第三章风能的开发历史   从最原始的时代开始,人类对于风的认识就非常的深刻。风有很强大的能力,非常难以把握。神话传说中也有风神的传说,并且传说风神在高兴的时候就会给人类造福。当然科技发达的今天,人类对于风能的利用也在逐渐地变化。那么一起进入风能的历史时刻吧!   风能的历史   ※风伯   从远古时代,人们就开始了对风的认识,而且对风也有着很复杂的感情。因为人们能够感觉到风能量的强大,却又很难把握。在我国的神话故事里,神话人物——“风伯”的出现,就是我们祖先对风的矛盾感情的主要体现。传说,在上古时代,黄帝是中央之帝,天下太平。后来蚩尤的部族在南方崛起,起兵与黄帝争天下,他请来风伯、雨师兴风作浪,使老百姓深受狂风暴雨之苦。黄帝派后羿与风伯战斗,后羿在青邱之泽战胜了风伯,把风伯用绳索绑了起来,交给黄帝。但黄帝没有杀风伯,而是只把他束缚着,让风伯适时兴风,为老百姓谋取福利。   ※商代出现的帆船   早在8000多年前,人类就开始利用风能了,当时的古埃及人民就用纸草(芦苇)扎制成草船,然后挂上一道简陋的帆,扬帆航行在尼罗河上。世界上最早利用风能的国家有很多,我国也是其中之一,在3000多年前,商代人民就开始用帆船运货。到了春秋战国时期,我国就有了利用风力来磨面、磨米、提水、灌溉的先河。唐代有“乘风破浪会有时,直挂云帆济沧海”的诗句,可见那时风帆船已经广泛应用于江河航运。最辉煌的风帆时代是中国的明代,14世纪初,中国航海家郑和七下西洋,庞大的风帆船队功不可没。当时我国的大型帆船“三宝船”应当是世界上最先进的帆船,其船体庞大,长达44丈,宽18丈,载重达1000吨,在当时排水量都是无可比拟的。明代以后,风车的应用就非常广泛了,宋应星的《天工开物》一书中记载有“扬郡以风帆数扇,矣风转车,风息则止”。这是对风车的一个比较完善的描述。我国风帆船的制造技术已领先于世界。方以智著的《物理小识》记载有:“用风帆六幅,车水灌田,淮阳海皆为之”,就充分描述了当时的人们已经懂得了利用风帆驱动水车灌田的技术。而在我国的沿海沿江地区的风帆船和用风力提水灌溉或制盐的做法,一直延续到20世纪50年代,仅在江苏沿海利用风力提水的设备就曾经达到过20万台。   ※中国航海家郑和七下西洋   同时,国外应用风车的历史也是很悠久的。在公元前2世纪,古波斯人就有了利用垂直轴风车碾米的先例。到了11世纪,中东地区的风车就已获得广泛的应用。风车是在12世纪从中东传入欧洲的,从此揭开了风车最辉煌的一页。16世纪,荷兰人就开始利用风车来进行排水,围海造地,竟然在西部和北部的浅海和低洼的海滩地上造出了1/4的国土,并逐渐发展成为一个经济发达的国家。到了今天,荷兰人依然把风车当作国家的国宝,在北欧国家所保留的大量荷兰式大风车,现在已经成为人类文明史的见证。   风力机械在蒸汽机没有出现之前,一直是动力机械的一大支柱,后来随着煤、石油、天然气的大规模开采和廉价电力的获得,曾经被广泛使用的各种风力机械,因为它的效率低、使用不方便、成本也高等,与蒸汽机、内燃机和电动机等无法相竞争,就逐渐被人们淘汰了。   丹麦人开始研制风力发电机是在19世纪末。世界第一座风力发电站就是丹麦在1891年建立的。   在解决发展中国家无电农牧区居民的用电方面,风力发电起到了非常重要的作用,尤其是20世纪70年代以后,用风力来发电更是进入了一个蓬勃发展的阶段,在世界不同地区建立了许多大中型的风电场。估计到21世纪中叶,风能将会是世界上能源供应的支柱之一,并成为人类社会可持续发展的主要动力源。   知识库·风能路灯的工作流程·   1.发电机利用风能转换发电。   2.通过整流装置把交流电转成直流电供给蓄电池储存。   