节能“永动”车

戴榕菁

多年前我在网上看到一场奇特的国际比赛，是一群来自不同国家的大学生们用自制的逆风车进行的比赛。比赛中每个人驾驶着自制的车迎风前进，看谁的车开的最快。其中的要害是所有的车除了一个风扇之外不能有任何外加的动力，而车必须是逆风而行。也就是说每辆车都必须由风吹着逆风而行。这听起来显然违背我们通常所认知的常识，但那就是一群大学生实实在在地进行的国际比赛。印象中最快的能达到5，6英里/小时的速度。当时网上好像有不止一个类似的视频。

我当时看了之后就想着日后有机会的话自己也试着做一辆这样的车。这样的机会一直没有出现，今天在网上又看到了一个类似的视频，一辆由风扇驱动的顺风车可以跑的比风速还快。（见本文后面的视频）

既然随着年龄的增加我已看不到还有自己能做出这样一部车的可能，这里就与大家分享一个由上述这种逆风车（或超风速顺风车）产生的节能“永动”车的设想。因为逆风车的论述比超风速的顺风车更容易，尽管下面的视频中展示的是超风速的顺风车，本文的讨论将以逆风车为例，其原理与超风速的顺风车完全相同。

尽管本人是空气动力本科出身的，我这里并不打算对逆风车的空气动力原理及背后可能的数学公式进行探讨，因为我猜其数学表达可能会比较复杂，估计设计和制作者们的主要依据是实验或数值模拟。但是在我所看到的所有视频中没有一个人给出有关逆风车的实验数据或数值模拟的数据（或许根本无人认真做过。每个人只是把它当作一件艺术品而已）。

我这里只打算在对其能量转换原理进行形而上的分析的基础上推论出一种一般可行的节能“永动”车的设想。从下面的视频中我们可以看出，在逆风车的行进中的能量转换主要分为三部分：（1）风扇从风中获取的能量；（2）风对车身（包括驾驶员）产生的阻力能量；（3）车与地面相互作用消耗的能量。很显然，只有第一部分能量才能驱动车子前行。

而风扇从风中获取的能量又转化为（除了风扇自身的热耗散之外）三个主要的部分：（1）阻止风扇前进的阻力能（功），（2）风扇转动的动能，以及（3）驱动车子前进的能量。其中前两部分都是风扇自身运动所需的能量，而第三部分则是风扇驱动车子进行逆风前进的能量。

可见风扇被动地从风的作用力中获取的能量是大于（甚至远大于）它自身在运动中消耗的能量的。很显然，风扇从风中获取的能量与风速大小有关，因而风扇所产生的驱动车子的能量也与风速大小有关。当风扇随着车子在风中运动时，上述的风速便是风扇与风的相对速度。

这里要注意一点：当逆风车因受到正面的风吹而从静止开始运动时，它的速度是随着实际风速而增加的（这一点从下面的超风速顺风车的视频中也可以看出），而逆风车与风的相对速度是车速与风速两者实际值相加，也就是说，逆风车与风的相对速度大于实际的风速或实际的车速。我们知道物体所受到的风力与相对风速V的平方成正比，因此风扇实际受到的风力的增加比实际风速平方的增加还要快。另外，当相对风速V超过某个极限时，风扇的驱动力转换效率有可能下降（即风扇从风力所得到的能量转换为驱动力的比例可能下降）。

所以，我们可以合理地做这样的假设：对一辆给定的逆风车，当相对风速V在某个极限值Vm以下的时候，风扇所产生的驱动车子的功率Pv（它等于风扇从风力得到的总能量Ev乘以转换效率除以时间）与V的平方成正比，当风速V达到Vm时，Pv值为Pvm。而当相对风速V达到另一个理想极限值Vmi（>Vm）时，风扇所产生的驱动车子的功率Pv达到最大值Pvmi。也就是说，当相对风速V超过Vm之后，风扇产生的驱动功率Pv仍然随着V的增大而增大，但是增大的速率开始下降，而当V超过Vmi之后，不论相对风速如何增大Pv不会再继续增大。但是，由于逆风车的唯一动力是风力，因此逆风车的相对风速不可能超过Vm（因为超过Vm时消耗的能量继续上升而补充的能量将下降），Pvm也就是逆风车的最大驱动功率了。

