流失問題尤為突出。

　　其次，風力發電機對鳥類危害是巨大的。因為發電機葉片要在空中旋轉，所以不少遷徙飛翔的鳥兒會被葉片打落。并且風力發電機運轉產生的噪音，也會對鳥類低飛起到驅趕和驚擾的效應，而風電場在夜間發出的光源，也會使得部分鳥類死亡。曾有研究表明，風力發電站每產生1GWh的電力就會產生大約0.3只鳥的死亡。

　　不過，綜合考慮，風力發電仍算是最環保的能源之一了。在區域氣候和生態影響方面，風力發電的危害十分容易避免，控制風力發電機的數量和分布，將發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，風力發電在節水方面還有顯著優勢，許多發電廠都會使用大量的水來冷卻發電機，包括所有化石燃料以及生物燃料發電廠、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，歐盟的統計數據顯示，在發電時改用風能每年可以節省數十億立方米的水。