節能“永動”車

戴榕菁

多年前我在網上看到一場奇特的國際比賽，是一群來自不同國家的大學生們用自製的逆風車進行的比賽。比賽中每個人駕駛著自製的車迎風前進，看誰的車開的最快。其中的要害是所有的車除了一個風扇之外不能有任何外加的動力，而車必須是逆風而行。也就是說每輛車都必須由風吹著逆風而行。這聽起來顯然違背我們通常所認知的常識，但那就是一群大學生實實在在地進行的國際比賽。印象中最快的能達到5，6英裏/小時的速度。當時網上好像有不止一個類似的視頻。

我當時看了之後就想著日後有機會的話自己也試著做一輛這樣的車。這樣的機會一直沒有出現，今天在網上又看到了一個類似的視頻，一輛由風扇驅動的順風車可以跑的比風速還快。（見本文後麵的視頻）

既然隨著年齡的增加我已看不到還有自己能做出這樣一部車的可能，這裏就與大家分享一個由上述這種逆風車（或超風速順風車）產生的節能“永動”車的設想。因為逆風車的論述比超風速的順風車更容易，盡管下麵的視頻中展示的是超風速的順風車，本文的討論將以逆風車為例，其原理與超風速的順風車完全相同。

盡管本人是空氣動力本科出身的，我這裏並不打算對逆風車的空氣動力原理及背後可能的數學公式進行探討，因為我猜其數學表達可能會比較複雜，估計設計和製作者們的主要依據是實驗或數值模擬。但是在我所看到的所有視頻中沒有一個人給出有關逆風車的實驗數據或數值模擬的數據（或許根本無人認真做過。每個人隻是把它當作一件藝術品而已）。

我這裏隻打算在對其能量轉換原理進行形而上的分析的基礎上推論出一種一般可行的節能“永動”車的設想。從下麵的視頻中我們可以看出，在逆風車的行進中的能量轉換主要分為三部分：（1）風扇從風中獲取的能量；（2）風對車身（包括駕駛員）產生的阻力能量；（3）車與地麵相互作用消耗的能量。很顯然，隻有第一部分能量才能驅動車子前行。

而風扇從風中獲取的能量又轉化為（除了風扇自身的熱耗散之外）三個主要的部分：（1）阻止風扇前進的阻力能（功），（2）風扇轉動的動能，以及（3）驅動車子前進的能量。其中前兩部分都是風扇自身運動所需的能量，而第三部分則是風扇驅動車子進行逆風前進的能量。

可見風扇被動地從風的作用力中獲取的能量是大於（甚至遠大於）它自身在運動中消耗的能量的。很顯然，風扇從風中獲取的能量與風速大小有關，因而風扇所產生的驅動車子的能量也與風速大小有關。當風扇隨著車子在風中運動時，上述的風速便是風扇與風的相對速度。

這裏要注意一點：當逆風車因受到正麵的風吹而從靜止開始運動時，它的速度是隨著實際風速而增加的（這一點從下麵的超風速順風車的視頻中也可以看出），而逆風車與風的相對速度是車速與風速兩者實際值相加，也就是說，逆風車與風的相對速度大於實際的風速或實際的車速。我們知道物體所受到的風力與相對風速V的平方成正比，因此風扇實際受到的風力的增加比實際風速平方的增加還要快。另外，當相對風速V超過某個極限時，風扇的驅動力轉換效率有可能下降（即風扇從風力所得到的能量轉換為驅動力的比例可能下降）。

所以，我們可以合理地做這樣的假設：對一輛給定的逆風車，當相對風速V在某個極限值Vm以下的時候，風扇所產生的驅動車子的功率Pv（它等於風扇從風力得到的總能量Ev乘以轉換效率除以時間）與V的平方成正比，當風速V達到Vm時，Pv值為Pvm。而當相對風速V達到另一個理想極限值Vmi（>Vm）時，風扇所產生的驅動車子的功率Pv達到最大值Pvmi。也就是說，當相對風速V超過Vm之後，風扇產生的驅動功率Pv仍然隨著V的增大而增大，但是增大的速率開始下降，而當V超過Vmi之後，不論相對風速如何增大Pv不會再繼續增大。但是，由於逆風車的唯一動力是風力，因此逆風車的相對風速不可能超過Vm（因為超過Vm時消耗的能量繼續上升而補充的能量將下降），Pvm也就是逆風車的最大驅動功率了。

