טכנולוגיית המרת אנרגיה

טחנות רוח

טחנות רוח, כמו גלגלי מים, היו בין המובילים הראשוניים המקוריים שהחליפו את שריר בעלי החיים כמקור כוח. הם שימשו במשך מאות שנים באזורים שונים בעולם, והמירו את אנרגיית הרוח לאנרגיה מכנית לטחינת תבואה, שאיבת מים וניקוז אזורי השפלה.

מכשיר הרוח הידוע הראשון תואר על ידי Hero of Alexandria (בערך המאה ה -1). זה היה מודל על גלגל ההנעה מונע על ידי מים ומשמש להפעלת משאבת בוכנה שאילצה אוויר דרך איבר רוח להפיק קול. ההתייחסויות המוקדמות ביותר הידועות לטחנות תבואה מונעות רוח, שנמצאו בכתבים בערבית של המאה ה- 9, מתייחסות לטחנת פרסית בגובה 644 צלזיוס, אם כי טחנות רוח למעשה שימשו בעבר. לטחנות אלה, שהוקמו בסמוך למה שנמצא כיום בגבול איראן-אפגניסטן, היה פיר אנכי עם מפרשים דמויי שדה הקורנים החוצה והם היו ממוקמים בבניין עם פתחים מנוגדים קוטריים לכניסת הרוח ויציאתם. כל טחנה הסיעה מערכת אבנים אחת בלי להילוך. הטחנות הראשונות נבנו עם אבני הריחיים מעל המפרשים, בדוגמת גלגלי המים המוקדמים שמהם נגזרו. טחנות דומות היו ידועות בסין עד המאה ה -13.

טחנות רוח עם מפרשים אנכיים על פירים אופקיים הגיעו לאירופה דרך מגע עם הערבים. לאחר שאימצו את הרעיונות מגלגלי מים עכשוויים, החלו בוני להשתמש במפרשים מכוסים עץ ומסגרות הממוקמים מעל אבן הריחיים, במקום גלגל מים למטה, בכדי להעביר את אבן השחזה דרך מערכת הילוכים. הטחנה כולה על כל מכונותיה נתמכה במוצב קבוע כך שניתן היה לסובב אותה ופונה אל הרוח. עבודות הטחנה כוסו במקור במבנה מסגרת עץ דמוי קופסה ובהמשך לעתים קרובות על ידי "בית עגול", שסיפק גם אחסון. גלגל בלם על הפיר אפשר לעצור את הטחנה על ידי בלם שפה. לאחר מכן היה צריך להרים מנוף כבד כדי לשחרר את הבלם, דוגמה מוקדמת למכשיר שאינו בטיחות. טחנות מסוג זה הופיעו לראשונה בצרפת בשנת 1180, באזורים בסוריה שנמצאים תחת שליטת הצלבנים בשנת 1190, ובאנגליה בשנת 1191. האיור המוקדם ביותר ידוע הוא ממספר טחנות הרוח שנעשה בקנטרברי, אנגליה, במחצית השנייה של המאה ה -13.

המאמץ הגדול שנדרש כדי להפוך פוסט-טחנה לרוח היה ככל הנראה אחראי לפיתוחה של מה שמכונה טחנת המגדל בצרפת כבר בראשית המאה ה -14. כאן, אבן הריחיים וההילוכים הוצבו במגדל קבוע מסיבי, לרוב מעגלי בחתך ובנוי מאבן או לבנה. היה צריך לסובב רק כובע עליון, העשוי בדרך כלל מעץ ונושא את המפרשים על צירו. טחנות משופרות כאלה התפשטו במהירות ברחבי אירופה ובהמשך הפכו לפופולריות בקרב מתיישבים אמריקאים הראשונים.

מדינות השפלה של אירופה, שלא היו לה נחלים מתאימים לכוח מים, ראו את ההתפתחות הגדולה ביותר של טחנות רוח. פוסט טחנות הולנדיות הולנדיות, שהומצאו בראשית המאה ה -15, השתמשו בהנעה הילוכים דו-שלבית עבור משאבות ניקוז. פיר זקוף עם הילוכים בחלקו התחתון והתחתון עבר דרך העמוד החלול כדי להסיע בכף דמוי גלגל ההנעה כדי להעלות מים. המנסרה הראשונה מונעת הרוח, שנבנתה בשנת 1592 בהולנד על ידי קורנליס קורנליז, הוצבה על רפסודה כדי לאפשר פנייה קלה לרוח.

