浅析宋代大风车的特点和原理

       刘 闻 铎       

我国宋朝发明的大风车是我们引以为骄傲的伟大古代发明之一。

图1

1957年拍摄的电影《柳堡的故事》的背景有苏北一带农村的大风车。老一代人会想起主题曲“风车呀，风车呀，伊咯呀地转呦......”的优美旋律。这证明在我国开始农业现代化（1980年）之前一千多年一直在使用这一伟大发明。

图2

据报道，2004年中国科学院自然科学史研究所与台湾南台科技大学等单位在苏北联合开展中国古代立轴式大风车的复原制作，历经2年考证与调查，于2006年由曾经制做立轴式大风车的老师傅进行复原制做，供研究[1]。

宋朝风车的特点和效率

在教科书（如百度）中可以看到图4的古代风车是由绳索或挡件控制帆叶在与顺风侧的H到A、B、C位置风帆张开与风向垂直变成有利于接受风能的角度，在逆风侧帆叶离开挡杆（图5的红色圆圈）与气流方向相同，阻力小，与顺风侧形成阻力差，推动风车转动^[2]。可以带动水车、磨米磨面石磨，不需要人管理，无偿使用风能。存在体积大，笨重效率不高的问题，现代被消耗电力或柴油的机械所取代。

图3  宋朝的风帆式风车示意图

图4  与图3是利用限位件（板/绳）控制叶片角度

风力机所谓垂直轴和水平轴这是按结构区分的；从原理上是可分为高速型和低速型。高速和低速是指叶尖速比Z大于1或小于1。

Z=ωR/V   

Z是叶片端部线速度ωR与风速V的比值，叶片端部线速度ωR大于风速V的如经常见到的螺旋桨式（水平轴）Z值8～10，不常见的达里厄式/H型（垂直轴）Z值3～6^[3]。这里所说的“低速”不是指对低速风、微风的利用，这是两个不同的概念。风的能流密度本来就很小，低速风没有利用价值。关于上述类型风机的原理和特点在此省略。

图5 螺旋桨型风机（水平轴）       图6  达里厄型风机（垂直轴）            

前述的古典风帆式风车Z小于1属于低速型。这也是典型的的阻力型风力机，就是利用顺风侧和逆风侧的叶片受到的阻力差推动风轮转动的。风能利用的基本原理是叶片平面必须与气流方向存在正向攻角α，才能产生切向推动力。有没有正向攻角α要看气流的方向。实际作用于叶片的气流方向并不是来风风速V的方向，而是风速V与叶片转动速度ωR合成后的合成气流W的方向，这三个速度组成速度三角形。当叶片平面与气流W攻角α呈负值时，作用在叶片上的转动方向的切向分力也是负值，成为转动阻力。当叶片平面与气流方向一致攻角为0°时，叶片也有运动阻力，只不过此时阻力系数很小。

图7是接近图4的风帆式结构，当径向安装的叶片转动到90°叶片平面与风向平行时，因为有速度三角形的关系攻角α是负值，图7上部叶片的红角线就是负攻角，只会产生转动阻力。图7上偏左的叶片处于攻角为0°的位置，再偏左的叶片的绿角线的正攻角α。只有转角在110°左右到250°左右区间内才有正攻角α。叶片（风帆）只有在这个区间才能产生推动叶片转动的切向力。这一有效区间不到截面的1/3。在逆风侧，叶片呈自由摆动状态（图7）即平面与合成气流W方向一致，在这2/3区间只有转动阻力。如果有8个风帆，就只有进入大约3个位置能够产生风的推动力。因为顺风侧风帆是张开的产生的推动力大于逆风侧的阻力，才使风车转动。而在可利用风能的1/3区间恰是顺风侧，合成气流速度W小于风速V，而产生的推动力是与合成气流速度W的平方成正比的，这样风能的利用率就更低了，也是这种古典风帆式风车效率不高的根本原因。也有在逆风侧安装挡风板（图8）减少风力对逆风侧的影响，但是浪

了2/3的扫掠面积，增加了建造成本。

    图7                       图8           

效率低不等于没有应用价值，宋朝风车的最大特点是利用廉价的大面积风帆的阻力差就可以带动水车或石磨，简单实用成本低。宋朝以后在我国农村延续使用了千余年，所以这一伟大的古代发明是很值得研究的。要强调的是Z小于1的低速风帆也是利用风能的有效方式，明朝郑和的风帆船队下西洋，现代风帆仍有用武之地。

当前开发可再生能源不能忘记风帆，也不能断言风帆式风机没有前途，且看风帆式风力机的新设计！

古代帆船

现代帆船

参考文献

[1]山海轩.古代风车是什么样子.百度知道

[2]中国古代科技发明创造系列——立轴式大风车.腾讯网

[3]升力型垂直轴风力机的工作状态简析.网络教材