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科普|为什么风力发电机都是白色的?


不知道你是否在意过,大到飞机、汽车、高铁,小到键盘、手机、笔记本,白色美学似乎深入人心。对于产品设计制造商而言,除了“靠颜值出道”,更重要的是白色涂料的价格远远低于彩色涂料,整体成本可以降到最低。至于风车为什么总是白色,不可以是赤橙黄绿青蓝紫,就存在更深层次的原因了。

通体洁白的风力发电机 图片来源:视觉中国

风力机选择白色的奥妙

白光是光谱中所有可见光的混合产物,通常被认为是“无色”的,在大家视野中几乎没有存在感。这种单调的中性色没有侵略性,可以与周围的环境“和谐共存”,白色风力机很少会让周围的民众感到突兀。

将风力机涂成周围环境的颜色,能够在最大程度上融入当地环境。根据当地的地形地貌,风力机推出荒漠黄、草原绿、海洋蓝等版本,岂不是可以和环境“融为一体”?不过,地表环境并不是一成不变的,春夏秋冬、白天黑夜、晴天雨雪,周围的环境会呈现出截然不同的颜色,而百搭的白色无疑是最稳妥的选择。

风力发电机 图片来源:视觉中国

白色与自然环境的兼容性很强,而另一方面,白色也会凸显出风力机的存在。除了下雪,大自然中很少会形成白色的地表。空中的飞行人员更容易看清楚地面上高耸的白色风力发电机,提前躲避这些障碍物。为了使风力机更加显眼,叶片尖部往往涂有红色条带(航标带),夜晚机舱也会闪烁红色的航标灯。根据德国标准,当风电机组距离机场5公里范围内,叶尖需要标记一条航标带,而在5公里范围之外,需要标记两条航标带。而大多数国家并没有有关航标带的标准,在国内的风电场,你可以看到通体洁白的叶片,但更多的是喷涂有一道、两道甚至三道航标的叶片,颜色除了红色,还有橙色、蓝色和黑色,等等。

带红标的风力发电机 图片来源:视觉中国

风力发电机的设计使用寿命在20~25年,它们工作在恶劣的自然环境中。除了日常“喝西北风”,它们还要长期“晒日光浴”。白色不容易吸取太阳光中的紫外线辐射,有利于缓解机组内部发电机、变流器等电气设备的散热问题,同时会降低润滑油、润滑脂发生干燥,产生气泡的风险。白色外观有利于运维人员观察到表面的油污,并及时进行处理。此外,白色涂料相对较低的价格也会降低机组的制造和运维成本。

紫色风力发电机?除了炫酷还驱虫?

白色风力机集美观与经济于一身,但也并非完美无瑕。由于白色倾向于吸引昆虫,因此在风力机的周围活动的昆虫会被卷入由快速旋转的叶片产生的强烈气流中,它们的尸体大量地黏附在叶片前缘,会极大程度上影响风力机的气动性能,降低发电性能。此外,昆虫会引起中小型鸟类、蝙蝠等捕食者的关注。“螳螂捕蝉,黄雀在后”,更高一级的捕食者,例如鹰隼等猛禽也会选择盘旋在风力机的上空。因此,旋转的叶片是周围鸟类的潜在危险,而叶片受到撞击也会对自身的结构可靠性造成隐患。

早期的鸟类保护组织极力反对风电场的开发建设,当意识到火力发电会对鸟类造成更严重的危害后,逐渐接纳了风力发电。不过他们强烈建议采用紫色颜料对风力机进行喷涂,原因是紫色会驱除昆虫,因而可以最大程度上保护鸟类的安全。他们声称这是风力机最好的颜色。

实际调查表明,昆虫的确对特定的颜色有一定的趋避性,它们对黄色情有独钟,因此农田中会采用黄色胶性纸消除昆虫。从这个角度上考虑,风力机要避免使用黄色,目前只有一些海上风电机组的底部基础是黄颜色的。

尽管昆虫普遍会对紫色避而远之,但紫色并不会成为未来大多数风力发电机的选择。风力机产生的噪声、气流、热量等因素都是昆虫靠近风力机的潜在原因。一些紫色风力机虽然有一定的驱虫效果,但并不明显,而发掘出风力机吸引昆虫的真相仍需要长期的探索,而在此之前,紫色的风力机并不会被大面积建设安装。

