“解落三秋叶,能开二月花。过江千尺浪,入竹万竿斜。”中国唐代诗人李峤的《风》描写了无处不在的风。风是地球上最常见的一种自然现象。太阳照射下,由于受热而密度变小的热空气向高处升起,造成区域性的低气压,于是四周的空气拥来补充损失的压力,这样快速流动的空气就形成了风,风在本质上都是由太阳辐射热引起的。由于山川的导向和光照的规律性变化,许多地区的风常常具有相对固定的路线,形成季风和信风。各类成风因素相互影响,自然界的风变化万千,有温柔的轻风、暖风,也有狂暴的台风、飓风。风能本身是一种动能,所以在风经常路过的地点用机械装置就可以截取风的能量。风能是一种可以直接转换为机械能的能量,如同水力一样,是人类最先利用的能源之一。
古埃及、中国、古巴比伦是世界上最早利用风能的国家,公元前就开始了对风的观察、记录,并利用风力提水、灌溉、磨面、舂米,用风帆推动船舶前进。在很早以前出现的帆船、风车、风磨、风筝,一直流传至今,是人类对自然风力资源具有创造性开发利用的典型。
追溯历史,早在3000年前中国人就已利用风能作为动力推动帆船航行。中国殷商时期的甲骨文中已有“帆”的象形文字,战国时期铜鉴的船纹上也有风帆,这是人类早期开发风力资源的证明。中国汉代刘熙所著《释名》中对帆的解释是:“帆,泛也,随风张幔曰帆”,表明中国是较早利用风能的国家之一。在机械动力轮船出现之前,风力一直是船舶航行的主要动力,在人类航海史上占有重要的地位、。
风能利用的另一个重要成果就是风车。中国应用风车的历史悠久,在辽阳出土的东汉墓壁画上,已有许多风车图形。风本身的变幻莫测给风能利用造成了许多困扰,虽然原理相近,风能利用却远不及水能利用方便简单。水能的利用可以通过水轮实现,将边缘均匀安装挡水板的大木轮浸在水中小半部分,水流冲刷挡水板,就会带动木轮转动,完成水能的提取。风能的利用却没办法这样做,因为风的无处不在不可能仅将风轮浸在风中一小部分。
人类最善于创造,据说古波斯人在公元前六百多年,就发明了垂直轴风车、,其关键设计在于用墙壁对来风进行限流,使风力只作用于风车的半侧,这样风车就只能按设计的方向转动,成功地将风驯服为人类的帮手。
中国古代帆式风车比波斯风车先进,由于风帆的设计非常巧妙,不必像波斯风车一样,用墙壁对风进行限流,使用起来更加灵活方便,成熟的应用在宋代已很普遍,一些古人著作中提到中国的风车在秦汉时期就很成熟,但其发明时间尚无法考证,也无实物佐证。
中国明代科学家宋应星所著《天工开物》里有“扬郡以风帆数扇,俟风转车,风息则止”的记载,表明明代以前,劳动人民就会制作将风力的直线运动转变为风轮旋转运动的风车,在风力的利用上前进了一大步。有了风车提供动力,许多费力的工作都可以轻松完成,磨米、磨面、榨油、提水、纺织等各种规模化生产所需要的动力,都可以依靠风车来供应,极大改善了人们的劳动条件。
10世纪时阿拉伯人用风车提水,13世纪风车传至欧洲,欧洲人改进了风车的设计,形成可调整朝向的水平轴结构。风车在欧洲迅速发展,15世纪前后风车已在欧洲得到广泛应用,并在荷兰大放异彩,所以欧洲的风车常被称为荷兰风车。西班牙作家塞万提斯在其著名作品《堂·吉诃德》描写了骑士与风车战斗的故事,从侧面证明了风车在欧洲的普及。
生产需求是科学发展的原动力,古人对风能利用的探索和发明,成就了极为丰富的科技文明,也为风能的高效利用积累了宝贵经验。自石油危机以来,在能源枯竭和全球生态环境恶化的双重压力下,风能作为清洁能源再次焕发了活力,成为重要的可再生能源之一。