文／陈思佳

提到荷兰这个国家，你最先想到的是什么？

也许迷恋体育的你，最先想到的是它的足球队以及克鲁伊夫、范巴斯滕、博格坎普、罗本这些耳熟能详的球星；也许热爱艺术的你，最先想到的是《星夜》、《向日葵》、《夜巡》等名作以及凡高、伦勃朗、蒙德里安等著名画家；也许喜欢寻找刺激的你，最先想到的是迷离的红灯区、飘着大麻味道的阿姆斯特丹街巷以及壮观的同性恋大游行；而对于大多数人，当提到这个国家的时候，第一印象也许是色彩斑斓的郁金香花田以及充满诗意的古老风车吧。今天我们就来谈谈风车的故事以及它背后的环境问题。

郁金香花田与风车（图片来自网络）

风车的历史

风车在荷兰的历史上扮演了重要的角色。十六、七世纪，荷兰是世界上贸易最发达的国家，被称为“海上马车夫”。荷兰的商人们将木材、亚麻籽、胡椒、小麦等原料从世界各地运过来，在这里加工之后又以高价卖出，从而极大地促进了荷兰经济的发展。其中，风车作坊是生产面粉、胡椒粉等产品的主力军。原因主要是以下两点：

第一，荷兰坐落在地球的盛行西风带，一年四季盛吹西风。同时，它紧靠大西洋，属于典型的海洋性气候国家，海陆风长年不息。因此，荷兰有着充沛的风力资源。此外，它平坦的地势也利于风力的利用。

第二，风车的构造决定了它适合生产粉类产品。如图所示，它由风帆、齿轮副、风车轴、风车体、驱动轴和磨盘组成。在风力作用下，风帆带动风车轴旋转。固定在风车轴上的齿轮带动驱动轴上的齿轮旋转，将机械能传递到驱动轴上，从而驱动磨盘旋转，将原料加工成粉末。所以说，风车其实就是一个能量转换装置，它将风能转换成机械能，从而对原料进行加工。风车里的齿轮副起到一个改变运动方向的作用，将风车轴沿水平方向的旋转变成了驱动轴沿垂直方向的旋转。

古代风车原理

综上所述，风车利用了风能这种自然的力量，通过简单的机械原理，将原料进行加工。它们是古代荷兰经济的催化剂。

现代的风车

工业革命带来了电气化的社会。和电力机器相比，古老的风车在产能与效率上相去甚远，因而逐渐退出了历史舞台。而今，它们更多的是作为观光游览以及作为博物馆供人们了解历史。然而，风能作为一种可持续能源，在强调绿色环保的今天，还是大有用途的。因此，我们看到了一座座风力发电站拔地而起。

现代化的风车田（图片来自网络）

仅看外观，和古老的风车相比，这些新型的风车身材更苗条，颜色更朴素。这样设计是有它的科学依据的：

1. 由于现代的风车很高（最高可达100米左右，也就是30层楼），它所感受到的风力比传统的风车要大得多。如果还用帆布作为风帆，很可能就会把帆吹破了。所以风车叶片都用轻且强度高的碳纤维复合材料做成，根据空气动力学原理为其设计复杂的曲面，从而使它能利用更多的风能。

2. 由于其感受到的风力很大，整个结构的强度要求很高。将风车做得苗条，可以减小迎风面积，这样它受到的风力会更小，更容易满足结构强度要求。

3. 白色是反射太阳光的，可以最大限度地减少风车零部件的热膨胀。这可以大大减少复合材料破裂的可能性，从而增加风车的寿命。从安全的角度上看，白色也更利于飞行员在空中看见，避免撞上风车。从美学的角度看，白色也是与环境最为协调的颜色。

作为90后，写到这里我不禁放起了那首经典的《白色风车》…不知道周董在写这首歌的时候，有没有想过风车为什么是白色的呢？八卦一下，还是回到主题吧

下图展示的是现代风车的工作原理，是不是看起来很眼熟？对，它的原理其实和古代风车大同小异，唯一的不同是古代风车把驱动轴上的能量直接作用在磨盘上，用于加工原料；而现代风车将这个能量用发电机转化成电能储存起来，然后派送到别的地方使用，而不是直接在风车里用掉了。

现代风车原理

白色风车的环保黑暗面

和传统的火力发电与燃气发电相比，风力发电的碳排放要少得多，所以对于改善全球变暖有着积极作用。然而，这并不意味着风车对于生态系统没有消极影响。在它纯洁的外表下，其实也有着不为人知的环保黑暗面。前面我们提到过，和古代的风车相比，现代风车唯一的区别就是多了发电机这个部件。它使用的是一种新型的电机---永磁体发电机。和传统的使用线圈的发电机相比，它的能量转化效率更高。然而，这种发电机里的关键零件----磁铁，含有诸如钕和镝这样的稀土元素[1]，而这恰恰就是问题的来源。

