回顾人类对风能的利用,可以说历史悠久,成效非凡。直到工业革命前的数千年间,风能在人类的水运和航海史上,曾经发挥过至关重要的作用,可以说风能促进了人类社会的发展和进步。但现代的风力发电,对风能利用的效率却不如古代的帆船;因为古代的帆船不论风大、风小、顺风还是逆风,都能日夜兼程地向前行;而现代的风车,每年大多数时间都是处在无法运转状态。为什么会出现这样的情况?这要从现代风力发电的历史说起,我们知道现代的风力发电靠的是风车,也就是人们常见的三桨水平轴风车。其实,风车的最早用途并不是用来发电,而是用来抽水,不论是古代的中国,还是欧洲的荷兰、丹麦等国家,最先都是将风车用作抽水为主。不过中国古代采用的是垂直轴阻力型的帆式风车,而欧洲国家采用的是水平轴升力型的桨式风车。真是殊途同归,为了同一个抽水目的,有风就抽,无风不抽,风大多抽,风小少抽,让人们悠闲自得、极少烦神地使用了数百年。直到欧洲人率先将风车用于发电时,人们才对风车寄予了更大的厚望。出于加快风车转速,提高发电效率的目的,采取了减少桨叶数量、加大桨叶长度、缩小桨叶面积的办法,竭力降低桨叶的阻力,增大桨叶的尖速比。增速后的风车,果然达到了增加发电量的目的,却付出了降低微风性能和风时利用率的代价。好在北欧国家海洋性气候的风速较大较稳,这样的改进利大于弊。随着风车逐步向大型化和超大型化发展,受桨叶材料的限制,为了既增加桨叶的尖速比和扫风面积,又减轻自身重量,只能把桨叶设计成更细更长的空心结构,最终变成了“一根杆子三根针”的现代式样。
现在大量普及的三桨水平轴风车,是西方人应用空气动力学原理,并参照直升飞机螺旋桨理论设计的。其原理是:依据伯努利方程,在流体流速变化界面两端,流体的总能量守恒。将风车桨叶的扫风界面看作流体流速变化的界面,来进行桨叶设计。这样的理论在应用于小型风车设计时,由于小风车的旋转速度很高,依据该理论还有一些可参照性;但在应用于大型风车设计时,仍然用该理论作为设计依据,就明显不合适了;因为大型风车的旋转速度很低,桨叶的扫风界面,不能再被看作是流体流速变化的界面了。其实,飞机螺旋桨与风车桨叶有着本质的区别,因为飞机螺旋桨是主动高速旋转,而风车桨叶是被动低速旋转,两者根本就是不同的概念,不应该采用相同的设计理念。
至于西方人为什么会得出水平轴风车效率高于垂直轴风车的结论?应该说是有实验依据的,早期的西方人肯定进行过风洞对比试验,而这样的风洞对比试验,很大可能采用的是小型风车。由于小型风车的转速高,水平轴风车桨叶在高转速下,其截风效能不仅不受影响,反而更有利,效率当然高。而小型垂直轴风车,在转速相对较高的情况下,桨叶截风效能随转速的提高而降低,逆风侧的阻力反而加大。况且,早期的小型风机,普遍采用的是共轴直驱式电机,转速高的水平轴风车明显占优势;可想,在这样的早期对比试验中,难免会得出水平轴风车效率高于垂直轴风车的结论。
我们知道:西方人办事很严谨,有时又太刻板,思维常受理论束缚。岂不知:即使早期的理论没错,后来的情况发生了变化。随着风车逐步大型化和超大型化,其旋转速度越来越低,水平轴风车的优点在大型风车上表现弱化,弊端反而强化。而大型垂直轴风车由于转速很低,原有的弊端和不足反而明显弱化。所以,我们不能用西方的风电理论和早期验证结论,盲目否定大型垂直轴风车的应用前景。