3.(灯具为交流时)蓄电池里的电通过逆变器再把直流电变成交流电给灯具供电。(灯具为直流时,直流节能灯,LED灯,低压钠灯,氙气灯)蓄电池里的电通过光控,时控控制器给灯具供电。   风能路灯最主要的部件是路灯杆的上面,即发电机组和灯具部分。这里有几个问题要考虑:   1.为了整体提高使用效率,发电机要选用低转速即能达到额定功率的,单机的路灯用发电机功率一般在500瓦左右,选额定风速7米/秒可以达到200转的最为理想。   2.尽量选用垂直轴结构的发电机组,因垂直轴发电机转动稳定,这样路灯杆的强度可以适中,造价较低。水平轴的发电机组叶片是悬在发电机轴上安装的,风轮启动时会有一个共振点,灯具在长期的振动下会出现断裂,灯具开胶等状况。   3.冬季使用时,灯具在照明过程中会产生热量,熄灭后环境温度变成零下几十度,一热一冷变化,会让一些灯具产生故障,所有配件都要考虑温度系数及如何控制的问题。   1.最早的风能应用是什么呢?   2.为什么荷兰人把风车视为国宝呢?   3.为什么我们常常会看到风车都是在大漠中?   风力在古代农作物中的应用   ※风能   我国是农业起源比较早的国家之一,也是一个传统的农业大国。由于风与农业生产密切相关,古代先民们很早就在农业生产实践中对风及其作用有了较为科学的认识,并进行了对自然风、人造风的充分利用和开发,主要集中在农业生产的重要环节——谷物的清选加工及农业提水灌溉及排水等方面。其工具不但丰富,而且也是很完备的,技术先进成熟。谷物清选加工方面主要的工具有杴、飏篮、簸箕、风扇车,提水灌溉及排水方面则主要是风车的发明和使用。   一、用于谷物清选加工   对谷物的清选加工是我国古代农业生产对风能的利用开发的主要方面之一。谷物在经过蹂打、舂碾后,在同等的风力下,根据质量不同的物体,被风吹的远近不同的惯性原理,再借助于自然风或人造风把粮食籽粒和秸秆、谷糠等杂物分开,达到“取精去粗”的目的。我国古代主要的谷物清选农具,在汉代就已经较完备了。西汉元帝(前48~前33年)黄门令史游《急就篇》记载了当时也是我国古代主要的谷物加工农具:“碓、硙、扇、隤、舂、簸、扬”。唐颜师古注:“碓,所以礳也;亦谓之。古者雍父作舂,鲁班作硙。扇,扇车也。隤,扇车之道也……隤之言坠也。言即扇之,且令坠下也。舂则簸之、扬之,所以除糠秕也。扬字或作飏,音义同。”这段话记述了我国古代谷物清选加工的三种方式及工具:第一就是借助自然风的“扬”法,主要的工具有杴和飏篮;第二就是“簸”法,主要的工具是簸箕;第三就是利用风扇车等设备产生间断或连续的人造风对谷物进行清选,达到去粗取精的目的,主要设备为风扇车。   (一)“扬”法与杴和飏篮   “扬”法就是指借助自然风,对蹂打、舂碾后的谷物进行清选,达到去粗取精的目的,早期的谷物清选方式就是采用的这种方法。这可以追溯至古代先民对自然现象——风的观察和认识。这种现象的出现应与农业同步或者稍晚些。早期可能是借助手作为主要的工具,后来,随着谷物种植及单位面积产量的增多,应该有代替手的原始工具出现,但是由于当时的文献记载不够完善,而且早期的实物也不易保存,我们很对它的全部有一个形象的认识。但自从这种方法出现后,就成为我国古代直至现代农业生产的主要方法,是谷物精选的主要加工方式之一,在后来的文献中就有对其的相关记载。我们可以从文献记载以及近现代仍在使用中的工具得知,古代在采用此方法的工具主要有木杴、竹扬杴和飏篮等。元朝的《王祯农书》中对其进行了详细的记载,并配有相应的工具图。   “枚,臿属,但其首方阔,柄无短拐,此与锨臿异也。锻铁为首,谓之‘铁锨’,惟宜土工,剡木为首,谓之‘木杴’,可谷物。又有‘铁刃木杴’,裁割田间塍埂。