提到荷蘭這個國家，你最先想到的是什麼？

也許迷戀體育的你，最先想到的是它的足球隊以及克魯伊夫、范巴斯滕、博格坎普、羅本這些耳熟能詳的球星；也許熱愛藝術的你，最先想到的是《星夜》、《向日葵》、《夜巡》等名作以及梵谷、倫勃朗、蒙德里安等著名畫家；也許喜歡尋找刺激的你，最先想到的是迷離的紅燈區、飄著大麻味道的阿姆斯特丹街巷以及壯觀的同性戀大遊行；而對於大多數人，當提到這個國家的時候，第一印象也許是色彩斑斕的鬱金香花田以及充滿詩意的古老風車吧。今天我們就來談談風車的故事以及它背後的環境問題。

風車的歷史

風車在荷蘭的歷史上扮演了重要的角色。十六、七世紀，荷蘭是世界上貿易最發達的國家，被稱為「海上馬車夫」。荷蘭的商人們將木材、亞麻籽、胡椒、小麥等原料從世界各地運過來，在這裡加工之後又以高價賣出，從而極大地促進了荷蘭經濟的發展。其中，風車作坊是生產麵粉、胡椒粉等產品的主力軍。原因主要是以下兩點：

荷蘭坐落在地球的盛行西風帶，一年四季盛吹西風。同時，它緊靠大西洋，屬於典型的海洋性氣候國家，海陸風長年不息。因此，荷蘭有著充沛的風力資源。此外，它平坦的地勢也利於風力的利用。

風車的構造決定了它適合生產粉類產品。如圖所示，它由風帆、齒輪副、風車軸、風車體、驅動軸和磨盤組成。在風力作用下，風帆帶動風車軸旋轉。固定在風車軸上的齒輪帶動驅動軸上的齒輪旋轉，將機械能傳遞到驅動軸上，從而驅動磨盤旋轉，將原料加工成粉末。所以說，風車其實就是一個能量轉換裝置，它將風能轉換成機械能，從而對原料進行加工。風車裡的齒輪副起到一個改變運動方向的作用，將風車軸沿水平方向的旋轉變成了驅動軸沿垂直方向的旋轉。

綜上所述，風車利用了風能這種自然的力量，通過簡單的機械原理，將原料進行加工。它們是古代荷蘭經濟的催化劑。

現代的風車

工業革命帶來了電氣化的社會。和電力機器相比，古老的風車在產能與效率上相去甚遠，因而逐漸退出了歷史舞台。而今，它們更多的是作為觀光遊覽以及作為博物館供人們了解歷史。然而，風能作為一種可持續能源，在強調綠色環保的今天，還是大有用途的。因此，我們看到了一座座風力發電站拔地而起。

僅看外觀，和古老的風車相比，這些新型的風車身材更苗條，顏色更樸素。這樣設計是有它的科學依據的：

由於現代的風車很高（最高可達100米左右，也就是30層樓），它所感受到的風力比傳統的風車要大得多。如果還用帆布作為風帆，很可能就會把帆吹破了。所以風車葉片都用輕且強度高的碳纖維複合材料做成，根據空氣動力學原理為其設計複雜的曲面，從而使它能利用更多的風能。

由於其感受到的風力很大，整個結構的強度要求很高。將風車做得苗條，可以減小迎風面積，這樣它受到的風力會更小，更容易滿足結構強度要求。

白色是反射太陽光的，可以最大限度地減少風車零部件的熱膨脹。這可以大大減少複合材料破裂的可能性，從而增加風車的壽命。從安全的角度上看，白色也更利於飛行員在空中看見，避免撞上風車。從美學的角度看，白色也是與環境最為協調的顏色。

作為90後，寫到這裡我不禁放起了那首經典的《白色風車》…不知道周董在寫這首歌的時候，有沒有想過風車為什麼是白色的呢？ 八卦一下，還是回到主題吧

下圖展示的是現代風車的工作原理，是不是看起來很眼熟？對，它的原理其實和古代風車大同小異，唯一的不同是古代風車把驅動軸上的能量直接作用在磨盤上，用於加工原料；而現代風車將這個能量用發電機轉化成電能儲存起來，然後派送到別的地方使用，而不是直接在風車裡用掉了。

