風車

風車は、帆またはブレードと呼ばれる羽根を使用して風力を回転エネルギーに変換する構造であり、伝統的には特に穀物を挽くために使われていましたが（製粉所）、英語圏の一部では、この用語は風力ポンプ、風力タービン、およびその他の用途にも拡張されています。風力エンジンという用語は、このような装置を説明するために使用されることもあります。^{[1] [検証に失敗]}

風車は中世盛期から近世初期にかけて使用されていました。水平型またはパネモネ型風車は9世紀にペルシャで初めて登場し、垂直型風車は12世紀に北西ヨーロッパで初めて登場しました。 ^{[2] [3]}オランダ文化の象徴とみなされており、^[4]現在オランダには約1,000基の風車があります。^[5]

風力で動く機械はもっと前から知られていたかもしれないが、9世紀以前に風車があったという明確な証拠はない。 ^{[6] 1世紀の} ローマ帝国時代のエジプトのアレクサンドリアのヘロン（ヘロン）は、機械を動かすための風力で動く車輪と思われるものを記述している。 ^{[7] [8]}彼が記述した風力オルガンは実用的な風車ではなく、初期の風力で動く玩具か、風力で動く機械の設計コンセプトのいずれかであり、テキストには曖昧さがあり設計にも問題があるため、実際に機能する装置であったかどうかは不明である。^[9]風力で動く車輪の別の初期の例としては、祈りの車輪がある。これはチベットと中国で最初に使用されたと考えられているが、初登場の時期については不確かで、  400年頃、つまり7世紀^[10]か、9世紀以降である可能性がある。 ^[9]

記録に残る最も古い稼働中の風車の設計の1つは、紀元後700年から900年頃にペルシャで発明されたものです。^{[11] [12]}この設計はパネモネと呼ばれ、垂直の軽量木製帆が水平支柱で中央の垂直シャフトに取り付けられていました。当初は水を汲み上げるために建設されましたが、後に穀物を挽くためにも改造されました。^{[13] [14]}

最初の実用的な風車は、水平面内で垂直軸の周りを回転する帆を使用したパネモネ風車でした。葦のマットまたは布素材で覆われた6〜12枚の帆で作られたこれらの風車は、穀物を挽いたり水を汲み上げたりするために使用されました。 ^[15]中世の記録では、カリフとペルシャの建設奴隷との会話に基づいて、ラシドゥーン朝のカリフ、ウマル・イブン・アル・ハッタブ（在位 634〜644年）の治世中に風車技術がペルシャと中東で使用されていたと報告されています。 ^[16]カリフウマルに関する逸話の一部は、10世紀になって初めて記録されたため信憑性が疑問視されています。^[17]ペルシャの地理学者エスタクリは、 9世紀にはすでにホラーサーン（イラン東部とアフガニスタン西部）で風車が稼働していたと報告しています。^{[18] [19]} このような風車は中東や中央アジアで広く使用され、後にそこからヨーロッパ、中国、インドに広まりました。^[20] 11世紀までに、垂直軸風車はイベリア半島（アルアンダルス経由）やエーゲ海（バルカン半島）を含む南ヨーロッパの一部にまで到達しました。^[21]灌漑用に使用された長方形のブレードを備えた同様のタイプの水平風車は、13世紀の中国（北部の女真金王朝時代）でも見られ、 1219年にイェル・チュツァイがトルキスタンを旅したときにもたらされました。 ^[22]

垂直軸風車は、18世紀から19世紀にかけてヨーロッパで少数が建設された。^[15]例えば、ロンドンのバタシーにあるファウラーズミルや、ケントのマーゲートにあるフーパーズミルなどである。これらの近代初期の例は、中世の垂直軸風車から直接影響を受けたのではなく、18世紀の技術者による独自の発明であったと思われる。^[23]

水平軸風車または垂直風車（帆の動く面からこのように呼ばれる）は12世紀に発明され、北フランス、東イングランド、フランドルの三角地帯である北西ヨーロッパで最初に使用された。^[24] 垂直風車が前世紀にペルシャ・中東から南ヨーロッパに導入された水平風車の影響を受けたかどうかは不明である。^{[25] [26]}

