풍차

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배경

풍차는 조정 가능한 블레이드로 구성된 바퀴의 회전을 통해 바람을 사용 가능한 에너지로 변환하는 구조 또는 기계입니다. 전통적으로 풍차에서 생성된 에너지는 곡물을 가루로 만드는 데 사용되었습니다. 풍차는 숙련된 장인이 설계하며 수공구를 사용하여 현장에서 제작할 수 있습니다. 풍차는 수세기에 걸쳐 꾸준히 발전했으며 18세기에 유럽에서 가장 두각을 나타냈습니다. 그들은 19세기에 증기 동력이 이용되었을 때 발전 구조로 크게 대체되었습니다. 오늘날 풍차 기술은 르네상스를 경험하고 있으며 풍력 터빈은 미래에 화석 연료의 중요한 대안이 될 것을 약속합니다.

연혁

인간은 수세기 동안 기계에 동력을 공급하기 위해 바람을 사용해 왔습니다. 가장 초기에 사용된 것은 범선의 동력원으로 사용되어 물을 가로질러 추진했을 가능성이 큽니다. 사람들이 작업을 위해 특별히 풍차를 만든 정확한 날짜는 알려져 있지 않지만 최초의 기록된 풍차 디자인은 A.D. 경 페르시아에서 시작되었습니다. 500-900. 이 기계는 원래 물을 펌핑하는 데 사용되었으며 곡물을 갈기 위해 개조되었습니다. 그것은 수평 스트럿에 의해 수직 샤프트에 부착된 경량 목재 다발로 만든 수직 돛을 가지고 있었습니다. Panemone으로 알려진 디자인은 발명된 풍차 구조 중 가장 효율이 낮은 구조 중 하나입니다. 풍차는 2,000년 이상 전에 중국에서 사용되어 수직축 풍차의 실제 발상지라는 점에 유의해야 합니다. 그러나 중국에서 고고학자들이 발견한 가장 오래된 기록은 <작은> 서기 입니다. 1219.

풍차의 개념은 십자군 전쟁 이후 유럽으로 퍼졌습니다. A.D. 에 기록된 초기 유럽 디자인 1270년에는 세로축 대신 가로축이 있었습니다. 이러한 불일치의 원인은 알려져 있지 않지만 두 가지 요인의 결과일 가능성이 높습니다. 첫째, 유럽의 풍차는 수평축이 있는 물레방아를 본떠서 만든 것일 수 있습니다. 물레방아는 오래 전부터 유럽에서 알려져 있었습니다. 둘째, 수평축 설계가 더 효율적이고 더 잘 작동했습니다. 일반적으로 이러한 밀에는 중앙 기둥에 4개의 블레이드가 장착되어 있습니다. 그들은 중앙 샤프트의 수평 운동을 숫돌이나 바퀴의 수직 운동으로 변환한 톱니바퀴와 링 기어를 가지고 있었는데, 이 톱니바퀴는 물을 퍼내거나 곡물을 가는 데 사용됩니다.

유럽의 목공들은 수세기에 걸쳐 풍차 기술을 엄청나게 향상시켰습니다. 대부분의 혁신은 네덜란드와 영국에서 나왔습니다. 가장 중요한 개선 사항 중 하나는 타워 밀의 도입이었습니다. 이 디자인은 밀의 블레이드가 필요에 따라 바람 속으로 이동하고 본체가 영구적으로 제자리에 고정되도록 허용했습니다. 네덜란드인은 공장 운영자가 일하고 살 수 있는 다층 타워를 만들었습니다. 영국인들은 풍차를 더 효율적으로 만드는 많은 자동 제어 장치를 도입했습니다.