尽管逆风车运行过程中的驱动能量与风速的具体关系需要由实验（比如风洞实验）或数值模拟来确定，上面的抽象分析具有一般的合理性。这里需要注意的一点是，我们现在并没有一个理论的或实验的或数值的依据来给出逆风车可能存在的Vm的上限。因此，有着这样的可能性：气动力外形好，风扇效率高的Vm有可能远大于一般气候条件下的风速（比如，7级风，等等），但由于现有的车身及风扇的稳定性问题，人们一般不会冒险在大风中驾驶逆风车，因此在已有的逆风车运行的纪录中，其速度有可能远低于这个速度。

另一方面，尽管一辆逆风车的最大相对风速是Vm，它的风扇却可以在更大的相对风速Vmi下达到它的最大驱动功率Pvmi。

如果今天我把一辆逆风车上的风扇装在一辆正常的卡车上，然后让卡车以Vmi的速度在无风的环境中运行，那个风扇便可以产生Pvmi的驱动功率。因此，如果今天我把某台逆风车的风扇拆下来装在一辆卡车上，让它在无风的环境中以Vmi的速度运行1小时，并将这过程中风扇产生的所有的除了它自己所消耗的能量之外的能量都储存到一个理想的（即转换效率100%）的蓄电池中，那么那个蓄电池中就应该储存了Pvmi度的能量（假设Pv以千瓦计算）。那么如果我们用那个蓄电池来驱动原来的那辆被拆了风扇的逆风车，让那辆车在无风的环境下运行，它应该可以以高于Vm（低于Vmi）的速度运行1小时。因为这里的Vm是实际速度，而不是相对风速，它可以高于逆风车原来的实际最高速度（比如，高出一倍来）。

如果我们将该电池装在另一辆具有与那辆逆风车相同的驱动功率的车辆上（假设100%的电池效率），如果该车所需的驱动力与那辆逆风车在Vm运行时的驱动力相同，那么那辆车也应该可以以相同的速度运行1小时。

现在我们把那台风扇装回到原来的逆风车上，但是不用它来驱动车子，而是用它来给蓄电池充电，然后用蓄电池来驱动车子。那么我们可以先用其它方式将蓄电池充满电，保证它可以让车子以Vm的速度行驶几小时。然后，让车子上路。这时，如果车子以V < Vm的速度运行，因为风扇可以提高的驱动能量与车辆运行损耗的能量（假设车辆的重量负荷不变）都与速度平方成正比（相差的系数可以通过机械的手段来调整），乃至相互抵消，因此可以一直运行下去（直到电池无法再充电---几年以后）。如果在有风的环境下，那么顺风时可以在车速有限超过Vm的情况下自动补充所消耗的能量，逆风时若仍希望自动补充所消耗的能量，则需要有所减速。但是，在有风的环境下，只要停下车来，风扇就会自动开始给电池充电。因此，即便是在逆风时也不必过于担心会过度消耗电能。

按照上面所讲述的原理，我们可以在特定的条件下实现不需要补充任何能量将一部车一直开下去，直到那个蓄电池本身因为年限而无法再被充电为止（通常要好几年）。因此，按照上面的思路，我们可以制作一种节能“永动”车。

当然，上述讨论存在一个最大的缺陷，那就是它的前提是车子是按照逆风车来设计的。从下面的视频中我们可以看到，不论是逆风车还是超风速顺风车的外形都受到特殊的空气动力外形的限制。但是，既然我这里讨论的节能“永动”车不需要用自然风力来驱动，它的空气动力外形就不应该象逆风车或超风速顺风车那样地受到限制。解决这个问题的根本在于用高产能的风扇来驱动相对低消耗的车辆。而高产能的风扇的要点在于风扇获取的总能量要高，但是它本身消耗的能量要低，我在下面将进一步对此进行讨论。当然，好的空气动力外形也是可以降低车身本身的能耗从而提高Vm的因素之一。