北ヨーロッパにおける風車（垂直型だったと推定される）に関する最も古い確実な言及は、1185年に、ハンバー川河口を見下ろすウォルドの南端に位置していたヨークシャーの旧ウ​​ィードリー村でさかのぼる。^[27] 12世紀ヨーロッパの風車に関する文献もいくつか見つかっているが、年代ははっきりしていない。^{[28]これらの最古の風車は}穀物を挽く ために使われた。^[29]

現時点での証拠によると、ヨーロッパの風車の最も初期のタイプはポスト ミルであった。これは、風車の主要構造 (「本体」または「バック」) のバランスをとる大きな直立した支柱に由来する。このように本体を取り付けることで、風車は風向を向いて回転することができる。これは、風向が変化する北西ヨーロッパで風車を経済的に稼働させるために不可欠な要件である。本体にはすべての製粉機械が収納されている。最初のポスト ミルは沈下型で、支柱は土盛りに埋められて支えられていた。後に、架台と呼ばれる木製の支えが開発された。これは、架台を天候から守り、保管場所を提供するために、丸い家屋で覆われたり囲まれたりすることが多い。このタイプの風車は、19 世紀にもっと強力なタワー ミルやスモック ミルが取って代わるまで、ヨーロッパで最も一般的であった。^[30]

中空柱型風車は、風車本体が取り付けられている柱が中空になっており、駆動軸を収容できるようになっている。^[31] これにより、風車本体を風に向かって回転させながら、風車本体の下または外側の機械を駆動することが可能になる。オランダでは、15世紀初頭以降、スクープホイールを駆動する中空柱型風車が湿地の排水に使用されていた。^[32]

13 世紀末までに、風車本体全体ではなく、キャップのみが回転する石造のタワー ミルが導入されました。タワー ミルの普及は、より大きく安定した動力源を求める経済の発展とともに起こりましたが、タワー ミルは建設費が高額でした。柱式風車とは対照的に、タワー ミルはキャップのみを風上に向ければよいため、主構造をはるかに高くでき、帆を長くすることができ、風が弱いときでも有効な作業が可能になります。キャップは、キャップ内部のウインチまたはギア、または風車外部のテール ポールのウインチによって風上に向けることができます。キャップと帆を自動的に風上に向ける方法は、風車の後部で、帆に対して直角に取り付けられた小型の風車であるファンテイルを使用することです。これらは柱式風車のテール ポールにも取り付けられており、イギリス、旧大英帝国の英語圏の国、デンマーク、ドイツでは一般的ですが、他の地域ではまれです。地中海のいくつかの地域では、風向がほとんど変化しないため、固定キャップ付きのタワーミルが建設されました。^[要出典]

スモック製粉所は、タワー製粉所の後の発展型で、石造りの塔が「スモック」と呼ばれる木製の骨組みに置き換えられ、茅葺き、板張り、またはスレート、金属板、タール紙などの他の材料で覆われています。スモックは一般に八角形ですが、異なる数の辺を持つ例もあります。

スモック風車は、建設費が高く、湿った地面には設置できないというタワー型風車の限界を克服するために、17 世紀にオランダ人によって導入されました。スモック風車の下半分はレンガで作られ、上半分は木で作られ、傾斜したタワー形状により構造的な強度が増しました。これにより軽量になり、不安定な地面にも設置できるようになりました。

スモック風車の設計では、後ろに小さなタービンが取り付けられており、メインの風車が風の方向を向くようにしていました。^[33]

一般的な帆は、格子状の枠組みの上に帆布を張った構造である。製粉業者は、風や必要な動力に応じて、布の張る量を調整できる。中世の製粉所では、帆布は梯子状の帆の配置に巻き取られていた。その後の製粉所の帆には、格子状の枠組みの上に帆布を張った構造が採用されたが、寒冷地では、凍えるような寒さでも扱いやすい木製の板に置き換えられた。^[34]ジブセイルは地中海諸国でよく見られるもので、単純な三角形の布をスパーの周りに巻いたものである。^[35]

