1.2　風車起源

風車是最早利用風能的機械設備，在公元644年由波斯人阿布·魯魯亞發明，結構如圖1-8所示。風車結構簡單，整體為木質結構，旋轉軸垂直于地面，主要用來磨制谷物。

在13世紀中葉，我國人民利用簡易的垂直軸風車來進行提水灌溉、碾米等工作，結構如圖1-9所示。風車翼板由竹竿和帆布構成，風車軸垂直旋轉。

最早的水平軸風車源于歐洲。據報道，早在1119年，布拉班特（前西歐公國，現分為兩部分，分屬荷蘭和比利時兩國）就有所謂的柱風車（Post Windwill）。后來，迅速從歐洲的西北區域傳播到北歐和東歐，如芬蘭和俄國。到13世紀，這種全木質制作的柱風車在德國隨處可見。在兩個世紀后，一種塔風車誕生，這種風車固定在一個由石塊砌成的圓柱形塔頂，后從法國傳到地中海區域。在16世紀，荷蘭對此類風車進行了極大的改進，產生了荷蘭風車。荷蘭風車塔頂可以旋轉，允許變向，應用范圍十分廣闊，到了19世紀，荷蘭風車已經極為完善。

1.2.1　柱風車

在歷史記載中，最早的水平軸風車為柱風車，其特點是整個風車都固定在一個柱軸上，并圍繞其旋轉，結構如圖1-10所示。

從圖1-10可以看出，風輪軸底端有四根方木固定，頂端伸入磨房與磨橫梁連接，橫梁用來固定磨盤。糧食從漏斗進入磨內，研磨后從出口流出。風輪旋轉產生的力矩驅動垂直軸，從而帶動磨盤旋轉，對糧食進行研磨。整個磨房外有一個木制尾巴，其末端離地較近，其作用是利用人工來調節風輪葉片的對風位置。風車依靠裝滿砂子的麻袋載重，通過繩索來制動轉軸，再通過齒輪傳遞力矩來制動風輪；當風車運行時，卸掉麻袋則可繼續運轉。

在15世紀早期，人類開始嘗試利用柱風車泵水來灌溉，但是整個磨房都圍繞主軸旋轉的特點使得柱風車不適宜用來泵水，因此產生了另一類僅有頂部可旋轉的管狀柱風車（Hollow Post Mill），如圖1-11所示。此柱風車底座成金字塔型且固定不旋轉，其頂部風輪可以根據風向調節方向。風車內結構大大簡化，取消了復雜的磨結構，只有風輪齒輪、傳動齒輪和軸承等。此類風車最初僅用來汲水，后也用來磨制谷物以及鋸木。

塔風車與柱風車結構相似，主要在地中海區域廣泛使用。風車的支撐呈塔狀結構，由石料砌成，如圖1-12所示。塔頂用于固定風車，并可以旋轉。

1.2.2　荷蘭風車

荷蘭被譽為“風車之國”，風車是荷蘭的象征。荷蘭位于地球的盛行西風帶，瀕臨大西洋，一年四季盛吹西風，是典型的海洋性氣候國家，海陸風長年不息。這給缺乏動力資源的荷蘭創造了優越條件——利用風力來提供動力。

荷蘭風車對荷蘭的經濟有著特別重大的意義。在16—17世紀，世界商業中占首要地位的各種原料從各路水道運往荷蘭利用風車加工，其中包括北歐各國和波羅的海沿岸各國的木材，德國的大麻子和亞麻子，印度和東南亞的肉桂和胡椒。在荷蘭的大港鹿特丹和阿姆斯特丹的近郊，有很多風車的磨坊、鋸木廠和造紙廠。隨著荷蘭人民圍海造陸工程的大規模開展，風車在這項艱巨的工程中也發揮了巨大的作用。根據當地的濕潤多雨、風向多變的氣候特點，荷蘭對風車進行了改革，使荷蘭風車比柱風車的功能更強大，能夠滿足當時各種動力需求，如磨粉、泵水和鋸木等。并給風車配上活動的頂篷，為了能四面迎風，又把風車的頂篷安裝在滾輪上。這種風車就被稱為荷蘭式風車，結構如圖1-13所示。