以竹为之者,淮人谓之‘竹扬杴’,与江浙飏篮少异。今皆用之,因附于后。”说明当时用于谷物去粗取精的工具——杴主要有木杴和竹扬杴两种,这种类型的杴和用于“土工”的铁锨和用于“裁割田间塍埂”的铁刃木杴是不一样的,它主要是用木和竹做成,形制“首方阔,柄无短拐”。并配有诗对它的使用季节和优点进行了说明。“木杴诗云:柄短掌木尽宽平,谷实抄来忌满盈。苗夏耰锄方用事,几回高阁待秋成。”“竹扬杴诗云:竿头掷谷一箕轻,忽作晴空骤雨声。已向风前糠粃尽,不劳车扇太忙生。”“飏篮。飏:《集韵》谓风飞也。篮形如簸箕而小,前有木舌,后有竹柄。农夫收获之后,场圃之间所蹂禾穗,糠籺相杂;执而向风掷之,乃得净谷。不待车扇,又胜箕簸,田家便之。”并附有诗云:“稃穗离披与谷仝,要凭分别混淆中。柄头能泻精量在,糠粃从渠走下风。”形象地说明了用飏篮将“糠籺相杂”的谷物朝风扔出,风将净谷与糠籺吹开的情景。   “扬”法是我国古代主要的谷物加工方式之一,它的优点就是“不劳车扇太忙生”,“又胜箕簸”,其简单易行,使用的效率也高。但是它必须借助适度风力的自然风才可进行,当风太大、太小或没有风时生产就不能进行,有很大的局限性,而且也在一定的程度上限制了谷物加工的及时性。   (二)间断人造风利用的“簸”法与簸箕   簸箕是“簸”法的主要工具。就是将需要清选的谷物放在簸箕中,“挤匀扬播,轻者居前,弃地下。重者在后,嘉实存焉。”它所利用的原理就是利用簸扬起的谷物在下落的过程中,使谷物与簸箕间的空气受压而产生向外的气流而吹带走谷物外壳等杂物。间断人造风应用在谷物加工的开始就是簸箕的发明和使用。在古代也称“箕”。在商周时期就已经出现了簸箕。据考证,在甲骨文、金文中都有“箕”,字形与后代的簸箕形体很形似,就像是用条状编织物编制的开口器物。既然“箕”在甲骨文、金文中都已有单字出现,这就说明了在当时簸箕应该就有了比较广泛的使用。到春秋战国时期,有很多的文献都对簸箕进行了明确的记载。《诗经小雅大东》载:“维南有箕,不可以簸扬。”这里说的“箕”指南方的“箕星”,但已明确说明了“箕”的功能是用来簸扬的。《庄子》则更是明确地指出了簸箕“去粗留精”功能,载:“箕之簸物,虽去粗留精,然要其终,皆有所陈是也。”《战国策齐策六》载:“齐婴儿谣曰:大冠若箕,修剑柱颐。”汉李尤《箕铭》载:“箕主簸扬,糠秕乃陈。”这些相关的记载说明,簸箕最迟是在春秋战国时期就已开始应用于农业生产,并且使用也是相当的广泛。   知识库   考古资料表明,早在商周时期,我国已掌握了木条和竹条的编织技术,根据后世关于簸箕材料的有关记载,推测早期的簸箕可能是用竹、木编织而成的。北魏贾思勰的《齐民要术》记载了当时用于编织簸箕的“箕柳”的种植方法等情况,《种槐柳楸梓梧柞》载:“种箕柳法:山涧河旁及下田不得五谷之处,水尽干时,熟耕数遍。至春冻释,于山陂河坎之旁,刈去箕柳,三寸截之,漫散即劳。劳讫,引水停之。至秋,任为簸箕。”专门用于编织簸箕的箕柳的种植,表明当时簸箕在农业生产中有很大的使用量,且已成为重要的谷物清选加工工具。《王祯农书》对当时南北所用簸箕及其材料有较详细的记载:“北人用柳,南人用竹,其制不同,用则一也。”   关于早期的簸箕形制文献,记载较少,在考古中,实物也是很难见到的。但从各地出土的汉代陶俑有关簸箕的模型中,让我们可以对当时的簸箕形制有直接的认识。在四川新津出土一汉代背儿劳动俑,此农妇头上梳两缕髻发分垂于两耳之下,背负一婴儿,双手平端一簸箕,似在簸扬。新津还出土有东汉陶俑,男性,身材粗短,着长服,挽袖,左手前曲执锸,右手执箕。与此俑类似的石俑,在四川峨嵋和郫县也有出土。此外四川彭山出土东汉陶俑,男性,头戴圆帽,身着圆领半长衣,右手于胸前执锸,左手下垂执箕。