산업화 이전 시대에 풍차는 유럽의 전기 모터였습니다. 물 펌프 및 곡물 분쇄 외에도 제재소에 동력을 공급하고 향신료, 염료 및 담배를 가공하는 데 사용되었습니다. 그러나 19세기 동안 증기 동력의 발달과 풍차 동력의 불확실한 특성으로 인해 대형 풍차 구조의 사용이 꾸준히 감소했습니다. 오늘날에는 세계에 동력을 공급하던 풍차의 극히 일부만이 여전히 남아 있습니다.

더 큰 풍차는 버리고 작은 부채꼴 풍차가 번성했습니다. 이 풍차는 주로 농장에서 물을 퍼 올리는 데 사용되었습니다. 미국에서는 이러한 디자인이 19세기에 완성되었습니다. Halladay 풍차는 1854년에 소개되었고 Aermotor와 Dempster 디자인이 뒤를 이었습니다. 나중의 두 가지 디자인은 오늘날에도 여전히 사용됩니다. 실제로 1850년에서 1970년 사이에 미국에서 600만 개가 넘는 건물이 건설되었습니다.

디자인

풍차는 가로 축과 세로 축의 두 가지 클래스가 있습니다. 수직축 디자인은 풍차 개발 초기에 유행했습니다. 그러나 작동의 비효율성으로 인해 수많은 수평축 설계가 개발되었습니다.

수평축 버전에는 포스트 밀, 스목 밀, 타워 밀 및 팬 밀을 포함하여 다양한 버전이 있습니다. 초기 디자인은 포스트 밀입니다. 밀의 몸체가 균형을 이루는 크고 곧은 기둥에서 이름이 붙여졌습니다. 이 설계는 풍차가 부는 방향에 따라 가장 많은 바람을 잡을 수 있도록 회전할 수 있기 때문에 제분소 작업자에게 유연성을 제공합니다. 기둥을 안정적으로 유지하기 위해 기둥 주위에 지지 구조가 만들어집니다. 일반적으로 이 구조는 썩는 것을 방지하기 위해 벽돌이나 돌로 땅에서 들어 올립니다.

포스트 밀에는 중앙 포스트에 장착된 4개의 블레이드가 있습니다. 블레이드의 수평 샤프트는 큰 브레이크 휠에 연결됩니다. 브레이크 휠은 중앙의 수직 샤프트를 회전시키는 월로어라고 하는 기어 시스템과 상호 작용합니다. 이 동작은 물 펌핑이나 곡물 분쇄 활동에 동력을 공급하는 데 사용할 수 있습니다.

작업복 공장은 포스트 공장과 유사하지만 몇 가지 중요한 개선 사항이 포함되어 있습니다. 몸이 어렴풋이 드레스나 작업복처럼 보인다고 해서 붙여진 이름이다. 한 가지 장점은 밀의 상단만 움직일 수 있다는 사실입니다. 이를 통해 본체 구조는 더 영구적이고 나머지는 부는 방향에 관계없이 바람을 모으도록 조정될 수 있습니다. 움직이지 않기 때문에 본체를 더 크고 높게 만들 수 있습니다. 이것은 더 많은 장비를 공장에 보관할 수 있고 더 큰 돛을 사용하여 더 많은 바람을 모을 수 있음을 의미합니다. 대부분의 작업복 공장은 8면이지만 6면에서 12면까지 다양합니다.

타워 밀은 작업복 밀의 추가 개선 사항입니다. 그들은 회전하는 모자와 영구 몸체를 가지고 있지만 이 몸체는 벽돌이나 돌로 만들어졌습니다. 이 사실은 타워를 둥글게 만드는 것을 가능하게 합니다. 둥근 구조는 더 크고 더 높은 타워를 허용합니다. 또한 벽돌과 석재는 타워 풍차를 내후성 설계로 만듭니다.

