大自然的馈赠：阳光和风

科普中国-科学原理一点通 2017-12-18

　　太阳能是地球上能源之“源”。但是，人类只利用了太阳能中极少的一部分。要想将太阳馈赠的“礼物”变得更有用，最好的办法就是将它转变成更便于利用的有效形式，比如“电”。风能的利用古已有之，但利用风力来发电，还是现代技术创造的新事物。

　　太阳光可以发电吗？

　　利用太阳光来发电有两类方式：一类是太阳光直接发电，叫作太阳能光伏发电；另一类是太阳光间接发电，叫作太阳能光热发电。

　　在太阳能光热发电中，有一种称为聚光太阳能发电的技术，即先用抛物镜将阳光聚集到充满合成油的吸热管上，等到合成油被阳光加热到约400℃时，再将热油输送至热交换器里，通过热交换器加热循环水，产生水蒸气，推动涡轮转动，从而带动发电机发电。太阳能光热发电与常规火力发电原理是类似的，只是热能不是来自煤炭的燃烧，而是来自太阳光，因此非常洁净。

　　光伏发电与太阳能光热发电不同，光伏发电直接将阳光转变成电。科学家发现了一种能吸收阳光产生电能的半导体材料，它的这种特殊本领称为光伏效应。

　　光伏太阳能发电

风也能吹出来电

　　产生风能的源泉是太阳。地球各处的空气因受太阳光照射，因为热情况不同而发生流动，便形成了风。风看似来无影去无踪，其中却蕴藏着自然界取之不尽的一种能源。专家估计，地球上可以被利用的风力资源如果全用来发电的话，比地球上利用的水电要大10倍。风能分布广，可说是一种清洁能源。不过，风能的利用也有一点制约，比如它的能量密度比较低，又很不稳定，要充分利用它需要比较复杂的技术。

　　风如何才能变成电呢？从原理上说很容易理解，就是把电风扇原理“逆反”过来。电风扇通电后，电机开始转动，带动扇叶转动产生“人造风”；风力发电正相反，是利用风吹动叶片驱动发电机来发电。也就是说，电风扇是使电能转化成风能，而风力发电机则是使风能转变成电能。

　　风力发电的关键设备是风力发电机。通常，风力发电机由风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等部件组成。风轮的作用是捕捉风，将风能变为机械能。它由气动性能优异的叶片装在轮毂上组成，叶片有单叶、双叶、三叶和多叶等形式，用得较多的为三叶式。

　　风力发电——大风车

海上风电场

　　风力发电不产生污染物，因此是一种绿色能源。不过，大规模的风力发电系统会发出噪声，对电视信号也会产生干扰，并影响到城市建设与规划。所以，建造风力发电系统不但要选在风力强而持续的地方，而且需远离城市居民区，例如在山野，或者在宽阔的海边。

　　近年来，海上风力发电得到了很大的发展。在海上实施风力发电有不少有利之处：海上没有山丘和建筑物的阻挡，海水对风的摩擦阻力也小，所以海上的风力明显大于陆地。因此，海上的风能输出比陆地高出50%左右。此外，海上风力发电机安装简便，而在陆地上则要建造一条专用施工道路。

　　建造海上风力发电场不用修路，但需要给风力发电机建一个稳固的基础。对于浅海风电场，可以像造桥似的把风机的混凝土基础沉入海底。而在深海处就只能用漂浮的空心混凝土作为风机的基础，再用绳索和锚把空心混凝土基础稳定住。海上风力发电设施不但需要建造稳固的基础外，而且还需要铺设海底电缆，以便把海上风力发电机发出的电能输送到陆地，与陆地的电网连接。