풍차

Windmill
네덜란드 Kinderdijk 마을의 Kinderdijk 풍차UNESCOWold 유산입니다.

풍차는 돛이나 날개라고 불리는 베인을 통해 풍력회전 에너지로 변환하는 구조물이지만, 그 용어가 윈드펌프, 풍력 터빈 및 기타 용도로도 확장됩니다.이러한 장치를 설명하기 위해 [1]풍력 엔진이라는 용어가 사용되기도 한다.

풍차는 중세 시대근대 초기에 사용되었습니다; 수평 또는 파네모네 풍차는 9세기 대이란에서 처음 나타났고 수직 풍차는 12세기에 [2][3]북서유럽에서 처음 나타났습니다.네덜란드 [4]문화의 아이콘으로 여겨지는 오늘날 [5]네덜란드에는 약 1,000개의 풍차가 있습니다.

전주자

19세기 헤론의 풍력 기관 복원

풍력으로 움직이는 기계는 더 일찍 알려졌을지도 모르지만, 9세기 [6]이전에 풍차가 있었다는 명확한 증거는 없다.1세기 로마 이집트의 '알렉산드리아의 영웅'은 기계를 작동시키기 위해 바람으로 움직이는 [7][8]바퀴로 보이는 것을 묘사했다.풍력 기관에 대한 그의 설명은 실용적인 풍차가 아니라 초기의 풍력 장난감이거나 작동 장치가 아니었을 수 있는 풍력 기계의 설계 개념이었다. 텍스트에 모호성이 있고 [9]디자인에 문제가 있기 때문이다.바람으로 움직이는 바퀴의 또 다른 초기 예는 기도 바퀴로, 티벳과 중국에서 처음 사용되었다고 믿어진다. 비록 그것이 처음 등장한 날짜는 400년, 7세기 [10]또는 9세기 [9]이후일 수도 있지만.

발견된 가장 초기의 작동 풍차 디자인 중 하나는 서기 700~[11][12]900년경 페르시아에서 발명되었다.이 디자인은 중앙 수직 샤프트에 수평 스트럿으로 부착된 수직 경량 나무 돛을 가진 파네모네였다.그것은 처음에는 물을 퍼올리기 위해 만들어졌고, 이후 곡물을 갈기 위해 개조되었다.[13][14]

수평 풍차

최초의 실용적인 풍차인 페르시아 수평 풍차.
18세기 유럽의 수평 풍차인 켄트주 마가테 후퍼스 밀

최초의 실용적인 풍차는 수평면에서 수직축을 중심으로 회전하는 돛을 사용하는 파네모네 풍차였다.갈대 매트나 천으로 덮인 6개에서 12개의 돛으로 만들어진 이 풍차는 곡식을 빻거나 [15]물을 끌어올리는 데 사용되었다.중세의 한 설명에 따르면, 풍차 기술은 칼리프가 페르시아 건축 [16]노예와 나눈 대화를 바탕으로 라시둔 칼리프 우마르 이븐 알-카타브 r.(634–644)의 통치 기간 동안 중동에서 사용되었다고 한다.칼리프 우마르와 관련된 일화의 [17]진위 여부는 10세기에만 기록됐다는 점에서 의문이다.페르시아 지리학자 에스타크리는 9세기에 [18][19]호라산(이란 동부와 아프가니스탄 서부)에서 풍차가 운행되었다고 보고했다.이러한 풍차는 중동과 중앙아시아에서 널리 사용되었고,[20] 이후 유럽, 중국, 인도까지 확산되었다.11세기까지 수직축 풍차는 이베리아 반도([21]알안달루스를 경유)와 에게 를 포함한 남유럽의 일부에 도달했다.관개용으로 사용된 직사각형 을 가진 비슷한 형태의 수평 풍차는 1219년 [22]Yelu Chucai가 투르케스탄으로 여행하면서 소개된 13세기 중국(북쪽 여첸왕조)에서도 볼 수 있다.

수직축 풍차는 18세기와 19세기 [15]동안 유럽에서 소수로 건설되었습니다. 예를 들어 런던의 Battersea에 있는 Fowler's Mill과 켄트의 Margate에 있는 Hooper's Mill이 그것입니다.이러한 초기 현대의 예는 중세의 수직축 풍차의 직접적인 영향을 받은 것이 아니라 18세기 [23]기술자들에 의해 독립적으로 발명된 것으로 보인다.

