輕舟已過萬重山

周大華

“輕舟已過萬重山！”在2024年的“春晚”之上，你肯定又見識到了李白乘船“千里江陵一日還”的奇景。從文學的角度看，這是詩人情感表達上的夸張和浪漫。那么，你有沒有思考過，從科學的角度來看，這是否合理呢？

有人估算過，李白的輕舟也許不可以，但在順風條件下，另外有一種船的速度會大大提高，千里之外的江陵，的確可以“一日還”。那就是帆船，它可以依賴風的力量。

風把力量賦予人類

在人類歷史上，人們很早就學會利用風的力量。最典型的，就是將風力作為動力來推進帆船。

古埃及人最早使用帆船，大約有五千年歷史。在中國，商代甲骨文中已有“帆”的象形文字。最早的時候，帆船的船帆固定，不能轉動調整角度，只能在順風中航行。后來，古人們設計出可以轉動的船帆，使得帆船在側風甚至逆風情況下，也能航行。

于是，帆船借助風的力量，擴展了古人遠航的邊界。明代1405～1433年間，鄭和下西洋，遠航至西太平洋和印度洋，最遠到達東非、紅海，拜訪了30多個國家和地區——是帆船，是源源不竭的風能，支持了他的船隊如此長時間遠距離的航行。

除了進行遠航之外，古人也利用風的力量帶動各種機械做回轉運動，就像是無形的驢在拉著磨盤轉動一樣，那便是風車。

在我國遼陽發現的東漢壁畫上，已有風車圖形。古人們用風車抽水灌溉農田，提取海水曬鹽，可省心省力了。

而在歐洲，提到風車很容易讓人想到荷蘭。荷蘭風車的設計相當獨特，長久以來都被用于各種工業過程，如碾谷物、榨油等，時至今日，它們尚是荷蘭代表性的風景點。

總之，風一直在把力量賦予人類。

誰把力量賦予風？

那么，又是誰把力量賦予風呢？

通常，我們所說的風有兩種情況：一是空氣的自然流動，例如春風吹拂湖面，臺風席卷海岸；二是外力的驅使，例如你一口氣吹滅生日蠟燭、電吹風吹干你剛洗過的頭發。顯然，“一日還”靠的是空氣的自然流動，也就是本文所說的風——當不同區域的空氣壓強存在差異時，空氣就從高壓處向低壓處流動，便形成了風。

這個差別，究其根源可以說是太陽造成的！地球表面不同區域的日照不均、空氣受熱不均，引起大氣層中的壓力分布不平衡，進而導致空氣流動，形成了風。所以其實，風能也是太陽能的一種轉化形式。

在自然界中，風的形成還受地形地貌和季節等因素的影響。風既帶動了小至城市空間的空氣流通，也形成了大到全球范圍的氣候系統。首先，地球受太陽對赤道和極地之間的日照不均，以及地球自轉兩個因素的影響，形成了全球的大氣環流；其次，在熱帶和亞熱帶，低地和高原上的熱低壓環流形成季風；另外，在近海和海岸地區，由于海面和陸地空氣的溫差和晝夜交替，形成了日周期性的海陸風；再者，在地形多變的山區，往往形成地區性的山谷風。

某種意義上說，風的力量盤活了整個地表。

“你是風，你是電……”

不過由于人類科技在不斷進步，自從蒸汽機發明之后，一段時間內，帆船和風車的優勢不再。好在，智慧的前人們也沒有摒棄風的力量，而是嘗試利用風力來發電。

1887年，蘇格蘭人詹姆斯·布萊斯設計了世界上第一臺風力渦輪機，用于給蓄電池充電，并給自己的房子照明。

1888年，美國工程師查爾斯·布魯斯從農場的提水風車得到啟發，也建造了一臺風力發電機，直接給蓄電池充電以解決自家日常用電需求。他的這臺機組運行了近20年。

1891年，丹麥氣象學家保羅·拉·庫爾引入空氣學原理，設計建造了第一臺現代意義的風力發電機。至此，風力發電的發展踏入了正軌。

風力發電的原理，是將風力作為回轉動力帶動風車葉片旋轉，再透過增速機將旋轉的速度提升，來促使發電機轉動發電。用于將空氣運動轉換為電力的結構被稱為渦輪機，渦輪機是一種有幾個旋轉葉片的大型結構，俗稱“大風車”。這些葉片連接到一個電磁發電機上，當風使葉片旋轉時，該發電機會發電。

由于風力發電不需要使用燃料，也不會產生輻射或空氣污染，越來越得到人類社會的青睞。到了1941年，世界首個兆瓦級風電機組在美國被發明，并接入了當地電網。什么概念？它運行時幾乎可以滿足8000戶家庭的用電需求。

從“大風車”到“會飛的驢”

這些年來，風力發電渦輪機的葉片越造越大，它們的發電量也越來越大，從單一的風力發電機已經發展到多臺大型并網式的風力發電機陣列，組成機群，形成一個個大型風電場，向整個國家的電網供電。

風電場按照選址可分為陸上風電場和海上風電場。陸上風電場又分為平原風電場和山區風電場，也許你在高鐵或者汽車之上，就看見過它們在遠處的山頭高聳著；海上風力發電場，則多聳立于沿海，在海風的吹動下旋轉著，更是一番別致的海景。

無論陸上風電和海上風電，都采用傳統的“大風車”

模式，屬于低空發電。

難道？是的！你可能不曾想到，還有一個高空發電吧？

在高空中，風的速度更快，持續時間更長而且更穩定。因此，科學家發明了高空風力發電機——“風箏”發電機。這種發電機的設計主要有兩種類型：一是空基高空風力發電，即把輕型風力發電機搭載在飛行器上放飛到高空中，由風力帶動發電機發電然后通過纜繩把電能傳送回地面；二是陸基高空風力發電，把飛行器系在纜繩上放飛到高空，飛行器通過纜繩往復牽引地面的發電機轉盤旋轉來發電，就像是一頭會飛的驢在拉磨盤。

今年1月，“會飛的驢”已經在我國起飛了——我國首個可并網的兆瓦級高空風力發電示范項目已在安徽績溪完成建造。這個項目的單機容量2.4兆瓦，運行高度500～3000米，是高空風力發電技術的首次工程化應用。這是一項大膽的探索，有助于將來我國可以在天空飼養成群結隊的“會飛的驢”。

讓未來的暴風更猛烈吧！

風，蘊藏著難以想象的能量。早期，人類直接將風能轉化為機械能，應用場景有限。后來，人類的風能開發包含風能到機械能，機械能再到電能的轉換過程，大大拓展了風能的用途。

如今，人類對風能的利用遠不止“輕舟已過萬重山”，風力發電已發展成一項綜合性的高精技術，涉及空氣動力學、結構動力學、材料科學、機械工程、電氣工程、控制技術、氣象學和環境科學等多門類多領域的交叉學科。

未來，乘風之勢、借風之力，人類在風能的利用上是否能更進一步，直接向臺風、颶風索取力量呢？到那時，也許每一個風電場在翹首以盼：“讓暴風雨來得更猛烈些吧！”