いずれの場合も、帆を調整するには風車を停止する必要があります。18 世紀後半から 19 世紀にかけてのイギリスの発明により、製粉業者が介入しなくても風速に合わせて自動的に調整される帆が生まれ、最終的には1807 年にウィリアム キュービットが特許取得の帆を発明しました。これらの帆では、布の代わりに連結されたシャッターの機構が使用されています。^{[引用が必要]}

フランスでは、ピエール＝テオフィル・ベルトンが、製粉業者が回転中にスラットを開くことができる機構で接続された縦方向の木製スラットからなるシステムを発明した。20世紀には、飛行機の開発による空気力学の知識の増加により、ドイツのエンジニアであるビラウと数人のオランダの製粉業者による効率のさらなる改善がもたらされた。^[要出典] 風車の大部分は4枚の帆を持っています。5枚、6枚、または8枚の帆を備えた多重帆の風車は、イギリス（特にリンカンシャー州とヨークシャー州内および周辺）、ドイツ、およびそれほど一般的ではないが他の場所で製造されました。^[要出典]初期の多重帆の風車は、スペイン、ポルトガル、ギリシャ、ルーマニアの一部、ブルガリア、およびロシアで発見されています。^[36]偶数の帆を持つ風車の利点は、損傷した帆と反対側の帆の両方を取り外すことで、損傷した帆でも風車を稼働させることができるため、風車のバランスが崩れない。^[要出典]

オランダでは、風車が動いていないときの風車の静止位置が、昔から合図として使われてきた。羽根が「+」のサイン（3-6-9-12時）で止まっている場合、風車は稼働している。羽根が「X」の構成で止まっている場合、風車は閉まっているか機能していない。風車の羽根がわずかに傾いている（一番上の羽根が1時の位置にある）のは、健康な赤ちゃんの誕生などの喜びの合図である。羽根が11-2-5-8時に傾いているのは、哀悼または警告の合図である。第二次世界大戦中のナチスの作戦中、ユダヤ人捜索などの地域への合図として使われた。オランダ全土で、2014年のマレーシア航空17便撃墜事件のオランダ人犠牲者を偲んで、風車が哀悼の位置に設置された。^[37]

風車内部の歯車は、帆の回転運動による動力を機械装置に伝える。帆は水平な風車軸に取り付けられている。風車軸は、すべて木製、木製で帆が取り付けられる棒の端が鋳鉄製、またはすべて鋳鉄製である。ブレーキホイールは、風車軸の前後のベアリングの間に取り付けられている。縁の外側にブレーキがあり、縁の側面に歯があり、垂直の直立軸の上端にあるウォーローと呼ばれる水平の歯車を駆動する。製粉所では、直立軸の下方にある大きな平歯車が、各石臼を駆動する軸上の 1 つ以上の石ナットを駆動する。柱式製粉所には、平歯車配置の代わりに、石ナットを直接駆動するヘッドホイールやテールホイールが付いている場合がある。追加の歯車が袋巻き上げ機などの機械を駆動する。風車が穀物の製粉以外の用途に使用される場合、機械は異なる。排水工場は、直立シャフトの下端にある別のギアホイールセットを使用して、スクープホイールまたはアルキメデスのねじを駆動します。製材所は、クランクシャフトを使用してのこぎりに往復運動を提供します。風車は、製紙工場、脱穀工場、油種子、羊毛、塗料、石製品の処理など、他の多くの産業プロセスの動力源として使用されてきました。 ^[38]

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  ビーブ風車の機械の等角図
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  ケント州メオファムのスモック工場の図
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  ポストミルの断面
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  アムステルダムのアドミラール製スモック風車の風車軸、ブレーキホイール、ブレーキブロック
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  パンティゴ風車の内部風景、イーストハンプトン、ニューヨーク、 アメリカ歴史的建造物調査
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  1793 年オランダの土地排水用スモック ミルの技術図面
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  1813年の技術図面