最大的荷蘭風車有幾層樓高，翼板長達20m。有的風車由整塊大柞木做成。18世紀末，荷蘭的風車約有12000架，每臺有410kW。這些風車用來碾谷物、碾粗鹽、碾煙葉、榨油、壓滾毛呢、壓毛氈、造紙以及排除沼澤地的積水等。其中，通過風車不停地吸水、排水，保障了荷蘭2/3的土地免受沉淪，并為荷蘭充分地開拓和利用土地提供條件。

20世紀以來，由于蒸汽機、內燃機、渦輪機的發展，依靠風力提供動力的風車漸漸失去優勢，幾乎被人遺忘。但因風車利用自然風力，具有無污染和用之不竭的特點，被荷蘭人民一直沿用至今。直到現在，荷蘭還有2000多架各式各樣的風車。

荷蘭境內的金德代克—埃爾斯豪特，尤以風車聞名，成為荷蘭一道獨特的風景線。在世界范圍內，沒有其他任何一個地方的風車比金德代克—埃爾斯豪特的風車多。18世紀金德代克村開始修建堅固的風車，部分風車至今仍然保存完好。當地人民依靠發展水利技術和應用水利技術，建設了這個排水系統，并且成功地保護了這片土地。

荷蘭風車的主要作用是將風力轉化為葉輪轉動的機械動力。從物理上講，就是將風能轉化為機械能，將低處的水提上來，這個提水的工作現在已由電力驅動的抽水機代替。如今，荷蘭有一個全歐洲最大的抽水站。

金德代克位于鹿特丹附近，該村鎮坐落在被稱為阿爾布拉瑟丹低田的地區。荷蘭人圍海造出了阿爾布拉瑟丹低田（它們的海拔高度低于海平面），這些風車的作用則是將阿爾布拉瑟丹低田中多余的水抽出來，由于這個低田地區一直是洪水的多發地區，所以在這里建造風車的目的就是將多余的水抽出，然后排放在存水區中。如果存水區的水位達到一個高度后，人們就再一次將水從存水區中抽出，然后排放到河流中。

1927年起，實際的抽水工作主要由柴油機抽水站完成，風車不再被使用。后在第二次世界大戰中，由于柴油機缺乏燃料而不能驅動抽水機，風車又一次得到使用，這也是人們最后一次使用風車進行抽水工作。

如今，在夏季里，風車再次得以“使用”，但主要用于旅游觀光，游客們沿著運河和河流散步，到近處細細觀看這些巨大的風車，欣賞這兒美麗如畫的風景。風車在荷蘭歷史上是功臣，為荷蘭經濟發展起到了不小的作用。隨著時代的發展，荷蘭的風車也在變化，如今除傳統的木結構風車外，荷蘭國土上又出現了不少現代的金屬結構風車，其造型簡單，線條明快，成為荷蘭國土上的另一道風景線。

荷蘭鳥類保護組織向政府提交申述，要求減少新建風車的數量，原因是這些風車對沿海的候鳥構成生命威脅。夜晚或天氣不好的時候，候鳥在飛行中往往不能及時發現和躲避風車，很容易被風車產生的氣流吸進去。據統計，荷蘭北方堤壩附近每年都要有近800萬只候鳥來此棲息，荷蘭其他地方的風車每年都要因此傷害數千只小鳥的生命。因此，該組織認為應該適當減少新建風車的數量。

1.2.3　美國風車

在19世紀早期，歐洲風車的發展處于鼎盛時期，美國風車也得到了相應的發展。美國風車如圖1-14（a）所示，擁有10～30片葉片和一個尾翼。美國風車旋轉速度較慢，但產生較大的力矩，通過帶動長長的與地面垂直的傳動軸，將力矩傳到風車底部的水泵。

美國風車結構復雜，在惡劣天氣時，會因無法調整風輪轉速而損壞。為了改變這種狀況，設計了尾翼可以活動的風車，在大風時尾翼展向偏轉90°，翼展平行于風車旋轉面。在尾翼的作用下，將風車移出風向，風車停止旋轉，如圖1-14（b）所示。當風速較小時，尾翼再向展向垂直于風車旋轉面的方向偏轉，風車正對風向，風車又開始運行。

美國風車的最大直徑通常在5～8m，但在美國歷史曾經造出直徑超過15m的風車。這些多葉片風車特別適用于低風速狀況，在2～3m/s的風速下就開始轉動，氣動力矩相對比較高。