盡管逆風車運行過程中的驅動能量與風速的具體關係需要由實驗（比如風洞實驗）或數值模擬來確定，上麵的抽象分析具有一般的合理性。這裏需要注意的一點是，我們現在並沒有一個理論的或實驗的或數值的依據來給出逆風車可能存在的Vm的上限。因此，有著這樣的可能性：氣動力外形好，風扇效率高的Vm有可能遠大於一般氣候條件下的風速（比如，7級風，等等），但由於現有的車身及風扇的穩定性問題，人們一般不會冒險在大風中駕駛逆風車，因此在已有的逆風車運行的紀錄中，其速度有可能遠低於這個速度。

另一方麵，盡管一輛逆風車的最大相對風速是Vm，它的風扇卻可以在更大的相對風速Vmi下達到它的最大驅動功率Pvmi。

如果今天我把一輛逆風車上的風扇裝在一輛正常的卡車上，然後讓卡車以Vmi的速度在無風的環境中運行，那個風扇便可以產生Pvmi的驅動功率。因此，如果今天我把某台逆風車的風扇拆下來裝在一輛卡車上，讓它在無風的環境中以Vmi的速度運行1小時，並將這過程中風扇產生的所有的除了它自己所消耗的能量之外的能量都儲存到一個理想的（即轉換效率100%）的蓄電池中，那麽那個蓄電池中就應該儲存了Pvmi度的能量（假設Pv以千瓦計算）。那麽如果我們用那個蓄電池來驅動原來的那輛被拆了風扇的逆風車，讓那輛車在無風的環境下運行，它應該可以以高於Vm（低於Vmi）的速度運行1小時。因為這裏的Vm是實際速度，而不是相對風速，它可以高於逆風車原來的實際最高速度（比如，高出一倍來）。

如果我們將該電池裝在另一輛具有與那輛逆風車相同的驅動功率的車輛上（假設100%的電池效率），如果該車所需的驅動力與那輛逆風車在Vm運行時的驅動力相同，那麽那輛車也應該可以以相同的速度運行1小時。

現在我們把那台風扇裝回到原來的逆風車上，但是不用它來驅動車子，而是用它來給蓄電池充電，然後用蓄電池來驅動車子。那麽我們可以先用其它方式將蓄電池充滿電，保證它可以讓車子以Vm的速度行駛幾小時。然後，讓車子上路。這時，如果車子以V < Vm的速度運行，因為風扇可以提高的驅動能量與車輛運行損耗的能量（假設車輛的重量負荷不變）都與速度平方成正比（相差的係數可以通過機械的手段來調整），乃至相互抵消，因此可以一直運行下去（直到電池無法再充電---幾年以後）。如果在有風的環境下，那麽順風時可以在車速有限超過Vm的情況下自動補充所消耗的能量，逆風時若仍希望自動補充所消耗的能量，則需要有所減速。但是，在有風的環境下，隻要停下車來，風扇就會自動開始給電池充電。因此，即便是在逆風時也不必過於擔心會過度消耗電能。

按照上麵所講述的原理，我們可以在特定的條件下實現不需要補充任何能量將一部車一直開下去，直到那個蓄電池本身因為年限而無法再被充電為止（通常要好幾年）。因此，按照上麵的思路，我們可以製作一種節能“永動”車。

當然，上述討論存在一個最大的缺陷，那就是它的前提是車子是按照逆風車來設計的。從下麵的視頻中我們可以看到，不論是逆風車還是超風速順風車的外形都受到特殊的空氣動力外形的限製。但是，既然我這裏討論的節能“永動”車不需要用自然風力來驅動，它的空氣動力外形就不應該象逆風車或超風速順風車那樣地受到限製。解決這個問題的根本在於用高產能的風扇來驅動相對低消耗的車輛。而高產能的風扇的要點在於風扇獲取的總能量要高，但是它本身消耗的能量要低。風扇獲取的總能量與風扇麵積和葉片及輪廓形狀有關，而降低風扇本身的耗能則在於提高風扇的能量轉換效率以及提高風扇的最高能量轉換速度Vm及相應的最高能量轉換功率Pvm。當然，好的空氣動力外形也是可以降低車身本身的能耗從而提高Vm的因素之一；

兩點補充：

1）因為本文所設想的節能“永動”車不是由自然風驅動的，在有風無風或任何風向中都可運行，所以，這種節能“永動”車的風扇的設計必須是可以雙向驅動的，也就是說當風向變了之後，它可以或自動或經過手動切換而繼續處於驅動態（即可以給電池充電）；

2）因為這類車的主要附加能耗是電池到了年限後的更換以及最初的那次充電，所以雖然如何提高能量轉換的效率問題將是未來的節能“永動”車發展的一個關鍵，其主要目的並不是要降低附加能耗。

3）這種節能“永動”車的車速當然不能與正常車相比，但如果從節能保護環境的視角來看問題，它還是有很大的優勢的，值得在城市交通中推廣。