我国是世界上最早利用风能的国家之一,早在商代就出现了帆船,有文字记载“随风张幔曰帆”,后来又发明了帆式风车,在《天工开物》中就有记载“杨郡以风帆数扇,俟风转车,风息则止”的论述。明代以后风车被广泛应用于提水灌溉、制盐等。在国外,相传公元前17世纪,巴比伦国王哈姆拉比(Hammurabi)曾经打算借助风力灌溉富饶的美索不达米亚平原,当时所设计的风力机雏形与伊朗高原现存的风车遗迹类似,伊朗高原风车遗址如图1-1所示。公元前2世纪,古波斯人利用垂直轴风车进行碾米,直到中世纪,风车才在意大利、法国、西班牙和葡萄牙出现,而传到英国、荷兰和德国还要晚一些,19世纪出现的多叶片低速风车并没有在欧洲大陆上推广开来,却在1870年前后风靡美国,并由此得名“美国风车”。综合来看,风能利用主要有风力提水、风帆助航、风力制热、风力发电等形式。
1.风力提水
风力提水从古至今一直被广泛应用,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”。风力提水作为风能利用的主要方式之一,在解决农牧业灌排、边远地区的人畜饮水以及沿海养鱼、制盐等方面都不失为一种简单、可靠、有效的实用技术。根据提水方式的不同,现代风力提水机可分为风力直接提水和风力发电提水两大类,风力提水机又可分为高扬程小流量型、中扬程大流量型和低扬程大流量型。图1-2为典型的高扬程小流量风力提水机。
图1-1 伊朗高原风车遗址
图1-2 高扬程小流量风力提水机
2.风帆助航
我国是最早使用帆船的国家之一,至少在3000年前的商代就出现了帆船。唐代有“长风破浪会有时,直挂云帆济沧海”的诗句,可见那时风帆船已广泛用于江河航运。最辉煌的风帆时代是我国的明代,14世纪初叶中国航海家郑和七下西洋,庞大的风帆船队功不可没。在机动船舶发展的今天,为节约燃油和提高航速,古老的风帆助航也得到了发展。航运大国日本已在万吨级货船上采用电脑控制的风帆助航,节油率达15%。图1-3为风帆助航用于现代航运。
3.风力制热(www.xing528.com)
风力制热主要有液体搅拌制热、固体摩擦制热、挤压液体制热和涡电流法制热等。目前,风力制热主要用于浴室、住房、花房、家禽、牲畜养殖房等的供热采暖。图1-4为液体搅拌风力制热系统装置。
图1-3 风帆助航
图1-4 液体搅拌风力制热系统装置
4.风力发电
风力发电是指把风的动能先转变成机械动能,再把机械能转化为电能。风力发电的工作原理,是利用风力带动风力机叶片旋转,再通过增速齿轮提高旋转速度,进而驱动发电机发电。因为风力发电不需要使用燃料,也不会产生辐射或空气污染,因而正风靡全球。图1-5为现代风力机的两种主要型式。
图1-5 风力机
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