稀土元素是17种特殊的元素的统称，当它们在18世纪被发现时，含量还比较稀少，故名稀土元素（现在探明其实并不稀少）。由于特殊的物理性质，它们被广泛用于电子、石化、机械、能源等领域，被誉为“工业黄金”。然而，稀土元素的生产是有很大污染的。由于稀土化合物中的有效元素含量很低，把这些微量元素提取出来，需要用大量化学药剂，用许多化学程序才行。废水包含了近百种化学药剂，其中还有放射性物质。

由于稀土开采本身有污染，而且我国是世界稀土供应大国（供应世界上95%的稀土），开采过程又不规范[2]，所以造成了巨大的环境问题。广东省潮汕地区由于黑矿点使用硫酸铵盗采稀土资源，大片山林被毁，下雨时从山上流下泛黄的水，导致河里出现大面积死鱼；江西赣州，中国的“稀土王国”，由于几十年的无序开采，山体与植被受到极大破坏，居民们失去了土地与家园（下图）[3]；内蒙古包头的白云鄂博矿，由于包钢在采选铁矿石后，含有稀土的副产品暂时无法利用，就暂时堆积起来，日积月累，形成了今天的“稀土湖”并导致了包头市与黄河内蒙古段之间的“癌症村”。

稀土开发导致赣州桃江被污染（图片来自网络）

目光回到风车上来。也许你会好奇，风车对稀土的用量有多少？会造成多大的污染呢？根据MIT的一项研究结果，2012年，美国全境新建的风车所带来的风力发电量是13131兆瓦，建造这些风车消耗了大约2500吨稀土金属[1]。当年全球增加的风力发电量约53300兆瓦[4]，是美国的4倍，也就是说全球在风力发电上消耗的稀土金属为10000吨（这里我假设每座风车消耗等量的稀土）。根据中国稀土协会的数据，我们每开采一吨稀土，将会产生约一吨放射性物质，9600-12000立方米的废气（包含灰尘、硫化物、氟化物等）与75立方米的酸性废水[1]。可以想象，10000吨的稀土开采将会带来多大的污染。另一方面，2012年全球的稀土产量约为110000吨[5]，也就是说，风车占全球稀土金属消耗的9.1%，这是一项多么大的消耗。

由此可见，现代风车的建造对于环境影响巨大。而进一步看---它造成了如此大的污染，发电效果又怎样呢？还是以美国为例，2012年，美国的核能发电站产生了大约2200吨放射性物质---甚至稍微少于风车的2500吨，而核电站贡献了美国20%的电能，风车只贡献了3.5% [1]。也就是说，在产生相同污染的情况下，风车的发电量远远小于核电站。而对于产生的放射性废料，美国政府至今也没有好的处理方案，只能将它们填埋在内华达州的尤卡山上；而我们却只是把废料堆积成了“稀土湖”，让群众承受着稀土工业发展背后的苦果，想想就令人唏嘘不已。

结语

利用风能来发电的现代风车，并不像我们想象的那样环保。和传统的发电站相比，虽然它几乎没有温室气体的排放，对全球变暖的改善有着积极作用，但正所谓“天下没有免费的午餐”---它对环境的污染，藏匿于它背后的建造过程中。风车对稀土的大量需求以及稀土开发带来的污染，已经对我国的自然环境和资源造成了巨大的影响。我们也许只能期待，在未来，当技术进步与市场规范之后，我们开采稀土对环境的污染将会逐步减少，同时风车发电的效率也逐步增加，让白色风车成为真正引领未来绿色环保产业的骄子。

参考文献：

[1] http://instituteforenergyresearch.org/analysis/big-winds-dirty-little-secret-rare-earth-minerals/

[2] http://wenku.baidu.com/link?url=l-lbRodkwjXFeJiDv1KeVgaaS5_vHWGpPnE1dc2J2rrXSGq9JVfeIwFZJNpMuHekQ9sR0RillyaXZfEm35N-uTRkD6w4uPW4l_o_D1nLEl3

[3] http://www.360doc.com/content/12/0610/16/1241083_217253485.shtml

[4]https://en.wikipedia.org/wiki/Wind_power#/media/File:Global_Wind_Power_Cumulative_Capacity.svg

[5] http://www.statista.com/statistics/268011/top-countries-in-rare-earth-mine-production/

作者简介：陈思佳，荷兰特温特大学机械工程专业摩擦学PDEng，热衷于机械原理的研究与机械设计的创新

责任编辑：袁旦

联系作者：contact@kedao.org.cn

可道文章均为原创，仅代表个人观点，不代表官方立场

转载请注明出处及网站kedao.org.cn

可道欢迎全球关注环境和可持续发展议题的盆友们说出你们的观点，让我们一起"可持续，道未来"！