轻舟已过万重山

周大华

“轻舟已过万重山！”在2024年的“春晚”之上，你肯定又见识到了李白乘船“千里江陵一日还”的奇景。从文学的角度看，这是诗人情感表达上的夸张和浪漫。那么，你有没有思考过，从科学的角度来看，这是否合理呢？

有人估算过，李白的轻舟也许不可以，但在顺风条件下，另外有一种船的速度会大大提高，千里之外的江陵，的确可以“一日还”。那就是帆船，它可以依赖风的力量。

风把力量赋予人类

在人类历史上，人们很早就学会利用风的力量。最典型的，就是将风力作为动力来推进帆船。

古埃及人最早使用帆船，大约有五千年历史。在中国，商代甲骨文中已有“帆”的象形文字。最早的时候，帆船的船帆固定，不能转动调整角度，只能在顺风中航行。后来，古人们设计出可以转动的船帆，使得帆船在侧风甚至逆风情况下，也能航行。

于是，帆船借助风的力量，扩展了古人远航的边界。明代1405～1433年间，郑和下西洋，远航至西太平洋和印度洋，最远到达东非、红海，拜访了30多个国家和地区——是帆船，是源源不竭的风能，支持了他的船队如此长时间远距离的航行。

除了进行远航之外，古人也利用风的力量带动各种机械做回转运动，就像是无形的驴在拉着磨盘转动一样，那便是风车。

在我国辽阳发现的东汉壁画上，已有风车图形。古人们用风车抽水灌溉农田，提取海水晒盐，可省心省力了。

而在欧洲，提到风车很容易让人想到荷兰。荷兰风车的设计相当独特，长久以来都被用于各种工业过程，如碾谷物、榨油等，时至今日，它们尚是荷兰代表性的风景点。

总之，风一直在把力量赋予人类。

谁把力量赋予风？

那么，又是谁把力量赋予风呢？

通常，我们所说的风有两种情况：一是空气的自然流动，例如春风吹拂湖面，台风席卷海岸；二是外力的驱使，例如你一口气吹灭生日蜡烛、电吹风吹干你刚洗过的头发。显然，“一日还”靠的是空气的自然流动，也就是本文所说的风——当不同区域的空气压强存在差异时，空气就从高压处向低压处流动，便形成了风。

这个差别，究其根源可以说是太阳造成的！地球表面不同区域的日照不均、空气受热不均，引起大气层中的压力分布不平衡，进而导致空气流动，形成了风。所以其实，风能也是太阳能的一种转化形式。

在自然界中，风的形成还受地形地貌和季节等因素的影响。风既带动了小至城市空间的空气流通，也形成了大到全球范围的气候系统。首先，地球受太阳对赤道和极地之间的日照不均，以及地球自转两个因素的影响，形成了全球的大气环流；其次，在热带和亚热带，低地和高原上的热低压环流形成季风；另外，在近海和海岸地区，由于海面和陆地空气的温差和昼夜交替，形成了日周期性的海陆风；再者，在地形多变的山区，往往形成地区性的山谷风。

某种意义上说，风的力量盘活了整个地表。

“你是风，你是电……”

不过由于人类科技在不断进步，自从蒸汽机发明之后，一段时间内，帆船和风车的优势不再。好在，智慧的前人们也没有摒弃风的力量，而是尝试利用风力来发电。

1887年，苏格兰人詹姆斯·布莱斯设计了世界上第一台风力涡轮机，用于给蓄电池充电，并给自己的房子照明。

1888年，美国工程师查尔斯·布鲁斯从农场的提水风车得到启发，也建造了一台风力发电机，直接给蓄电池充电以解决自家日常用电需求。他的这台机组运行了近20年。

1891年，丹麦气象学家保罗·拉·库尔引入空气学原理，设计建造了第一台现代意义的风力发电机。至此，风力发电的发展踏入了正轨。

风力发电的原理，是将风力作为回转动力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机转动发电。用于将空气运动转换为电力的结构被称为涡轮机，涡轮机是一种有几个旋转叶片的大型结构，俗称“大风车”。这些叶片连接到一个电磁发电机上，当风使叶片旋转时，该发电机会发电。

由于风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染，越来越得到人类社会的青睐。到了1941年，世界首个兆瓦级风电机组在美国被发明，并接入了当地电网。什么概念？它运行时几乎可以满足8000户家庭的用电需求。

从“大风车”到“会飞的驴”

这些年来，风力发电涡轮机的叶片越造越大，它们的发电量也越来越大，从单一的风力发电机已经发展到多台大型并网式的风力发电机阵列，组成机群，形成一个个大型风电场，向整个国家的电网供电。

風电场按照选址可分为陆上风电场和海上风电场。陆上风电场又分为平原风电场和山区风电场，也许你在高铁或者汽车之上，就看见过它们在远处的山头高耸着；海上风力发电场，则多耸立于沿海，在海风的吹动下旋转着，更是一番别致的海景。

无论陆上风电和海上风电，都采用传统的“大风车”

模式，属于低空发电。

难道？是的！你可能不曾想到，还有一个高空发电吧？

在高空中，风的速度更快，持续时间更长而且更稳定。因此，科学家发明了高空风力发电机——“风筝”发电机。这种发电机的设计主要有两种类型：一是空基高空风力发电，即把轻型风力发电机搭载在飞行器上放飞到高空中，由风力带动发电机发电然后通过缆绳把电能传送回地面；二是陆基高空风力发电，把飞行器系在缆绳上放飞到高空，飞行器通过缆绳往复牵引地面的发电机转盘旋转来发电，就像是一头会飞的驴在拉磨盘。

今年1月，“会飞的驴”已经在我国起飞了——我国首个可并网的兆瓦级高空风力发电示范项目已在安徽绩溪完成建造。这个项目的单机容量2.4兆瓦，运行高度500～3000米，是高空风力发电技术的首次工程化应用。这是一项大胆的探索，有助于将来我国可以在天空饲养成群结队的“会飞的驴”。

让未来的暴风更猛烈吧！

风，蕴藏着难以想象的能量。早期，人类直接将风能转化为机械能，应用场景有限。后来，人类的风能开发包含风能到机械能，机械能再到电能的转换过程，大大拓展了风能的用途。

如今，人类对风能的利用远不止“轻舟已过万重山”，风力发电已发展成一项综合性的高精技术，涉及空气动力学、结构动力学、材料科学、机械工程、电气工程、控制技术、气象学和环境科学等多门类多领域的交叉学科。

未来，乘风之势、借风之力，人类在风能的利用上是否能更进一步，直接向台风、飓风索取力量呢？到那时，也许每一个风电场在翘首以盼：“让暴风雨来得更猛烈些吧！”