风,是一种最常见的自然现象。汹涌的海浪、怒吼的林涛、翻滚的稻浪、飘扬的旌旗、旋转的风车,都是风的“杰作”。众所周知,骑自行车顺风走,要比逆风走轻快;江河里的木船,常常提起风帆行驶以冀“一帆风顺”,小孩玩的纸风轮,会迎风飞转……那么,风的本质究竟是什么呢?
我们的地球表面是被一层很厚的无色透明气体包围着的,这层气体就是空气,空气的运动就产生了风。大气的运动时而剧烈,时而平缓,风也就有大小之分。生活在“风魔”控制下的人类,很早就结识了这位“隐形术士”,并加以利用。风车,就是人类“见风使舵”的最古老的“手段”之一。
早在公元前200年左右,西亚地区的波斯人发明的立轴式风车,用于磨碎谷粒,为世界上最早的风力机。到了7世纪,伊斯兰国家出现了基本形式为水平型的风车,用于灌溉、扬水和磨粉。由于这种风车只是部分帆面接受力,所以效率不高。
在东方在中国,早在两千多年前,利用风力驱动的帆船已经在水面航行,并且出现了风车。
不过当时的风东不是去磨粉,而是作为宗教仪式的道具使用。到了明代,开始应用风力水车灌溉农田,并出现了用于农副产品加工的风力机械。
12世纪以后,风车在欧洲出现了。13世纪左右,英国和北欧国家已使用了相当多的风车,有些风车用来磨粉,但更多的是用来抽汲湖泊中的水和排出渗入堤坝低洼处的海水。荷兰有许多土地比海面低,所以普遍使用大型风车来抽出海水。荷兰的立式水车排除低洼地带的积水,保护着荷兰三分之二的国土,使它不再变为泥泞土地。丹麦则是最早利用风力发电的国家,广泛地用于农村照明和其他生活用电。
欧洲风车的基本形式是风车的旋转轴跟地面成水平的垂直型风车,它比水平型风车的结构复杂。这种风车的帆能够全部受到风力的作用,所以效率较高。早期风车的形式是将帆安装在有机械的木箱上,把木箱安装在垂直的支柱上,使帆(或者叫做叶轮)朝着风吹的方向。随着风车的转动,通过齿轮将此旋转运动传给磨粉机或别的机械的回转轴上。这就是早期的箱式风车。
到了14世纪,在用砖和石头建造的塔中安装上机械,这就是塔型风车。塔型风车成为普遍的形式。风车塔的上部能自由改变方向,当风向变化时,可以转动风车的帆或叶轮使之迎对风向。这种风车非常好用。在16世纪,风车逐渐实现大型化,精细部件经过研究也得到了一些改进。这样,几乎所有的大型风车都改装成塔型了。
到了18世纪,人们开始用铁齿轮代替了以前的木制风车部件。同时还进行了各种各样的新的改进。1745年,英国的E·李发明了使风车自动迎对风向的自动尾冀,并取得了专利。1759年,英国的史密顿在皇家学会发表了关于风冲向风车叶片上的气流的科研论文。同时,英国的梅克尔发明了使风车叶轮能随风的强度改变其角度的附加弹簧的叶轮。于是,18世纪末期出现了许多效率高的风车。
后来随着价格便宜的内燃机和蒸汽机的出现以及农业电气化的发展,到了本世纪五六十年代,风能利用处于低潮时期。
到了20世纪70年代初期,在出现了全球化的石油危机后,由于所谓“能源危机”的冲击,在千方百计探索能源出路时,人们又重新想起了风能。这样,风能这种古老的能源又焕发出了青春的风采,风车又欢快地转了起来。比如美、英等国专门拨款研究,并已将风能用于充电、照明、无线电通讯、卫星地面站电源、灯塔电源及海水淡化等。澳大利亚、瑞士、联邦德国等国,已把小风力发电机作为商品进行出售。实际上,风车“赏赐”给我们的风力资源是相当丰富的。据粗略估计,全世界至少有十亿千瓦可以利用的风能,比全世界的水力发电资源还要大十倍。怪不得许多国家日益重视起风能来。那么,风能是怎样转换成其他能的呢?
风力发动机就是一种将风能(自然能)转变成机械能,从而转变成其他形式的能量转换装置。
风力发动机由风轮、机头、机尾、回转体和塔架五部分组成。当风吹来的时候,风轮转动,带动其他一系列装置,从而带动其他的机械。风力发动机是多种工作机械的原动机。利用它带动水泵和水车,就是风力提水机;带动碾米机,就是风力碾磨机;带动榨油机和切草机,称为风力榨油机和风力切草机。带动发电机的,叫风力发电机或风力电站。除后者之外,前述各种,都统称为风能的直接利用装置。
千年风车唱着古老的歌,不知给人类带来了多少“恩惠”!正由于风是一种永不枯竭的能源,地球上的风能大大地超过水流的能量,也大于固体燃料和液体燃料能量的总和。所以风能利用的前景十分广阔。在各种能源中,风能是利用起来比较简单的一种。它不同于煤、石油、天然气,需要从地下采掘出来,运送到火力电厂的锅炉设备中去燃烧;也不同于水能,必须建造水坝,来推动水轮机运转;也不像原子能那样,需要昂贵的装置和防护设备。风能的利用,由于简单,易于普及,便于土、洋并举,而且机动灵活,因此有着广阔的前途。特别是在缺乏水力资源、缺乏燃料和交通不方便的沿海岛屿、山区和高原地带,都具有很高的风速,可以合理地加以利用。