几点讨论：

1）在某种意义上，我们可以将这种节能“永动”车看成是一部背着风动发电机的车子。读者或许马上会想到在车上装太阳能板，用太阳能发电来取代风扇。其实，这种节能“永动”车与风动发电机及太阳能板的最基本的区别在于风动发电机及太阳能板是依靠自然风或自然的光线来产生电能，而这种节能“永动”车的发电则是一种反馈型的，是由自身的运动所产生的能量来补充维持自身运动所需要的能量，这就是这里所谓的“永动”的意义。

2）因为本文所设想的节能“永动”车不是由自然风驱动的，在有风无风或任何风向中都可运行，所以，这种节能“永动”车的风扇的设计必须是可以双向驱动的，也就是说当风向变了之后，它可以或自动或经过手动切换而继续处于驱动态（即可以给电池充电）；

3）因为这类车的主要附加能耗是电池到了年限后的更换以及最初的那次充电，所以虽然如何提高能量转换的效率问题将是未来的节能“永动”车发展的一个关键，其主要目的并不是要降低附加能耗。

4）这种节能“永动”车的主要优点当然是可以节能。但是，它的缺点也是明显的，

首先，它的车速当然不能与正常车相比，但是在某些场合与环境下，当车速不是最主要的优先考量时，这种节能“永动”车还是有其应用背景的。

第二，它的最主要的缺点还在于它需要背一个风扇。这种装置使得它并不适用于繁忙的都市区。对于逆风车来说，一个关键的成功因素是风扇的迎风面与车身的迎风面的面积比要足够大。这就是为什么车身通常设计成低矮的流线型的原因。因此，当我们将风扇装在迎风面积较大的车身上时，尽管我们不是从自然风中直接获取推力，我们的风扇也需要一定的面积用来为我们的电池补充能量。相应地，如何通过提高风扇的发电效率来减小所需的风扇面积或在同等风扇面积下提高车身迎风面积就是发展这种节能“永动”车的实际应用价值的关键。

风扇获取的总能量与风扇面积和叶片及轮廓形状有关。我们可以通过将一个风扇化为一排风扇来达到在不过度降低总迎风面积的前提下优化包括风扇在内的车身整体形状的设计目的，而风扇组装排列不一定完全都象单一风扇那样装在车身的最后面的上方，可以按一定的间距纵向排开，也可以竖立着一排以减小横向跨度，这样的好处是便于在比较狭窄的公路上甚至是都市内行驶。而当风扇的横向跨度减小后，我们甚至可以在车身两旁外挂风扇组装排列。另外，当装有竖立的风扇组装排的车辆需要通过隧道或桥洞时，我们可以让组装排暂时倒下，直到通过隧道或桥洞为止。当然，这里的前提是电池的蓄电量能够维持到车子通过隧道。最好是带有备用的正常电池，以应对出现车子在隧道中停车的状况。

另外，根据螺旋桨发动机的发展经验，在叶片外装上外壳可以提高螺旋桨的效率。同样的措施也可用于节能“永动”的风扇设计上以帮助达到减小风扇面积的目的。

除此之外，任何可以帮助提高风扇的能量转换效率以及提高风扇的最高能量转换速度Vm和相应的最高能量转换功率Pvm的措施都可以帮助降低风扇本身的耗能及降低风扇的面积。

5）这种节能“永动”机的能量反馈的原理也可与一般的蓄电池配合使用，以降低“非永动”车的能量损耗。它的好处是可以比节能“永动”车的速度高，体型大；缺点是它需要如节能“永动”车那样地装上能量反馈风扇。

6）节能“永动”车的最佳使用背景应该是狂野沙漠等对速度要求不高而环境又开阔的地带。