互动科普

作为可再生能源之一，风力发电装机容量自20世纪90年代起，就一直在稳步增加。风能，取之不尽、用之不竭，发电时也不会产生二氧化碳，是名副其实的绿色能源。但风力发电也存在很明显的问题，比如能量不稳定、噪声污染以及飞鸟冲撞等等。这些问题有办法解决吗？在各种可再生能源的开发利用当中，风能可以独占鳌头吗？

如何防止飞鸟冲撞？

风力发电所面临的问题，不仅仅来自制度层面。风力发电装置，也就是风力发电机，本身需要解决的问题也很多。例如，飞鸟容易冲撞到转动的、裸露在外的叶片上，这是风力发电机特有的问题之一。飞鸟冲撞作为风力发电的热点问题一直被关注，人们最担心的就是对珍稀物种（特别是猛禽类动物）以及候鸟的伤害和影响。

针对飞鸟冲撞的问题，一些机构整理并发布了关于合理化安装风力发电机设备的指南。鸟类为什么会撞上风力发电机，研究人员是这么解释的：对于地面上的猛禽来说，因为误认为风力发电机是猎物而猛扑过来，到跟前才发现不是，却为时已晚。对于鸟类来说，高速旋转的叶片会在其视野中消失。

针对飞鸟冲撞的解决方案，有人建议收集并积累各种情况下的数据，并进行总结；有人认为有必要对环境影响进行评价；也有人提议使用雷达设备监视候鸟，当鸟类飞来时停止风力发电机的运转等等。

研究叶片形状应对噪声

风力发电中另一个经常被提及的问题就是噪声。风力发电机发出的噪声有两种，一种是齿轮和发电机发出的机械噪声，另一种是旋转叶片产生的气动噪声。

气动噪声，是叶片周围空气流动所产生的涡流（也称紊流）引起空气压力脉动从而产生大幅振动，最终传到耳朵里所产生的声音。其中，起主要作用的就是“叶尖涡流”。升力型风力发电机的尖端旋转速度每秒可以高达数十米。叶片高速旋转时，在叶片尖端处会产生强烈的涡流，结果就产生了强烈的噪声。

消除这种噪声的办法就是消除涡流。实际上，叶尖涡流在电风扇扇叶和喷气飞机机翼等尖端也会产生。电风扇是通过将扇叶尖端做成圆形来避免叶尖涡流的。风力发电机中，通过将风轮整体罩上筒状的“集风体”或者在叶片尖端加上小叶片构成“叶尖小翼”等方式，来达到抑制叶尖涡流的效果。

但是，来自叶片的气动噪声不仅仅只有叶尖涡流，还有许多其他涡流，比如叶片表面产生的“剥离涡流”以及后边缘产生的涡流等等。飞机机翼的边缘和表面都有沟槽结构，这些就是用来对付涡流的。这种沟槽结构是特意用来扰乱机翼表面上的空气流动的，使机翼表面上流动的空气很难剥离，达到减弱来自叶片本身的涡流的目的。这样的沟槽结构，在鲸鱼的皮肤和鸟类的翅膀中都存在。人类正是利用仿生学，从动物身体外形获得启示，研发出了风力发电机的低噪声叶片。但是，要达到理想的效果，空气的流动方向必须垂直于叶片；对于变化莫测的风向而言，现在只能靠不断地调整叶片朝向去迎合风向。

风力发电机会产生听不见的噪声

近年来，另一种噪声越来越受到关注，那就是风力发电机组发出的低频声波。据风力发电场附近居民反映，有诸如头晕目眩、头痛、建筑物振动以及精神上的痛苦等症状，这些现象被指有可能跟低频声波有关。低频声波是指低于100赫兹的极低声波。一般低于20赫兹的声波人类就听不见了，属于非可听区域，也称次声波。低频声波波长很长且衰减很慢，可以传播到远处的居民区，会让人们产生一些不舒服的感觉。

到目前为止，风力发电机组中低频声波产生的根本原因尚不清楚。据研究人员猜测：有可能是因为叶片靠近轴心部分的线速度相对较慢，会发出低频声波；此外，通过塔体的气流在吹动叶片时会发生“涡流尾流干涉”现象，从而产生次声波。

低频声波对于人体到底有什么样的影响，目前尚不清楚。日本环境省从2010年起实施了一个3年计划来完成对低频声波的实际测量和对附近居民的问卷调查等相关工作。只有找到低频声波的产生根源，才能找到彻底解决的方案，风力发电相关的产业发展也才可能成为现实。

（本文发表于《科学世界》2012年第5期）