1.2 风车起源
风车是最早利用风能的机械设备，在公元644年由波斯人阿布·鲁鲁亚发明，结构如图1-8所示。风车结构简单，整体为木质结构，旋转轴垂直于地面，主要用来磨制谷物。
在13世纪中叶，我国人民利用简易的垂直轴风车来进行提水灌溉、碾米等工作，结构如图1-9所示。风车翼板由竹竿和帆布构成，风车轴垂直旋转。
最早的水平轴风车源于欧洲。据报道，早在1119年，布拉班特（前西欧公国，现分为两部分，分属荷兰和比利时两国）就有所谓的柱风车（Post Windwill）。后来，迅速从欧洲的西北区域传播到北欧和东欧，如芬兰和俄国。到13世纪，这种全木质制作的柱风车在德国随处可见。在两个世纪后，一种塔风车诞生，这种风车固定在一个由石块砌成的圆柱形塔顶，后从法国传到地中海区域。在16世纪，荷兰对此类风车进行了极大的改进，产生了荷兰风车。荷兰风车塔顶可以旋转，允许变向，应用范围十分广阔，到了19世纪，荷兰风车已经极为完善。
图1-8 古老的磨粮食的风车
图1-9 古老的中国风车
1.2.1 柱风车
在历史记载中，最早的水平轴风车为柱风车，其特点是整个风车都固定在一个柱轴上，并围绕其旋转，结构如图1-10所示。
图1-10 德国柱风车结构
1—风轮齿轮；2—麻袋停运；3—风轮轴；4—刹车；5—磨齿轮；6—磨轴；7—漏斗；8—磨盘；9—石板；10—谷物粉板；11—磨横梁；12—磨刹车；13—谷物粉出口；14—粮食仓地板；15—冠状轴；16—刹车链；17—方形柱；18—主轴；19—支架；20—地基
从图1-10可以看出，风轮轴底端有四根方木固定，顶端伸入磨房与磨横梁连接，横梁用来固定磨盘。粮食从漏斗进入磨内，研磨后从出口流出。风轮旋转产生的力矩驱动垂直轴，从而带动磨盘旋转，对粮食进行研磨。整个磨房外有一个木制尾巴，其末端离地较近，其作用是利用人工来调节风轮叶片的对风位置。风车依靠装满砂子的麻袋载重，通过绳索来制动转轴，再通过齿轮传递力矩来制动风轮；当风车运行时，卸掉麻袋则可继续运转。
在15世纪早期，人类开始尝试利用柱风车泵水来灌溉，但是整个磨房都围绕主轴旋转的特点使得柱风车不适宜用来泵水，因此产生了另一类仅有顶部可旋转的管状柱风车（Hollow Post Mill），如图1-11所示。此柱风车底座成金字塔型且固定不旋转，其顶部风轮可以根据风向调节方向。风车内结构大大简化，取消了复杂的磨结构，只有风轮齿轮、传动齿轮和轴承等。此类风车最初仅用来汲水，后也用来磨制谷物以及锯木。
图1-11 管状柱风车
图1-12 塔风车
塔风车与柱风车结构相似，主要在地中海区域广泛使用。风车的支撑呈塔状结构，由石料砌成，如图1-12所示。塔顶用于固定风车，并可以旋转。
1.2.2 荷兰风车
荷兰被誉为“风车之国”，风车是荷兰的象征。荷兰位于地球的盛行西风带，濒临大西洋，一年四季盛吹西风，是典型的海洋性气候国家，海陆风长年不息。这给缺乏动力资源的荷兰创造了优越条件——利用风力来提供动力。
荷兰风车对荷兰的经济有着特别重大的意义。在16—17世纪，世界商业中占首要地位的各种原料从各路水道运往荷兰利用风车加工，其中包括北欧各国和波罗的海沿岸各国的木材，德国的大麻子和亚麻子，印度和东南亚的肉桂和胡椒。在荷兰的大港鹿特丹和阿姆斯特丹的近郊，有很多风车的磨坊、锯木厂和造纸厂。随着荷兰人民围海造陆工程的大规模开展，风车在这项艰巨的工程中也发挥了巨大的作用。根据当地的湿润多雨、风向多变的气候特点，荷兰对风车进行了改革，使荷兰风车比柱风车的功能更强大，能够满足当时各种动力需求，如磨粉、泵水和锯木等。并给风车配上活动的顶篷，为了能四面迎风，又把风车的顶篷安装在滚轮上。这种风车就被称为荷兰式风车，结构如图1-13所示。
