风　能

对于风，人们是再熟悉不过的了。我们收听天气预报时，总能听到有关风向和风力的气象信息。然而，风是如何形成的呢?原来地球周围是一层厚厚的大气层，这些大气也被称做“空气”。它厚约120千米，主要成分是氮气、氧气、氩气、二氧化碳气、水蒸气等。离地面越远，大气的密度越小，大气就越稀薄。

由于太阳的辐射使大气局部受热不均匀，产生气温差，再加上地球的自转，使大气发生流动，就形成风。所以，在某种意义上讲，风能只是太阳能的一种表现形式。通常，空气的上下流动称作“对流”，空气的水平流动称作“风”;如果气流是无规则的，就称作“紊流”。此外，风受地形和季节的影响很大，就一个地区而言，一年四季的风向和风力都是有差别的。

空气流动时具有动能，所以风是具有机械动能的。当风力很大时，风能是很大的。自古以来，人们就利用风能做功。风力或风能做功的大小可用风速来估测，例如，5级风的速度为9～10米/秒，根据公式计算，这样的风速可在1平方米的面积上产生100牛顿的力;9级风的速度是20米/秒，这样的风速可在1平方米的面积上产生500牛顿的力。

这样算来，全世界仅陆地上可供利用的风能就达10000吉瓦，大大超过了陆地上可供开发的水能总量。我国的风能也十分丰富，总储能约为16亿千瓦，可供开发的风能约为1．6亿千瓦。

由于风能属于无污染的可再生能源，且分布很广、储量很大、成本很低，因此具有很好的应用前景。就现在的发展来看，风能主要是通过发电，将风能转换为电能。全世界的风力发电机已超过50万部，我国国内超过1万部。就历史来看，风能的利用已十分久远，它的确是一种十分古老的能源之一。

古代利用风能主要是借助风帆或风轮(也叫风车)提供动力，借助风向标显示风向。

风向标的名称很多，如中国民间所说的相风乌、伺风乌、相风杆、占风旗、相风乌舆等。从名称上约摸可以揣测出这些装置的外形和结构。它是用一种质轻的羽毛或稠帛作成一个鸟形的物件，并绑在木杆头上。风起时，这个乌可以自动地旋转，但它的头部总指向风吹来的方向。通常这种装置树立在宫中、官衙、军营、车船上，在敦煌曲子词中就有一首《浣溪沙》词讲到这种相风装置。词中写道:

五两竿头风欲平，长风举棹觉船行。

柔橹不施停却棹，是船行。

满眼风波多闪烁，看山恰似走来迎。

子细看山山不动，是船行。

其中的“五两”就是古代的相风器，它用五两鸡毛扎在竿头，立在船的桅杆上，用以观测风向和风力。“棹”是划船用的桨。“子细”就是仔细。词的大意是说，从“五两”可以看出风力在变弱了(“风欲平”)，所以风向要变了。由于变为顺风(“长风”)，可以收桨了，摇橹也不费劲了(“柔橹”)这时船家的心情也非常好，不但波光闪烁，愉悦人心，而且两岸的山峰也向船家表示欢迎。仔细看山，山是不动的，是由于船与山的相对运动造成的。

风帆与风车　传说，风帆为夏禹所发明，但由于年代久远，已无从考证了。在甲骨文中已有表示“凡”的象形字，后来由于凡多用布帛制作，就加了一个“巾”字边而改写成“帆”。估计帆的发明已有3000多年的历史。

最简单的风车是儿童玩的风车，每年过春节、赶庙会时都有许多儿童举着风车奔跑。这种风车的历史已经很久了，在辽阳的一些东汉晚期墓中，壁画上就画有风车。像风帆一样，风车也可以装载在车船或磨上。

中国古代的风车大约在12世纪从中东传到了欧洲，特别是16世纪，荷兰人在低洼处大量使用风车排水，在海滩地上建设国家，所以风车帮助他们使国家走向繁荣富强。这些风车的确是荷兰的“国宝”啊!

古代的风帆往往是根据船的大小设定其面积，但功率都不是很大，这就难以获得最大的风能，难以发挥机械的最大潜能。以风磨为例，旧式风磨的功率只有30～40千瓦。

在世界开始使用电力时，丹麦于1888年建成第一座用于发电的风车。现在的风力发电机功率可达几百千瓦，像法国电力公司已成功地研制出100～1600千瓦的风力发电机。为了更好地利用风能，法国还进行过风能技术竞赛，并将部分优秀成果向全国推荐。现在最大的风力发电机可达1500千瓦。这当然是由于应用了现代航空技术中的空气动力学的研究成果，并几乎使它达到了极限。美国的科研人员则在研究更大的风力发电机。美国宇航局甚至曾计划将风力发电机的发电量提高到占全国总发电量的一半。除了在陆地上建立风力发电机，人们还计划在海上建立风力发电机，例如，在大西洋建造一些浮动平台，在平台上建造风力发电机。

一般来说，一台1000千瓦的风力发电机每年运行4000小时，可以节省1000吨石油。因此，风力发电机的普及具有极其重要的意义和极其广阔的应用前景。我国生产的风力发电机以小型的为主，年产量在1万台以上，居世界第一位。这些风力发电机在内蒙古牧区安装得很多，较小的风力发电机的功率在100～200瓦之间，可供一家一户使用;较大的风力发电机的功率在1～10千瓦之间，可供工厂、部队和小作坊使用。我国生产的大功率风力发电机单机容量可达55～200千瓦，距国际先进水平(单机容量1000～1500千瓦)还有一定的差距。此外，我国建设风电场的经验也不多、规模也不大，还有待深入研究，进一步提高技术水平。目前，我国最大的风电场是新疆乌鲁木齐达坂城风电场，共装有55台风力发电机，总装机容量为16800千瓦。

除了发电，目前人们又将古老的风帆从博物馆中请了出来，将它安装在航船上。最早是20世纪70年代，日本技术人员将起落方便的风帆安装在以柴油机做功的船只上。风帆用计算机控制，风帆可以从最优的角度接受风力，以取得最大的效率可以节能15%以上。后来美国和北欧也在研究风帆助推技术。80年代，我国的技术人员也开始了风帆助推技术的研究，90年代取得了一定的进展。宁波海运公司试制成功2500吨级的“明州22”号风帆助力船，其风帆为不锈钢弧形帆，面积为120平方米(宽10米，高12米)，可在3～20米/秒的风速下使用帆。利用油压操作和计算机控制，风帆全折全开只需1～2分钟。