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不為人知的秘密,風力發電機為什么順時針旋轉

人氣: 發表時間:2021-03-16 15:45

 文章來自“科學大院”公眾號作者: 城明辰

  還記得半年前紅遍全網的《信條》么?當時幾乎所有的視線都集中在對時間的討論,已經對諾蘭大大電影感到陌生的小伙伴們可以戳這里復習一下~。今天我們把目光聚焦到不一樣的角度,為什么電影中時光倒流的情景,用風力發電機沿逆時針旋轉來表現呢?

  

  電影《信條》中的海上風力發電機 (圖片來源:電影《信條》)

 

震驚!早期風車竟然逆時針旋轉?

 

  風力發電機的始祖是風車,而早期的風車作為一種手工制品,并沒有嚴格的設計規范,它同時存在順時針和逆時針兩種形式。在英國倫敦的郊區,你可以同時看到同時包含兩種旋轉類型的風車。除了旋轉方向不同,它們幾乎沒有任何差別。

  

  逆時針旋轉的荷蘭風車(圖片來源:media.tenor.com)

  令人驚訝的是,享譽全球的荷蘭風車作為風車的典型代表,絕大多數是逆時針旋轉的。最早從德國引進的荷蘭風車,在本土化過程中逐漸形成了自身的特色,由于年代久遠,風車逆時針旋轉的原因已不可考。一種說法是,荷蘭人不喜歡墨守成規,他們在葉片安裝過程中偷懶。風車安裝葉片時,需要將網格狀的扇葉釘在主桅桿上,有些風車還會在表面鋪上帆布。由于多數荷蘭人也慣用右手,從右向左把長釘楔入桅桿,最終導致風車沿著逆時針旋轉。隨著荷蘭風車的流行,這種旋轉方式也持續受到后來者的模仿和傳播,并延續至今。

 

弟弟的勝利!風電機組開始順時針旋轉

 

  在例如《某科學的超電磁炮》等動漫作品,及手機天氣預報插件的風速動畫中,會出現有逆時針旋轉的風力發電機,這其實是一個低級錯誤。但作為風車的“后浪”,絕大多數的風力發電機與早期風車截然相反,它們幾乎全都沿著順時針方向旋轉。這是為什么呢?

  

  順時針旋轉的風力機(圖片來源:動漫《某科學的超電磁炮》截圖)

  早在19世紀80年代,丹麥的風電產業剛剛萌芽,年輕的工程師喬納斯(Johannes)沿襲風車的旋轉方式,和一家風電公司合作,設計出了一款逆時針旋轉的風力機。無獨有偶,他的弟弟艾瑞克(Erik)不久之后也設計了一款風力機,在定稿之前,他向妻子詢問意見,妻子回答說,你哥哥的風力機是逆時針的,如果采用截然不同的方式,可以快速樹立起我們的形象,于是艾瑞克聽從了妻子的建議。

  這款產品在市場上廣泛受到青睞,客戶也越來越多,成為了主流的風力發電機類型。丹麥政府為了保證民眾(視覺上)的舒適度,甚至規定所有的風力機必須遵循順時針旋轉的規則。最后,隨著風電葉片供應巨頭LM公司對丹麥風電公司的收購,“順時針”成為了主流。

  

  順時針旋轉的風力機(實體)

 

順時針or逆時針是怎么確定的

 

  單純從物理學角度,順時針和逆時針并不會對風電機組的發電性能產生任何差異。在美國加州的阿爾塔蒙特山口附近,我們甚至還可以同時看到兩種旋轉方式的風力機,但這在視覺上會令人感到難受。其實,大多數人從未意識到的是我們更習慣看到順時針旋轉的物體。