수직 풍차

1987년 5월 핀란드 코트카의 풍차

수평축 또는 수직 풍차는 12세기의 발전으로, 북프랑스, 동부 잉글랜드,[24] 플랜더스의 삼각지대에서 북서유럽에서 처음 사용되었다.수직 풍차가 [25][26]전 세기에 남유럽에 수평 풍차가 도입되면서 영향을 받았는지는 불분명하다.

북유럽의 풍차에 대한 최초의 확실한 언급은 험버 [27]하구가 내려다보이는 월드의 남쪽 끝에 위치한 요크셔의 위들리 마을의 1185년부터이다.풍차에 관한 12세기 유럽의 자료들도 많이 발견되었다.[28]이 최초의 제분기는 곡물을 [29]빻는사용되었다.

포스트 밀

현재 유럽 풍차의 가장 초기 유형은 포스트 밀이었고, 이는 제분소의 주요 구조물('바디' 또는 '버크')이 균형을 이루는 커다란 직립 기둥 때문에 붙여진 이름이다.이러한 방식으로 차체를 장착함으로써, 풍향에 맞닿아 회전할 수 있습니다. 풍향은 가변적인 북서유럽에서 풍차가 경제적으로 작동하기 위한 필수 요건입니다.본체에는 모든 밀링 기계가 들어 있습니다.최초의 포스트밀은 움푹 패인 타입으로, 그 기둥을 지탱하기 위해 흙무덤에 묻었다.나중에, 나무 받침대라고 불리는 나무 받침대가 개발되었습니다.이것은 종종 거스러미를 날씨로부터 보호하고 저장 공간을 제공하기 위해 원형 주택으로 덮이거나 둘레에 둘러싸여 있었습니다.이런 종류의 풍차는 19세기까지 유럽에서 가장 흔했는데, 그 때 더 강력한 타워와 스모크 밀이 그것들을 [30]대체했다.

중공 포스트 밀

중공 포스트 밀에서 구동축을 [31]수용하기 위해 본체가 장착되는 포스트를 중공으로 파낸다.이를 통해 차체를 바람으로 회전시키면서 차체의 아래 또는 바깥쪽으로 기계를 구동할 수 있습니다.네덜란드는 14세기 이후 [32]습지의 물을 빼내기 위해 스쿱 휠을 구동하는 중공 기둥을 사용했다.

타워 밀

포르투갈 아조레스 제도의 풍차.
스페인 콘수에그라에 있는 타워 밀

13세기 말에는 방앗간 전체가 아닌 뚜껑만 회전하는 석조탑밀이 도입되었다.타워 밀의 확산은 건설 비용이 더 많이 들었지만 더 크고 안정적인 동력원을 필요로 하는 경제 성장과 함께 이루어졌습니다.포스트밀과 달리 타워밀의 캡만 바람으로 바꾸면 되기 때문에 메인 구조를 훨씬 높게 할 수 있어 돛을 길게 할 수 있어 바람이 약한 곳에서도 유용한 작업을 할 수 있다.캡은 윈치 또는 톱니바퀴를 통해 또는 제분기 외부의 테일 폴에 있는 윈치에서 바람에 날릴 수 있습니다.캡과 돛을 자동으로 바람에 맞도록 유지하는 방법은 풍차 뒤쪽에 돛과 직각으로 장착된 작은 풍차인 환타일을 사용하는 것이다.포스트 밀의 테일 폴에도 장착되며, 영국과 옛 대영제국, 덴마크, 독일 등 영어권 국가에서는 흔하지만 다른 곳에서는 드물다.지중해의 일부 지역에서는 바람의 방향이 [citation needed]거의 변하지 않았기 때문에 고정된 캡을 가진 타워밀이 지어졌다.

