Energikonverteringsteknologi

vindmøller

Vindmøller, som vannhjul, var blant de opprinnelige prime movers som erstattet dyremuskelen som en kilde til kraft. De ble brukt i århundrer i forskjellige deler av verden, og konverterte vindenergien til mekanisk energi for å kverne korn, pumpe vann og drenere lavlandsområder.

Det første kjente vindapparatet ble beskrevet av Hero of Alexandria (ca. 1. århundre ce). Det ble modellert på et vanndrevet padlehjul og ble brukt til å drive en stempelpumpe som tvang luft gjennom et vindorgel til å produsere lyd. De tidligste kjente referansene til vinddrevne kornmøller, funnet i arabiske skrifter fra 900-tallet, viser til en persisk malerør på 644 ce, selv om vindmøller faktisk kan ha blitt brukt tidligere. Disse møllene, reist nær det som nå er grensen mellom Iran og Afghanistan, hadde en vertikal skaft med paddlignende seil som strålte utover og var lokalisert i en bygning med diametralt motsatte åpninger for vindens innløp og utløp. Hver mølle kjørte et eneste sett med steiner uten gir. De første møllene ble bygget med kvernsteinene over seilene, mønstret etter de tidlige vannhjulene de ble avledet fra. Lignende fabrikker ble kjent i Kina på 1200-tallet.

Vindmøller med vertikale seil på horisontale sjakter nådde Europa gjennom kontakt med araberne. Ved å ta i bruk ideene fra moderne vannhjul, begynte byggherrer å bruke stoffdekke, treinnrammede seil som ligger over kvernsteinen, i stedet for et vannhjul nedenfor, for å drive malesteinen gjennom et sett tannhjul. Hele bruket med alt maskineriet ble støttet på en fast stolpe slik at den kunne roteres og vendes inn i vinden. Bruket ble opprinnelig dekket av en kasselignende trerammestruktur og senere ofte av et "rundthus", som også ga lagring. Et bremsehjul på akselen tillot bruket å bli stoppet av en felgbrems. Da måtte en tung spak løftes for å frigjøre bremsen, et tidlig eksempel på en feil-sikker innretning. Møller av denne typen dukket først opp i Frankrike i 1180, i områder av Syria under kontroll av korsfarerne i 1190, og i England i 1191. Den tidligste kjente illustrasjonen er fra Windmill Psalter laget i Canterbury, England, i andre halvdel av 1200-tallet.

Den store innsatsen som kreves for å snu en postfabrikk i vinden, var sannsynligvis ansvarlig for utviklingen av den såkalte tårnfabrikken i Frankrike på begynnelsen av 1300-tallet. Her ble kvernsteinen og giringen plassert i et massivt fast tårn, ofte sirkulært i snitt og bygget av stein eller murstein. Bare en øvre hette, normalt laget av tre og som bærer seilene på akselen, måtte roteres. Slike forbedrede fabrikker spredte seg raskt over hele Europa og ble senere populære blant amerikanske nybyggere.

De lave landene i Europa, som ikke hadde noen passende strømmer for vannkraft, så den største utviklingen av vindmøller. Hollandske hule postfabrikker, oppfunnet på begynnelsen av 1400-tallet, brukte en totrinns girstasjon for dreneringspumper. En stående skaft som hadde tannhjul på toppen og bunnen, passerte gjennom den hule stolpen for å drive en padle-hjullignende øse for å heve vann. Det første vindstyrte sagbruket, bygget i 1592 i Nederland av Cornelis Cornelisz, ble montert på en flåte for å tillate enkel sving i vinden.