在《王祯农书》中附有当时使用的一种前端带舌的簸箕图。和近现代的簸箕形制相比,自汉代开始,簸箕就没有大的变化,这就表明簸箕形制到汉代就已趋向成熟了,且被后人一直沿用。   簸箕除了应用在场上对谷物进行清选外,在农业选种上的应用也是比较多的,以及酿酒、酿醋、榨油等加工作坊中,用它把粮食簸净,更方便加工。相对于其他两种谷物清选方式,“簸”法是比较费人力的,对一些大规模的清选作业就不太适合了。但由于它的简单易用,直到现在仍然是农业生产及各种手工作坊离不开的清选农具。   (三)连续人造风的利用与风扇车   到了西汉时期,人们已经发明了风扇车,可以产生连续的人造风,主要也是用于谷物清选加工。风扇车主要是一种利用流体力学、惯性、杠杆等物理原理人为地强制空气流动,产生一定风力的人造风用以把蹂打脱粒后或舂、碾后的谷物籽粒与混在一起的穰籺、糠皮等杂物分开。风扇车是在汉代发明的,除西汉文献《急就篇》有记载外,还有很多出土的汉代风扇车模型可以证明。   风扇车也可以叫做飏扇、扇车。中国古代风扇车的形制主要有两种:立轴式风扇车和卧轴式风扇车,人是原动力,主要是用手转或足踏。《王祯农书》中有记载,风扇车“有立扇、卧扇之别,各带掉轴。或手转足踏,扇即随转”。   1.卧轴式风扇车   卧轴式风扇车,根据其在考古中,关于汉代的卧轴式风扇车模型发现有很多。比如在1969年河南济源泗涧沟出土的西汉陶制踏碓与风扇车模型,风扇车箱体呈梯形,箱体中部上方有漏斗形盛粮用的高槛,槛下有匾缝启门,启门上还装有一个能调节大小的长板,启门下边的正面有一长方形出米口,出米口右侧的正面有圆形进风口,在其对面中心处,有一安装风轮的轴孔,这个孔与在进风口一侧的一竖木用以固定风轮和曲柄摇把,这些木制件在出土的时候已不存在了。在进风口的后部还塑有一个立俑,双手作摇风扇车的姿势。在槛的左边有斜坡形空箱,也就是谷糠盛放的地方。在槛的右边有一个长方体的风轮箱体。   1982年,河南省南阳市的博物馆在市东郊征集到一件西汉时期的灰陶风扇车模型,整体呈长方盘状,盘四周为矮墙,左下角附近有出入口,盘一头有圆形臼窝,为舂谷之处。左下角处有一风箱,风箱呈长方体斜坡形,一头为谷口,另一头可能为出糠口。全长465厘米,宽22厘米。   河南洛阳东关东汉墓出土的踏碓、风扇车模型,陶制,由高槛、车厢等组成,上部有进粮的长方形高槛,槛下有斜腿支撑,风箱左端两臂有圆形曲轴孔,正面中间下部有长方形出粮口,风箱后部还有糠秕的出口。出土时木制风叶已不存在。   在山西芮城城南村东汉墓出土的4件彩釉陶碓房模型内,都有关于风扇车的模型。风扇车有风叶六片,风轮轴上的曲轴是操作者用于摇动风叶的手柄。风扇车上有盛谷高槛,下有出糠的夹槽。   从汉代出土的风扇车模型来看,在以后出现的风扇车的重要部件有机体、风箱、叶轮、手柄、曲轴、高槛、出料口等,在汉代都有所具备,有的还有容纳清选后谷物和糠秕的容器等。汉代的风扇车比较多,且出土的地点也是各不同的,这就说明了风扇车当时在我国的黄河中下游地区的使用已经很广泛了。   到了宋、元、明时代,风扇车作为一种很重要的农具已经较多地被载进了各种书籍。北宋时期,在很多的励精图治的政治家和文学家的诗歌中,就有关于风扇车的记载,他们大多都是赞扬和重视。如北宋梅尧臣(字圣俞)有咏飏扇诗:“籺扇非团扇,每来场圃见。因风吹糠籺,编竹破筠箭。任从高下手,不为寒喧变。去粗而得精,持之莫言倦”。《王祯农书》引王安石的诗:“精良止如留,疏恶去如摈。如摈非尔憎,如留岂吾吝。无心以择物,谁喜亦谁愠?翁乎勤簸扬,可使糠秕尽”。王安石主要是通过赞扬风扇车的功用,来以物喻人,充分抒发了自己力主变法革新的大志。   