风力发电影响气候变化（风能发电会改变天气吗）

风能是最清洁、最环保的能源之一。但它会不会有潜移默化改变气候的副作用呢？

• 只有少数绿色可再生能源对环境的影响很小：太阳能、水能和风能。
• 然而，即使这些也不是没有后果，因为破坏水流会损害上游和下游环境。
• 除了鸟类死亡之外，风力发电还会有类似的后果吗？风力发电甚至可以改变天气吗？

当谈到能源和权力的问题时，我们非常肯定地知道，我们不能简单地长期做我们正在做的事情。地球气候正以前所未有的速度迅速变化；人为排放的温室气体是罪魁祸首；以不向大气中添加额外二氧化碳的方式发电是所有可行解决方案的强制性组成部分。但是，许多可以在不进一步加剧我们大气中的二氧化碳问题的情况下发电的技术伴随着其他环境问题，如果不量化它们就忽略它们是愚蠢的。

具体来说，亚历克斯安德森写信询问用风力发电满足我们的能源生产需求的潜在后果，他询问：“既然风力涡轮机从风中获取能量，它们会影响天气吗？”

虽然你的直觉可能会告诉你“不”，但我们从经验中了解到，当涉及到科学时，我们的直觉非常不可靠。如果我们想确定，我们别无选择，只能自己计算并确定真正的物理效应是什么。

风力发电的工作原理与水力发电非常相似，水力发电是人类历史上最古老的发电形式之一。可以简单地理解为：

• 物质在不断移动时会产生能量；
• 所以我们放置了一个人造结构，在运动中的材料存在的情况下，它会导致一个大质量物体绕轴旋转；
• 然后像任何涡轮机或驱动电机一样将旋转能量转换为电能，
• 然后将能量存储、分配或立即使用。

水力发电通过水的流动来实现这一点，水以特定的速度流动，具有特定的质量，并以特定的速率取代水：随着时间的推移一定量的体积。原则上，风力发电也不例外。它不是水流，而是简单的空气流动：具有特定的风速，相对固定的密度（或每单位体积的质量），并以一定的速率：随时间变化的体积。通过利用这种现象固有的力量——物质流动——我们能够将这种自然资源转化为有用的能源。

但是，随着时间的推移，我们可以从风力发电中获得多少电力或能量呢？

答案取决于两件事：空气的运动以及风车和涡轮机的设计/效率。让我们先来看看空气的运动，因为这是我们风力的来源，也是我们将要利用的资源。如果这是我们从中提取能量的“东西”，那么我们需要了解由于我们选择从中提取能量，它会发生怎样的变化。

我们从运动中的空气开始。任何运动物体的能量 ⁠——只要你的移动速度相对于光速可以忽略不计，风（谢天谢地）总是在地球上 ⁠——由你熟悉的老朋友给出：动能公式. 这只是 KE = ½mv²，或者，对于空气，空气质量乘以空气速度的平方。速度易于测量；这只是风速。如果我们想从能量转换为能量，只需将能量除以我们感兴趣的时间间隔即可。

那么，我们唯一需要添加到混合物中的是相关的空气质量。

但它是什么？这取决于几个因素；不是因为我们不知道实际的空气质量，而是因为相关的质量高度取决于环境条件。特别是，我们需要检查实际使用了多少空气来转动相关风力涡轮机的叶片。

风力涡轮机占据了一个特定区域：让我们称该区域为“A”，以使我们的生活更轻松。空气具有特定的密度，我们将用希腊字母“ρ”标记，它以特定的速度 ⁠— 风速 ⁠— 与我们之前的动能方程中出现的“v”相同。

因此，如果我们对随时间推移推动涡轮机的空气质量感兴趣，我们需要做的就是记住质量等于空气密度乘以推动涡轮机的空气量。我们已经注意到我们可以测量密度 ρ，所以现在我们只需要知道随着时间的推移流过每个涡轮机的空气量有多大。

但这也很简单，因为流经涡轮机的空气量仅由涡轮机本身的横截面积（即我们之前的面积“A”）乘以通过涡轮机的空气速度得出。涡轮机，这是我们之前的速度“v”。

综上所述，我们得到了一个非常简单的公式：驱动涡轮机的风的功率只是 ½ρAv³，或者是空气密度的二分之一乘以涡轮机面积乘以风速的三次方。

显然，密度更大的空气会给涡轮机提供更多的能量，但海平面上的空气总是接近相同的密度：大约每立方米空气一公斤。同样，更大面积的涡轮机将允许涡轮机收集更多的能量；在这种情况下，越大越简单直接越好，因为将面积翻倍将使涡轮机的功率翻倍。

最大的变量是风速，因为风速翻倍转化为功率的八倍，四倍转化为功率的 64 倍。如果您有一分钟 60 英里/小时的风速影响涡轮机，只需知道每小时 10 英里的风速需要超过 3.5 小时才能产生相同数量的风力。

当然，在现实中，你无法建造 100% 高效的风力涡轮机，因为当空气通过涡轮机时，涡轮机会从空气中提取能量，从而使空气减速。这也是为什么将涡轮机隔开很远很重要的原因，否则“顺风”涡轮机将比第一个遇到移动空气的涡轮机效率低得多。事实证明，风力涡轮机的最大效率接近 59% 左右，不同设计的涡轮机的效率在16%到42%之间。