現代風車原理

白色風車的環保黑暗面

和傳統的火力發電與燃氣發電相比，風力發電的碳排放要少得多，所以對於改善全球變暖有著積極作用。然而，這並不意味著風車對於生態系統沒有消極影響。在它純潔的外表下，其實也有著不為人知的環保黑暗面。前面我們提到過，和古代的風車相比，現代風車唯一的區別就是多了發電機這個部件。它使用的是一種新型的電機---永磁體發電機。和傳統的使用線圈的發電機相比，它的能量轉化效率更高。然而，這種發電機里的關鍵零件----磁鐵，含有諸如釹和鏑這樣的稀土元素[1]，而這恰恰就是問題的來源。

稀土元素是17種特殊的元素的統稱，當它們在18世紀被發現時，含量還比較稀少，故名稀土元素（現在探明其實並不稀少）。由於特殊的物理性質，它們被廣泛用於電子、石化、機械、能源等領域，被譽為「工業黃金」。然而，稀土元素的生產是有很大污染的。由於稀土化合物中的有效元素含量很低，把這些微量元素提取出來，需要用大量化學藥劑，用許多化學程序才行。廢水包含了近百種化學藥劑，其中還有放射性物質。

由於稀土開採本身有污染，而且我國是世界稀土供應大國（供應世界上95%的稀土），開採過程又不規範[2]，所以造成了巨大的環境問題。廣東省潮汕地區由於黑礦點使用硫酸銨盜採稀土資源，大片山林被毀，下雨時從山上流下泛黃的水，導致河裡出現大面積死魚；江西贛州，中國的「稀土王國」，由於幾十年的無序開採，山體與植被受到極大破壞，居民們失去了土地與家園（下圖）[3]；內蒙古包頭的白雲鄂博礦，由於包鋼在採選鐵礦石後，含有稀土的副產品暫時無法利用，就暫時堆積起來，日積月累，形成了今天的「稀土湖」並導致了包頭市與黃河內蒙古段之間的「癌症村」。

稀土開發導致贛州桃江被污染（圖片來自網路）

目光回到風車上來。也許你會好奇，風車對稀土的用量有多少？會造成多大的污染呢？根據MIT的一項研究結果，2012年，美國全境新建的風車所帶來的風力發電量是13131兆瓦（1兆瓦=瓦），建造這些風車消耗了大約2500噸稀土金屬[1]。當年全球增加的風力發電量約53300兆瓦[4]，是美國的4倍，也就是說全球在風力發電上消耗的稀土金屬為10000噸（這裡我假設每座風車消耗等量的稀土）。根據中國稀土協會的數據，我們每開採一噸稀土，將會產生約一噸放射性物質，9600-12000立方米的廢氣（包含灰塵、硫化物、氟化物等）與75立方米的酸性廢水[1]。可以想像，10000噸的稀土開採將會帶來多大的污染。另一方面，2012年全球的稀土產量約為110000噸[5]，也就是說，風車佔全球稀土金屬消耗的9.1%，這是一項多麼大的消耗。

由此可見，現代風車的建造對於環境影響巨大。而進一步看---它造成了如此大的污染，發電效果又怎樣呢？還是以美國為例，2012年，美國的核能發電站產生了大約2200噸放射性物質---甚至稍微少於風車的2500噸，而核電站貢獻了美國20%的電能，風車只貢獻了3.5%n[1]。也就是說，在產生相同污染的情況下，風車的發電量遠遠小於核電站。而對於產生的放射性廢料，美國政府至今也沒有好的處理方案，只能將它們填埋在內華達州的尤卡山上；而我們卻只是把廢料堆積成了「稀土湖」，讓群眾承受著稀土工業發展背後的苦果，想想就令人唏噓不已。

結語

利用風能來發電的現代風車，並不像我們想像的那樣環保。和傳統的發電站相比，雖然它幾乎沒有溫室氣體的排放，對全球變暖的改善有著積極作用，但正所謂「天下沒有免費的午餐」---它對環境的污染，藏匿於它背後的建造過程中。風車對稀土的大量需求以及稀土開發帶來的污染，已經對我國的自然環境和資源造成了巨大的影響。我們也許只能期待，在未來，當技術進步與市場規範之後，我們開採稀土對環境的污染將會逐步減少，同時風車發電的效率也逐步增加，讓白色風車成為真正引領未來綠色環保產業的驕子。

作者介紹： 陳思佳，荷蘭特溫特大學機械工程專業摩擦學PDEng，熱衷於機械原理的研究與機械設計的創新

參考文獻

[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/

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