图1-13 荷兰大风车
最大的荷兰风车有几层楼高，翼板长达20m。有的风车由整块大柞木做成。18世纪末，荷兰的风车约有12000架，每台有410kW。这些风车用来碾谷物、碾粗盐、碾烟叶、榨油、压滚毛呢、压毛毡、造纸以及排除沼泽地的积水等。其中，通过风车不停地吸水、排水，保障了荷兰2/3的土地免受沉沦，并为荷兰充分地开拓和利用土地提供条件。
20世纪以来，由于蒸汽机、内燃机、涡轮机的发展，依靠风力提供动力的风车渐渐失去优势，几乎被人遗忘。但因风车利用自然风力，具有无污染和用之不竭的特点，被荷兰人民一直沿用至今。直到现在，荷兰还有2000多架各式各样的风车。
荷兰境内的金德代克—埃尔斯豪特，尤以风车闻名，成为荷兰一道独特的风景线。在世界范围内，没有其他任何一个地方的风车比金德代克—埃尔斯豪特的风车多。18世纪金德代克村开始修建坚固的风车，部分风车至今仍然保存完好。当地人民依靠发展水利技术和应用水利技术，建设了这个排水系统，并且成功地保护了这片土地。
荷兰风车的主要作用是将风力转化为叶轮转动的机械动力。从物理上讲，就是将风能转化为机械能，将低处的水提上来，这个提水的工作现在已由电力驱动的抽水机代替。如今，荷兰有一个全欧洲最大的抽水站。
金德代克位于鹿特丹附近，该村镇坐落在被称为阿尔布拉瑟丹低田的地区。荷兰人围海造出了阿尔布拉瑟丹低田（它们的海拔高度低于海平面），这些风车的作用则是将阿尔布拉瑟丹低田中多余的水抽出来，由于这个低田地区一直是洪水的多发地区，所以在这里建造风车的目的就是将多余的水抽出，然后排放在存水区中。如果存水区的水位达到一个高度后，人们就再一次将水从存水区中抽出，然后排放到河流中。
1927年起，实际的抽水工作主要由柴油机抽水站完成，风车不再被使用。后在第二次世界大战中，由于柴油机缺乏燃料而不能驱动抽水机，风车又一次得到使用，这也是人们最后一次使用风车进行抽水工作。
如今，在夏季里，风车再次得以“使用”，但主要用于旅游观光，游客们沿着运河和河流散步，到近处细细观看这些巨大的风车，欣赏这儿美丽如画的风景。风车在荷兰历史上是功臣，为荷兰经济发展起到了不小的作用。随着时代的发展，荷兰的风车也在变化，如今除传统的木结构风车外，荷兰国土上又出现了不少现代的金属结构风车，其造型简单，线条明快，成为荷兰国土上的另一道风景线。
荷兰鸟类保护组织向政府提交申述，要求减少新建风车的数量，原因是这些风车对沿海的候鸟构成生命威胁。夜晚或天气不好的时候，候鸟在飞行中往往不能及时发现和躲避风车，很容易被风车产生的气流吸进去。据统计，荷兰北方堤坝附近每年都要有近800万只候鸟来此栖息，荷兰其他地方的风车每年都要因此伤害数千只小鸟的生命。因此，该组织认为应该适当减少新建风车的数量。
1.2.3 美国风车
在19世纪早期，欧洲风车的发展处于鼎盛时期，美国风车也得到了相应的发展。美国风车如图1-14（a）所示，拥有10～30片叶片和一个尾翼。美国风车旋转速度较慢，但产生较大的力矩，通过带动长长的与地面垂直的传动轴，将力矩传到风车底部的水泵。
美国风车结构复杂，在恶劣天气时，会因无法调整风轮转速而损坏。为了改变这种状况，设计了尾翼可以活动的风车，在大风时尾翼展向偏转90°，翼展平行于风车旋转面。在尾翼的作用下，将风车移出风向，风车停止旋转，如图1-14（b）所示。当风速较小时，尾翼再向展向垂直于风车旋转面的方向偏转，风车正对风向，风车又开始运行。
图1-14 美国风车
美国风车的最大直径通常在5～8m，但在美国历史曾经造出直径超过15m的风车。这些多叶片风车特别适用于低风速状况，在2～3m/s的风速下就开始转动，气动力矩相对比较高。