스목 밀

독일 글리시엘에 있는 무대가 있는 두 개의 스모크 공장

스모크 밀은 타워 밀의 후기 개발로, 석조탑은 "스모크"라고 불리는 나무 골조로 대체됩니다. 이 골조는 슬레이트, 판금 또는 타르 종이와 같은 다른 재료로 초가, 판자 또는 덮혀집니다.면의 수가 다른 예도 있지만, 스모크는 일반적으로 8각형 평면입니다.타워 밀보다 가벼운 무게로 인해 스모크 밀은 배수 제분소로 실용화되었으며, 종종 토양이 불안정한 지역에 건설되어야 했습니다.Smock 공장은 배수로 시작되었지만 다른 용도로도 사용됩니다.건축된 공간에서 사용할 경우, 종종 주변 [citation needed]건물 위로 올리기 위해 석조 기반 위에 놓입니다.

메카닉스

영국 요크의 5세일 홀게이트 풍차

일반적인 돛은 돛대가 펼쳐지는 격자 골조로 구성된다.밀러는 바람과 필요한 동력에 따라 천의 양을 조절할 수 있습니다.중세 방앗간에서 돛단 천은 사다리 형태의 돛을 감았다 뺐다 했다.이후 방앗간 돛은 돛대가 펼쳐지는 격자 틀이 있는 반면, 추운 기후에서는 천을 나무 널빤지로 대체했는데, 이는 얼어붙은 [33]환경에서 다루기가 더 쉬웠다.지브 돛은 지중해 국가에서 흔히 볼 수 있으며,[34] 스파르에 감긴 천으로 된 단순한 삼각형의 천으로 구성되어 있습니다.

어떤 경우에도 돛을 조정하기 위해 제분소를 정지해야 합니다.18세기 후반과 19세기 영국의 발명품들은 방앗간 주인이 개입할 필요 없이 자동으로 풍속에 적응하는 돛을 만들어냈고, 1807년 윌리엄 큐빗에 의해 발명된 특허 돛으로 끝이 났다.이러한 돛에서 천은 연결된 [citation needed]셔터의 메커니즘으로 대체됩니다.

프랑스에서, Pierre-Théophile Berton은 제분기가 돌아가는 동안 제분기를 열 수 있는 메커니즘으로 연결된 세로형 나무 널빤지로 구성된 시스템을 발명했습니다.20세기에 비행기의 개발로 공기역학에 대한 지식이 늘어남에 따라 독일 엔지니어 빌라우와 몇몇 네덜란드 제분소 [citation needed]작가들에 의해 효율성이 더욱 향상되었다.대부분의 풍차는 네 개의 돛을 가지고 있다.5개, 6개 또는 8개의 돛을 가진 여러 개의 돛이 달린 제분소는 영국(특히 링컨셔와 요크셔의 카운티와 그 주변)과 독일, 그리고 그 밖의 다른 곳에서 덜 흔하게 건설되었습니다.이전의 다중 방앗간은 스페인, 포르투갈, 그리스, 루마니아 일부, 불가리아 및 러시아에서 [35]발견됩니다.짝수 돛을 단 제분소는 파손된 돛과 반대쪽 돛을 모두 제거함으로써 [citation needed]제분소의 균형을 잃지 않고 주행할 수 있는 장점이 있다.

네덜란드에서는 오랫동안 돛의 정지 위치, 즉 제분소가 작동하지 않을 때 신호를 보내는 데 사용되어 왔다.'+' 표시(3-6-9-12시)로 블레이드를 멈추면 풍차가 영업합니다.블레이드가 "X" 구성으로 정지하면 풍차가 닫히거나 작동하지 않습니다.돛을 살짝 기울이면(윗날은 1시 방향) 건강한 아기의 탄생과 같은 기쁨이 느껴집니다.날이 11-2-5-8로 기울면 애도 또는 경고가 표시됩니다.그것은 유대인을 찾는 것과 같은 2차 세계대전의 나치 작전 동안 그 지역을 알리는 데 사용되었다.네덜란드 전역에서는 풍차가 2014년 말레이시아 항공 17편 [36]추락사고의 네덜란드 희생자들을 추모하기 위해 애도를 표했다.

