回顧人類對風(fēng)能的利用,可以說歷史悠久,成效非凡。直到工業(yè)革命前的數(shù)千年間,風(fēng)能在人類的水運(yùn)和航海史上,曾經(jīng)發(fā)揮過至關(guān)重要的作用,可以說風(fēng)能促進(jìn)了人類社會的發(fā)展和進(jìn)步。但現(xiàn)代的風(fēng)力發(fā)電,對風(fēng)能利用的效率卻不如古代的帆船;因?yàn)楣糯姆徽擄L(fēng)大、風(fēng)小、順風(fēng)還是逆風(fēng),都能日夜兼程地向前行;而現(xiàn)代的風(fēng)車,每年大多數(shù)時(shí)間都是處在無法運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。為什么會出現(xiàn)這樣的情況?這要從現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電的歷史說起,我們知道現(xiàn)代的風(fēng)力發(fā)電靠的是風(fēng)車,也就是人們常見的三槳水平軸風(fēng)車。其實(shí),風(fēng)車的最早用途并不是用來發(fā)電,而是用來抽水,不論是古代的中國,還是歐洲的荷蘭、丹麥等國家,最先都是將風(fēng)車用作抽水為主。不過中國古代采用的是垂直軸阻力型的帆式風(fēng)車,而歐洲國家采用的是水平軸升力型的槳式風(fēng)車。真是殊途同歸,為了同一個(gè)抽水目的,有風(fēng)就抽,無風(fēng)不抽,風(fēng)大多抽,風(fēng)小少抽,讓人們悠閑自得、極少煩神地使用了數(shù)百年。直到歐洲人率先將風(fēng)車用于發(fā)電時(shí),人們才對風(fēng)車寄予了更大的厚望。出于加快風(fēng)車轉(zhuǎn)速,提高發(fā)電效率的目的,采取了減少槳葉數(shù)量、加大槳葉長度、縮小槳葉面積的辦法,竭力降低槳葉的阻力,增大槳葉的尖速比。增速后的風(fēng)車,果然達(dá)到了增加發(fā)電量的目的,卻付出了降低微風(fēng)性能和風(fēng)時(shí)利用率的代價(jià)。好在北歐國家海洋性氣候的風(fēng)速較大較穩(wěn),這樣的改進(jìn)利大于弊。隨著風(fēng)車逐步向大型化和超大型化發(fā)展,受槳葉材料的限制,為了既增加槳葉的尖速比和掃風(fēng)面積,又減輕自身重量,只能把槳葉設(shè)計(jì)成更細(xì)更長的空心結(jié)構(gòu),最終變成了“一根桿子三根針”的現(xiàn)代式樣。
現(xiàn)在大量普及的三槳水平軸風(fēng)車,是西方人應(yīng)用空氣動力學(xué)原理,并參照直升飛機(jī)螺旋槳理論設(shè)計(jì)的。其原理是:依據(jù)伯努利方程,在流體流速變化界面兩端,流體的總能量守恒。將風(fēng)車槳葉的掃風(fēng)界面看作流體流速變化的界面,來進(jìn)行槳葉設(shè)計(jì)。這樣的理論在應(yīng)用于小型風(fēng)車設(shè)計(jì)時(shí),由于小風(fēng)車的旋轉(zhuǎn)速度很高,依據(jù)該理論還有一些可參照性;但在應(yīng)用于大型風(fēng)車設(shè)計(jì)時(shí),仍然用該理論作為設(shè)計(jì)依據(jù),就明顯不合適了;因?yàn)榇笮惋L(fēng)車的旋轉(zhuǎn)速度很低,槳葉的掃風(fēng)界面,不能再被看作是流體流速變化的界面了。其實(shí),飛機(jī)螺旋槳與風(fēng)車槳葉有著本質(zhì)的區(qū)別,因?yàn)轱w機(jī)螺旋槳是主動高速旋轉(zhuǎn),而風(fēng)車槳葉是被動低速旋轉(zhuǎn),兩者根本就是不同的概念,不應(yīng)該采用相同的設(shè)計(jì)理念。
至于西方人為什么會得出水平軸風(fēng)車效率高于垂直軸風(fēng)車的結(jié)論?應(yīng)該說是有實(shí)驗(yàn)依據(jù)的,早期的西方人肯定進(jìn)行過風(fēng)洞對比試驗(yàn),而這樣的風(fēng)洞對比試驗(yàn),很大可能采用的是小型風(fēng)車。由于小型風(fēng)車的轉(zhuǎn)速高,水平軸風(fēng)車槳葉在高轉(zhuǎn)速下,其截風(fēng)效能不僅不受影響,反而更有利,效率當(dāng)然高。而小型垂直軸風(fēng)車,在轉(zhuǎn)速相對較高的情況下,槳葉截風(fēng)效能隨轉(zhuǎn)速的提高而降低,逆風(fēng)側(cè)的阻力反而加大。況且,早期的小型風(fēng)機(jī),普遍采用的是共軸直驅(qū)式電機(jī),轉(zhuǎn)速高的水平軸風(fēng)車明顯占優(yōu)勢;可想,在這樣的早期對比試驗(yàn)中,難免會得出水平軸風(fēng)車效率高于垂直軸風(fēng)車的結(jié)論。
我們知道:西方人辦事很嚴(yán)謹(jǐn),有時(shí)又太刻板,思維常受理論束縛。豈不知:即使早期的理論沒錯,后來的情況發(fā)生了變化。隨著風(fēng)車逐步大型化和超大型化,其旋轉(zhuǎn)速度越來越低,水平軸風(fēng)車的優(yōu)點(diǎn)在大型風(fēng)車上表現(xiàn)弱化,弊端反而強(qiáng)化。而大型垂直軸風(fēng)車由于轉(zhuǎn)速很低,原有的弊端和不足反而明顯弱化。所以,我們不能用西方的風(fēng)電理論和早期驗(yàn)證結(jié)論,盲目否定大型垂直軸風(fēng)車的應(yīng)用前景。