在空气中靠风力推动而发电的风力发电机，会影响天气和环境吗?

风力发电机“攫取”多少风能

看到这个问题，也许你的第一反应是没有影响，但你知道吗?就连以清洁无污染著称的水力发电，也对生态环境有不小的负面影响。水力发电机拦截水流，表面上看，水流的总量并没有变化，但不同地区的水流分配却发生了变化，以致于造成了一些严重的后果。比如，由于水体流速的降低，水体透明度提高，这样利于藻类进行光合作用，导致藻类大量生长，甚至出现水体的富营养化;另外，还可能降低污染物迁移率，导致水体失去自净能力，泥沙淤积，如果其中含有重金属、有毒物质，将会形成二次污染;大坝还会阻塞鱼类洄游，导致鱼类数量急剧减少;等等。与水力发电相似，风力发电机也是靠拦截气流来发电的，那么，拦截气流又会对大气有什么影响呢?首先要知道，风力发电机“拦截”了多少气流?让我们做一个简单的计算。用到的公式很简单：高中学到的动能定理E=mv2/2。速度v易于测量，风速仪能很快给出准确的数值，需要费点功夫的是风的质量m。所谓风，就是一定时间一定区域内的空气流动，因此我们实际需要的是一段时间内流过风力发电机叶片上的空气质量。

空气质量也可以套用物理公式m=ρV。不同地区空气密度ρ不一样，平原地区空气密度比高原地区更大，热带地区空气密度比寒带地区要小，但不必担心，空气密度我们也可以用实验或仪器测量。最后需要计算的只剩下空气体积V。

让我们想象空气中有一个圆筒，圆筒的底部是风力发电机叶片，其高度为风在一秒内流过的距离，这个圆筒所能装下的空气就是风力发电机叶片一秒时间所能接触到的空气(此处我们暂且认为风力发电机的叶片是一个完整的圆形，中间没有缝隙)。这样一来，很容易得出空气体积V等于叶片面积S乘以风速v。

将以上数值代入我们的动能公式中，风力发动机最终拦截到的风能为ρSv³/2。显然，密度更大的空气会给风力发电机提供更多的能量。同样，拥有面积更大的叶片的风力发电机也能获得更多的能量。影响最大的变量是风速，因为风速翻倍将能使发电机的效率提高到原先的八倍。

当然，在现实中，我们不可能建造一个能百分百将风能转变成电能的风力发电机，因为当空气通过发电机时，发电机会从空气中提取能量，这会使空气减速。这也是为什么人们要将发电机隔开很远建造的原因，如果叶片离得太近，后面的发电机将比第一个效率低得多。现在我们所造出的风力发电机的最大效率接近59%左右，不同设计的发电机的效率在16%～42%之间。换句话说，发电机每拦截100J的风能，人类只能获得最多59J电能。因此，为了拦截更多风能、获得更多电能，人们倾向于在空气密度更大、风速更大的地方建造叶片更大的风力发电机。

如果人类只靠风力发电

目前，风能在世界范围内使用率并不高。2021年，全球发电量约为2.84×10^13kW·h，但风力发电量占全球电力使用量不足5%，中国、美国等风能发电装机容量居世界前列的国家的风电使用率也只在5%～6%之间。仅按这个比例计算，风力发电机所拦截的大气足以引起全球气候变化吗?

地球的大气总质量十分巨大：约5×10^18kg，平均风速为12到15m/s，据此计算地球大气的总动能约为4.5×10^20J，即1.25×10^14kW·h。因此，按目前全球的风力发电量和发电效率计算，想要获得足够多的风电，风力发电机需要拦截地球大气能量的3%，少了这一点点风，对地球似乎影响不大。

不过，未来风电使用量将会持续增加，根据发展趋势计算，2050年风电和光伏将占到全球发电量一半，到那时地球大气能量的10%以上将被用于发电。这个数字就足以令人担忧了，如果地球一下子少了10%以上的风，将造成多大的影响?会不会气温异常，热带更热、两极更冷;会不会降水异常，陆地干旱、海水上涨;会不会生物受害，飞鸟折翼、洋流减速……

先不必过度担心，因为我们还需要考虑一个因素：我们在计算时将风能默认为是静止而固定的，我们取地球上特定时刻存在的瞬时风能与全球相同时间所需的累积能量进行比较。而实际上，风能是不断变动的：由于太阳辐射造成地球表面各部分受热不均匀，引起大气层中压力分布不平衡，在水平气压梯度的作用下，空气沿水平方向运动形成风。因此，只要地球维持自转、太阳持续加热，风能就会绵延不绝。考虑到这一点，风力发电实际上并没有消耗地球大气能量的10%，而是只提取了十亿分之几。从长远来看，地球作为一个整体将不会受到影响。

风力发电机真的无害吗?

虽然对全球影响极小，但是在区域范围内，风力发电还是会对天气和环境造成一些改变。

有研究人员通过计算机模拟运算，发现美国仅依靠风力满足全国用电需求时，风力发电机所散发出的热量一年内将使美国大陆的气温上升0.24℃左右。这是因为当风力穿过发电机叶片时，一大部分风被拦截转化成了电能，这种能量之间的转换影响到了陆地表面和大气层之间的自然能量交换扰动和循环模式，从而改变风电场及其周边地区的天气和气候，以致气温上升。

另外，在风能较大的地区进行集中开发将会对当地环境造成一些破坏。比如中国福建东北沿海，风能开发潜能巨大。沿海风电场风机多分布于山脊和山顶，工程挖填量大，地表扰动剧烈，植被破坏点多，原有植被破坏后恢复难度较平原地区大，引起的水土流失问题尤为突出。

其次，风力发电机对鸟类危害是巨大的。因为发电机叶片要在空中旋转，所以不少迁徙飞翔的鸟儿会被叶片打落。并且风力发电机运转产生的噪音，也会对鸟类低飞起到驱赶和惊扰的效应，而风电场在夜间发出的光源，也会使得部分鸟类死亡。曾有研究表明，风力发电站每产生1GWh的电力就会产生大约0.3只鸟的死亡。

不过，综合考虑，风力发电仍算是最环保的能源之一了。在区域气候和生态影响方面，风力发电的危害十分容易避免，控制风力发电机的数量和分布，将发电机更多建造在海面上，给叶片刷上明显的颜色，这些危害就会大大减小。而另一方面，风力发电在节水方面还有显著优势，许多发电厂都会使用大量的水来冷却发电机，包括所有化石燃料以及生物燃料发电厂、地热和核电厂等。而风力在吹拂叶片的同时能带走大量热能，欧盟的统计数据显示，在发电时改用风能每年可以节省数十亿立方米的水。