エネルギー変換技術

風車

水車のような風車は、動力源として動物の筋肉に取って代わった最初の原動機の1つでした。それらは、世界のさまざまな地域で何世紀にもわたって使用され、風のエネルギーを穀物の粉砕、水汲み、低地地域の排水のための機械エネルギーに変換しました。

最初の既知の風力装置は、アレクサンドリアの英雄（1世紀頃）によって説明されました。それは水駆動のパドルホイールでモデル化され、空気を風力機関に通して音を出すピストンポンプを駆動するために使用されました。9世紀のアラビア語の著作に見られる、風力駆動の製粉機への最も初期の既知の言及は、西暦644世紀のペルシャの製粉業者を指しますが、実際には風車が以前に使用されていた可能性もあります。これらの工場は、現在イランとアフガニスタンの国境近くに建設され、垂直軸と外向きに広がるパドルのような帆があり、風の入口と出口に正反対の開口部がある建物内にありました。各ミルは、ギアを使わずに1セットの石を運転しました。最初の製粉所は帆の上の石臼を使って建設され、それらが由来した初期の水車を模したものです。中国では13世紀までに同様の製粉所が知られていました。

水平軸に垂直帆を持つ風車は、アラブ人との接触を通じてヨーロッパに到達しました。現代の水車からのアイデアを採用して、ビルダーは、水車の下ではなく、石の上にある布で覆われた木枠の帆を使用して、一連の歯車を通して砥石を動かしました。すべての機械を備えた工場全体が固定支柱で支えられ、回転して風に向かえるようになりました。製粉所は当初、箱のような木造のフレーム構造で覆われ、後に「丸小屋」で覆われることも多く、これも保管場所となりました。シャフトのブレーキホイールにより、ミルはリムブレーキで停止できました。次に、重いレバーを上げてブレーキを解放する必要がありました。これは、フェールセーフデバイスの初期の例です。この種の製粉所は、1180年にフランスで、1190年に十字軍の支配下にあるシリアの地域で、そして1191年にイングランドで最初に登場しました。 13世紀。

ポストミルを風に変えるのに必要な多大な努力が、おそらく14世紀初頭までにフランスでいわゆるタワーミルが開発された原因だったと考えられます。ここでは、石臼と伝動装置は、多くの場合断面が円形で、石またはレンガで作られた巨大な固定タワーに配置されていました。通常は木でできており、帆をシャフトに載せた上部キャップのみを回転させる必要がありました。そのような改良された製粉所はヨーロッパ中に急速に広がり、後に初期のアメリカ人入植者の間で人気がありました。

水力に適した小川を持っていなかったヨーロッパの低地では、風車の開発が最大でした。15世紀初頭に発明されたオランダの中空ポストミルは、排水ポンプに2段階ギアドライブを使用していました。上部と下部にギアを備えた直立シャフトが中空の支柱を通過し、パドルホイールのようなスクープを駆動して水を上げます。1592年にコルネリスコルネリスによってオランダで建設された最初の風力式製材所は、いかだに取り付けられて、風に簡単に転向できるようになりました。

最初はポストミルとタワーミルのキャップの両方を手動で風に変えました。その後、ミルの周りに小さな支柱を設置して、チェーンでミルをウィンチングできるようにしました。結局、ウインチはタワーミルのキャップに配置され、ギア付きラックとかみ合い、車輪の上を通るチェーンによって内部または地面から操作されました。タワーミルのセールサポートポールまたはテールポールは、通常、水平面に対して5°から15°の範囲で傾斜しています。これにより、テールベアリングに巨大なセールの重量が分散し、セールとサポート構造の間のクリアランスが大きくなりました。風車は次第に大きくなり、16世紀にはすでに直径約17〜24メートルの帆が一般的でした。すべてのギアを含む構造材料は木材でしたが、最終的には真鍮または砲金が主軸受に使用されるようになりました。鋳鉄製のドライブは、前述の英語のエンジニアであるジョンスミートンによって1754年に初めて導入されました。これらの工場で生産される実際の電力についてはほとんど知られていません。おそらく、10から15馬力だけが砥石で開発されました。50馬力の工場は19世紀まで建設されませんでした。オランダの大規模工場の最大効率は約20％と推定されています。

1745年にイングランドのエドマンドリーがファンテールを発明しました。帆の後ろに5〜8枚のベーンのリングが帆に対して直角に取り付けられました。これらは、ミルのキャップの周りのトラックを走る車輪にギアで接続されていました。風が方向を変えると、ファンテールベーンの側面に当たり、風向を変えてメインセールを再び直角に風に向けました。ウッドフレームの帆は、取り外し可能なセクションのあるオールウッド帆に置き換えられることがありました。初期の帆は一定のねじれ角を持っていました。現代の飛行機のプロペラに似た可変ツイストセイルはずっと後に開発されました。

すべての風車の主な問題は、嵐の最中に突然風が強まった場合に帆がばらばらにならないように、帆に羽を付けるか、帆の面積を小さくする必要があったことです。1772年、スコットランドのミルライトであるアンドリューメイクルが春の帆を発明しました。これは、帆が春によって制御されていたベネチアンブラインドに似たシャッター装置です。風圧が設定値を超えると、シャッターが開いて風の一部が通過しました。1789年にイギリスのスティーブンフーパーは、工場が稼働しているときに地面から手動チェーンですべて同時に調整できるローラーブラインドを導入しました。これは1807年にウィリアムキュービット卿によって改善されました。ウィリアムキュービットは、調整チェーンにさまざまなウェイトをぶら下げて自動制御を行うことで、メイクルのシャッターとフーパーのリモコンを組み合わせました。しかし、これらのいわゆる特許帆船は、イングランドと北ヨーロッパでのみ受け入れられました。

英国では最初の製粉工場が風力発電の代わりに蒸気エンジンに成功した1784年以降、特に速度制御においてさらなる改善が行われましたが、主要な電力生産者としての風車の重要性は低下し始めました。それでも、風車の崩壊は遅かった。19世紀には、オランダのザーン地区に900ものトウモロコシ（トウモロコシ）と工業用風車があり、その濃度は知られていました。風車は、19世紀を通じて米国の中央部と西部、カナダ、オーストラリア、ニュージーランドなどの新たに定住した、または工業化が進んでいない地域に存続しました。彼らはまた、サトウキビを粉砕するために西インド諸島の何百人もによって建てられました。

風車の着実な放棄の主な例外は、田園地帯での井戸からの水汲みへの使用の復活でした。最初の風力ポンプは1854年にデビッドハレイによって米国で導入されました。別のアメリカ人、スチュワートペリーが1883年に鋼と金属ベーンを備えた風力ポンプの建設を開始し、この新しいシンプルな装置が世界中に広まりました。

風力ポンプは、今日でも世界の多くの農村部で重要な役割を果たしています。低価格の電力が農村部で容易に利用できるようになるまで、20世紀に至るまで、米国でさえ、それらは多数で引き続き使用されました。どちらかと言えば非効率的ですが、頑丈で信頼性が高く、ほとんど注意を払う必要がなく、電気が経済的に利用できない場所に少量の水を送り出すための主要な供給源です。