回顧人類對風能的利用,可以說歷史悠久,成效非凡。直到工業革命前的數千年間,風能在人類的水運和航海史上,曾經發揮過至關重要的作用,可以說風能促進了人類社會的發展和進步。但現代的風力發電,對風能利用的效率卻不如古代的帆船;因為古代的帆船不論風大、風小、順風還是逆風,都能日夜兼程地向前行;而現代的風車,每年大多數時間都是處在無法運轉狀態。為什么會出現這樣的情況?這要從現代風力發電的歷史說起,我們知道現代的風力發電靠的是風車,也就是人們常見的三槳水平軸風車。其實,風車的最早用途并不是用來發電,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車,而歐洲國家采用的是水平軸升力型的槳式風車。真是殊途同歸,為了同一個抽水目的,有風就抽,無風不抽,風大多抽,風小少抽,讓人們悠閑自得、極少煩神地使用了數百年。直到歐洲人率先將風車用于發電時,人們才對風車寄予了更大的厚望。出于加快風車轉速,提高發電效率的目的,采取了減少槳葉數量、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。增速后的風車,果然達到了增加發電量的目的,卻付出了降低微風性能和風時利用率的代價。好在北歐國家海洋性氣候的風速較大較穩,這樣的改進利大于弊。隨著風車逐步向大型化和超大型化發展,受槳葉材料的限制,為了既增加槳葉的尖速比和掃風面積,又減輕自身重量,只能把槳葉設計成更細更長的空心結構,最終變成了“一根桿子三根針”的現代式樣。
現在大量普及的三槳水平軸風車,是西方人應用空氣動力學原理,并參照直升飛機螺旋槳理論設計的。其原理是:依據伯努利方程,在流體流速變化界面兩端,流體的總能量守恒。將風車槳葉的掃風界面看作流體流速變化的界面,來進行槳葉設計。這樣的理論在應用于小型風車設計時,由于小風車的旋轉速度很高,依據該理論還有一些可參照性;但在應用于大型風車設計時,仍然用該理論作為設計依據,就明顯不合適了;因為大型風車的旋轉速度很低,槳葉的掃風界面,不能再被看作是流體流速變化的界面了。其實,飛機螺旋槳與風車槳葉有著本質的區別,因為飛機螺旋槳是主動高速旋轉,而風車槳葉是被動低速旋轉,兩者根本就是不同的概念,不應該采用相同的設計理念。
至于西方人為什么會得出水平軸風車效率高于垂直軸風車的結論?應該說是有實驗依據的,早期的西方人肯定進行過風洞對比試驗,而這樣的風洞對比試驗,很大可能采用的是小型風車。由于小型風車的轉速高,水平軸風車槳葉在高轉速下,其截風效能不僅不受影響,反而更有利,效率當然高。而小型垂直軸風車,在轉速相對較高的情況下,槳葉截風效能隨轉速的提高而降低,逆風側的阻力反而加大。況且,早期的小型風機,普遍采用的是共軸直驅式電機,轉速高的水平軸風車明顯占優勢;可想,在這樣的早期對比試驗中,難免會得出水平軸風車效率高于垂直軸風車的結論。
我們知道:西方人辦事很嚴謹,有時又太刻板,思維常受理論束縛。豈不知:即使早期的理論沒錯,后來的情況發生了變化。隨著風車逐步大型化和超大型化,其旋轉速度越來越低,水平軸風車的優點在大型風車上表現弱化,弊端反而強化。而大型垂直軸風車由于轉速很低,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電理論和早期驗證結論,盲目否定大型垂直軸風車的應用前景。