בתחילה פנו שתי הרוחות לאחר הכפר וטפסות הטחנות המגדל באופן ידני לרוח. מאוחר יותר הוצבו עמדות קטנות סביב הטחנה כדי לאפשר כננת של הטחנה בשרשרת. בסופו של דבר הונחו כננות בתוך מכסי טחנות המגדל, עסקו במתלים מכוננים והופעלו מבפנים או מהקרקע באמצעות שרשרת העוברת מעל גלגל. לטחנות המגדל מוטה בדרך כלל מוט התמיכות או הזנב בין 5 ° ל- 15 מעלות האופק. זה עזר להתפלגות משקל המפרש העצום על נושאת הזנב וגם סיפק מרווח רב יותר בין המפרשים למבנה התמיכה. טחנות רוח התרחבו בהדרגה, עם מפרשים בקוטר של 17 עד 24 מטרים שכבר היו נפוצים במאה ה -16. חומר הבנייה, כולל כל ההילוכים, היה עץ, אם כי בסופו של דבר נכנסו פליז או אקדח לשימוש למסבים העיקריים. כונני ברזל יצוק הוצגו לראשונה בשנת 1754 על ידי ג'ון סמיטון, המהנדס האנגלי הנ"ל. מעט ידוע על הכוח המופק בפועל על ידי טחנות אלה. ככל הנראה פותחו רק בין 10 ל -15 כוחות סוס על גלגלי השחיקה. טחנת כוח של 50 סוסים לא נבנתה עד המאה ה -19. היעילות המקסימאלית של טחנות הולנדיות גדולות מוערכת בכ- 20 אחוזים.

בשנת 1745 המציא אדמונד לי מאנגליה את הקעקוע, טבעת של חמישה עד שמונה טנדרים שהוצבה מאחורי המפרשים בזווית ישרה אליהם. אלה חוברו על ידי הילוכים לגלגלים שרצים על מסילה סביב מכסה הטחנה. כאשר הרוח שינתה כיוון, היא פגעה בצידי הטנדרים, מייצבת אותם ובכך הפכה שוב את המפרשים הראשיים לרוח. מפרשי בד על עץ הוחלפו לעיתים במפרשי עץ מלאים עם קטעים נשלפים. למפרשים הקדומים הייתה זווית מתפתלת קבועה; מפרשי טוויסט משתנים הדומים למדחף מטוס מודרני פותחו הרבה יותר מאוחר.

בעיה מרכזית בכל טחנות הרוח הייתה הצורך לזרוע את המפרשים או לצמצם את שטח המפרש כך שאם הרוח תגבר פתאום במהלך סערה המפרשים לא יתלשו לגזרים. בשנת 1772 המציא אנדרו מייקל, מחפרן סקוטי, את מפרש המעיין, סידור תריס הדומה לעיוור ונציאני בו נשלטו המפרשים על ידי מעיין. כאשר לחץ הרוח עלה על כמות שנקבעה מראש, התריסים נפתחו כדי לאפשר לחלק מהרוח לעבור. בשנת 1789 הציג סטיבן הופר מאנגליה תריסי גלילה שיכולים להיות מותאמים בו זמנית עם שרשרת ידנית מהקרקע בזמן שהטחנה עובדת. זה שופר בשנת 1807 על ידי סר וויליאם קוביט, ששילב את התריסים של מייקל עם השלט הרחוק של הופר על ידי תליה של משקולות משתנות על שרשרת ההתאמה, ובכך הפך את השליטה אוטומטית. מפרשי פטנט כביכול, עם זאת, מצאו קבלה רק באנגליה ובצפון אירופה.

למרות שבוצעו שיפורים נוספים, בעיקר בבקרת מהירות, חשיבותן של טחנות הרוח כיצרנית חשמל עיקרית החלה לרדת לאחר 1784, כאשר טחנת הקמח הראשונה באנגליה החליפה בהצלחה מנוע קיטור עבור כוח הרוח. עם זאת, נפילת טחנות הרוח הייתה איטית; בפעם אחת במאה ה -19 היו עד 900 טחנות תירס וטחנות רוח ברובע זאן בהולנד, הריכוז הגבוה ביותר שנודע. טחנות רוח נמשכו לאורך כל המאה ה -19 באזורים שהושבו לאחרונה או פחות מתועשים, כגון מרכז ומערב ארצות הברית, קנדה, אוסטרליה וניו זילנד. הם נבנו גם על ידי מאות במערב הודו כדי לרסק קנה סוכר.

החריג העיקרי לנטישה מתמדת של טחנות רוח היה חידוש השימוש בהם באזורים כפריים לשאיבת מים מבארות. משאבת הרוח הראשונה הוצגה בארצות הברית על ידי דייוויד הלאי בשנת 1854. לאחר שאמריקאי אחר, סטיוארט פרי, החל לבנות משאבות רוח העשויות פלדה והצטיידו במובלי מתכת בשנת 1883, התקן חדש ופשוט זה התפשט ברחבי העולם.

משאבות מונעות רוח נותרות חשובות כיום באזורים כפריים רבים בעולם. הם המשיכו להשתמש בכמויות גדולות, אפילו בארצות הברית, הרבה אל תוך המאה ה -20, עד שהספק חשמלי בעלות נמוכה נעשה זמין באזורים כפריים. למרות שאינם יעילים למדי, הם מחוספסים ואמינים, זקוקים לתשומת לב מועטה ונשארים מקור עיקרי לשאיבת כמויות קטנות של מים בכל מקום בו חשמל אינו זמין מבחינה כלכלית.