이전의 풍차 디자인은 도시 전체에 서비스를 제공할 수 있는 더 큰 구조물을 위한 것이지만 팬 유형 풍차는 개인을 위해 특별히 제작되었습니다. 훨씬 작고 주로 물을 펌핑하는 데 사용됩니다. 고정 타워(마스트), 휠 및 테일 어셈블리(팬), 헤드 어셈블리 및 펌프로 구성됩니다. 돛대는 10-15피트(3-15m) 높이일 수 있습니다. 블레이드의 수는 4~20개이며 직경은 6~16피트(1.8~4.9m)입니다.

원자재

풍차는 다양한 재료로 만들 수 있습니다. 포스트 밀은 거의 전체가 나무로 만들어집니다. 팬 블레이드에는 발사나무와 같은 가벼운 목재가 사용되고 나머지 구조에는 더 강력하고 무거운 목재가 사용됩니다. 목재는 외부 환경으로부터 보호하기 위해 페인트 또는 수지로 코팅됩니다. 20세기 이전에 네덜란드인과 영국인이 건설한 작업복 및 타워 공장은 목재, 벽돌 및 석재를 포함하여 주택 건설에 사용된 것과 동일한 재료를 많이 사용합니다.

팬 형 밀의 본체는 아연 도금 강판으로 만들어집니다. 강철을 처리하는 이 과정을 통해 강철은 내후성 및 강성을 갖게 됩니다. 팬의 블레이드는 경량의 아연 도금 강철 또는 알루미늄으로 만들어집니다. 펌프는 동결을 억제하는 청동과 황동으로 만들어집니다. 가죽 또는 합성 폴리머는 와셔 및 O-링에 사용됩니다.

제조
프로세스

풍차는 항상 미리 만들어진 부품을 사용하여 현장에 세워집니다. 다음은 부채형 풍차에 대한 설명이다. 기본 1797년에 제작된 풍차의 예입니다. 단계에는 부품을 만든 다음 구조를 조립하는 단계가 포함됩니다.

타워 부품 만들기

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1 타워 부품은 아연 도금 강판으로 만들어집니다. 이 프로세스는 코일 판금 롤로 시작됩니다. 코일은 디 스풀링 장치에 올려져 생산 라인에 공급됩니다. 꼬임이나 비틀림을 제거하기 위해 교정기 아래에서 실행됩니다. 조각은 적절한 크기와 모양으로 절단됩니다. 어떤 경우에는 조각을 롤링하고 이음매를 용접하는 기계에 넣을 수 있습니다. 끝은 압착 기계 아래를 통과하고 조각은 마무리 스테이션으로 이동됩니다.

2 마무리 스테이션에서 풍차 설계에 필요한 특정 위치의 금속 부품에 구멍을 뚫습니다. 부품은 최종 풍차 키트에 배치되기 전에 도색되거나 코팅될 수도 있습니다.

기어박스 만들기

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3 기어박스는 다양한 기어, 차축, 로터 및 휠로 구성된 복잡한 어셈블리입니다. 부품은 다이캐스트되고 손으로 조립됩니다. 기어박스 부품과 부착된 휠 및 테일 어셈블리를 수용하도록 설계된 내후성 하우징에 장착됩니다.

팬 만들기

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4 팬은 약간 구부러진 블레이드가 부착된 금속 테두리로 구성됩니다. 림은 강철 스트립을 원형 고리로 굴리는 기계에서 생산됩니다. 양단에 구멍을 뚫고 팬 블레이드를 부착한 후 작은 클램프와 나사로 연결합니다. 그런 다음 센터 액슬을 림에 연결하고 작은 강철 스포크로 연결합니다. 일반적인 디자인에는 림을 따라 균일한 간격으로 부착된 5쌍의 스포크가 있습니다.

5 팬 블레이드와 꼬리는 판금 조각으로 절단됩니다. 그런 다음 블레이드는 약간의 곡선을 제공하는 기계를 통과합니다. 그들은 작은 볼트와 금속 클램프로 금속 테두리에 부착됩니다. 바람 조건에 따라 올리거나 내릴 수 있도록 부착되어 있습니다.

현대식 강철 풍차.