14世紀には、ヨーロッパで風車が普及した。1850年のピーク時には、風力で動く風車の総数は約20万基と推定されており、これは約50万基あった水車の半分近くに相当する。^[34]風車は、水が少なすぎる地域、冬に川が凍る地域、川の流れが遅すぎて必要な電力を供給できない平地などで使用された。^[34]産業革命の到来とともに、風と水の主要な産業エネルギー源としての重要性は低下し、最終的には蒸気（蒸気工場）と内燃機関に取って代わられたが、風車は19世紀後半まで大量に建設され続けた。最近では、風車は歴史的価値のために保存されており、古い機械が壊れやすく動かせない場合は静態展示品として保存される場合もあれば、完全に稼働する風車として保存される場合もある。^[39]

1850年頃のオランダでは1万基の風車が使用されていたが、^[40]そのうち約1,000基が今も残っている。そのほとんどはボランティアによって運営されているが、いくつかの製粉所は今も商業的に稼働している。排水工場の多くは、現代のポンプ場のバックアップとして設置されている。ザーン地区は、 18世紀末までに約600の風力産業が稼働していた世界初の工業化地域だったと言われている。^[40]経済変動と産業革命は、製粉所や排水工場よりもこれらの産業に大きな影響を与えたため、残っているのはごくわずかである。

17世紀にはケープ植民地に製粉所の建設が広まった。初期の塔型製粉所はケープ半島の強風に耐えられなかったため、1717年にヘーレン17世は耐久性のある製粉所を建設するために大工、石工、資材を派遣した。1718年に完成したこの製粉所はアウデ・モーレンとして知られるようになり、パインランズ駅とブラック川の間に位置していた。かなり前に取り壊されたが、その名前はパインランズの技術学校の名前として残っている。1863年までにケープタウンにはパーデンアイランドからモーブレーにかけて11の製粉所があった。^[41]

風力タービンは、特に電気を生成するために開発された風車のような構造です。これらは、風車の発展における次のステップと見ることができます。最初の風力タービンは、19世紀末までにスコットランドのジェームズ・ブライス（1887年）、^[42]オハイオ州クリーブランドのチャールズ・F・ブラッシュ（1887年 - 1888年）^{[43] [44]}、デンマークのポール・ラ・クール（1890年代）によって建設されました。1896年のラ・クールの風車は、後にアスコフ村の地域電力となりました。1908年までに、デンマークには5kWから25kWまでの72台の風力発電機がありました。1930年代までには、ジェイコブス・ウィンド、ウィンチャージャー、ミラー・エアライト、ユニバーサル・エアロエレクトリック、パリ・ダン、エアライン、ウィンパワーなどの企業によって風車が建設され、配電システムがまだ設置されていない米国の農場で電力を生成するために広く使用されるようになりました。ダンライト社はオーストラリアの同様の場所向けにタービンを製造した。^[要出典]

現代の水平軸実用規模風力発電機の先駆けとなったのは、ソ連のバラクラバで1931年から1942年まで稼働していた高さ30メートル（98フィート）の塔に設置された100kWの発電機であるWIME-3D、^{[45] 、米国バーモント}州キャッスルトンのグランパズ・ノブとして知られる山に1941年に建設された1.25MWのスミス・パトナム風力タービン、[ 46 ^]、そして1974年から1980年代半ばにかけて開発されたNASAの風力タービンである。これら13基の実験的な風力タービンの開発は、鋼管タワー、可変速発電機、複合ブレード材料、部分スパンピッチ制御、ならびに空力、構造、音響工学設計機能など、今日使用されている風力タービン設計技術の多くを開拓した。現代の風力発電産業は、1979年にデンマークのメーカーであるKuriant、 Vestas、Nordtank、Bonusが風力タービンを量産したことから始まりました。これらの初期のタービンは今日の基準では小型で、容量はそれぞれ20～30kWでした。それ以来、商用タービンのサイズは大幅に大きくなり、Enercon E-126は最大7MWを供給できるようになりました。また、風力タービンの生産は多くの国に拡大しました。^[要出典]

21世紀に入ると、エネルギー安全保障、地球温暖化、そして化石燃料の枯渇に対する懸念が高まり、あらゆる形態の再生可能エネルギーへの関心が高まりました。現在、世界中で何千基もの風力タービンが稼働しており、2018年時点での総定格容量は591GWに達しています。 ^[47]

