柳条巷的停电风波和随之而来的安全用电宣传,让京城市井百姓对“电”这玩意儿多了几分敬畏,也添了几分实在的认识。
格物院应急灯的粗糙样品,虽未立刻量产,却也在范围内引起了一些有心饶注意——比如,那些住在城郊、离主干电网较远,或者压根没指望能拉上电线的散户人家。
与此同时,在北疆,顾慎关于扩大电讯和照明网络的期盼,以及黑石山矿场对更稳定动力的渴求,也随着书信和电报,不断地传递到叶明案头。
玉泉溪电站强大,但远水难解近渴;架设长途线路,则耗费巨大,维护艰难。
“大电站供主干,装置补枝节。”一次学院内部的研讨会上,徐寿提出了这个思路,“尤其于边远、分散之处,建大电站或拉长线皆不经济。当思量开发易于就地取材、便于维护之型独立发电装置。”
这个想法与叶明不谋而合。他想起了最初试验成功的简易水轮发电机和风力发电机模型。水轮需要一定流速和水头,受地理限制大。
而风力,在边关大漠、草原、沿海,乃至京城屋顶,却是无处不在。
“风力发电机!”林致远眼睛一亮,“我们之前做过试验模型,但功率太,不稳定,也难扛大风。若能设计一种更可靠、功率适症适合家庭或团体使用的‘户用风力发电机’,或许能解决很多分散用户的用电问题。”
“户用?多大?”胡师傅问。
“不必像试验风车那样追求巨大。”叶明比划着,“大以寻常房顶或院落中能立起为准,发电功率能带动几盏灯、一个型收音机(电报机简化版设想)、或给蓄电池充电即可。结构要简单,材料易得,最好普通木匠、铁匠看着图纸就能仿制组装。”
目标明确:设计一款“平民化”的型风力发电机。任务交给了机械科和电力科联合攻关,以林致远为首,抽调了几名精干学生和工匠。
首要难题是风车的叶轮设计。早期的简单帆布叶片或平板木片效率低,抗风性差。
他们查阅古籍和西人杂书,借鉴水车和船舶风帆的原理,试验了多种扭曲角度的曲面木制叶片,最终确定了一种类似后世螺旋桨、但更粗短的三叶设计,在中等风速下能有较好的启动力矩和转速。
传动和增速机构是关键。风车转速慢,需要通过齿轮组提升,才能驱动发电机达到发电转速。
他们设计了两种方案:一种是较为精密的、带有多级变速齿轮的铁木结构,效率高但制作要求高;另一种是更简单的、利用皮带轮和摩擦传动的方案,皮实耐造,效率稍低但易于维护,更适合边地。
发电机本身,则在原有手摇发电机基础上进行型化和优化,采用了更的永磁体和更密集的线圈,力求在较低转速下也能输出可用的电压。
最难的是“调向”和“限速”。风的方向会变,风车必须能随风转向。他们试验了简单的“尾舵”式调向,在风车后方安装一个垂直的尾翼,使风车能自动对准风向。
至于大风时的保护,则设计了一个巧妙的机械离心装置:当转速超过安全值时,离心力会拉动连杆,使叶片角度改变,减少受风面积,从而自动限速,防止飞车损毁。
整个夏,学院的空地上立起了好几个大不一的“试验风车”,吱吱呀呀地转着。
学生们记录着不同风速下的转速、输出电压、带载能力。失败是常事,一阵突如其来的狂风就把一台试验机的尾舵吹折了;另一台的皮带传动在连续运转后打滑严重……
但进步也在持续。到了秋,第三版原型机终于达到了设计要求:在平均风速下,能稳定输出足以点亮两盏灯并给一组蓄电池充电的电力;能自动对风;大风时能有限自我保护;主要结构为木制,关键轴承和齿轮用铁,总重控制在一个壮劳力能搬运组装的程度。
叶明将其命名为“顺风牌户用风力发电机”。名字朴实,透着美好的寓意。
第一批试制的十台“顺风机”,被分别送往几个不同的环境进行实地测试:三台送往北疆黑石山矿场及附近戍堡;两台送往京郊山区散居的村落;两台送往沿海渔村;剩下三台,则安装在格物技艺学院和工部器作局的屋顶上,作为长期运行的观察样本。
北疆黑石山那边反应最快。王老五和戍堡的赵铁头收到机器和安装图纸,如获至宝。北疆风大,尤其冬季,寒风凛冽。
他们选了一处位置较高的戍堡望楼顶部安装。按照图纸,兵士和矿工们合力,将木制塔架竖起固定,装上三叶风轮、尾舵、传动箱和那个巧的发电机。
当北疆旷野上永不止息的风吹动叶片,风轮开始缓慢而坚定地旋转时,围观的人们屏住了呼吸。
连接的灯泡,在傍晚的暮色中,闪烁了几下,随即稳定地亮了起来!虽然亮度无法与电站供电相比,但这可是从“看不见的风”里直接变出来的光!
“神了!真神了!”赵铁头咧嘴大笑,“这下晚上哨楼有常亮的灯了!还能给那传音机的电池补电!”
王老五更务实,已经在琢磨怎么在矿工居住区也装几台,晚上给公共活动房照明,甚至驱动型水泵抽矿井渗水。
京郊山区那台,安装在一户独居的老猎户家旁边的高坡上。老猎户起初将信将疑,但看到真的能点亮他家的油灯,还能给他儿子做的一个简易矿石收音机供电,收听格物院每定时发送的简易气和农事信息后,老人激动得直抹眼泪:“这东西好!比油灯亮,还不用老买油!夜里听着‘话匣子’(指收音机),山里头也不觉得孤单了。”
沿海渔村的测试则暴露了新问题:海风盐分大,腐蚀严重,木制部件和铁质轴承很快生锈,传动也不灵活了。
信息反馈回来,格物院立刻着手改进,试验用桐油多次浸泡木材,铁件做防锈处理,并考虑在关键部位使用少量铜件。
安装在学院和器作局屋顶的几台,则成了京城一景。尤其是器作局屋顶那台,吱吱呀呀地转着,引得路人时常抬头观望。
局里的老师傅们,包括那位曾对石头不假辞色的冯掌案,现在闲暇时也会抬头看看那转动的风车,偶尔嘀咕两句:“这玩意儿,倒是巧……风吹就转,转了就亮,不用煤不用油。”
“顺风机”的初步成功,让叶明和格物院看到了分布式能源的潜力。它或许无法替代大型电站,但作为补充,尤其是在电网难以覆盖的边远、分散地区,却有着无可替代的价值。
学院开始编制更详细的《户用风力发电机制作与安装手册》,准备向各地推广。
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