사이트 준비

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6 건설 현장을 찾고 준비하는 것은 풍차를 만드는 데 있어 중요한 단계입니다. 첫째, 최소 15mph(24km/hr)의 우세한 바람이 있는 지역이 필요합니다. 그런 다음 해당 지역에서 바람을 차단할 수 있는 나무와 기타 구조물을 제거해야 합니다. 어떤 경우에는 더 많은 바람을 잡기 위해 풍차를 표면에서 들어 올리기 위해 흙더미나 콘크리트 기초가 세워집니다.

최종 조립

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7 먼저 본체의 부품을 연결합니다. 그들은 지면에 함께 볼트로 고정된 다음 수직으로 들어 올립니다. 외부 극은 커넥팅 로드와 결합됩니다. 클램프는 안정성을 위해 각 조인트에 볼트로 고정됩니다. 타워를 올린 후에는 견고한 베이스에 느슨하게 볼트로 고정됩니다. 다음 스테이 와이어는 프레임에서 지면까지 연결되고 텐셔너와 그라운드 앵커에 부착됩니다. 구조가 수평이면 볼트가 조여지고 구조 무결성이 테스트됩니다. 어떤 경우에는 사다리가 프레임 디자인에 내장되어 상단의 팬에 접근할 수 있어 유지 관리가 더 쉽습니다.

8 다음으로 팬 휠, 기어박스 및 메인 샤프트를 부착합니다. 기어박스는 먼저 타워 상단에 고정되고 볼트로 고정됩니다. 그런 다음 메인 샤프트가 기어박스 바닥에 삽입됩니다. 다음으로 팬과 부착된 축이 기어박스에 연결됩니다. 마지막으로 테일 섹션이 기어박스에 부착됩니다. 그런 다음 펌프가 메인 샤프트에 연결되고 풍차가 작동합니다.

품질 관리

풍차의 각 부분이 설계 단계에서 제시된 사양을 충족하는지 확인하기 위해 다양한 테스트가 수행될 수 있습니다. 그 중 가장 기본적인 것은 간단한 육안 검사입니다. 이것들은 명백한 생산 결함의 대부분을 잡을 것입니다. 풍차는 손으로 세워지기 때문에 각 부품의 품질은 추가 육안 검사를 거칩니다. 풍차 건설에 들어가는 솜씨의 품질은 주로 완제품의 품질에 영향을 미칩니다. 작동 중에 효율성을 유지하려면 정기적인 유지 관리 점검이 필요합니다.

미래

풍차는 지난 백년 동안 거의 변하지 않았습니다. 사실, 1870년대에 고안된 하나의 기본 디자인이 오늘날에도 여전히 판매되고 있습니다. 주요 개선 사항은 건설에 사용되는 자재 유형에 있습니다. 이러한 추세는 향후 풍차 제품에서도 계속될 것입니다. 그러나 풍력 발전의 미래는 전통적인 풍차에 전혀 없습니다. 미국 정부는 발전용 풍력 터빈을 연구하고 개발하는 데 수백만 달러를 투자했습니다. 캘리포니아에서는 이미 수많은 풍력 발전 단지가 운영되고 있습니다. 다른 여러 주와 도시에서도 유사한 풍력 발전 단지를 만들 계획을 가지고 있습니다. 미래에는 풍력이 화석연료를 대체할 친환경적인 에너지가 될 것입니다.

자세히 알아보기

도서

베이커, T. 린제이. 북미 풍차 제조사 무역 문헌. 오클라호마 대학 출판부, 1998.

클레그, 앨런 존. 풍차. Horseshoe Publications, 1995.

Hills, Richard L. 바람의 힘:풍차 기술의 역사. 캠브리지 대학 출판부, 1994.

후커, 제레미. 풍차를 찬양합니다. Circle Press Pubns, 1990.

왓츠, 마틴. 수력 및 풍력. 샤이어 간행물, 2000.

페리 로마노프스키