关于它的结构、效用等,在元代的《王桢农书》中都有详细的记载。《王祯农书》卷十五载:“飏扇。《集韵》云:飏,风飞也。扬谷器。其制:中置箕轴,列穿四扇或六扇,用薄板,或糊竹为之。复有立扇、卧扇之别,各带掉轴。或手转足蹑,扇即随转。凡舂碾之际,以糠米贮之高槛,槛底通作匾缝,下泻均细如籭,即将机轴掉转搧之,糠粞既去,乃得净米。又有舁之场圃间用之者,谓之扇车。凡蹂打麦禾等稼,穰籺相杂,亦须用此风扇,比之杴掷箕簸,其功多倍。”在这里主要记述了古代不同形制的卧轴式风扇车两种:敞开风箱式风扇车和闭合风箱式风扇车。   这两种风扇车的结构不一样,其使用的场所也不一样。风扇车的风轮有四片或六片(或更多的偶数片)扇构成。足踏式风扇车又名扇车,风箱部敞开,形体较为宽大,风轮也较大,可产生较强的风力,在“场圃间”都是非常适用的,对“麦禾等稼”蹂打后“穰籺相杂”的谷物进行清选。而闭合风箱式风扇车——飏扇,它主要是和碓、碾等谷物去壳工具配合使用。   明代徐光启的《农政全书》和《王祯农书》中都记载有相同的足踏式风扇车。宋应星的《天工开物》卷四《粹精》篇记载了当时使用的风扇车,而且也配有插图,它的形制跟现代一直在使用的基本上一样。   从汉代风扇车出现以后,经过不断的改进和完善,汉代出土的风扇车模型,风箱为长方形。到元《王祯农书》中所记载的风扇车的箱体已为圆柱形,这一改变开始于公元1200年左右。圆柱形箱体与长方形的箱体相比,则更为完善些,这是我国风扇车技术的一大进步,也是我国古代风扇车的形制和技术成熟的标志。风轮由于在长方体箱体内旋转时会在箱体内与风轮轴平行的箱体壁所组成的二面角内产生涡流,涡流对风轮的运转有阻碍作用,风轮运转的越快,涡流对风轮的阻力也越大,所以摇动风扇车就要做一部分克服涡流阻力的无用功。随着在生产实践中,人们经验的积累和对自然规律的不断探究,发现了流线型结构对气体的流动产生的阻力与方形的相比,要小些,所以就把风箱从长方体改变成了圆柱体,这样涡流就很巧妙地被消除了。这也就表明了人们在公元1200年前就对空气涡流的产生及其所具有的阻碍作用有了相当深刻的认识。   双出粮口风扇车的出现是风扇车的另一技术进步。双出粮口风扇车在工作时,通过对叶轮的转速进行调整从而可产生适合风力的气流,把从同一高度落下的重量不同的好米、次米、糠吹到远近不同的地方,在距高槛最近的一个出米口落好米,另一个出米口出次米,糠则从风扇车前边的口吹出。这样只需要扇一次,好米、次米和糠秕就可以分开了,而单出粮口风扇车,需要先把谷糠从谷米中扇去,然后再把分开好米和次米,一共要进行两次清选,这就使生产时间大大地缩短,极大地提高了生产效率。这种类型的双出粮口风扇车的发明是在18世纪40年代以前。在20世纪30年代前,这类风扇车在内蒙地区得到了广泛的应用。   自从出现了风扇车,人们就摆脱了对自然风的依赖,采用连续的人造风,根据需要随时对加工后的谷物进行清选,在很大的程度上拓展了谷物清选加工的方式,提高了生产效率,在我国的农业发展方面发挥了非常重要的作用。   与此同时,古代人们发明的风扇车具有很高的科学技术水平,也是古代人们在风能利用方面的伟大创举之一,这也是古代劳动人民勤劳与智慧的结晶。然而风扇车从中国传入西方国家的时间也不会早于18世纪中叶。   2立轴式风扇车——门式大风扇   我们现在所知道的最早的立轴式风扇车,是四川彭县大平出土的汉画像砖“舂捣图”中的门式大风扇,这应该就是立轴式风扇车的早期形态。主要是有两个人,一个人两手各执一片“门”形扇叶的柄,平行左右动,另一个人就正肩上扛粮斗将谷物徐徐倒下,谷物在下落过程中,糠秕被扇叶扇起的风吹向一边。所安装的两个扇叶应该和屋门一样,安装在上下铰链(如滑动轴承)之中的。