紫色的风力机 图片来源:mywindpowersystem.com,Patrick Finnegan

黑色风力机,让小鸟“看见”障碍物

2015年,美国鱼类及野生动物保护组织预计,全美范围内大约已经有30万只鸟类被风力机杀害。这也许成为了抵制风电的一个完美借口,川普戏称风力发电机为“鸟类的墓地”(bird graveyard),他上台后完全废除了上届总统制定的一系列清洁能源计划。

早在2003年,马里兰大学(University of Maryland)的学者W. Hodos在实验室发现了鸟类的“运动视觉模糊”(motion smear or motion blur)现象。使用光学仪器进行分析发现,当鸟类逐渐接近旋转的叶片时,它们视网膜上叶片的成像速度会随之增加,而当成像速度达到上限后,它们的视网膜图像变得透明而模糊,这些失真的图像被传输到它们的大脑,鸟类会将这个区域默认为安全区域并继续飞行,这就大大增加了它们撞击风力机的概率。

鸟类眼中的风电场可能类似于这个样子

既然鸟类在飞行时不太容易观察到旋转的风力机,那么给它们在视觉上多一些提示会不会有所帮助?比如,把叶片涂成不同的颜色以及花纹。2020年6月,挪威自然研究所和安索湖鸟类观测站的研究人员在期刊Ecology and Evolution发表了一个令人震惊的发现,他们在挪威Sm?la群岛的一个风电场开展了一项测试,当三支风电叶片中的一支被涂成黑色后,鸟类的死亡数量下降了70%。

一只叶片被涂成黑色的风力发电机 图片来源:arstechnica.com

Sm?la风电场二期共有68台风力发电机组,叶片长度为40米。在2006—2016年间,调查人员配合训练犬共开展了9557次定期检查,发现了464具鸟类的尸体。为了开展前后处理的对照实验,各选取了4台风力机作为实验组和对照组。

在2006—2013年间,两个组的风力机均未进行处理。4台实验组风力机共杀死了包含6只白尾鹰(Haliaeetus albicilla)在内的11只鸟类。此外还有5只柳松鸡(Lagopus lagopus),但它们并不是死于旋转的叶片,而是撞上了风力机的塔筒。在同一时间段内,4台对照组风力机造成了7只鸟类死亡。两组风力机紧紧相邻,因此这个显著的差异可能来源于其他某种尚不明确的因素。

在2013年,4台实验组风力机的每台机组的一个叶片被涂成了黑色。在接下来的3年内,共发现了6只鸟类尸体。相比之下,4台对照组风力机却导致18只鸟类的死亡。也就是说,将一只叶片涂成黑色可以使鸟类年死亡率下降了近70%。

事实上,黑光在光谱上通常处于300~400纳米范围,有些动物的视网膜中存在产生色觉的视锥细胞,细胞中的视色素可以吸取不同波段波长的电磁波。人眼中的色锥细胞最敏感光谱波段为红光、蓝光、绿光,而鸟类拥有四种类型视锥细胞,对红光、蓝光、绿光和紫外线都很敏感。

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人和鸟类视锥细胞对光的敏感性 图片来源:Palaeontologia Electronica

思考一下,如果将两只叶片甚至三只叶片涂黑,会使死亡率进一步下降吗?在后续继续深入探索之前,这个实验的可重复性值得再次确认,看起来非常理想的结果可能是偶然因素导致的。因此,在黑色叶片广泛应用之前,仍需要在多个风电场开展长期的调查并积累数据,得出更为准确普适的结论。

风力机除了发电也可以是艺术品

都是白色的风力发电机未免有些单调,为了使风力机更好地承载民风民俗,打造当地特色风电场。也有的地方,将风力机的塔筒和叶片表面喷绘了具有地方学问特色的图案和花纹,成为艺术品。

比如广西的民俗秀:

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广西崇左市天等县牛头岭风电场 图片来源:左江日报

参考文献:

[1] Roel May, Torgeir Nygard, Ulla Falkdalen, et al. Paint it black: Efficacy of increased wind turbine rotor blade visibility to reduce avian fatalities. Ecology and Evolution. 2020;00:1–9.

[2] Hodos, W. Minimization of Motion Smear: Reducing Avian Collision with Wind Turbines; Period of Performance: July 12, 1999 -- August 31, 2002. United States. Doi:10.2172/15004460.

[6] Rowe M P. INFERRING THE RETINAL ANATOMY AND VISUAL CAPACITIES OF EXTINCT VERTEBRATES[J]. Palaeontologia Electronica, 2000, 3(1).


来源:科学大院



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