에너지 변환 기술

풍차

물레 방아와 같은 풍차는 동물의 근육을 힘의 원천으로 대체 한 최초의 원동기 중 하나였습니다. 그들은 세계 여러 지역에서 수세기 동안 사용되어 바람의 에너지를 곡물 분쇄, 물 펌핑 및 저지대 배수를 위해 기계 에너지로 변환했습니다.

최초의 알려진 바람 장치는 Hero of Alexandria (c. 1st 세기)에 의해 설명되었습니다. 그것은 물 구동 패들 휠에 모델링되었으며 바람 기관을 통해 공기가 소리를 내도록 강제하는 피스톤 펌프를 구동하는 데 사용되었습니다. 9 세기의 아랍어 저서에서 발견 된 바람에 의한 곡물 밀에 대한 가장 초기의 언급은 풍차가 실제로 더 일찍 사용되었을 수도 있지만, 644 ce의 페르시아 밀 라이트를 언급합니다. 현재이란-아프가니스탄 국경 근처에 세워진이 방앗간에는 외륜이 튀는 세로 모양의 돛이 있고 바람의 입구와 출구를 위해 직경이 반대쪽에있는 개구부가있는 건물에있었습니다. 각 공장은 기어없이 단일 돌 세트를 운전했습니다. 첫 번째 방앗간은 돛 위에 맷돌로 지어졌으며, 초기 물레 방아에서 파생되었습니다. 13 세기에도 비슷한 공장이 중국에서 알려져있었습니다.

수평 샤프트에 수직 돛을 가진 풍차는 아랍인과의 접촉을 통해 유럽에 도달했습니다. 현대의 물레 방아에서 나온 아이디어를 채택한 건축업자들은 아래의 물레 방아 대신에 맷돌 위의 직물로 덮인 나무 프레임 돛을 사용하여 기어 세트를 통해 숫돌을 운전하기 시작했습니다. 모든 기계가 장착 된 밀 전체가 고정 포스트에지지되어 회전되어 바람을 향하게되었습니다. 제철소는 처음에 상자 모양의 나무 프레임 구조로 덮여 있었고 나중에는 "라운드 하우스"로 덮여 있었으며, 이는 또한 저장 공간을 제공했습니다. 샤프트의 브레이크 휠로 림 브레이크로 밀을 정지시킬 수있었습니다. 그런 다음 페일 세이프 장치의 초기 예인 브레이크를 해제하기 위해 무거운 레버를 들어 올려야했습니다. 이런 종류의 방앗간은 1180 년 프랑스, ​​1190 년 십자군의 통치하에 시리아 지역, 1191 년 영국에서 처음 등장했습니다. 13 세기.

포스트 밀을 바람으로 바꾸는 데 많은 노력을 기울인 것은 아마도 14 세기 초 프랑스에서 소위 타워 밀의 개발을 담당했을 것입니다. 여기에서, 맷돌과 기어링은 거대한 원형 타워에 배치되었으며, 종종 원형이며 돌 또는 벽돌로 만들어졌습니다. 일반적으로 목재로 만들어지고 샤프트에 돛이있는 상단 캡 만 회전해야했습니다. 이러한 개선 된 제 분소는 유럽 전역으로 빠르게 확산되어 나중에 초기 미국 정착민들에게 인기를 얻었습니다.

수력에 적합한 개울이 없었던 유럽의 낮은 국가는 풍차의 가장 큰 발전을 보았습니다. 15 세기 초에 발명 된 네덜란드 중공 포스트 밀은 배수 펌프에 2 단계 기어 드라이브를 사용했습니다. 상단과 하단에 기어가있는 직립 샤프트는 빈 포스트를 통과하여 패들 휠과 같은 특종을 구동하여 물을 발생시킵니다. Cornelis Cornelisz가 네덜란드에서 1592 년에 건축 한 최초의 바람 구동 제재소는 바람에 쉽게 돌릴 수 있도록 뗏목에 장착되었습니다.