汉代的画像砖描绘的内容主要是反映当时的社会生活实际情况,而在画像砖的“舂捣图”中出现门式大风扇,这就说明了在当时它的应用就已经很广泛了。   知识库   关于立轴式风扇车的文献记载,始见于元代《王祯农书》,对其结构有较为简略的记载:“其制:中置箕轴,列穿四扇或六扇,用薄板,或糊竹为之。……带掉轴,或手转足踏,扇即随转。凡舂碾之际,以糠米贮之高槛,槛底通作匾缝,下泻均细如籭,即将机轴掉转搧之,糠粞既去,乃得净米。”由此记载可知,立轴式风扇车与卧轴式风扇车除了风轮的安装不一样外,其他结构应基本一样。相对于卧轴式风扇车,立轴式风扇车驱动机构较复杂,也不会有很高的转速,产生风量有限,使用应没有卧轴式广泛,这可能是文献少有立轴式风扇车而多有卧轴式风扇车记载的原因之一。   1.风能给农业成产上带来了哪些便捷之处?   2.人们是根据什么发现了风能的利用价值呢?   3.农业生产利用风能最早在哪个时候呢?   风力在提水灌溉及排水中的应用   农业中利用风能提水灌溉和排水,主要是利用风车将空气流动的动能转化为用于提水灌溉或排水所需的机械能,主要是用做翻车(又称龙骨水车)的动力,主要是在我国沿海及长江流域水资源丰富的地区使用。它的原理就是利用自然风的动能推动风车的叶片,将气流的直线运动转化为风轮绕其轴心线的圆周运动。古代的风车按风轮轴的位置可以将其分为两种:立轴式风车和卧轴式风车。风车的叶片主要是源于我国的船帆,是由中国式硬质平衡纵帆变化而来的。   ◎立轴式风车   关于风车的记载最早是见于宋代。南宋刘一止(1078~1161)《苕溪集》卷三载:“老龙下饮骨节瘦,引水上声呷呀。初疑蹙踏动地轴,风轮共转相钩加。……残年我亦冀一饱,谓此鼓吹胜闻蛙。”在这里,“风轮”指的就是风车的风轮,从“残年”二字可以推断,当时应该是1140~1150年前后的事。   关于利用风车进行提水灌溉及排水,在明代的文献中有较多的记载。徐光启《农政全书》卷十六载:“近河南及真定诸府(在今河北、河南两省内),大作井以灌田”,“高山旷野或用风轮也”。《天工开物》卷一又记,扬郡(今江苏省扬州、泰州、江都等地)“以风帆数扇”驱动翻车,“去泽水以便栽种”。明童冀的《水车行》对零陵(今湖南永州及广西全州一带)使用风力翻车的情景作了如下描述:“零陵水车风作轮,缘江夜响盘空云。轮盘团团径三丈,水声却在风轮上。……轮盘引水入沟去,分送高田种禾黍。盘盘自转不用人,年年用修车轮。”文中所指的直径达到三丈的风车就是立轴式“大风车”。在1656年,一位来华的荷兰使节作了一幅画,就对当时江苏使用立轴式风车的场面进行了描绘。   到了清代,对于立轴式大风车的原理、结构和装用等文献都有了比较详细的记载。到了清代中叶,周庆云在《盐法通志》卷三十六记述了立轴式风车的构造原理:   风车者,借风力回转以为用也。车凡高二丈余,直径二丈六尺许。上安布帆八叶,以受八风。中贯木轴,附设平行齿轮。帆动轴转,激动平齿轮,与水车之竖齿轮相搏,则水车腹页周旋,引水而上。此制始于安凤官滩,用之以起水也。   长芦所用风车,以坚木为干,干之端平插轮木者八,如车轮形。下亦如之。四周挂布帆八扇。下轮距地尺余,轮下密排小齿。再横设一轴,轴之两端亦排密齿与轮齿相错合,如犬牙形。其一端接于水桶,水桶亦以木制,形式方长二三丈不等,宽一尺余。下入于水,上接于轮。桶内密排逼水板,合乎桶之宽狭,使无余隙,逼水上流入池。有风即转,昼夜不息。不假人工,不资人力,洵佳构也。   清朝的金武祥所著的《粟香二笔》卷一中对风车的构造原理、应用条件及效率都有比较详细的记述,载:“寿阳祁春圃相国《亭集》,有水轮歌一篇,其序云:……吾乡田平水缓,江北通泰诸邑,则用风车,其式以蒲为篷,八中立柱,八篷围绕之,随风左右,下置龙骨车,挽水而上,日夜不绝,较水车同一便疾也。”