不为人知的秘密,风力发电机为什么顺时针旋转?

2021-03-17  科学大院 
还记得半年前红遍全网的《信条》么?当时几乎所有的视线都集中在对时间的讨论,已经对诺兰大大电影感到陌生的小伙伴们可以戳这里复习一下~。今天我们把目光聚焦到不一样的角度,为什么电影中时光倒流的情景,用风力发电机沿逆时针旋转来表现呢?

 
电影《信条》中的海上风力发电机 (图片来源:电影《信条》)
01震惊!早期风车竟然逆时针旋转?
 
风力发电机的始祖是风车,而早期的风车作为一种手工制品,并没有严格的设计规范,它同时存在顺时针和逆时针两种形式。在英国伦敦的郊区,你可以同时看到同时包含两种旋转类型的风车。除了旋转方向不同,它们几乎没有任何差别。
 
逆时针旋转的荷兰风车(图片来源:media.tenor.com)
 
令人惊讶的是,享誉全球的荷兰风车作为风车的典型代表,绝大多数是逆时针旋转的。最早从德国引进的荷兰风车,在本土化过程中逐渐形成了自身的特色,由于年代久远,风车逆时针旋转的原因已不可考。一种说法是,荷兰人不喜欢墨守成规,他们在叶片安装过程中偷懒。风车安装叶片时,需要将网格状的扇叶钉在主桅杆上,有些风车还会在表面铺上帆布。由于多数荷兰人也惯用右手,从右向左把长钉楔入桅杆,最终导致风车沿着逆时针旋转。随着荷兰风车的流行,这种旋转方式也持续受到后来者的模仿和传播,并延续至今。
 
02弟弟的胜利!风电机组开始顺时针旋转
 
在例如《某科学的超电磁炮》等动漫作品,及手机天气预报插件的风速动画中,会出现有逆时针旋转的风力发电机,这其实是一个低级错误。但作为风车的“后浪”,绝大多数的风力发电机与早期风车截然相反,它们几乎全都沿着顺时针方向旋转。这是为什么呢?
 
 
顺时针旋转的风力机(图片来源:动漫《某科学的超电磁炮》截图)
早在19世纪80年代,丹麦的风电产业刚刚萌芽,年轻的工程师乔纳斯(Johannes)沿袭风车的旋转方式,和一家风电公司合作,设计出了一款逆时针旋转的风力机。无独有偶,他的弟弟艾瑞克(Erik)不久之后也设计了一款风力机,在定稿之前,他向妻子询问意见,妻子回答说,你哥哥的风力机是逆时针的,如果采用截然不同的方式,可以快速树立起我们的形象,于是艾瑞克听从了妻子的建议。
 
这款产品在市场上广泛受到青睐,客户也越来越多,成为了主流的风力发电机类型。丹麦政府为了保证民众(视觉上)的舒适度,甚至规定所有的风力机必须遵循顺时针旋转的规则。最后,随着风电叶片供应巨头LM公司对丹麦风电公司的收购,“顺时针”成为了主流。
 
 
顺时针旋转的风力机(实体)
03顺时针or逆时针是怎么确定的
 
单纯从物理学角度,顺时针和逆时针并不会对风电机组的发电性能产生任何差异。在美国加州的阿尔塔蒙特山口附近,我们甚至还可以同时看到两种旋转方式的风力机,但这在视觉上会令人感到难受。其实,大多数人从未意识到的是我们更习惯看到顺时针旋转的物体。
 
为什么?很少有人会刻意在乎旋转的方向,只是在长期日常生活中接触到的旋转物体大多采用顺时针,逐渐成为了习惯。现代旋转机械采用顺时针的原因来源于时钟,最古老的计时工具是日晷(gui)。北半球的日晷表盘上的影子沿顺时针旋转,而在南半球,影子则是沿逆时针旋转的。也就是说,如果发明钟表的是个巴西人,那么现在所有的钟表都要沿逆时针旋转,更多的机械也将逆时针旋转。随着时钟的问世,毫无存在感的南半球人也不得不接受顺时针,长此以往,地球人跨越了南北半球,默认形成了统一的顺时针旋转规则。然而,这个问题却又引发了一个问题。
 
 
中世纪绘制的世界地图(图片来源:canterbury.ac.nz)
04旋转效应?神秘的地转偏向力
 
由于北半球的大陆板块面积比南半球大得多,大部分人口也集中在北半球,身在北半球的我们不经意间会认为所有的地球都和自己是相似的,忽略了某些物理规律并不适用于南半球。其中,南北半球最重要的差异是由地转偏向力(又称科氏力)造成的,它不是实际存在的作用力,更确切地说,它是为了简化地球自转时力学问题而引入的一种效应。在我们眼中的地球是静止的,但实际上它自转会产生地转偏向力,把运动的物体“甩”出去,但这个效果对运动速度慢的物体并不明显,我们日常也难以觉察到。
 
 
南北半球上由于科式力导致的风向变化(图片来源:rwu.pressbooks.pub)
任何宏观运动的物体都会因地转偏向力而受到不同程度上的影响,从而在我们的视角中产生了偏离。例如,北半球上河水会侵蚀右侧河岸,而在南半球则会侵蚀左侧河岸。北半球上的气流向右偏转形成逆时针的台风,而在南半球则形成顺时针的台风(旋风)。当然,由于水流过小,南北半球的马桶却并不一定会冲出相反方向的漩涡。对于跨度范围大的洲际导弹和飞机而言,地转偏向力也是规划航线时必须要考虑的因素。
 
 
台风云图 |(图片来源:Pixabay)
对于采用顺时针或逆时针的单个旋转风力发电机而言,上游的风并不会使其发电功率产生差异。但一个风场通常有数十台风力发电机,当后排的机组位于前方机组的尾流中时,其发电效率则被大打折扣。
 
产生这种情况的原因比较复杂,大型风力发电机处在大气边界层内,由于风剪切的作用,海拔高度方向上的风速存在差异,而风力机旋转产生的搅拌将上层和下层大气进行混合,进而产生一个不均匀的尾流区域。科学家通过数值模拟方法发现,在尾流向下游扩散过程中,地转偏向力的差异会导致尾流产生两种截然不同的变化,显著改变大气的流动特征,使得下游的风力发电机造成影响。南半球的风力发电机采用顺时针旋转,则会比逆时针发出的电量高出11.5%,同样的道理,北半球逆时针旋转的风力机可以发出更多的电。
 
 
风力机旋转扰动周围的大气(图片来源:energies)
写在最后
 
为保证产品遵循一致性,相关的国际标准指出,风力机需要遵循顺时针旋转的规则,各个传动部件,例如齿轮箱等也都是基于此进行设计。因此,为了提升发电量而去违背顺时针的规则,需要面临重重阻力。而在不远的将来,北半球的风力机为了发出更多的电,也许会逐步采用逆时针旋转,我们普通民众随之也要去适应这种视觉变化。