기계

풍차 내부의 기어는 돛의 회전 운동에서 기계 장치로 동력을 전달한다.돛은 수평 풍축으로 운반됩니다.윈드샤프트는 전적으로 나무로 만들 수 있으며, 주철 폴 엔드가 있는 목재( 돛이 장착된 곳) 또는 전적으로 주철로 만들 수 있습니다.브레이크 휠은 프론트 베어링과 리어 베어링 사이의 윈드샤프트에 장착됩니다.그것은 수직 수직 샤프트의 상단 끝에 월러라고 불리는 수평 기어휠을 구동하는 림의 바깥쪽에 브레이크와 톱니가 있습니다.그리스트 제분소에서는 수직 축을 아래로 내려가는 거대한 스퍼 휠이 각 맷돌을 구동하는 축의 돌 너트를 하나 이상 구동합니다.포스트 밀에는 때때로 스퍼 기어 배열 대신 스톤 너트를 직접 구동하는 헤드 및/또는 테일 휠이 있습니다.추가 기어 휠은 백 호이스트 또는 기타 기계를 구동합니다.풍차를 밀링그레인 이외의 용도로 사용하는 경우에는 기계가 다릅니다.배수 밀은 수직 축의 하단 끝에 있는 다른 기어 휠 세트를 사용하여 스쿱 휠 또는 아르키메데스의 나사를 구동합니다.제재소는 톱에 왕복 운동을 제공하기 위해 크랭크축을 사용한다.풍차는 제지공장과 탈곡공장을 포함한 많은 다른 산업공정에 동력을 공급하고 기름 종자, 양털, 페인트, 돌 제품을 [37]가공하는 데 사용되어 왔다.

확산 및 감소

1815년 영국 웨일스에 있는 풍차.
풍차에 맞은 돈키호테(1863년 구스타브 도레 그림).

14세기에 풍차는 유럽에서 인기를 끌게 되었다; 풍력 발전소의 총 수는 1850년에 최고조에 달했을 때 약 20만 개로 추정되는데, 이는 약 50만 개의 [33]물레방아에 비하면 적은 것이다.풍차는 물이 너무 적은 지역과 겨울에 강이 얼고, 필요한 [33]전력을 공급하기엔 강의 흐름이 너무 느린 평지에 적용되었다.산업 혁명의 도래와 함께, 1차 산업 에너지원으로서의 바람과 물의 중요성은 감소하였고, 19세기 후반까지 풍차가 대량으로 건설되었지만, 결국 그것들은 증기(증기 공장)와 내연 기관으로 대체되었다.보다 최근에는 풍차가 역사적 가치를 위해 보존되고 있으며, 어떤 경우에는 고풍스러운 기계가 가동되기에는 너무 연약할 때 정적인 전시물로, 또 어떤 경우에는 완전히 작동하는 [38]제분소로 보존되고 있습니다.

1850년경에 네덜란드에서 사용되었던 10,000개의 풍차 중, 약 1,000개가 아직도 서 있다.[39]이들 대부분은 자원 봉사자들에 의해 운영되고 있지만, 일부 그리스트 공장은 여전히 상업적으로 운영되고 있다.많은 배수 공장들이 현대식 펌프장에 예비로 지정되었다.Zaan 지역은 [39]18세기 말까지 약 600개의 풍력 산업이 운영되는 세계 최초의 산업화된 지역으로 알려져 왔다.경제 변동과 산업 혁명은 곡물이나 배수 공장보다 이들 산업에 훨씬 더 큰 영향을 끼쳤기 때문에 극소수만이 남아 있다.

방앗간 건설은 17세기에 케이프 식민지로 확산되었다.초기 제분소는 케이프 반도의 갈림길에서 살아남지 못했기 때문에, 1717년 헤이렌 17세는 목수, 석공, 그리고 내구성이 강한 제분소를 건설하기 위해 재료를 보냈다.1718년에 완공된 이 공장은 Oude Molen으로 알려지게 되었고 Pinelands Station과 Black River 사이에 위치해 있었다.철거된 지 오래, 그 이름은 핀랜드에 있는 기술 학교의 이름으로 계속 남아 있다.1863년까지 케이프타운에는 파든 아일란드에서 모브레이까지 [40]연장된 11개의 제분소가 있었다.