表明了风车带动龙骨水车与水车的提水灌溉效率是一样高的。此外,清《宁河县志》卷十五中关于风车的记载已有相当于现代滑动轴承作用的铁质的铁柱和铁碗:“宁邑,稻田临滩提水向用水车,运以骡马,同治十年,塘沽生员井煦,服贾江南临城县,见有稻田以风车提水,仿式造之,布帆八面,上有铁柱,下有铁碗,随风而行,不烦骡马。择临滩地势宽广(敞)者试用之,费省功倍。”   晚清时期,林昌彝所著的《砚绪录》中卷十三介绍了立轴式风车的装用方法:造风车车水之法,极为巧便,尝谓船使风篷,随河路之湾曲尚可婉转用之,若于平地作风车以转水车,可代桔槔之多费人力,亦不必如舟帆之随时转侧也。风车之篷用布蒲、竹蔑者,皆可架车于平地四面有风处,风车圈各有笋,互相接续于水车,如钟表内铜圈然。其水车一如田间常用之式,置于水中亦有以接风车,随之而转。又风车上下另加篷两扇,斜侧向里,留篷以逼风入车更得力。惟水车置于河道内,殊碍行船,可于堤外开一水窦,通堤内开沟三五丈,引水入大池中,池中置水车,岸上置风车,随风所向转水灌田。……昔余过浙江处州,舟中曾见乡村中用此法以车水。   在这之中,“风车圈”系指卧置大齿轮,另加的两扇“篷”起着导风于风轮的作用,扩大了风能的利用面积。“不必如舟帆之随时转侧也”,就是对立轴式风车设计最为巧妙、最富科学性的风帆自动方向调节系统的记述。风轮在转动中,每当帆转到顺风一边时,它就会自动地与风向趋于垂直,使所受风力达到最大;当帆转到逆风一边时,就自动转向与风向平行,使所受到的阻力达到最小。这一原理的应用就可以使风车既不受风向变化的影响,也可以不改变旋转的方向。   除了使用立轴式风车用来农业提水灌溉及排水以外,在近现代的盐场中的应用也是很广泛的。据有关人员的调查,20世纪50年代初,仅在渤海之滨的汉沽塞上区和塘大区就有立轴式风车约600部,1985年10月,同济大学机械史课题组对沟墩风车进行了调查,该风车最大尺寸长约14米,宽11.2米,高10.6米。风帆尺寸规格均为4.2米×2.8米,大小齿轮数分别为88、18,直径分别为3.5米及0.7米。并依据其他的史料和抢救的资料,对其及时进行复原,并为中国科技馆制作了一套新的模型。   立轴式风车的主架构主要是采用了八棱柱的框架结构,中置立轴,由于它的形状跟“走马灯”很相似,所以又被称为“走马灯”式大风车。立轴上部镶接8根辐杆,下部镶接8根座杆。桅杆与辐杆、座杆、旋风榄、篷子股相连,再挂上风帆,风轮就构成了。立轴与铁环的配合,以及针子与铁轴托(铁碗)的配合,构成了两副滑动轴承。平齿轮固定在立轴下部,与一个小的竖齿轮啮合,竖齿轮通过其方孔,装在直径约7寸的大轴上,并可在轴上左右移动,这样就可以实现齿轮的啮合与分离,主要起到了离合器的作用。大轴上装有主动链轮,驱动龙骨。风吹帆,推动桅杆,使立轴和平齿轮转动,从而驱动翻车。帆所受到的风压主要与风帆的面积、升挂高度及安装角度有关。在风大时,一个平齿轮就可以驱动两台甚至三台翻车。   虽然天津塘沽地区和江苏阜宁地区的风车原理基本上是相同的,但张挂风帆的方法却各不相同。塘沽风车的风帆在绳子拉紧时与风轮半径重合。而苏北阜宁的风车在拉紧时与风轮半径是成一个初始角的。同济大学机械史课题组对这两种类型的大风车进行了受力分析和计算机辅助分析计算比较,发现了阜宁风车与塘沽风车相比,其风帆的效率要相对大些。   对于立轴式风车的发明和使用,人们很好地将自然能——风能应用在了农业和制盐业的生产上,这就在一定程度上减轻了人和畜的劳动力,具有极高的科学技术水平,是我国古代一项很重要的发明,这也是我国古代劳动人民勤劳和智慧的象征。