처음에는 포스트 밀과 타워 밀의 캡이 수동으로 바람으로 바뀌 었습니다. 나중에 작은 기둥을 밀 주위에 배치하여 체인으로 밀을 윈치 할 수있었습니다. 결국 윈치는 타워 밀의 캡에 배치되고 기어 랙과 맞물려 바퀴를 통과하는 체인으로 내부 또는 지상에서 작동되었습니다. 타워 밀은 일반적으로 수평으로 5 °에서 15 ° 사이로 돛지지 또는 꼬리 극이 기울어졌습니다. 이것은 테일 베어링에 거대한 돛 중량의 분배를 돕고 돛과지지 구조물 사이에 더 큰 간극을 제공했습니다. 풍차는 직경이 약 17 ~ 24 미터로 16 세기에 이미 흔해 짐에 따라 점차 커졌습니다. 모든 기어링을 포함하여 건축 자재는 목재 였지만 결국 황동이나 건메탈이 메인 베어링에 사용되었습니다. 주철 드라이브는 1754 년에 앞서 언급 한 영국 엔지니어 인 John Smeaton에 의해 처음 소개되었습니다. 이 제 분소에서 생산되는 실제 전력에 대해서는 알려진 바가 거의 없습니다. 모든 가능성에서, 10-15 마력 만이 그라인딩 휠에서 개발되었습니다. 19 세기까지는 50 마력의 분쇄기가 건설되지 않았습니다. 대형 네덜란드 공장의 최대 효율은 약 20 % 인 것으로 추정됩니다.

1745 년 영국의 에드먼드 리 (Edmund Lee)는 팬 테일 (fantail)을 발명했다. 이들은 밀의 캡 주위의 트랙에서 움직이는 바퀴에 기어로 연결되었습니다. 바람의 방향이 바뀌면서 팬 테일 베인의 측면을 강타하여 재정렬하여 메인 돛을 다시 바람으로 직각으로 돌 렸습니다. 패브릭-온-우드-프레임 돛은 때때로 제거 가능한 섹션을 가진 올-우드 돛으로 대체되었습니다. 초기 항해에는 일정한 각도의 비틀림이있었습니다. 현대 비행기 프로펠러와 유사한 가변 트위스트 돛이 훨씬 나중에 개발되었습니다.

모든 풍차의 주요 문제점은 돛을 깃털로 만들거나 돛 면적을 줄여서 폭풍 동안 바람이 갑자기 증가하면 돛이 찢어지지 않도록하는 것입니다. 1772 년 스코틀랜드의 제철소 인 앤드류 메이 클 (Andrew Meikle)은 돛을 봄에 의해 제어하는 ​​베네 시안 블라인드와 비슷한 셔터 배열 인 스프링 돛을 발명했습니다. 풍압이 미리 설정된 양을 초과하면, 바람의 일부를 통과시키기 위해 셔터가 개방된다. 1789 년 영국의 스티븐 후퍼 (Stephen Hooper)는 제 분기가 작동하는 동안 지상에서 수동 체인으로 동시에 조정할 수있는 롤러 블라인드를 도입했습니다. 이것은 조절 체인에 다양한 무게를 걸기 때문에 Meikle의 셔터와 후퍼의 리모컨을 결합한 William Cubitt 경에 의해 1807 년에 개선되었습니다. 그러나이 소위 특허 항해는 영국과 북유럽에서만 받아 들여졌습니다.

특히 속도 제어에서 추가적인 개선이 이루어졌지만, 영국 최초의 제 분소가 풍력을위한 증기 엔진을 성공적으로 대체 한 1784 년 이후 주요 전력 생산자로서 풍차의 중요성이 감소하기 시작했습니다. 그러나 풍차의 죽음은 느렸다. 19 세기에 한 번에 가장 높은 농도로 알려진 Zaan 지역에 900 개의 옥수수 (옥수수)와 산업용 풍차가있었습니다. 19 세기 내내 풍차는 미국 중서부, 캐나다, 호주 및 뉴질랜드와 같이 새로 정착되었거나 덜 산업화 된 지역에서 지속되었습니다. 그들은 또한 사탕 수수를 분쇄하기 위해 서인도 제도의 수백 명의 사람들에 의해 세워졌습니다.

풍차의 꾸준한 포기에 대한 주요 예외는 우물에서 물을 펌핑하기 위해 농촌 지역에서 사용하는 것의 부활이었습니다. 1854 년 데이비드 할레이 (David Hallay)가 첫 번째 풍력 펌프를 미국에 도입했습니다. 또 다른 미국인 스튜어트 페리 (Stewart Perry)는 1883 년에 강철로 만든 금속 날개를 갖춘 풍력 펌프를 건설하기 시작했으며이 새롭고 간단한 장치는 전세계로 퍼졌습니다.

오늘날 많은 시골 지역에서 풍력 펌프가 여전히 중요합니다. 그들은 시골 지역에서 저렴한 전력을 쉽게 이용할 수있을 때까지 20 세기까지 미국에서도 계속 많이 사용되었다. 비록 비효율적이지만, 견고하고 신뢰할 수 있으며주의가 거의 필요 없으며 전기를 경제적으로 이용할 수없는 곳에서 소량의 물을 펌핑하는 주요 공급원으로 남아 있습니다.