풍력 터빈

중국 허베이성 장자커우에 있는 풍력 터빈 그룹
핀란드 하일루오토 주 후이쿠에 있는 풍력 터빈

풍력 터빈은 전기를 생산하기 위해 특별히 개발된 풍차 같은 구조이다.그것들은 풍차 개발의 다음 단계로 볼 수 있다.최초의 풍력 터빈은 19세기 말까지 스코틀랜드의 제임스 블라이스 교수(1887년)[41]의해 건설되었다. 오하이오 클리블랜드(1887–1888)[42][43]와 덴마크(1890년대)의 Poul la Cour.1896년부터 라쿠르의 방앗간은 나중에 아스코프 마을의 지역 발전소가 되었다.1908년까지 덴마크에는 5kW에서 25kW까지 72개의 풍력 발전기가 있었다.1930년대까지, 풍차는 제이콥스 윈드, 윈차저, 밀러 에어라이트, 유니버설 에어로 일렉트릭, 파리 던, 에어라인, 윈파워와 같은 회사에 의해 아직 분배 시스템이 설치되지 않은 미국의 농장에서 전기를 생산하는 데 널리 사용되었다.던라이트사는 호주의 [citation needed]유사한 장소에 터빈을 생산했다.

폭풍우 속 풍력 터빈 3개

현대 horizontal-axisutility-scale 풍력 발전기의 Forerunners이 WIME-3D 서비스에 발라 클라바 USSR에 1931년 1942년까지, 30-m(100-ft)에100-kW 발전기 tower,[44]은 Smith–Putnam 풍력 터빈 1941년에 산 할아버지의 놉 캐슬, 버몬트, 미국에서 1.25MW[45]의 사람들과 나사 풍력 발전기라고 알려진 것에 d.eveloped1974년부터 1980년대 중반까지요이 13개의 실험 풍력 터빈의 개발은 오늘날 사용되는 풍력 터빈 설계 기술의 선구자로 강철 튜브 타워, 가변 속도 발전기, 복합 블레이드 재료 및 부분 스팬 피치 제어뿐만 아니라 공기역학, 구조 및 음향 엔지니어링 설계 능력도 포함했습니다.현대 풍력 발전 산업은 1979년 덴마크 제조업체인 쿠리안트, 베스타스, 노드탱크, 보너스에 의한 풍력 터빈의 연속 생산으로 시작되었다.이러한 초기 터빈은 각각 20-30 kW의 용량으로 오늘날의 표준으로 볼 때 작았다.그 이후로 상업용 터빈의 크기가 크게 증가하여 Enercon E-126은 최대 7MW의 전력을 공급할 수 있으며, 풍력 터빈 생산은 많은 국가로 [citation needed]확대되었다.

21세기가 시작되면서 에너지 안보, 지구 온난화, 그리고 궁극적인 화석 연료 고갈에 대한 우려가 높아지면서 이용 가능한 모든 형태의 재생 에너지에 대한 관심이 확대되었다.전 세계적으로 수천 개의 풍력 터빈이 가동되고 있으며,[46] 2018년 현재 총 명판 용량은 591 GW이다.

자재

풍력 터빈을 보다 효율적으로 만들고 에너지 출력을 증가시키기 위해, 그것들은 더 높은 타워와 더 긴 블레이드로 더 크게 건설되고 있으며,[47][48] 점점 더 먼바다에 배치되고 있다.이러한 변화는 분명히 출력을 증가시키지만, 풍차의 구성 요소는 더 강한 힘에 노출되어 결과적으로 풍차의 고장 위험이 더 커집니다.높은 타워와 긴 블레이드는 높은 피로를 겪으며, 해상 풍력은 바닷물에 근접하여 풍속이 빨라지고 부식이 가속화되기 때문에 더 큰 힘을 받는다.투자수익률을 실현하기에 충분한 수명을 확보하기 위해서는 구성요소의 재료를 적절히 선택하는 것이 중요합니다.

풍력 터빈의 블레이드는 루트, 스파링, 공기역학 페어링 및 표면 처리의 4가지 주요 요소로 구성됩니다.페어링은 2개의 조개껍데기(압력측 1개, 흡입측 1개)로 구성되어 있으며, 상부와 하부를 연결하는 1개 이상의 거미줄로 연결되어 있다.거미줄은 날개 껍질(서핑)에 둘러싸인 스파 라미네이트에 연결되어 있으며, 함께 거미줄과 스파의 시스템이 플랩 방식의 부하에 저항합니다.블레이드가 받는 두 가지 하중 유형 중 하나인 플랩와이즈 하중은 풍압에 의해 발생하며 에지와이즈 하중은 중력 및 토크 하중에 의해 발생한다.전자의 하중은 블레이드의 압력(상풍) 측의 스파 라미네이트에 주기적인 장력-장력 하중을 가하는 반면, 블레이드의 흡입(하풍) 측에는 주기적인 압축-압축 하중을 가한다.에지별 벤딩은 선행 에지에 인장 부하를 가하고 후행 에지에 압축 부하를 가합니다.셸의 나머지 부분은 스파에 의해 지지되거나 선행 및 후행 가장자리에 적층되지 않으며 탄성 [49]좌굴을 방지하기 위해 여러 층으로 구성된 샌드위치 구조로 설계되어 있습니다.