但是,因为这种风车的体积比较大,占地的面积也比较多,到了80年代中期,电动或内燃机水泵就将其代替了。   ◎卧轴式风车   明代开始出现了卧轴式风车。也有的学者认为它是起源于汉代,但并没有充分的依据。卧轴式风车所用的风帆也是典型的中国式船帆。它的原理就是通过调节帆脚索,使帆面与风轮的回转平面保持适当的夹角(一般为100左右),再利用风帆上与风的气流垂直方向的分力产生驱动力,从而就可以驱动风轮转动。   关于这方面的文献记载最早始见于明末清初学者方以智所撰《物理小识》:“用风帆六幅车水灌田者,淮、扬海皆为之。”清代曾廷枚《音义辩同》卷七又记:“有若水车、桔槔,置之近水旁,用蔑篷如风帆者五六,相为牵绊,使乘风引水也。”如果和近现代的记载和实物相比较,就可以知道上述所记载的装置是一种可挂3~6面风帆的卧轴式风车。由于它的轴是斜卧的木杆(现代有用钢管的),所以又被称为“斜杆式风车”,主要在我国沿海风能资源比较丰富的地区有分布。在1947年电影《一江春水向东流》中就对这种风车的运转情景进行了拍摄。   1993年5月,连云港市赣榆县盐场(拓汪乡西林子村)使用10多台卧轴式风车,主要是用来驱动翻车提盐水,这种风车最多可挂6面风帆。整个风车,都是木制的,而且是以杉木为主,除了有少数的铁件以外。木杆制成的卧轴,大端(装齿轮)直径约为180毫米,另一端直径100毫米;钢管制成的卧轴直径为75毫米。为了使其使用寿命延长,木零部件制成后要先打泥子,再涂桐油。当风力为3~4级时,风轮转速约为每分钟30余转;风力为4~6级时风车的运转最佳,转速约为每分钟40~50转。当风力为8级时其转速可以达到每分钟80转,但已经不适合用来驱支翻车了。   卧轴式风车的张帆方法和立轴式风车是非常相似的,就是使游绳(升帆索)绕过弦绳上的小绳圈,把风帆拉得张开,游绳的另一端则是在距主动齿轮不远的卧轴上拴着。不用时,拉紧绕在卧轴上的绳子及移动人字架,就可以使风轮停止转动。卧轴式风车的缺点就是它不能够自动地适应风向的变化。在使用时,需要依据风向的变化,搬动人字架在水平面3000范围内绕睡枕移动卧轴,使风轮对着风向。但是和立轴式风车相比,它也有很多优点,就是构造简单、使用简便、占地面积较小等。到了20世纪末,除苏北个别盐场以外,福建莆田盐场也有200余台卧轴式风车。   知识库   中国风力机的发展,在50年代末是各种木结构的布篷式风车,1959年仅江苏省就有木风车20多万台。到60年代中期主要是发展风力提水机。70年代中期以后风能开发利用列入“六五”国家重点项目,得到迅速发展。进入80年代中期以后,中国先后从丹麦、比利时、瑞典、美国、德国引进一批中、大型风力发电机组。在新疆、内蒙古的风口及山东、浙江、福建、广东的岛屿建立了8座示范性风力发电场。1992年装机容量已达8兆瓦。新疆达坂城的风力发电场装机容量已达3300千瓦,是全国目前最大的风力发电场。至1990年底全国风力提水的灌溉面积已达258万亩。1997年新增风力发电10万千瓦。目前中国已研制出100多种不同型式、不同容量的风力发电机组,并初步形成了风力机产业。尽管如此,与发达国家相比,中国风能的开发利用还相当落后,不但发展速度缓慢而且技术落后,远没有形成规模。在进入21世纪时,中国应在风能的开发利用上加大投入力度,使高效清洁的风能能在中国能源的格局中占有应有的一席之地。   1.什么是立轴式风车呢?   2.大船在海中的行驶跟风能有关联吗?   3.为什么风能可以长期发展呢?

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