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在科技的浩瀚海洋中，我们徜徉于过去与未来之间，见证了一场由气候变化驱动的能源革命。那么，我们是如何从简单的风车演变到如今的高效风力涡轮机呢？答案，简而言之，就是“气候变化”——我们迫切需要更多可再生能源，因此大量工程和经济资源被投入到了风力涡轮机的改进和扩大。
然而，气候变化虽然可以解释为何风力涡轮机的设计日益精良，但它并不能告诉我们什么设计才是好的。我认为有三个主要特征值得探讨：大小、叶片数量和叶片形状。
大小是最直观的：面积越大，可以利用的风就越多，从而捕获的风能也就越多。此外，更高的地方，风受到地面上障碍物的影响越小，风速越快，捕获的风能也就越多。因此，为了接触到充满能量的空气，风力涡轮机应尽可能巨大且高耸。
但这里有一个风力涡轮机的悖论：它们需要在捕获风能的同时，也让风通过。如果我们从风中提取100%的动能，风将停止移动，新来的风将无处可去。因此，我们必须让一部分风通过。数学计算表明，一个理想的风力涡轮机只能提取风动能的59%。由于风力涡轮机不能过多地阻挡风，它们面临着一个权衡：要么拥有快速移动的叶片，覆盖小面积；要么拥有缓慢移动的叶片，覆盖大面积。
这是因为，正如飞机翼在飞机移动得更快时产生更多升力，风力涡轮机叶片在移动得更快时也能“捕捉”更多的风。因此，大致来说，现代风力涡轮机需要更少、更薄的叶片以避免过多减慢风速，而缓慢的风力涡轮机则可以有更多、更宽的叶片。
那么，为什么现代风力涡轮机设计得比旧的风车转速更快呢？如果更慢更好，现代风力涡轮机不就可以像高科技巨帆一样吗？答案来自牛顿的第三定律：正如风推动叶片侧向旋转，叶片也会对风施加反作用力，给空气一个反向旋转，从而产生一些旋转动能——这是风力涡轮机没有捕获的能量。
因此，最有效的风力涡轮机会给风最小的旋转。正如一个球从斜坡上落下并弹起时，如果斜坡是静止的，动量和能量守恒意味着球会向左弹跳，斜坡会向右移动。但如果斜坡一开始就向右移动，它能在加速时吸收球更多的能量。斜坡移动得越快，它从球中提取的能量就越多！风力涡轮机叶片的情况虽然更复杂，但原理大致相同——为了获得合理的效率，风力涡轮机叶片至少应以风速的五倍速度在空气中移动。
总结来说，一个理想的风力发电涡轮机应该是巨大的，以捕获更多的风；高耸的，以捕获强劲的风；转速快，以提高效率；叶片窄，因为快速移动的风力涡轮机需要更小的叶片面积，即只需要少数几个窄叶片，以免过多减慢风速。
这篇文章是由比尔·盖茨的新书《如何避免气候灾难》启发创作的。你可以通过下方的链接了解更多关于我们如何共同避免气候灾难的信息——比如我们需要在可再生能源发电之外，加大对能源/电网储存的巨大发展。
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