风能

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帆是将风能转化成动能的最早发明之一，而从10世纪开始，人们就以风车来磨面和抽水。在21世纪初，风能是发展最快的可再生能源，预计到2040年将提供世界电量的20%。

在到达地球的太阳辐射中，只有一小部分（少于2%）推动了空气流动。昼夜与季节变化共同造成光照与地表（植被覆盖vs.不毛之地，陆地vs.水面）温差的不同，这意味着风的频率和速度或是长期风平浪静，或是霎时暴风（暴风雨、龙卷风和飓风）骤起。在旧世界最早的文明中，帆船就被使用过，它无疑是最早把风能变成有用运动的转化器。在20世纪结束以前，随着风力发电成为现代可再生能源中发展最快的部分，这种世界上最古老的能源如今成了最有前景的可再生能源贡献者之一了。

关于风车的最早记载，出现在第一次提到水车后的1000年：947年，阿里·麦斯欧迪（al-Masudi）在叙述中提到锡斯坦（在今天的伊朗东部）使用简单的立轴风车提水灌溉田园。[1]到12世纪的最后几十年，欧洲人才有了风车的第一次记载。之后风车经历了时空上的不平衡发展。

风车及其用途

最早的立轴风车在近东几乎没怎么变地被用了几百年，欧洲的横轴风车也是如此。这些风车是以巨大的中柱为轴，中柱通常由四根斜杆支撑，整个风车房则面朝风的方向。柱式风车在强风下很不稳定，易受暴风损伤，而且它的低矮也使其效率有限。即便如此，与风力几乎没有历史影响的中国和印度相比，柱式风车是大西洋沿岸欧洲地区的重要转动力来源。

与水车一样，对风车和风力的最普遍应用是磨面和抽水（荷兰的排水风车是这种应用的最出名例子）。其他常见的用途包括碾轧、造纸、锯木和金属加工。单柱风车逐渐被塔式风车和帽式风车取代。只是这些机械装置的顶盖[2]必须靠手动调节来迎风，直到英国人在1745年后引入了扇尾，这才让扇叶能自动旋转。顺着扇叶而来的风吹动扇尾，扇尾转动塔顶的齿轮圈，直到扇叶再度与风成直角。在这个发明出现的100多年以前，荷兰风车车主就引入了最早的高效桨叶设计，它们升力更大，负重更小。但真正的螺旋桨，带有粗厚前缘的空气动力型桨叶，到19世纪末才在英国被发明出来。

美国西进到多风的大平原，需要小型机械来为蒸汽机车、家庭和牛群汲水。这些风车是用大量极窄的桨叶或板条固着在固定轮或扇形轮上，而且通常装有独立的尾翼或是离心（或侧叶）型节速器。

风车的重要性在19世纪后半叶最大：在1900年的北海周边国家，有数量约3万、总功率超过100兆瓦的机器在运行，而在19世纪后半叶，美国出售的小型风车总数达几百万架。

纽约长岛草地山（Hay GroundHill）上的风车（1922年）。这种传统风车，数百年来几无变化，最常用来磨面和汲水。尤金·L.安布鲁斯特（EugeneL. Armbruster）摄。纽约公共图书馆。

风电

20世纪还在运转的众多风车，跟发电机连在一起，发的电用于家庭的即时使用并储存在铅酸电池中。电网的逐渐扩展终结了这段风力发电的短暂岁月。在20世纪70年代以前，在风转化为有用能源方面，不但研究寥寥，实地试验更是欠缺。直到石油输出国组织让原油价格飙升了4倍，对可再生能源的兴趣才被重新点燃。

现代风力发电

现代第一波风能高潮是由20世纪80年代美国的税收抵免政策拉动的。到1985年，该国风力涡轮机的装机容量刚好超过10亿瓦，而世界最大的风电场就在加利福尼亚的阿尔塔蒙特山口（637兆瓦）。低负荷、糟糕的涡轮机设计和1985年税收抵免政策的取消，终结了第一波风能潮。新机器的平均功率20世纪80年代只有40~50千瓦，10年后则超过200千瓦。今天在新的大型风电场，发电机的常见功率为1~3兆瓦（1兆瓦等于100万瓦或1000千瓦）。德国、丹麦和西班牙引领了这次扩张。新的法律保障了风电拥有更高的固定价格，这是本次风能扩张的根本原因。丹麦政府在推广风电上尤为积极：该国现在的人均装机容量最高，并在世界高效风力涡轮机市场上占统治地位。按绝对值来说，德国是世界风能的领军者，而到2007年，欧洲占全球风力发电装机容量的60%。

美国风电的装机容量，1985年是1吉瓦（10亿瓦），2000年末为2.5吉瓦，到2008年9月达到20吉瓦。全球风力涡轮机的装机容量在1985年达到1吉瓦，1998年达到10吉瓦（相当于1968年的核电），2000年达到17.4吉瓦，然后2005年迅速增长到59.1吉瓦，2008年增长到近94吉瓦。在所有新的可再生能源发电中，风力发电被视为最有前景，不管是运行的可靠性还是低单位成本都遥遥领先于其他太阳能技术。有些专家认为，在最好的风力地点，即使没有补贴，风电也可以与化石能源电力竞争，甚至比煤炭和天然气发电更便宜，因此我们应该更积极充分地利用风的潜能。有些规划预计，到2040年世界电力需求的20%将由风来提供，而到2030年，美国20%的电力将来自风。考虑到2000年美国的电力只有1%来自风电，这个目标实现起来并不容易。

就现有的资源来说，即使是最大胆的梦想都不是问题。在地球所接收的太阳能中，大气运动只占2%，但如果这种运动的1%可以转化成电力，那么全球电力的总装机容量将达到35太瓦（1太瓦等于1万亿瓦），或是2000年化石能源、核能及水电厂总装机容量的10倍还多。一种限制性更多的估算（只考虑速度在5~10米/秒的风）表明全球风电的储量约为6太瓦，约是2000年风电总装机容量的350倍还多。开发这种潜能的主要问题是，风在时空分布上的不平衡。

很多风大的地点远离电力消费中心，众多人口密集的区域用电需求高，却长时间经历季节性无风或小风，因此后者非常不适合利用风能（或仅能有限利用风能）。整个美国东南部、意大利北部和中国四川省（中国人口大省）都在后一类之列。风的间歇性意味着它无法用于基荷发电。人们只能不完全地预测风力波动，而且最大风力很少与需求最高的时段重合。这些事实难免让风电的高效商用更为复杂。大型涡轮机的选址以及连接网和输电线的建设所带来的视觉冲击，则是另外需要操心的。将风力涡轮机安装在离岸之地，应该有助于将这些影响最小化或消除。

美国加利福尼亚州的风电场，这些现代风车被用来发电。凯文·康纳斯（KevinConnors）摄（www.morguefile.com）。

瓦茨拉夫·斯米尔

加拿大曼尼托巴大学

另见《能量》。