風力タービンの効率を高め、エネルギー出力を増加させるために、タービンはより大型化され、より高い塔とより長いブレードを備え、洋上への設置が増えています。^{[48] [49]}こうした変更により出力は増加しますが、風車の構成部品にかかる力が大きくなり、結果として故障のリスクが高まります。塔が高くブレードが長くなると疲労が大きくなり、洋上風力発電所は風速が高いためより大きな力を受け、海水に近いため腐食が加速します。投資回収が可能なほど十分な耐用年数を確保するには、構成部品の材料を適切に選択する必要があります。

風力タービンのブレードは、ルート、スパー、空力フェアリング、サーフェシングの 4 つの主要要素で構成されています。フェアリングは 2 つのシェル (1 つは圧力側、もう 1 つは吸引側) で構成され、上部シェルと下部シェルを連結する 1 つ以上のウェブで接続されています。ウェブは、ブレードのスキン (サーフェシング) 内に囲まれたスパー ラミネートに接続され、ウェブとスパーのシステムが一緒になってフラップ方向の荷重に抵抗します。ブレードが受ける 2 つの異なる荷重タイプの 1 つであるフラップ方向の荷重は風圧によって発生し、エッジ方向の荷重 (2 つ目の荷重タイプ) は重力とトルク荷重によって発生します。前者の荷重により、ブレードの圧力側 (風上側) のスパー ラミネートに周期的な張力 - 張力荷重がかかり、ブレードの吸引側 (風下側) には周期的な圧縮 - 圧縮荷重がかかります。エッジワイズ曲げは前縁に引張荷重を、後縁に圧縮荷重をかける。桁で支えられていない、または前縁と後縁で積層されていないシェルの残りの部分は、弾性座屈を防ぐために複数の層からなるサンドイッチ構造として設計されている。^[50]

荷重によって決まる剛性、強度、靭性の要件を満たすことに加えて、ブレードは軽量である必要があり、ブレードの重量は半径の3乗に比例します。上記の基準に適合する材料を決定するために、ビームメリット指数と呼ばれるパラメータが定義されます。Mb = E^1/2 / rho、^[51]ここで、Eはヤング率、rhoは密度です。最適なブレード材料は、炭素繊維とガラス繊維強化ポリマー（CFRPとGFRP）です。現在、CFRPのメリット指数ははるかに高いにもかかわらず、GFRP材料はコストが低いために選択されています。^[52]

2017年にデンマークのヴィンデビー洋上風力発電所が閉鎖された際、33枚の風力タービンブレードから出た分解されないグラスファイバーの99%が、オールボー近郊のラエルプ管理埋立地で切断され、2020年には、環境に最も配慮していない廃棄物処理方法であるにもかかわらず、かなり大量のグラスファイバーとともに廃棄された。^[要出典]廃棄された風力タービンブレードは、デンマークやデンマークが生産した多くの風力タービンを輸出する国々で大きな廃棄物問題になると見込まれている。 ^{[53] [54] [55]}

「多くの翼が最終的に埋め立て地に捨てられる理由は、翼を互いに分離するのが非常に難しいためです。グラスファイバーをリサイクルしたいのであれば、分離する必要があります」と、南デンマーク大学（SDU）のイノベーションと技術予測の准教授であり、製品開発とイノベーションにおける土木工学の教育リーダーであるリュッケ・マルゴット・リカードは述べています。デンマークの廃棄物と資源の能力センターであるダコファによると、廃棄されたグラスファイバーの取り扱い方について、デンマークの廃棄物命令には具体的な規定はありません。^{[53] [56]}

複数のスクラップ業者がインゲニオーレンに対し、リサイクル施設に運ばれた後に粉砕された風力タービンブレード（翼）を取り扱ったことがあると語った。 ^[57]そのうちの1社はリサイクル会社HJハンセンで、同社の製品マネージャーによると、 2012年以降に受け取った翼の約半分をオールボーにあるリノ・ノルドの埋立地に運んだという。彼の推定によると、合計約1,000枚の翼がそこに運ばれ、現在同社が受け取った翼の最大99パーセントが埋立地に捨てられている。^[58]