Først ble både post-møller og hettene til tårnfabrikkene manuelt dreid inn i vinden. Senere ble små stolper plassert rundt bruket for å tillate vinsjing av bruket med en kjede. Etter hvert ble vinsjer plassert i lokkene til tårnfabrikkene, inngrepet med girstativer og operert fra innsiden eller fra bakken av en kjede som passerte over et hjul. Tårnfabrikker hadde sin seilbærende eller halestang normalt skrått mellom 5 ° og 15 ° til horisontalt. Dette hjalp fordelingen av den enorme seilvekten på halelageret og ga også større avstand mellom seilene og støttestrukturen. Vindmøller ble gradvis større, med seil fra omtrent 17 til 24 meter i diameter som allerede var vanlige på 1500-tallet. Konstruksjonsmaterialet, inkludert all giring, var tre, selv om til slutt messing eller pistolmetall kom i bruk for hovedlagrene. Støpejernsdrev ble først introdusert i 1754 av John Smeaton, den nevnte engelske ingeniøren. Lite er kjent om den faktiske kraften som produseres av disse fabrikkene. Etter all sannsynlighet ble det bare utviklet 10 til 15 hestekrefter ved slipehjulene. En 50 hestekrefter kvern ble ikke bygget før på 1800-tallet. Maksimal effektivitet for store nederlandske fabrikker er anslått å ha vært omtrent 20 prosent.

I 1745 oppfant Edmund Lee fra England fantailen, en ring på fem til åtte skovler montert bak seilene i rett vinkel mot dem. Disse ble koblet med tannhjul til hjul som løp på et spor rundt møllens hette. Da vinden forandret retning, slo den sidene på vifteskovlene, justerte dem og dermed vendte hovedseglene igjen rett i vinden. Seil av stoff-på-tre-ramme ble noen ganger erstattet av seil av helt tre med avtagbare seksjoner. Tidlige seil hadde en konstant vri vinkel; variable vri-seil som lignet på en moderne flypropell ble utviklet mye senere.

Et stort problem med alle vindmøller var behovet for å fjære seilene eller redusere seilområdet, slik at hvis vinden plutselig økte under en storm, ville ikke seilene bli revet fra hverandre. I 1772 oppfant Andrew Meikle, en skotsk møller, vårseglet, et skoddeopplegg som lignet en persienn der seilene ble kontrollert av en fjær. Når vindtrykket oversteg en forhåndsinnstilt mengde, åpnet skoddene for å la noe av vinden passere. I 1789 introduserte Stephen Hooper fra England rullegardiner som alle kunne justeres samtidig med en manuell kjetting fra bakken mens bruket arbeidet. Dette ble forbedret i 1807 av Sir William Cubitt, som kombinerte Meikles skodder med Hoopers fjernkontroll ved å henge forskjellige vekter i justeringskjeden, og dermed gjorde kontrollen automatisk. Disse såkalte patentseglene fant imidlertid aksept bare i England og Nord-Europa.

Selv om ytterligere forbedringer ble gjort, spesielt innen hastighetskontroll, begynte betydningen av vindmøller som en stor kraftprodusent å avta etter 1784, da den første melfabrikken i England med hell erstattet en dampmaskin for vindkraft. Likevel gikk ned fra vindmøller langsomt; en gang på 1800-tallet var det så mange som 900 mais (mais) og industrielle vindmøller i Zaan-distriktet i Nederland, den høyeste konsentrasjonen som er kjent. Vindmøller vedvarte gjennom 1800-tallet i nylig bosatte eller mindre-industrialiserte områder, som det sentrale og vestlige USA, Canada, Australia og New Zealand. De ble også bygget av hundrevis i Vest-India for å knuse sukkerrør.

Det viktigste unntaket fra den jevnlige nedleggelsen av vindmøller var gjenoppblomstring i bruken av dem i landlige områder for pumping av vann fra brønner. Den første vindpumpen ble introdusert i USA av David Hallay i 1854. Etter at en annen amerikaner, Stewart Perry, begynte å konstruere vindpumper av stål og utstyrt med metallskovler i 1883, spredte denne nye og enkle enheten seg over hele verden.

Vindstyrte pumper er fortsatt viktige i dag i mange landlige deler av verden. De fortsatte å bli brukt i store antall, også i USA, langt ut på 1900-tallet til lavkostnads ​​elektrisk kraft ble lett tilgjengelig i landlige områder. Selv om de er lite ineffektive, er de robuste og pålitelige, trenger liten oppmerksomhet og er fortsatt en viktig kilde for å pumpe små mengder vann hvor enn det ikke er økonomisk tilgjengelig elektrisitet.