但这触及了问题的核心：如果风力涡轮机可以从流动的空气中获取能量并将其用于发电，那么无论哪里有涡轮机，都会扰乱气流。而且，你可以想象，如果它的影响足够大，实际上可能会改变天气。

我们在水力发电的类似案例中看到了类似的情况。不，水力发电不会改变天气，但它确实会改变用于为涡轮机提供动力的任何水体的流量。随着时间的推移，这对下游和上游社区和环境产生了巨大影响。

您的地形越平坦，河流的流速越慢，产生一定量的电力所需的土地就越多。这不仅迫使社区搬迁并取代野生动物和其他自然栖息地，而且建造实现大水压（以及由此产生的高流速）所必需的水坝会导致：

• 死水，
• 种植多余的藻类和杂草，
• 自然鱼类洄游路线的威胁或彻底破坏（例如太平洋西北部的鲑鱼），
• 并且，随着时间的推移，水和沉积物流量的减少，导致所有下游动物的栖息地和健康用水的丧失。

通过从空气中提取“能量”，认为风力涡轮机将不可避免地改变地球大气层中的空气流动似乎是合理的。当然，这在技术上是正确的，但问题不在于我们从运行风力涡轮机中获得的能量是否必须来自某个地方——当然确实如此——而是它在数量上是否足以导致破坏性或灾难性影响。

目前，仅在美国（截至 2020 年），我们每年消耗约 3.7 万亿千瓦时的能源，其中只有约 3% 的能源来自风能。如果我们想用风力发电取代我们目前使用的产生二氧化碳的化石燃料，高达 79% 的能源来自化石燃料（35% 的石油、34% 的天然气和 10% 的煤炭），我们' d 需要将我们的风力发电能力提高 25 倍多一点，这意味着对于我们目前拥有的每 1 兆瓦风力涡轮机，我们需要再建造 25 台。

总而言之，我们需要产生大约 2.9 万亿千瓦时的能量，这相当于平均每年大约有 8760 小时，平均发电量为 3.31 亿千瓦或 3310 亿焦耳每秒的能量。

与地球大气中的总能量相比，这重要吗？这足以引起任何全局的变化吗？

地球的大气层有一个巨大的质量：大约 5 × 10 18公斤。鉴于地球大气中空气的平均速度在 12 到 15 m/s 之间，我们可以估计地球大气的总动能约为 4 × 10 20 J。如果我们将提取的能量带入整整一年的风力涡轮机——2.9 万亿千瓦时——然后我们将风力涡轮机的效率考虑在内，这实际上转化为地球大气能量的 10%。

这可能看起来巨大而令人担忧，但事实是我做了一些在进行这些计算时不应该做的事情：我获取了地球大气中任何特定时刻存在的瞬时能量，并将其与过去的累积能量进行比较。风力涡轮机将占用一年的时间。实际上，大气的能量来自地球的自转、海洋-陆地-空气的能量传输以及来自太阳的持续加热。当我们考虑能量输入时，事实证明，我们没有提取地球大气能量的 10%，而是仅提取了十亿分之几。从长远来看，地球作为一个整体将不受此影响。

但是会有两个影响确实发挥重要作用，特别是在短期内。

首先是风流，自然相对较快地在陆地上流动，带来凉爽的海洋空气，将在全国范围内被消耗殆尽。无论喜欢与否，风力涡轮机将有效地做的是将热量重新分配到整个大气中。通过改变大气的流动，它们会加剧海洋上空的空气和陆地上的空气之间的温差。正如2018年的一项研究所量化的那样，大规模风力发电将使美国大陆变暖约 25 摄氏度，或接近 0.5 华氏度。从长远来看（几个世纪的时间尺度），这将通过减少温室气体而得到缓解，但会导致每年或十年时间尺度上的温度升高。

第二个主要影响来自于风力涡轮机的用水，或者更确切地说，是缺水。能源生产，主要是由于需要用水来冷却各种类型的发电厂，包括所有化石燃料发电厂以及生物燃料、地热和核电厂，在跟踪其用水情况的地区使用了近一半的水，例如作为欧盟。这是一个巨大的好处；改用风能每年可以节省数十亿立方米的水。在水资源短缺正在成为一个巨大且日益严重的问题的世界中，这可能比以往任何时候都更加重要。

对于任何形式的能源生产，都不可避免地存在利弊。虽然围绕风能的公众讨论主要集中在一个极其微小的问题上——风力涡轮机对鸟类的危险，而这可以通过简单的解决方案来解决——比如给它们上漆——重要的是要认识到大型风电场无论安装在哪里，都将显着改变航空运输。这将导致短期变暖，这需要长期的碳减排才能真正值得；投资风电需要长远眼光。

但是有很多理由看好风电。涡轮机下方的土地仍可用于农业用途，从其他形式的发电转换为风能所节省的水是一个巨大的好处。尽管会从地球大气层中带走大量能量，但这不应影响气候或长期天气模式。当然，您可以找到一些意识形态驱动的网站，这些网站声称并非如此，但这些都是与该领域绝大多数在职科学家背道而驰的边缘立场。

对于任何解决联合能源和气候危机的解决方案都将产生的全部影响，谨慎和诚实是很重要的。谈到风，这不是风能是否应该成为气候解决方案的一部分的问题。这只是风能、太阳能、水力和核能之间的平衡问题。解决这些问题的能力是我们力所能及的；我们只需要足够大胆地投资于解决方案。