하중에 의해 결정되는 강성, 강도 및 인성 요건을 충족할 뿐만 아니라 블레이드의 무게는 반지름의 세제곱에 따라 확장되기 때문에 블레이드는 경량이어야 합니다.어떤 재료가 상기 기준에 적합한지를 판단하기 위해 빔 메리트 지수(Mb = E^1/2 / rho)[50]로 알려진 파라미터를 정의합니다.여기서 E는 영률, rho는 밀도입니다.블레이드 설계에 가장 적합한 재료는 탄소 및 유리 섬유 강화 폴리머(CFRP, GFRP)입니다.현재 GFRP 폴리머는 비교적 저렴한 비용과 적당한 장점 때문에 이상적인 솔루션입니다.CFRP는 훨씬 더 큰 메리트를 가지고 있지만, 자주 사용되지 않기 때문에 훨씬 더 비쌉니다.[51]

윈드펌프

미국 사우스다코타에어모터 스타일 윈드펌프
서부 NSW의 윈드펌프입니다

윈드펌프는 적어도 9세기부터 현재의 아프가니스탄, 이란,[19] 파키스탄에서 물을 퍼 올리는 데 사용되었다.풍력 펌프의 사용은 이슬람 세계에 널리 퍼졌고 나중에 동아시아(중국)와 남아시아(인도)[52]로 확산되었다.풍차는 이후 중세 후반부터 유럽, 특히 네덜란드와 영국이스트 앵글리아 지역에서 농업이나 건축을 위해 땅의 물을 빼내기 위해 널리 사용되었다.

미국의 풍차, 즉 풍차는 1854년 다니엘[53] 할러데이에 의해 발명되었고 주로 우물에서 물을 끌어올리는 데 사용되었다.더 큰 버전은 또한 나무를 자르고, 건초를 자르고, 껍질을 벗기고 곡물을 [54]빻는 것과 같은 작업에 사용되었다.초기 캘리포니아와 다른 몇몇 주에서 풍차는 수공 우물과 탱크 하우스라고 알려진 나무 사이드로 둘러싸인 레드우드 탱크를 지탱하는 나무 워터 타워를 포함하는 자급식 가정용 물 시스템의 일부였다.19세기 후반에는 철제 칼날과 철탑이 목조 건축물을 대체했다.1930년에 최고조에 달했을 때, 약 60만 대가 [55]사용되었습니다.미국 풍력 엔진 및 펌프 회사, 챌린지 풍차와 피드 밀 회사, 애플튼 제조 회사, 스타, 이클립스, 페어뱅크스-모르스, 뎀프스터 제분 회사, 에어모터와 같은 기업들이 북미와 남미에서 주요 공급업체가 되었습니다.이 바람펌프는 미국, 캐나다, 남아프리카, 호주의 농장과 목장에서 널리 사용되고 있습니다.날개가 많기 때문에 바람이 약할 때는 상당한 토크로 천천히 회전하고 바람이 강할 때는 자동으로 조절됩니다.타워 기어박스 및 크랭크축은 로드를 통해 아래 펌프 실린더로 전달되는 왕복 스트로크로 회전 운동을 변환합니다.이러한 방앗간은 물과 동력 공급 장치, 제재소, 그리고 농기계를 펌핑했다.

호주에서, 투움바의 그리피스 브라더스는 1876년부터 미국식 풍차를 제조했고 1903년부터는 남십자 풍차라는 상호를 사용했다.이들은 대아르테시아 [56]분지의 물을 이용해 호주 농촌의 상징이 되었다.또 다른 유명한 제조사는 애들레이드, 퍼스, 시드니Metters Ltd.이다.

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추가 정보

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외부 링크