立轴式大风车

Chinese Vertical Axis Wind Turbine立轴式大风车是中国古代的杰出发明，据说我国采用风车提水的历史约有1700多年，但早期文字记载不多，宋代才有相关文字记录，明清有较详细的记载。立轴式大风车在中国古代应用非常广泛，直到上世纪50年代还广泛使用。1957年拍的电影《柳堡的故事》有许多立轴式大风车的背景，其电影插曲风靡全国：“风车呀风车那个咿呀呀地转哪，哥哥惦记着呀小英莲”的的动人歌声与场景赋予大风车诗情画意与浪漫情怀。然而我们没有像荷兰那样保护古代技术与文化遗产，随着农业电气化的普及，到上世纪70年代大风车彻底绝迹。后来有极少数科学家对大风车的技术进行了考证与研究，《柳堡的故事》成为考证与研究立轴式大风车重要的信息资料。下面是电影《柳堡的故事》中立轴式大风车部分小段。

《柳堡的故事》中的立轴式大风车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立轴式大风车的复原制作，历经2年考证与调查，于2006年由过去制作立轴式大风车的老师傅复原制作了大风车，图1左图是了大风车复制现场，右图是运往台湾南台科技大学安装的立轴大风车。

图1—中国立轴式大风车 中国立轴大风车属于平板摆转式风力机，与平板摆转式风力机不同的是其叶片采用风帆，摆转位置由绳索控制，下面通过一个模型介绍其工作原理，模型的风帆采用平板代替。 图2是风轮的基本结构，风轮主要由风轮轴、上下两个风轮支架、8个风帆组成，每个风帆有一根轴，轴两端安装在风轮支架上，风帆可绕轴自由旋转，每个风帆通过绳索限制转动角度。

图2--立轴大风车风轮立轴大风车工作原理与平板摆转式风力机相同，这里仅介绍绳索是如何控制叶片摆转的，最好的方法是采用动画演示，在演示之前先用一幅动画截图来介绍动画中的部件，白色箭头代表流动的空气（风），见图3。上方风帆平行于风向，气流顺利通过，下方气流被风帆阻挡，气流推动风帆，风轮就会转动。

图3--立轴大风车工作原理 下面就是中国立轴大风车工作原理动画，可看到绳索被拉紧限制风帆摆动角度的效果。动画格式： .mp4，分辨率：900x560。 动画1--立轴大风车工作原理动画

在下面通过另一个动画演示大风车转动的立体效果，先用一张动画截图来介绍动画中的部件，该动画的风向垂直于画面，是从外面吹向画内。风轮下方是风力机的负载，本动画中仅以机座表示，见图4。显然，左侧叶片与风平行，对风没有阻力，右侧叶片与风不平行，对风有阻力。

图4--立轴大风车模型请观看大风车转动的动画。动画格式： .mp4，分辨率：800x600。动画2--立轴大风车转动动画

图5--立轴大风车的风帆中国立轴式大风车的优点是不用对风，接受八面来风，另一个优点是通过调节风帆的面积实现输出功率（转速）的调节。风帆面积调节是通过风帆高度调节实现的，这与中国帆船风帆调节原理相同，也通过一段动画来演示。我们通过一个风帆来演示风帆的升降过程，见图5。风帆由结实的耐晒耐水的布料制作，风帆面固定若干个桅杆，桅杆上有扣环，风帆轴穿过扣环，桅杆可绕风帆轴转动、可沿轴上下滑动。风帆由通过滑轮的升降绳索吊起，放松绳索即可以降下风帆。在额定风速以下，风帆全部升起；超过额定风速时，则将风帆适当降低，使转速保持在额定转速；遇强风时把风帆全部降下，保护风力机。动画3--风帆的升起与降落动画左面的动画演示了风帆的升起与降落过程。中国立轴式大风车相比立轴的波斯风车与水平轴的荷兰风车有两大优点：一是不用对风，接受八面来风。二是可通过调节风帆的高度实现输出功率（转速）的调节，这是非常了不起的。立轴式大风车主要用来带动水车抽水，一台大风车可带动1台至3台水车。