  為什么?很少有人會刻意在乎旋轉的方向,只是在長期日常生活中接觸到的旋轉物體大多采用順時針,逐漸成為了習慣。現代旋轉機械采用順時針的原因來源于時鐘,最古老的計時工具是日晷(gui)。北半球的日晷表盤上的影子沿順時針旋轉,而在南半球,影子則是沿逆時針旋轉的。也就是說,如果發明鐘表的是個巴西人,那么現在所有的鐘表都要沿逆時針旋轉,更多的機械也將逆時針旋轉。隨著時鐘的問世,毫無存在感的南半球人也不得不接受順時針,長此以往,地球人跨越了南北半球,默認形成了統一的順時針旋轉規則。然而,這個問題卻又引發了一個問題。

  

  中世紀繪制的世界地圖(圖片來源:canterbury.ac.nz)

 

旋轉效應?神秘的地轉偏向力

 

  由于北半球的大陸板塊面積比南半球大得多,大部分人口也集中在北半球,身在北半球的我們不經意間會認為所有的地球都和自己是相似的,忽略了某些物理規律并不適用于南半球。其中,南北半球最重要的差異是由地轉偏向力(又稱科氏力)造成的,它不是實際存在的作用力,更確切地說,它是為了簡化地球自轉時力學問題而引入的一種效應。在我們眼中的地球是靜止的,但實際上它自轉會產生地轉偏向力,把運動的物體“甩”出去,但這個效果對運動速度慢的物體并不明顯,我們日常也難以覺察到。

  

  南北半球上由于科式力導致的風向變化(圖片來源:rwu.pressbooks.pub)

  任何宏觀運動的物體都會因地轉偏向力而受到不同程度上的影響,從而在我們的視角中產生了偏離。例如,北半球上河水會侵蝕右側河岸,而在南半球則會侵蝕左側河岸。北半球上的氣流向右偏轉形成逆時針的臺風,而在南半球則形成順時針的臺風(旋風)。當然,由于水流過小,南北半球的馬桶卻并不一定會沖出相反方向的漩渦。對于跨度范圍大的洲際導彈和飛機而言,地轉偏向力也是規劃航線時必須要考慮的因素。

  

  臺風云圖 |(圖片來源:Pixabay)

  對于采用順時針或逆時針的單個旋轉風力發電機而言,上游的風并不會使其發電功率產生差異。但一個風場通常有數十臺風力發電機,當后排的機組位于前方機組的尾流中時,其發電效率則被大打折扣。

  產生這種情況的原因比較復雜,大型風力發電機處在大氣邊界層內,由于風剪切的作用,海拔高度方向上的風速存在差異,而風力機旋轉產生的攪拌將上層和下層大氣進行混合,進而產生一個不均勻的尾流區域??茖W家通過數值模擬方法發現,在尾流向下游擴散過程中,地轉偏向力的差異會導致尾流產生兩種截然不同的變化,顯著改變大氣的流動特征,使得下游的風力發電機造成影響。南半球的風力發電機采用順時針旋轉,則會比逆時針發出的電量高出11.5%,同樣的道理,北半球逆時針旋轉的風力機可以發出更多的電。

  

  風力機旋轉擾動周圍的大氣(圖片來源:energies)

 

寫在最后

 

  為保證產品遵循一致性,相關的國際標準指出,風力機需要遵循順時針旋轉的規則,各個傳動部件,例如齒輪箱等也都是基于此進行設計。因此,為了提升發電量而去違背順時針的規則,需要面臨重重阻力。而在不遠的將來,北半球的風力機為了發出更多的電,也許會逐步采用逆時針旋轉,我們普通民眾隨之也要去適應這種視覺變化。

  

  海上風電場的流動狀態(圖片來源:energies)

  參考資料:

  [1] https://www.windpowermonthly.com/article/955364/clockwise-anti-clockwise---woman-power

  [2] https://skeptics.stackexchange.com/questions/10989/do-windmills-in-ireland-turn-clockwise-unlike-the-rest-of-the-world

  [3] Antonia Englberger, Julie K. Lundquist, and Andreas Dörnbrack. Should wind turbines rotate in the opposite direction? Wind Energy Sciences. https://doi.org/10.5194/wes-2019-105

 ?。ū疚膱D片均由作者提供)

  

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