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风力发电机|不为人知的秘密，风力发电机为什么顺时针旋转？

地球风车地转偏向力风力发电机

文章来自“科学大院”公众号作者：城明辰
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？
风力发电机|不为人知的秘密，风力发电机为什么顺时针旋转？
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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？
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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 。
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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 。
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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 。
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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 。
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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 。
风力发电机|不为人知的秘密，风力发电机为什么顺时针旋转？
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风力机旋转扰动周围的大气（图片来源：energies）
【风力发电机|不为人知的秘密，风力发电机为什么顺时针旋转？】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 。
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海上风电场的流动状态（图片来源：energies）
参考资料：
[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 D?rnbrack. Should wind turbines rotate in the opposite direction? Wind Energy Sciences. https://doi.org/10.5194/wes-2019-105
（本文图片均由作者提供）
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