2020年にLykke Margot Ricard ( SDU )が行った推計によると、1996年以降、デンマークでは少なくとも8,810トンの翼のスクラップが廃棄されており、今後さらに多くの風力タービンが寿命を迎えると、廃棄物問題は大幅に増加するだろう。SDUの講師の計算によると、デンマークの廃棄物部門は、今後20〜25年間で風力タービンブレードから46,400トンのガラス繊維を受け入れる必要がある。^[58]

同様に、デンマークのロラン島でも、2020年に風力タービンの廃棄物から生じた250トンのガラス繊維がロラン島中部のゲリンゲにある埋立地に流れ込んだ。^{[57] [59]}

アメリカ合衆国では、グラスファイバー製の古くなった風力タービンブレードは、それを受け入れる少数の埋立地に運ばれる（例：アイオワ州レイクミルズ、サウスダコタ州スーフォールズ、キャスパー）。^[60]

風力ポンプは、現在のアフガニスタン、イラン、パキスタンで、少なくとも9世紀から水を汲み上げるために使用されていました。^{[19]風力ポンプの使用は}イスラム世界に広まり、後に東アジア（中国）と南アジア（インド）に広がりました。^{[61]風車はその後、}中世後期以降、特にオランダとイギリスのイースト・アングリア地域で、農業や建築目的で土地を排水するためにヨーロッパで広く使用されました。

「アメリカン風車」または「風力エンジン」は、ダニエル・ハラデーによって1854年に発明され^[62]、主に井戸から水を汲み上げるのに使用されました。より大型のものは、木の鋸引き、干し草の切り刻み、穀物の殻むきと粉砕などの作業にも使用されました。^{[62]初期のカリフォルニアと他のいくつかの州では、風車は、手掘りの井戸と、}タンクハウスと呼ばれる木製の外壁で囲まれたセコイアのタンクを支える木製の給水塔を含む、自己完結型の家庭用給水システムの一部でした。19世紀後半には、鋼鉄のブレードとタワーが木造建築に取って代わりました。1930年のピーク時には、推定60万台が使用されていました。^{[63] US Wind Engine and Pump Company、Challenge Wind Mill and Feed Mill Company、Appleton Manufacturing Company、Star、} Eclipse、Fairbanks-Morse、Dempster Mill Manufacturing Company、Aermotorなどの企業が、北米と南米の主なサプライヤーになりました。これらの風力ポンプは、米国、カナダ、南アフリカ、オーストラリアの農場や牧場で広く使用されています。多数のブレードを備えているため、風が弱いときは大きなトルクでゆっくりと回転し、風が強いときは自動調整されます。タワー上部のギアボックスとクランクシャフトが回転運動を往復運動に変換し、ロッドを介して下のポンプ シリンダーに伝達します。このような工場は水を汲み上げ、飼料工場、製材所、農業機械に動力を与えました。

オーストラリアでは、トゥーンバのグリフィス兄弟が1876年からアメリカ式の風車を製造し、1903年からはサザンクロス風車という商標が使われていました。これらはグレートアーテジアン盆地の水を利用することで、オーストラリアの農村の象徴となりました。 ^[64]もう一つの有名なメーカーは、アデレード、パース、シドニーのメッターズ社です。

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• R. グレゴリー『英国の産業用風車』フィリモア、2005年
• ミシュマストネヒ、モスレム（2021）。 「ペルシャ風車の技術的遺産」。イラン：英国ペルシャ研究所ジャーナル。62 ：103–119。doi ： 10.1080 / 05786967.2021.1960885。S2CID  238712550。
• ヴォールズ、ヒュー・ペンブローク：「風車の起源に関する調査」、ニューコメン協会誌、第 11 巻 (1930–31)

Wikisource には、The New Student's Reference Work の記事「Windmill 」のテキストがあります。

ウィキメディア・コモンズには、風車に関連するメディアがあります。

• オーストラリアの地球科学、風力発電と風車
• 国際モリノロジー協会
• ウィンドミルワールドの風車
• ミルデータベース、ベルギーとオランダ 2009-11-19 にWayback Machineでアーカイブ
• イギリスの風車に関するジオグラフの記事と写真記録
• ミルズアーカイブ
• ケント大学の風車と水車のコレクション